Influence of the variability of Mycobacterium tuberculosis strains on the host immune response

Abstract

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), one of the most successful human pathogens in the world, is initially sensed in the lung by pathogen recognition receptors such as TLRs, localized in macrophages, dendritic cells, and monocytes recruited from the bloodstream. This recognition via TLRs initiates a signal transduction pathway in the host cell that culminates with the induction of cytokines and chemokines that are critical for initiation of the innate immune response and the subsequent activation of adaptive immune defence against the pathogen. TLR2, TLR4 and TLR9 have been implicated as the main TLRs in the recognition of Mtb. However, the specific role of these receptors during Mtb infection remains unclear despite several studies that have been done. These studies have shown conflicting results regarding the role of individual TLRs or even in their cooperative work. One of the most important and intriguing characteristics of tuberculosis (TB) is the wide spectrum of the disease. After infection the variety of possible outcomes is undetermined and seems to depend on the particular genetic interplay between host and pathogen. Individual characteristics of each one could influence in a positive or negative way the final result of the infection. The variability in the immune response induced by different strains of Mtb, the distinct interaction with innate immune cells and their heterogeneous responses are other related issues, which could also impact the pathogenesis of the infection. This work was focused on understanding the molecular bases that determine the heterogeneity of the immune response induced by different strains of Mtb and to provide new insights on how the Mtb/host interaction can impact the immune response and pathogenesis. To achieve this, we selected Beijing (Bj) strains, a group of conserved genotypes of Mtb strains, included in the East- Asian lineage which have been associated with multidrug resistance and have been suggested to be more virulent and to elicit non-protective immune responses.Initially we confirmed the wide heterogeneity of the immune response induced by a panel of Bj strains using an in vitro model. We also hypothesized that TLRs may play an important role in the process. Using Mtb Bj strains and a mice model of infection we showed a differential recognition by the host to strains that belong to the same phylogenetic family. Depending on the infecting strain, recognition can occur preferentially via either TLR2 or TLR4, with a differential impact on the progression and outcome of the infection. Moreover, we showed that TLR4 has a critical role in the recognition of certain strains, namely 02-171 Bj strain. Our analysis showed a strong dependency on TLR4 recognition, inducing a particularly robust profile of cytokines in vitro and in vivo, with a prominent induction of IFN-β, which was not observed in strains preferentially recognized by TLR2. Moreover, in the absence of TLR4 we observed a higher bacterial burden in the lungs of mice infected with the 02-171 Bj strain as well a notable decrease of almost all measured cytokines, supporting a protective role for TLR4. Subsequently, differential activation of TLR by Mtb Bj strains has impact in the induction of molecules related with microbicidal activity such as a NO and LRG-47. An important differential role of TLR4 was detected during activation of these microbicidal mechanisms in macrophages. Importantly, this differential recognition was observed also in strains that belong to other phylogenetic families. Altogether, data presented throughout this work provide relevant input to better understand the molecular basis of the host immune innate cells during infection with Mtb strains, particularly how the Mtb/host interaction can impact on the heterogeneity of pathogenesis of TB.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), um dos agentes patogénicos com maior impacto em humanos, é inicialmente detectado nos pulmões por receptores específicos, como TLRs, localizados em macrófagos, células dendríticas e monócitos recrutados da corrente sanguínea. O reconhecimento via TLRs inicia uma via de transdução de sinal intracelular na célula hospedeira que conduz a uma indução da produção de citocinas e quimiocinas, moléculas cruciais para iniciar a resposta imune inata e subsequente ativação da resposta imune adaptativa contra o agente infeccioso. Dentro dos TLRs, TLR2, TLR4 e TLR9 são moléculas chave no reconhecimento de Mtb. No entanto, o papel específico desses receptores durante a infecção por Mtb permanece incerto uma vez que estudos recentes têm presentado resultados contraditórios, quer sobre o papel individual destes TLRs quer sobre a sua ação conjunta durante a infecção. Uma das características mais importantes e mais intrigantes da tuberculose (TB) é o amplo espectro da doença. De facto, após a infecção a grande diversidade de presentação de TB parece estar ligado à interação específica entre o hospedeiro e Mtb, sendo que características individuais podem influenciar de forma positiva ou negativa o resultado final da infecção. A variabilidade na resposta imune induzida por diferentes estirpes de Mtb, a interação com diferentes células imunes inatas e as suas respostas heterogéneas são outros factos que podem influenciar o processo patogénico. O objetivo deste trabalho era estudar as bases moleculares que determinam a heterogeneidade da resposta imune induzida por diferentes estirpes de Mtb e, assim, elevar o nível de conhecimento sobre a interação Mtb/hospedeiro e o impacto que esta relação tem sobre a resposta imune e a patogénese. De modo a atingir este objetivo, foram selecionada estirpes Beijing (Bj), um grupo de genótipos conservados de estirpes de Mtb que pertencem à linhagem Este-Asiática e foram previamente associados a fenómenos de multirresistência, virulência aumentada e induzir respostas imunes não protetoras. Os resultados iniciais, utilizando um modelo in vitro de infeção, confirmaram a grande heterogeneidade da resposta imune induzida por diferentes estirpes Bj. Adicionalmente, colocamos a hipótese de que os TLRs poderiam despenhar um papel importante durante este processo. Utilizando um modelo animal de infeção, verificámos a existência de um reconhecimento diferencial pelo hospedeiro a estirpes que pertencem à mesma família filogenética. De facto, dependendo da estirpe o reconhecimento pode ocorrer preferencialmente via TLR2 ou TLR4 com um impacto diferente na progressão e resultado final da infeção. Adicionalmente, demonstrámos que TLR4 tem um papel crucial no reconhecimento de estirpes específicas, nomeadamente a estirpe Bj 02-171. A nossa análise revelou uma forte dependência no reconhecimento via TLR4, induzindo um perfil de produção de citocinas, tanto in vitro como in vivo, com particular relevo para a produção de IFN-β, um fenómeno não observado em infeções por estirpes preferencialmente reconhecidas por TLR2. Além disso, observámos, na ausência de TLR4, uma maior carga bacteriana nos pulmões de ratinhos infectados com a estirpe 02-171 Bj assim como uma diminuição acentuada dos níveis de citocinas medidos, sugerindo um papel protetor para TLR4 durante a infeção. A ativação diferencial de TLR por estirpes Mtb Bj também tem um impacto na indução de produção moléculas com atividade microbicida como NO e LRG-47. De facto, foi detectado um papel diferencial de TLR4 durante a ativação destes mecanismos microbicidas em macrófagos, facto também observado em estirpes que pertencem a outras famílias filogenéticas. Ao longo deste trabalho foram presentados dados importantes que contribuem para compreender melhor as bases moleculares da resposta imune inata a infeções com Mtb, particularmente no que diz respeito à interação Mtb/hospedeiro o seu impacto na heterogeneidade da patogénese de TB.