Effect of the HIV-1 Integrase Inhibitor Raltegravir on Drug Susceptibility, Replication Capacity and Residual Viremia in HIV-infected Subjects

Abstract

Raltegravir es el primer inhibidor de la integrasa del VIH-1 aprobado para su uso en pacientes infectados por el VIH. Sinembargo, como el resto de los inhibidores, la emergencia de mutaciones de resistencia limita su eficacia clínica. <br/>El entendimiento de la prevalencia diferencial del ratio de mutaciones dentro de la región codificadora de la integrasa en pacientes con tratamiento TARGA (Tratamiento Antirretroviral de Gran Actividad) pero sin inhibidores de la integrasa, podría ayudar a identificar si algunas mutaciones virales o polimorfismos naturales ocurren, y si la diversidad genética del gen de la integrasa tiene implicaciones importantes en la respuesta clínica a los inhibidores de la integrasa. Por lo tanto, el primer objetivo de esta tesis doctoral fue explorar la evolución longitudinal de la región codificadora de la integrasa viral en pacientes que había recibido, durante una media de 10 años, terapia antirretroviral sin inhibidores de la integrasa. Un objetivo adicional, fue el estudio del efecto de los cambios genotípicos a la susceptibilidad al raltegravir y a la capacidad replicativa, en aquellas muestras que acumularon el mayor número de substituciones aminoacídicas durante el periodo de estudio. Nuestros resultados mostraron que las integrasas virales, después de una terapia antirretroviral prolongada, mantenían la sensibilidad genotípica y fenotípica al raltegravir. Además los cambios genotípicos a lo largo del tiempo, condujeron hacia una mejora de la capacidad replicativa de virus recombinantes para la integrasa viral, sugiriendo que el tratamiento antirretroviral prolongado no tiene coste biológico a nivel de capacidad replicativa del virus. Por lo tanto, nuestros datos apuntan que los tratamientos actuales no disminuyen la capacidad replicativa de la integrasa viral ni influyen la susceptibilidad al raltegravir. <br/>Hasta el momento, no existen estudios que evalúen la contribución fenotípica de mutaciones fuera de la región codificadora de la integrasa en pacientes que fracasan a tratamientos que contenían raltegravir. Las mutaciones de resistencia en la integrasa podrían jugar un papel importante en los cambios fenotípicos, tales como la capacidad replicativa y la susceptibilidad farmacológica. El segundo objetivo de esta tesis, fue comparar las contribuciones epistáticas de la integrasa, la proteasa, la transcriptasa reversa y el resto del genoma del VIH-1 en el fitness viral y la susceptibilidad al raltegravir en pacientes con y sin mutaciones de resistencia en la integrasa viral pero que fracasaban al TARGA conteniendo inhibidores de la integrasa. Nuestros resultados sugirieron una ausencia de efectos epistáticos entre los genes del VIH-1 en relación a la susceptibilidad farmacológica al raltegravir. Sinembargo, cambios genotípicos en la proteasa, la transcriptasa reversa y fuera de la polimerasa, compensaron la capacidad replicativa de virus que contenían mutaciones de resistencia en la integrasa viral. Por lo tanto, en pacientes que fracasaban a terapias que contenían inhibidores de la integrasa, la susceptibilidad al raltegravir estuvo esencialmente modulada por las mutaciones de resistencia dentro de la región codificadora de la integrasa, mientras que otros genes del VIH-1 estaban involucrados en la modulación del fitness viral. <br/>En pacientes con TARGA que consiguen suprimir la carga viral, se ha detectado la existencia de una viremia residual con métodos ultrasensibles. Si esta viremia residual refleja una replicación viral de bajo grado, o es el resultado de una producción viral por parte de reservorios estables, no está claro. Esta pregunta tiene serias implicaciones clínicas, porque si la viremia residual refleja una replicación de bajo grado, entonces la intensificación del TARGA podría ser útil para prevenir una evolución viral con el consecuente fracaso farmacológico. Los nuevos agentes farmacológicos, como los inhibidores de la integrasa, nos proporcionan nuevas herramientas con las que poder evaluar los reservorios virales que persisten en pacientes con TARGA. Raltegravir tiene un efecto único sobre las formas de ADN viral, incrementando las formas episomales 2-LTRs cuando la replicación es inhibida por el fármaco. El tercer objetivo de esta tesis fue evaluar si la intensificación del TARGA con raltegravir era capaz de impactar los niveles de ADN viral y la activación inmune. La intensificación con raltegravir bloqueó la replicación activa y la producción de virus infecciosos en un 29 por ciento de los pacientes. Nuestro estudio también reveló la relación efecto-causa entre la replicación activa y la activación inmune, sugiriendo que bajo un TARGA supresivo, la replicación activa es una causa, en vez de una consecuencia, de la anormal activación inmune. Por lo tanto, la intensificación del TARGA perturba el reservorio viral con implicaciones importantes para las estrategias terapéuticas dirigidas a alcanzar la erradicación viral.

