Investigating iPSC derived macrophages as a model to study Mtb infection compared to alveolar macrophages, monocyte derived macrophages and THP-1 macrophages

Abstract

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) er fortsatt et omfattende folkehelseproblem for en stor del av verdens utviklingsland, og forårsaker mer enn 1,5 millioner dødsfall årlig. Imidlertid forblir mange aspekter av interaksjonene i vertspatogenet flyktige og vanskelige å forstå. Dette er delvis på grunn av patogenets relasjon til den alveolære makrofagen, som gir en tidlig replikativ nisje. Dette legger til rette for immununnvikelse og etablering av den la-tente sykdommen som antas å påvirke en fjerdedel av dagens verdensbefolkning. De unike egenskapene til den alveolære makrofagen og miljøet den er spesifikk for, hemmer vår forståelse av de tidlige interaksjonene ettersom in vitro-modeller av dette miljøet er vanskelige å simulere. Nyere fremskritt innen stamcellebaserte teknologier gir imidlertid en rekke nye celletyper for forskningsformål som, i teorien, kan imitere enhver celles-kjebne, inkludert den flyktige alveolære makrofagen. iPSC-avledede makrofager (iMAC) har nylig blitt brukt til tuberkuloserelatert forskning, men deres Mtb-induserte immunre-spons og potensielle rolle som en modellcellelinje for alveolære makrofager har ikke blitt evaluert. Derfor har denne oppgaven sammenlignet iMAC-er med alveolære makrofager, monocyttavledede makrofager og den etablerte TB- modellcellelinjen, THP1-makrofager, for å analysere deres egnethet som et verktøy for tuberkuloseforskning. For å gi en bred oversikt over de Mtb-induserte immunresponsene, ble mRNA-sekvensering utført for å sammenligne genuttrykket til ubehandlede og Mtb-behandlede celler. mRNA-sekvensering er et effektivt verktøy for en innledende granskning og gir data om en rekke biologiske prosesser. Dette er nyttig når man prøver å etablere oversikt over en celles immunre-spons. Dataene som er analysert i denne oppgaven viser at Mtb-induserte endringer i genuttryk-ket til iMAC-er er svært sammenlignbare med AM-er og MDM-er i aspekter som inflam-matorisk respons, reseptoruttrykk og antigenpresentasjonsprosesser. Flere viktige for-skjeller er også observert, inkludert en mye sterkere type 1 interferonrespons og i ut-trykket av proteiner som kan påvirke celleskjebnen til T-celler som samhandler med iMAC-er. Selv om MDM-er viser et nærmere forhold til AM-er, har iMAC-er fordeler som homogenitet, reproduserbarhet og enkel manipulering, tidligere bare funnet i andre se-kundære cellelinjer som THP1. Videre viser denne oppgaven at iMAC-er er bedre egnet for AM- (og MDM)-emulering enn THP1-celler, som, selv om de er en veletablert celletype for tuberkuloseforskning, viser seg som en avviker sammenlignet med de andre cellene. Selv om det kan trekkes en begrenset mengde spesifikke konklusjoner fra mRNA-uttrykksdata, tjener observasjonene som er gjort i denne oppgaven som en guide for forskere i å bestemme de spesifikke anvendelsene av iMAC-er. Videre fremhever datae-ne egenskaper som kan påvirke observasjoner i fremtidige iMAC-baserte eksperimenter. Forhåpentligvis kan denne oppgaven bidra til ytterligere forbedringer rettet mot å gjøre iMAC-er til en nøyaktig modellcellelinje, en sårt tiltrengt ressurs innen tuberkuloseforsk-ning.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) remains a major public health issue for a large part of the developing world, causing more than 1.5 million deaths annually. However, many as-pects of the host pathogen interactions remain elusive and poorly understood. This is par-tially due to the pathogen’s relationship with the alveolar macrophage, which provides an early replicative niche, allowing immune evasion and the establishment of latent disease which is believed to affect a quarter of the world’s population today. The unique charac-teristics of the alveolar macrophage and milieu in which it is specific for, hampers our understanding of the early interactions as in vitro models of this environment are difficult to simulate. However, recent advances in stem cell based technologies are providing a range of new cell types for research purposes that can theoretically adopt any cell fate, including the elusive alveolar macrophage. iPSC derived macrophages (iMAC) have recent-ly been applied to tuberculosis related research, however, their Mtb induced immune re-sponse and potential role as a model cell line for alveolar macrophages has not been evaluated in house. Therefore, this thesis has compared iMACs with alveolar macrophag-es, monocyte derived macrophages and the established TB model cell line, THP1 macro-phages, to characterize their role as a tool for tuberculosis research. To provide a broad overview of the Mtb induced immune responses from all four macrophage types, mRNA sequencing was performed to compare the gene expression of untreated and Mtb treated cells. mRNA sequencing is an effective tool for an initial exploration and provides data on a range of biological processes, which is useful when trying to establish an overview of a cell’s immune response. The data analyzed in this thesis shows that Mtb induced changes in the gene expression of iMACs is highly comparable to AMs and MDMs in aspects such as the inflammatory re-sponse, receptor expression and antigen presentation processes. Several key differences are also observed, including a much stronger type 1 interferon response and in the ex-pression of proteins that may affect the cell fate of T-cells interacting with iMACs. Alt-hough MDMs display a closer relationship with AMs, iMACs offer advantages such as ho-mogeneity, reproducibility and ease of manipulation, previously only offered by other secondary cell lines such as THP1. Furthermore, this thesis provides evidence that iMACs are better suited for AM (and MDM) emulation than THP1 cells which, although a well-established cell type for tuberculosis research, present themselves as an outlier when compared to the other cells. Although, a limited number of specific conclusions can be drawn from mRNA expression data, the observations made in this thesis serve as an initial guide for researchers at CE-MIR in determining the specific applications of iMACs. Furthermore, the data highlights characteristics that may affect observations in future iMAC based experiments. Hopefully, this thesis can contribute to further improvements aimed at making iMACs an accurate model cell line, a much-needed asset in the field of tuberculosis research.