Study of Pulmonary and Systemic Markers for the Characterization of the Immune Response against Mycobacterium tuberculosis in mouse and human

Abstract

La tuberculosi (TB) és una de les principals causes de mort infecciosa a tot el món. Si volem millorar els esforços diagnòstics i terapèutics actuals, és indispensable adquirir un coneixement més profund de la complexa resposta immune contra l'agent causant, Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Aquesta tesi investiga la presència de biomarcadors de protecció i malaltia en mostres de sang perifèrica i de pulmó, analitzant els canvis en l'expressió de marcadors de superfície cel·lulars o en la presència de certes poblacions cel·lulars de la resposta immune contra Mtb. En aquest treball es combinen projectes que analitzen dades de mostres humanes i de ratolins. Les mostres de sang humanes van ser recollides de participants amb infecció latent o malaltia de TB a l'inici i al final del tractament. Mitjançant citometria de flux convencional, es va estudiar l'expressió de biomarcadors de maduració i activació immune en limfòcits després de la reexposició a l'antigen micobacterià. Els nostres resultats demostren que els nivells d'expressió d'aquests biomarcadors són capaços de caracteritzar la infecció latent per TB (LTBI) i la malaltia de TB, i es correlacionen amb l'èxit del tractament, confirmant el gran potencial de l'assaig com a biomarcador de TB.

D'altra banda, les mostres de pulmó i sang d'un model de ratolí C57BL/6J infectat aerogènicament amb una dosi baixa de Mtb, ens han donat l'oportunitat d'estudiar el perfil immunològic de forma exhaustiva de la resposta immune local i sistèmica mitjançant citometria espectral. Les nostres dades mostren una acumulació d'un subgrup protector de cèl·lules, les cèl·lules residents de memòria tissular, al parènquima pulmonar, juntament amb cèl·lules CD4 Th i altres tipus cel·lulars vinculats a perfils inflamatoris reduïts. A més, els anàlisis multiparamètrics no supervisats destaquen la compartimentalització de la resposta immune després de la vacunació amb BCG, desencadenant una activitat proinflamatòria Th17 a la sang i una resposta més moderada de cèl·lules T amb un augment de cèl·lules B activades al pulmó. Estratègies alternatives de vacunació amb BCG, com l'exposició al fluid alveolar dels humans, han millorat encara més alguns dels mecanismes immunitaris desencadenats per la vacunació amb BCG.

Aquesta tesi també inclou un capítol dedicat a la caracterització del sistema immune en condicions fisiològiques d'un nou model de ratolí, el Collaborative Cross (CC), que permet estudiar la contribució genètica de cada soca de ratolí a la susceptibilitat a Mtb i als mecanismes de protecció de la BCG, revelant la seva alta heterogeneïtat i la seva presència generalment menor de poblacions de cèl·lules immunes madures i actives en comparació amb la soca de referència, C57BL/6J. Aquests resultats subratllen el potencial dels ratolins CC per abordar la resistència a la malaltia i l'eficàcia de la vacuna en futurs estudis sobre TB explorant una selecció de soques CC d'interès. Els estudis descrits en aquesta tesi ajuden a millorar els camps de diagnòstic i la immunologia de la TB.

La tuberculosis (TB) es una de las principales causas de muerte a nivel mundial por infección por un único patógeno. Tener mayor conocimiento sobre la respuesta inmune que provoca el agente etiológico de la enfermedad, Mycobacterium tuberculosis (Mtb), es necesario para mejorar el diagnóstico y la terapia para la tuberculosis. Esta tesis explora la presencia de biomarcadores protección y enfermedad en muestras de sangre periférica y pulmón, investigando cambios en la expresión de biomarcadores celulares o en la presencia de ciertas poblaciones celulares típicas de la respuesta inmune contra Mtb. En este trabajo se combinan proyectos que analizan datos de muestras humanas y de ratón. Las muestras de sangre humana, provenientes de individuos con infección latente o enfermedad tuberculosa al inicio y al final del tratamiento, nos permitieron estudiar mediante citometría de flujo convencional la expresión de biomarcadores de maduración y activación celular en linfocitos tras su re-exposición a antígenos micobacterianos. Nuestros resultados demuestran que los niveles de expresión de estos biomarcadores son capaces de caracterizar la infección latente por tuberculosis (LTBI) y la enfermedad tuberculosa, y se correlacionan con el éxito del tratamiento, confirmando su gran como biomarcador de la TB.

