Abstract Tuberculosis (TB) is the leading infectious cause of death among people living with HIV (PLHIV). PLHIV are more susceptible to contracting Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection and often have worsened TB disease. Understanding the immunologic defects caused by HIV and the consequences it has on Mtb co-infection is critical in combating this global health epidemic. We previously established a model of simian immunodeficiency virus (SIV) and Mtb co-infection in Mauritian cynomolgus macaques (MCM), and showed that SIV/ Mtb co-infected MCM had rapidly progressive TB. We hypothesized that pre-existing SIV infection impairs early T cell responses to Mtb infection. To test our hypothesis, we infected MCM with SIVmac239 intrarectally followed by co-infection with a low dose of Mtb Erdman 6 months later. SIV-naïve MCM were infected with Mtb alone as controls. Six weeks after Mtb infection, animals were necropsied and immune responses were measured by multiparameter flow cytometry. While the two groups exhibited similar TB progression at time of necropsy (Nx), longitudinal sampling of the blood (PBMC) and airways (BAL) revealed a significant reduction in circulating CD4+ T cells and an influx of CD8+ T cells in airways following Mtb co-infection of SIV+ animals. Differences in the activation markers CD69, PD-1, and TIGIT were observed. At sites of Mtb infection ( i.e. granulomas), SIV/ Mtb co-infected animals had a higher proportion of CD4+ and CD8+ T cells expressing PD-1 and TIGIT. In addition, there were fewer TNF-producing CD4+ and CD8+ T cells in granulomas and airways of SIV/ Mtb co-infected animals. Taken together, we show that concurrent SIV infection alters T cell phenotypes in granulomas during the early stages of TB disease. As it is critical to establish control of Mtb replication soon after infection, these phenotypic changes may distinguish the immune dysfunction that arises from pre-existing SIV infection which promotes TB progression. Author Summary People living with HIV are incredibly susceptible to TB and, when co-infected with Mtb , often develop serious TB disease. We do not yet understand precisely how HIV infection impairs the early stages of the adaptive immune response against Mtb bacilli. We employed a non-human primate model of HIV, using SIV as a surrogate for HIV, followed by Mtb co-infection to investigate the immunologic defects associated with pre-existing SIV infection over the first six weeks of Mtb co-infection. Our study focused on CD4+ and CD8+ T cells as these cells are known to play an important role in Mtb control. We found more CD8+ T cells in granulomas, the sites of Mtb infection, from SIV/ Mtb co-infected animals, with little difference in CD4+ T cells. SIV/ Mtb co-infected animals and animals infected with SIV alone had a higher proportion of both CD4+ and CD8+ T cells expressing activation markers compared to SIV-naïve animals, consistent with SIV-dependent immune activation. Notably, we observed a lower proportion of TNF-producing T cells, a cytokine critical for Mtb control, in granulomas and airways of SIV/ Mtb co-infected animals. Taken together, these data show that pre-existing SIV alters T cell phenotypes and reduces TNF responses early in Mtb infection.

Abstract Individuals infected with both HIV and Mycobacterium tuberculosis (Mtb) are more likely to develop severe Tuberculosis (TB) disease than HIV-naïve individuals. To understand how a chronic pre-existing Simian immunodeficiency virus (SIV) infection impairs the early immune response to Mtb, we used the Mauritian cynomolgus macaque (MCM) model of SIV/Mtb co-infection. We examined the relationship between peripheral viral control and Mtb burden, Mtb dissemination, and immunological function between SIV+ spontaneous controllers, SIV+ non-controllers, and SIV-naïve MCM who were challenged with a barcoded Mtb Erdman strain and necropsied six weeks post infection. Mycobacterial burden was highest in the SIV+ non-controllers in all assessed tissues. In lung granulomas, we found the frequency of CD4+ T cells producing TNFα was reduced in all SIV+ MCM, but CD4+ T cells producing IFNγ were only lower in the SIV+ non-controllers. Further, while all SIV+ MCM had more PD1+ and TIGIT+ T cells in the lung granulomas relative to SIV-naïve MCM, SIV+ controllers exhibited the highest frequency of cells expressing these markers. To measure the effect of SIV infection on within-host bacterial dissemination, we sequenced the molecular barcodes of Mtb present in each tissue and characterized the complexity of the Mtb populations. While Mtb population complexity was not associated with infection group, lymph nodes had increased complexity when compared to lung granulomas across all groups. These results provide evidence SIV+ animals, independent of viral control, exhibit dysregulated immune responses and enhanced dissemination of Mtb, likely contributing to the poor TB disease course across all SIV/Mtb co-infected animals. Importance HIV and TB remain significant global health issues, despite the availability of treatments. Individuals with HIV, including those who are virally suppressed, are at an increased risk to develop and succumb to severe TB disease when compared to HIV-naïve individuals. Our study aims to understand the relationship between SIV replication, mycobacterial growth, and immunological function in the tissues of co-infected Mauritian cynomolgus macaques during the early phase of Mtb infection. Here we demonstrate that increased viral replication is associated with increased bacterial burden in the tissues and impaired immunologic responses, and that the damage attributed to virus infection is not fully eliminated when animals spontaneously control virus replication.

