Vaccination and therapeutic strategies against M. tuberculosis in the guinea pig model

Human tuberculosis is caused by bacteria of the Mycobacterium tuberculosis complex, mainly by Mycobacterium tuberculosis (Mtb) itself. Mtb causes numerous infections, illnesses and deaths each year and is the leading cause of death among bacterial pathogens worldwide.
In this thesis, I addressed two major problems in tuberculosis control and eradication: the lack of an efficient vaccine against tuberculosis and the increasing emergence of drug-resistant Mtb-strains. The main focus has been on the hallmark of tuberculosis-infection, the granuloma, which represents the niche of persistence for mycobacteria but is also important for the development of host immune responses.
Guinea pigs were the animal of choice for the studies performed because they are naturally susceptible to Mtb and develop granulomas after infection that are comparable to those of human tuberculosis patients. It was also significant for the first project that guinea pigs have a functional CD1 type 1 system, homologue to those in humans. The avenues of exploration and knowledge about human CD1 type 1 protein function and the resulting T cell responses, have been summarized in a review paper (publication I).
In the first project (publication II), it was shown that vaccination with PIM6 induced a PIM-specific, CD1-restricted T-cell response. After infection with virulent Mtb, vaccinated animals showed milder pathology as evidenced by smaller and fewer necrotic granulomas and less bacterial load compared with nonvaccinated guinea pigs. Histological and transcriptomic analyses demonstrated lower proinflammatory cyto- and chemokine levels in protected animals, whereas CD1b expression was upregulated in draining lymph nodes. Overall, this strongly suggests a contribution of PIM-specific T cells to the protection of guinea pigs after vaccination.
For the second project (publication III), the efficacy and pharmacokinetics of the new anti-tuberculosis drug BTZ-043 were investigated in the guinea pig. First, a dose-finding study was conducted to determine the appropriate dosage (400 mg/kg) of BTZ-043 in the guinea pig, in which plasma levels of the drug and its metabolite were detectable in plasma for
24 h. Subsequent multidose studies demonstrated that BTZ-043 was detectable in plasma at effective concentrations after multiple applications and also reached BCG-induced granulomas at high concentrations. Finally, treatment with BTZ-043 was shown to reduce pathology and bacterial load in granuloma, draining lymph nodes, and spleen in guinea pigs.
In conclusion, the work and results of this dissertation contribute to the research and development of new and innovative methods to control and eradicate tuberculosis. Bakterien des Mycobacterium-tuberculosis-Komplexes, allen voran Mycobacterium tuberculosis (Mtb) selbst, sind Erreger der humanen Tuberkulose und damit Ursache für zahlreiche Infektionen, Erkrankungen und Todesfälle jedes Jahr. So ist Tuberkulose weltweit die Haupttodesursache durch einen einzelnen bakteriellen Erreger und von ungeheurer Relevanz.
In der vorliegenden Doktorarbeit habe ich mich mit zwei Hauptproblemen der Tuberkulose-Bekämpfung beschäftigt: der Ermangelung eines effektiven Impfstoffes gegen Tuberkulose und der zunehmenden Entstehung von behandlungsresistenten Tuberkulose-Stämmen. Der Fokus lag dabei auf dem Tuberkulose-induzierten Granulom, ein typisches Merkmal der Erkrankung, welches sowohl als Nische für den Erreger als auch als Ort der Immunreaktion des Wirtes fungiert.
Für beide Problemstellungen diente das Meerschweinchen als Modelltier, da es auf natürlichem Wege mit Mykobakterien infizierbar ist und sich im Laufe der Infektion Granulome ähnlich denen des Menschen bilden. Für die erste Fragestellung war des Weiteren relevant, dass Meerschweinchen ein funktionales CD1-Typ-1-System besitzen, welches homolog zu dem im Menschen ist. Die Möglichkeiten, die sich daraus zur Erforschung und dem Verständnis der Funktion der humanen CD1-Typ 1 Proteine und die daraus resultierende T-Zell Antwort ergibt, wurden für das Meerschweinchen und weitere Tierarten in einem Review (Publikation I) ausführlich beschrieben.
Für die 2. Publikation wurde untersucht, wie sich die Immunisierung von Meerschweinchen mit dem mykobakteriellen Lipid-Antigen PIM6 auf die T-Zell Antwort, die Granulombildung und den Schutz vor Tuberkulose auswirkt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Vakzinierung mit PIM6 PIM-spezifische, CD1-restringierte T-Zellen induziert werden. Nach Infektion mit virulenten Mtb zeigten die geimpften Meerschweinchen eine deutlich mildere Pathologie, unter anderem mit kleineren und weniger nekrotischen Granulomen, sowie eine reduzierte Bakterienlast. Bei den geschützten Tieren konnten mittels histologischer und transkriptomischer Untersuchungen niedrigere proinflammatorische Zyto- und Chemokinlevel nachgewiesen werden, während in den Lymphknoten die CD1b-Level erhöht waren. Zusammengenommen deutet dies auf einen Beitrag der PIM-spezifischen T-Zellen zum partiellen Schutz der Tiere durch die Impfung hin.
Für die 3. Publikation wurde die Effizienz und Pharmakokinetik von dem neuen anti-Tuberkulose-Wirkstoff BTZ-043 im Meerschweinchenmodell untersucht. In einer Dosis-Findungs-Studie wurde durch Einmalgaben von BTZ-043 eine geeignete Dosis zur Mehrfachbehandlung von Meerschweinchen festgelegt (400 mg/kg), bei welcher das Medikament und sein Metabolit über 24 h stabil im Plasma nachweisbar sind. In den darauffolgenden Studien konnte gezeigt werden, dass BTZ-043 nach Mehrfachbehandlung sowohl in geeigneter Konzentration im Plasma nachweisbar ist, als auch in BCG-induzierten Granulomen. Abschließend konnte in einer Infektionsstudie mit virulenten Mtb gezeigt werden, dass die Behandlung von Meerschweinchen mit BTZ-043 zu einer Reduktion der Pathologie und der Bakterienlast in Granulomen, drainierendem Lymphknoten und der Milz führt.
Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit also zur Erforschung neuer und innovativer Methoden zur Bekämpfung der Tuberkulose bei: zum einen in der Untersuchung und Testung eines Lipid-Antigens zur Immunisierung als Grundlagenforschung und zum anderen die Evaluierung des bereits in Phase II befindlichen Medikaments BTZ-043 gegen Tuberkulose im Meerschweinchen.