Identification of immunovirological factors that determine an extremely low viral reservoir: approaching the cure of HIV-1 infection

Abstract

Gairebé 40 milions de persones viuen actualment amb el virus de la immunodeficiència humana tipus 1 (VIH-1) al món, i més de 30 milions de morts s’atribueixen al VIH-1 des del començament de l’epidèmia. El desenvolupament de la teràpia antiretroviral combinada (TARc) és un dels principals èxits mèdics del segle XX, ja que suprimeix eficaçment la virèmia plasmàtica, millora la funció del sistema immunològic, redueix la mortalitat i morbiditat, i el risc de transmissió viral. No obstant, la TARc no pot curar la infecció per la presència de cèl·lules infectades de manera latent, el que es coneix com a reservori viral.

El nombre de cèl·lules infectades latentment presents en el cos varia notablement entre diferents individus infectats pel VIH-1. Baixos nivells de reservoris s’han relacionat tradicionalment amb un control del VIH-1 o bon pronòstic de la malaltia, però els factors específics que provoquen aquesta reducció del reservori encara es desconeixen. En aquest context, l’objectiu d’aquesta tesi és caracteritzar els factors clínics, virals i immunogenètics associats a la reducció del reservori del VIH-1 en tres models diferents: [1]controladors naturals de la infecció amb un llarg seguiment (Controladors d’Elit Excepcionals o EEC), [2]individus amb un reservori de VIH-1 espontàniament baix malgrat una progressió normal de la infecció (LoViReT), i [3]persones amb VIH en les que s’observa una inducció de la caiguda del reservori després d’un trasplantament al·logènic de cèl·lules mare hematopoètiques (allo-HSCT).

Els nostres resultats van mostrar que els baixos nivells de reservori observats en els EEC es van deure a la combinació de virus defectius que no evolucionen amb factors genètics protectors de l’hoste juntament amb respostes immunitàries potents específiques del VIH-1. En conjunt, la combinació d’aquests factors sembla important per a controlar la replicació del VIH-1 i aconseguir una cura funcional espontània. D’altra banda, els individus LoViReT semblen tenir un establiment defectiu del reservori de VIH-1 ja que es van observar baixos nivells de reservori en sang (fins i tot abans de l’inici del tractament) i santuaris anatòmics. Això estava recolzat per una distribució esbiaixada de la latència en les diferents subpoblacions de cèl·lules T CD4+ cap a subpoblacions de vida més curta. No obstant això, encara que els individus LoViReT van mostrar un sistema immunològic preservat, no es van observar respostes immunitàries específiques del VIH-1 i, per tant, no s’esperaria que poguessin controlar la replicació del VIH-1 en absència de TARc. Finalment, l’estudi d’individus infectats per VIH-1 que van rebre un trasplantament al·logènic de cèl·lules mare hematopoètiques va mostrar una notable disminució del reservori de VIH-1 en sang perifèrica i compartiments anatòmics, fins i tot en el context de cèl·lules amb un CCR5 salvatge. Això probablement va ser degut a un potent efecte de l’empelt contra VIH-1 causat per factors específics del transplantament com el ràpid quimerisme, cèl·lules procedents d’un donant adult i la malaltia de l’empelt contra l’hoste. Desafortunadament, la falta de respostes immunes potents específiques del VIH-1 sostingudes en el temps resultaria en un rebot viral, com es va observar en un dels individus estudiats trasplantat amb cèl·lules amb un CCR5 salvatge.

En conjunt, demostrem que els factors relacionats amb una funció viral alterada seran importants per la reducció del reservori del VIH-1. Però, per controlar la replicació del VIH en absència de TARc serà necessària la combinació amb respostes immunes potents específiques del VIH-1, com en els EEC. Futurs assajos clínics en persones amb un reservori baix de VIH-1, com els individus LoViReT o que hagin rebut un trasplantament al·logènic de cèl·lules mare, serien de gran interès en estratègies destinades a estimular les respostes immunes específiques del VIH-1 amb l’objectiu final de curar el VIH-1.

Casi 40 millones de personas viven actualmente con el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) en el mundo, y más de 30 millones de muertes se atribuyen al VIH-1 desde el comienzo de la epidemia. El desarrollo de la terapia antirretroviral combinada (TARc) es uno de los principales éxitos médicos del siglo XX, ya que suprime eficazmente la viremia plasmática, mejora la función del sistema inmunológico, reduce la mortalidad y morbilidad, y el riesgo de transmisión viral. Sin embargo, la TARc no puede curar la infección debido a la presencia de células infectadas de forma latente, lo que se conoce como reservorio viral.

El número de células latentemente infectadas presentes en el cuerpo varía notablemente entre diferentes individuos infectados por VIH-1. Bajos niveles de reservorios se han relacionado tradicionalmente con un control del VIH-1 o buen pronóstico de la enfermedad, pero los factores específicos que provocan esta reducción del reservorio aún se desconocen. En este contexto, el objetivo de esta tesis es caracterizar los factores clínicos, virales e inmunogenéticos asociados con la reducción del reservorio del VIH-1 en tres modelos diferentes: [1]controladores naturales de la infección con un largo seguimiento (Controladores de Elite Excepcionales o EEC), [2]individuos con un reservorio de VIH-1 espontáneamente bajo a pesar de una progresión normal de la infección (LoViReT), y [3]personas VIH-1+ en las que se observa una caída del reservorio después de un trasplante alogénico de células madre hematopoyéticas (allo-HSCT).