Tuberculosis (TB), caused by Mycobacterium tuberculosis (M.tb), is the leading cause of death among HIV positive patients. The precise mechanisms by which HIV impairs host resistance to a subsequent M.tb infection are unknown. We modeled this co-infection in Mauritian cynomolgus macaques (MCM) using SIV as an HIV surrogate. We infected seven MCM with SIVmac239 intrarectally and six months later co-infected them via bronchoscope with ~10 CFU M.tb. Another eight MCM were infected with M.tb alone. TB progression was monitored by clinical parameters, by culturing bacilli in gastric and bronchoalveolar lavages, and by serial 18F-FDG PET/CT imaging. The eight MCM infected with M.tb alone displayed dichotomous susceptibility to TB, with four animals reaching humane endpoint within 13 weeks and four animals surviving >19 weeks post M.tb infection. In stark contrast, all seven SIV+ animals exhibited rapidly progressive TB following co-infection and all reached humane endpoint by 13 weeks. Serial PET/CT imaging confirmed dichotomous outcomes in MCM infected with M.tb alone and marked susceptibility to TB in all SIV+ MCM. Notably, imaging revealed a significant increase in TB granulomas between four and eight weeks post M.tb infection in SIV+, but not in SIV-naive MCM and implies that SIV impairs the ability of animals to contain M.tb dissemination. At necropsy, animals with pre-existing SIV infection had more extrapulmonary TB disease, more overall pathology, and increased bacterial loads than animals infected with M.tb alone. We thus developed a tractable MCM model in which to study SIV-M.tb co-infection and demonstrate that pre-existing SIV dramatically diminishes the ability to control M.tb co-infection.

Abstract Children living with HIV have a higher risk of developing tuberculosis (TB), a disease caused by the bacterium Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Gamma delta (γδ) T cells in the context of HIV/Mtb coinfection have been understudied in children, despite in vitro evidence suggesting γδ T cells assist with Mtb control. We investigated whether boosting a specific subset of γδ T cells, phosphoantigen-reactive Vγ9+Vδ2+ cells, could improve TB outcome using a nonhuman primate model of pediatric HIV/Mtb coinfection. Juvenile Mauritian cynomolgus macaques (MCM), equivalent to 4–8-year-old children, were infected intravenously (i.v.) with SIV. After 6 months, MCM were coinfected with a low dose of Mtb and then randomized to receive zoledronate (ZOL), a drug that increases phosphoantigen levels, (n=5; i.v.) at 3- and 17-days after Mtb accompanied by recombinant human IL-2 (s.c.) for 5 days following each ZOL injection. A similarly coinfected MCM group (n=5) was injected with saline as a control. Vγ9+Vδ2+ γδ T cell frequencies spiked in the blood, but not airways, of ZOL+IL-2-treated MCM following the first dose, however, were refractory to the second dose. At necropsy eight weeks after Mtb, ZOL+IL-2 treatment did not reduce pathology or bacterial burden. γδ T cell subset frequencies in granulomas did not differ between treatment groups. These data show that transiently boosting peripheral γδ T cells with ZOL+IL-2 soon after Mtb coinfection of SIV-infected MCM did not improve Mtb host defense.

Abstract Tuberculosis (TB), caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), is one of the leading causes of death due to an infectious agent. Coinfection with HIV exacerbates Mtb infection outcomes in people living with HIV (PLWH). Bacillus Calmette-Guérin (BCG), the only approved TB vaccine, is effective in infants, but its efficacy in adolescents and adults is limited. Here, we investigated the immune responses elicited by BCG administered via intravenous (IV) or intradermal (ID) routes in Simian Immunodeficiency Virus (SIV)-infected Mauritian cynomolgus macaques (MCM) without the confounding effects of Mtb challenge. We assessed the impact of vaccination on T cell responses in the airway, blood, and tissues (lung, thoracic lymph nodes, and spleen), as well as the expression of cytokines, cytotoxic molecules, and key transcription factors. Our results showed that IV BCG induces a robust and sustained immune response, including tissue-resident memory T (T RM ) cells in lungs, polyfunctional CD4+ and CD8αβ+ T cells expressing multiple cytokines, and CD8αβ+ T cells and NK cells expressing cytotoxic effectors in airways. We also detected higher levels of mycobacteria-specific IgG and IgM in the airways of IV BCG-vaccinated MCM. Although IV BCG vaccination resulted in an influx of T RM cells in lungs of MCM with controlled SIV replication, MCM with high plasma SIV RNA (>10 5 copies/mL) typically displayed reduced T cell responses, suggesting that uncontrolled SIV or HIV replication would have a detrimental effect on IV BCG-induced protection against Mtb.

Abstract Pre-existing HIV infection increases tuberculosis (TB) risk in children. Antiretroviral therapy (ART) reduces, but does not abolish, this risk in children with HIV. The immunologic mechanisms involved in TB progression in both HIV-naïve and HIV-infected children have not been explored. Much of our current understanding is based on human studies in adults and adult animal models. In this study, we sought to model childhood HIV/ Mycobacterium tuberculosis (Mtb) coinfection in the setting of ART and characterize T cells during TB progression. Macaques equivalent to 4-8 year-old children were intravenously infected with SIVmac239M, treated with ART three months later, and coinfected with Mtb three months after initiating ART. SIV-naïve macaques were similarly infected with Mtb alone. TB pathology and total Mtb burden did not differ between SIV-infected, ART-treated and SIV-naïve macaques, although lung Mtb burden was lower in SIV-infected, ART-treated macaques. No major differences in frequencies of CD4+ and CD8+ T cells and unconventional T cell subsets (Vγ9+ γδ T cells, MAIT cells, and NKT cells) in airways were observed between SIV-infected, ART-treated and SIV-naïve macaques over the course of Mtb infection, with the exception of CCR5+ CD4+ and CD8+ T cells which were slightly lower. CD4+ and CD8+ T cell frequencies did not differ in the lung granulomas obtained at necropsy, nor did they differ in the frequency of immune checkpoint and proliferative markers. Thus, ART treatment of juvenile macaques, three months after SIV infection, resulted in similar progression of Mtb and T cell responses compared to Mtb in SIV-naïve macaques.