Por otro lado, las muestras de tejido pulmonar y sangre de ratones C57BL/6J infectados por exposición inhalatoria con Mtb nos brindaron la oportunidad de realizar un perfil inmunológico profundo de la respuesta inmune local y sistémica mediante citometría espectral. Nuestros datos muestran una acumulación de un subconjunto protector de células, las células de memoria residentes en tejidos, en el parénquima pulmonar, junto con células Th CD4 y otros tipos celulares vinculados a perfiles inflamatorios reducidos. Además, los análisis multiparamétricos no supervisados destacan la alta compartimentalización de la respuesta inmune después de la vacunación con BCG, desencadenando actividad proinflamatoria de células Th17 en sangre y una respuesta de células T más moderada, con un aumento de células B activadas, en el pulmón. Estrategias alternativas de vacunación con BCG, como la exposición al líquido alveolar humano, potenciaron aún más algunos de los mecanismos inmunitarios inducidos por la vacunación con BCG.

Esta tesis también incluye un capítulo dedicado a la caracterización del sistema inmunológico en condiciones fisiológicas de un nuevo modelo murino, el Collaborative Cross (CC), que permite estudiar las contribuciones genéticas a la susceptibilidad a Mtb y los mecanismos de protección de la vacuna BCG, revelando su alta heterogeneidad y una presencia generalmente menor de poblaciones de células inmunes maduras y activas en comparación con los ratones C57BL/6J. Estos hallazgos subrayan el potencial de los ratones CC para abordar la resistencia a enfermedades y la eficacia de las vacunas en estudios futuros de TB, explorando una selección de cepas CC de interés. Los estudios descritos en esta tesis contribuyen a cerrar la brecha en el campo del diagnóstico y la inmunología de la TB.

Tuberculosis (TB) is one of the leading causes of infectious death worldwide, and a deeper knowledge in the intricate immune response against the causative agent, Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is necessary if we want to improve current diagnostic and therapeutic efforts. This thesis investigates the presence of biomarkers of protection and disease in peripheral blood and lung samples, looking into changes on the expression of cell surface markers or on the presence of certain cell populations from the immune response against Mtb. In this work we combine projects that analyze data from human and mouse samples. The human blood samples, collected from participants with latent infection or TB disease at the beginning and end of treatment, allowed us study via conventional flow cytometry the expression of immune cell maturation and activation biomarkers on lymphocytes after mycobacterial antigen re-exposure. Our results demonstrate that the levels of expression from these biomarkers are able to characterize LTBI and TB disease and correlate with treatment success, confirming the great potential of the assay as a TB biomarker.

On the other hand, murine lung and blood tissue from a C57BL/6J mouse model that was aerogenically infected with a low dose of Mtb, gave us the opportunity to perform a deep immune profiling of the local and systemic immune response via spectral cytometry. Our data shows an accumulation of a protective subset of cells, the tissue resident memory cells, in the lung parenchyma, together with Th CD4 cells and other cell types linked to reduced inflammatory profiles. Additionally, unsupervised multiparametric analyses highlights how highly compartmentalized the immune response is after BCG vaccination, triggering pro-inflammatory Th17 activity in the blood and a more moderate T cell response with increase in activated B cells in the lung. Alternative strategies of BCG vaccination, such as exposing it to the Alveolar Lining Fluid of the humans, further enhanced some of the immune mechanisms elicited by BCG vaccination.

This thesis also includes a chapter revolving on the characterization of the immune system at physiological conditions of a novel mouse model, the Collaborative Cross (CC), that allows to study the genetic contributions to Mtb susceptibility and BCG protection mechanisms, revealing their high heterogeneity and their generally lower presence of mature and active immune cell populations compared to C57BL/6J. These findings underscore the potential of CC mice for addressing disease resistance and vaccine efficacy in future TB studies exploring a selection of CC strains of interest. The studies described in this thesis help close the gap in the field of TB diagnostics and immunology.