Nuestros resultados mostraron que los bajos niveles de reservorio observados en los EEC se debieron a la combinación de virus defectivos que no evolucionan con factores genéticos protectores del huésped junto con respuestas inmunitarias potentes específicas del VIH-1. La combinación de estos factores parece importante para controlar la replicación del VIH-1 y alcanzar una cura funcional espontánea. Por otro lado, los individuos LoViReT parecen tener un establecimiento defectivo del reservorio de VIH-1 ya que se observaron bajos niveles de reservorio en sangre (incluso antes del inicio del tratamiento) y santuarios anatómicos. Esto estaba acompañado por una distribución sesgada de la latencia en las diferentes subpoblaciones de células T CD4+ hacia subpoblaciones de vida más corta. Sin embargo, aunque los individuos LoViReT mostraron un sistema inmunológico preservado, no se observaron respuestas inmunitarias específicas del VIH-1 y, por lo tanto, no se esperaría que controlaran la replicación del VIH-1 en ausencia de TARc. Finalmente, el estudio de individuos infectados por VIH-1 que recibieron un trasplante alogénico de células madre hematopoyéticas mostró una notable disminución del reservorio de VIH-1 en sangre periférica y compartimentos anatómicos, incluso en el contexto de células con un CCR5 salvaje. Esto probablemente fue debido a un potente efecto de injerto contra VIH-1 causado por factores específicos del trasplante como un rápido quimerismo, células procedentes de un donante adulto y la presencia de enfermedad del injerto contra huésped. Desafortunadamente, la falta de respuestas potentes específicas de VIH-1 sostenidas en el tiempo resultaría en un rebote viral, como se observó en uno de los individuos estudiados que fue trasplantado con células con un CCR5 salvaje.

En conjunto, demostramos que los factores relacionados con una función viral alterada son importantes para la reducción del reservorio de VIH-1. Aun así, para controlar la replicación del VIH-1 en ausencia de TARc será necesaria la combinación con respuestas inmunes potentes específicas de VIH-1, como sucede en los EEC. Futuros ensayos clínicos en personas con un reservorio bajo de VIH-1, como individuos LoViReT o que hayan recibido un trasplante alogénico de células madre, serían de gran interés en estrategias destinadas a estimular las respuestas inmunes específicas del VIH-1 con el objetivo de curar

Nearly 40 million individuals are currently living with the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) worldwide and more than 30 million deaths can be attributed to HIV-1 since the start of the epidemic. The development of combination antiretroviral therapy (cART) was one of the major medical success of the 20th century as it effectively suppresses plasma viremia, improves the immune system function, reduces mortality and morbidity, and the risk of viral transmission. However, cART cannot cure the infection due to the presence of latently infected cells.

The number of latently infected cells present in the body, known as the reservoir, varies notably among different HIV-1-infected individuals. Low levels of reservoirs are traditionally related to HIV-1 control or good disease prognosis, but the specific factors provoking a reduction of this reservoir are still unknown. In this context, the aim of this thesis is to characterize the clinical, viral and immunogenetic factors associated with the reduction of the HIV-1 reservoir in three different models: [1] a natural long-term control of the infection (Exceptional Elite controllers or EEC), [2] a natural low HIV-1 reservoir despite regular HIV-1 progression (Low Viral Reservoir Treated individuals or LoViReT), and [3] an induced low reservoir after allogeneic hematopoietic stem cell transplant (allo-HSCT) in persons living with HIV-1.

Our results showed that the low-level reservoirs observed in EEC were due to a combination of defective non-evolving virus with protective host genetic factors together with potent HIV-1 specific immune responses. Altogether, the combination of those factors seems important to control HIV-1 replication and reach a spontaneous functional cure. On the other hand, LoViReT individuals seem to have an impaired HIV-1 reservoir establishment since the low levels of reservoir were observed in blood (even before the initiation of treatment) and anatomical sanctuaries. This was supported by a skewed distribution of the provirus among the different CD4+ T cells subpopulations towards short-live subpopulations. However, although LoViReT individuals have a preserved general immune system, they do not have HIV-1 specific immune responses and therefore are not able to control HIV-1 replication in the absence of cART. Finally, the study of HIV-1-infected individuals that received an allo-HSCT showed a remarkably decline of the HIV-1 reservoir in peripheral blood and anatomical compartments, even in the setting of CCR5 wild-type cells. This was most likely due to a potent graft versus HIV-1 effect caused by specific factors of the transplant as a rapid engraftment, an adult donor, or a graft versus host disease. Unfortunately, the lack of a potent HIV-1 specific immune responses sustained in time would result in viral rebound, as observed in one of the studied individuals transplanted with CCR5 wild-type cells.

Altogether, we showed that factors related to an impaired viral function will be important to the reduction of HIV-1 reservoir. A combination with a potent HIV-1 specific immune response will be necessary to control the HIV-1 replication in the absence of cART as happened in EEC. Future clinical trials in individuals with a low HIV-1 reservoir, like LoViReT or allo-HSCT individuals, would be of great interest in strategies aimed at boosting HIV-1 immune specific responses with the ultimate goal of curing HIV-1.