Characterizing the initial cellular and molecular events of the protective immune response to Mycobacterium tuberculosis

Abstract

Tuberculosis (TB) is an aerosol-transmitted disease caused by Mycobacterium tuberculosis. Infections by M. tuberculosis are initiated with the deposition of the bacteria in the lower airways, where alveolar macrophages are thought to be the first cells to recognize and engulf the bacteria. Nonetheless, it is only after the onset of the acquired immune response, mediated by IFN-ɀ-producing CD4+ T cells, that bacterial growth is controlled. Although the importance of CD4+ T cells is recognized, both susceptible and resistant individuals mount these responses. This observation has prompted the discovery of several CD4+ T cell populations with distinct phenotypes, locations within the lung, and capacity to induce control of bacterial proliferation. As the alveolar lumen is where host cells and bacteria interact for the first time, the expression of T-cell mediated immunity and bacterial control in this location has been overlooked. For this reason, we sought to determine whether CD4+ T cells could migrate to the alveolar space and induce control of infection. We showed that CD4+ T cells accumulate preferably in the lung parenchyma in detriment to the alveolar space and that alveolar CD4+ T cells are less responsive than their parenchymal counterpart. Moreover, we developed an M. tuberculosis-susceptible mouse model through the induction of IL-10 during the early stages of infection and found that these mice had increased bacterial loads in the BAL than WT mice. As such, these data suggest that the alveolar space is not an ideal location for T cell mediated control of M. tuberculosis and may contribute to the progression of infection in susceptible individuals. We next sought to explore the mechanisms underlying the increase susceptibility to M. tuberculosis in mice under high levels of IL-10 and to determine the impact of this cytokine in different stages of infection. We found that high levels of IL-10 during the early stages of M. tuberculosis infection were associated with a decrease in the number of antigen-specific IFN-ɀ-producing CD4+ T cells accumulating in the lungs, resulting in an increased M. tuberculosis growth. Interestingly, removing IL-10 over-expression results in a rebound of the CD4+ T cell response with important immunopathological consequences to the host. Conversely, this impact of IL-10 was not observed during the chronic stages of infection. The study of the temporal and site-specific relevance of immune-modulatory pathways during infection will be a significant step towards understanding the dynamics between the pathogen and the host immune response. This will have a significant impact in the development of therapeutic and preventive approaches.

A Tuberculose (TB) é uma doença transmitida por via aerossol causada pelo patogénio Mycobacterium tuberculosis. A infeção por este patogénio inicia-se com a sua deposição nas vias respiratórias inferiores, onde se pensa que macrófagos alveolares sejam os primeiros a reconhecer e fagocitar a bactéria. Não obstante, é apenas depois da chegada das células T CD4+ aos pulmões que há um controlo da infeção. Apesar da importância das células T CD4+ ser reconhecida, ambos indivíduos suscetíveis e resistentes desenvolvem esta resposta. Este facto impulsionou a descoberta de várias populações de células T CD4+ com diferentes fenótipos, localização no pulmão e capacidade de controlar a infeção. Uma vez que o lúmen alveolar é o primeiro local onde as células do hospedeiro interagem pela primeira vez com a bactéria, a resposta imunológica mediada pelas células T CD4+ e o controlo da infeção neste compartimento pulmonar têm sido esquecidos. Por este motivo, decidimos esclarecer se há acumulação de células T CD4+ nos alvéolos e se, aqui, participam no controlo da infeção. Apuramos que as células T CD4+ se acumulam preferencialmente no parênquima e que, no lúmen alveolar, respondem menos eficientemente ao estímulo inflamatório. Além disto, desenvolvemos um modelo animal suscetível à infeção que expressa níveis elevados de IL-10 na fase inicial da infeção e verificámos que estes animais apresentam uma maior acumulação bacteriana nos alvéolos. Estes resultados sugerem que o alvéolo não é um local ideal para o controlo da infeção mediado por células T e que pode contribuir para a progressão da doença em indivíduos suscetíveis. De seguida, exploramos a suscetibilidade a TB deste modelo animal com níveis elevados de IL-10 durante a fase inicial da infeção. Verificamos que níveis elevados de IL-10 nesta fase diminuem o número de células T CD4+ produtoras de IFN-ɀ que se acumulam nos pulmões, resultando num aumento da proliferação bacteriana. A subsequente diminuição dos níveis de IL-10 causou ainda um aumento exagerado da acumulação de neutrófilos e células T CD4+ nos pulmões bem como da produção de IFN-ɀ e TNF-Ƚ, causando assim a formação de lesões necróticas extensas. Curiosamente, a remoção da sobreexpressão de IL-10 resultou num exacerbado aumento da resposta imunológica mediada por células T CD4+ , causando graves consequências imunopatológicas para o hospedeiro. Contrariamente, este impacto da IL-10 na fase crónica da infeção não foi observado. O estudo da relevância temporal e local das vias imunomodulatórias durante esta infeção poderá ter um impacto significativo no desenvolvimento de medidas terapêuticas e preventivas.