Raltegravir is the first in-class HIV-1 integrase inhibitor approved for the treatment of HIV-1 infected subjects. However, like all other HIV inhibitors, the emergence of drug resistance limits its clinical efficacy. <br/>Understanding the differential prevalence rate of mutations within the integrase coding region from Highly Active Antiretroviral Therapy (HAART)-experienced but integrase inhibitor-naïve subjects could help identify whether clinically relevant viral mutations or natural polymorphisms occur, and whether the sequence diversity of the integrase gene has important implications in the clinical response to integrase inhibitors. Therefore, the first objective of this project thesis was to explore intrasubject longitudinal evolution of the HIV-1 integrase-coding region over a median of 10 years of heavy antiretroviral therapy in integrase inhibitor-naïve subjects. An additional objective was to explore changes in phenotypic susceptibility to raltegravir and replication capacity in those samples that accumulated the highest number of amino acid substitutions during the study period. Our results showed that HIV-1 integrase from longitudinal samples did not show evidence of genotypic or phenotypic resistance to raltegravir. Long-term antiretroviral pressure did not impair the raltegravir susceptibility and appeared to drive the replication capacity of integrase-recombinant viruses towards improved phenotypes, suggesting no fitness cost associated with long¬term treatment. Therefore, our data suggest that current antiretroviral regimens do not diminish the fitness of integrase or influence raltegravir efficacy. <br/>No studies have evaluated the potential phenotypic contributions of mutations outside the integrase coding region in subjects whose raltegravir-containing regimens fail. Integrase resistance mutations could play a major role in phenotypic changes, such as replication capacity and drug susceptibility. The second objective of this thesis project was to compare the relative epistatic contributions of integrase, protease, reverse-transcriptase and the rest of the HIV-1 genome on viral fitness and susceptibility to raltegravir in subjects with and without raltegravir-resistance associated mutations and whose raltegravir-containing regimen has failed. Our results suggested an absence of epistatic effects between HIV-1 genes with regard to in vitro susceptibility to raltegravir. However, changes in protease, reverse-transcriptase and outside Polymerase compensated for the ex vivo replication capacity of viruses containing integrase resistance mutations. Therefore, raltegravir susceptibility was essentially driven by resistance mutations within the integrase coding region, whereas other HIV-1 genes were involved in modulating viral fitness in subjects whose raltegravir-containing regimen failed. <br/>In subjects under a suppressive HAART, residual viremia has been detected using ultra-sensitive methods. Whether residual viremia reflects ongoing viral replication at low levels or the production of virus from stable reservoirs remains unclear. Importantly, this question has immediate clinical implications, because if residual viremia reflects ongoing viral replication, then the intensification of the current treatment might be useful in preventing viral evolution and subsequent treatment failure. New classes of antiretroviral agents, such as integrase inhibitors, provide new tools to assess the viral reservoirs that persist in HAART-suppressed subjects. Raltegravir has a unique effect on viral DNA forms, leading to a measurable increase in 2-LTRs DNA circles when replication is inhibited. The third objective of this project thesis was to assess whether raltegravir intensification of the HAART regimen was able to impact the levels of HIV-1 DNA and immune markers in subjects with undetectable viremia measured by standard assays. Raltegravir intensification in HAART-suppressed subjects blocked active replication and production of infectious virus in 29 percent of subjects. Our study also revealed a causative relationship between active replication and immune activation, suggesting that under a suppressive HAART, active replication is a cause rather than a consequence of aberrant immune activation. Therefore, treatment intensification disturbs the latent reservoir, with important implications for therapeutic strategies aimed at achieving viral eradication.