Establishing a Human Immune System Mouse Model for Pulmonary and Disseminated Tuberculosis

Abstract

Animal models have long existed as part of the canonical approach to study a wide array of human infectious pathogens such as Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of tuberculosis (TB) disease. These models have served reasonably well in understanding the heterogeneity of pulmonary granulomas which are the main pathological hallmark of TB in humans. Nevertheless, there are several differences between the human immune system and the immune system of these species that play a role in TB pathogenesis. Ergo, in this thesis: a small animal model capable of delineating the human immune response in regards to TB granuloma heterogeneity is introduced which can serve as a pre-clinical drug platform. The NOD/SCID/IL-2 receptor gamma null (NSG) mouse is an immunodeficient strain capable of supporting human cell engraftment and was thus supplemented with human fetal liver derived stem cells. Upon human immune system (HIS) reconstitution, HIS NSG mice were infected with ultra-low dose aerosolized Mtb. HIS NSG mice developed a range of lung lesions; in particular caseous necrotic granulomas, with a cellular phenotypic spatial-organization similar to that observed in certain TB patients. The core consisted of neutrophilic and monocytic cellular debris, with an inner rim that consisted of elongated macrophages, and an outer lymphocyte cuff that consisted of T and B cells. In addition, disseminated TB was observed in other organs including spleen, liver, kidney and bone marrow. Furthermore, parameters such as cell phenotype, immune and inflammatory biomolecules and spatial-cellular organization were assessed as the disease progressed, leading to the observation that a primarily proinflammatory immune response was generated. This thesis shows that the HIS NSG mouse can provide in vivo validation of prior TB studies with focus on the human immune response. Finally, the HIS NSG mouse lays the groundwork as a novel animal model for investigating TB pathogenesis, TB drug development and eventually HIV-TB coinfection.

Tiermodelle existieren seit langem als Teil des kanonischen Ansatzes, um eine breite Palette von humanen infektiösen Pathogenen wie Mycobacterium tuberculosis (Mtb), dem Erreger der Tuberkulose (TB) -Krankheit, zu untersuchen. Diese Modelle haben einigermaßen gut im Verständnis der pulmonalen Granulom Heterogenität, die die wichtigsten physiologischen Kennzeichen der TB bei Menschen. Dennoch gibt es einige Unterschiede zwischen dem menschlichen Immunsystem und dem Immunsystem dieser Arten, die eine Rolle bei der TB-Pathogenese spielen könnten. Ergo, in dieser These; Ein kleines Tiermodell, das in der Lage ist, die menschliche Immunantwort in Bezug auf TB-Granulom-Heterogenität abzugrenzen und als präklinische Arzneimittelplattform zu dienen, eingeführt wird. Die NOD/SCID/IL-2-Rezeptor-Gamma-NULL (NSG) -Maus ist ein immundefizienter Stamm, der in der Lage ist, die menschliche Zellentransplantation zu unterstützen, und wurde somit mit menschlichen fetalen Leber-abgeleiteten Stammzellen injiziert. Nach dem humanen Immunsystem (HIS) Rekonstitution wurde HIS NSG mit Ultra-Low Dose Aerosol-TB infiziert. HIS NSG-Mäuse entwickelten eine Reihe von Lungenläsionen; Insbesondere fallende nekrotische Granulome, mit einer zellulären phänotypischen Raumorganisation ähnlich denen, die bei einigen TB-Patienten beobachtet wurden. Der Kern bestand aus neutrophilen und Makrophagen-Zelltrümmern; Mit einem inneren Rand, der aus langgestreckten Makrophagen bestand, und eine äußere Lymphozytenmanschette, die aus T- und B-Zellen bestand. Darüber hinaus wurde disseminiertes TB in anderen Organen wie Milz, Leber, Niere und Knochenmark beobachtet. Darüber hinaus wurden Parameter wie Zellphänotyp, Immun- und Entzündungsbiomoleküle und räumlich-zelluläre Organisation als fortschreitende Krankheit beurteilt, was zur Beobachtung führte, dass eine meist proinflammatorische Immunantwort erzeugt wurde. Diese These zeigt, dass die HIS-NSG-Maus in vivo-Bestätigung mit einem menschlichen Immunfokus von früheren TB-Studien liefern kann. Darüber hinaus legt die HIS NSG-Maus die Grundlage für ein neuartiges Tiermodell zur Untersuchung der TB-Pathogenese, der TB-Arzneimittelentwicklung und schließlich der HIV-TB-Coinfektion.