Viro-immunological evaluation of latency reactivators and immune modulators for HIV-1 cure strategies

Abstract

La infecció pel virus de la immunodeficiència humana tipus 1 (VIH-1) ha causat més de 33 milions de morts des del seu inici com a pandèmia. Encara que el tractament antiretroviral combinat (TARc) és un dels avanços més importants per a controlar aquesta infecció, és incapaç de curar-la ja que el virus roman de manera persistent com a reservori viral. Les cèl·lules T-CD8+ específiques per al VIH-1 poden destruir a les cèl·lules infectades. No obstant això, la persistència viral i l'activació immune sostinguda provoquen el seu esgotament mitjançant un augment dels receptors d'inhibició (RIs). Tot i que el TARc controla la replicació viral i contribueix a la recuperació immune, les T-CD8+ segueixen sent disfuncionals. Per tant, és fonamental entendre el paper dels RIs i així poder desenvolupar dianes immoterapèutiques per recuperar la resposta antiviral perduda. L'objectiu de la meva tesi se centra a proporcionar una millor comprensió de les bases immunològiques dels RIs durant l'esgotament dels T-CD8+ en la infecció pel VIH-1, ia més a estudiar com aquests afecten a les estratègies més usades actualment per la seva cura. El primer estudi es centra en la identificació de les barreres viro-immunològiques que eviten l'eliminació del reservori viral durant l'estratègia de "shock and kill". Els nostres resultats van mostrar que la potència dels agents reactivadors de la latència (LRAs) és crucial per a la modulació de la velocitat de reconeixement del VIH-1 i la magnitud què les T-CD8+ actuen. A més a més, vam observar una relació entre la funcionalitat de les T-CD8+, els patrons d'expressió dels RIs i la destrucció de les cèl·lules reactivades, la qual cosa indica la necessitat d'una millor compressió dels RIs als T-CD8+ com limitadors funcionals d'estratègies de “shock and kill”. Al segon estudi vam realitzar un mapatge d'alta resolució dels RIs als T-CD8+ durant la infecció per VIH-1 i TARc a llarg termini. Vam identificar una alteració irreversible de TIGIT+ després de llargs períodes de TARc que es correlacionava inversament amb els T-CD4+. Les nostres dades de single-cell van revelar una àmplia heterogeneïtat d'IRs amb canvis homeostàtics de clústers de T-CD8+ durant la infecció i sota TARc. De fet, vam caracteritzar una depleció selectiva d'un clúster de T-CD8+ de memòria amb TIGIThi CD107ahi després de llargs períodes de TARc. El bloqueig de TIGIT va restaurar eficaçment CD107a a les T-CD8+. Aquests resultats ens porten a proposar TIGIT com a nova diana inmunoterapèutica per a revertir l'estat d'esgotament de les T-CD8+. Al tercer estudi vam abordar l'impacte del bloqueig dels RIs en un cas clínic. L'estudi es va centrar en un individu infectat per VIH-1 sota TARc que va rebre anti-PD-1 com a teràpia per a tractar el melanoma metastàtic. En termes de VIH-1, vam trobar que malgrat l'augment transitori dels marcadors d'activació i la producció de TNF a les T-CD8+ específiques pel VIH-1, l'efecte de l'anti-PD-1 no va ser suficient per a reduir considerablement la grandària del reservori viral, qüestionant així, l'efecte independent del bloqueig dels RIs. En conjunt, aquesta tesi proporciona una descripció general de les estratègies inmunoterapèutiques més actuals que s'estan utilitzant per a aconseguir la curació del VIH-1, començant per la identificació de les limitacions de les T-CD8+ esgotades per a eliminar les cèl·lules reactives, seguit per una millor comprensió dels RIs en la infecció per VIH-1 i TARc i, acabant amb l'efecte del bloqueig dels RIs com a estratègia de curació. Creiem que la clau per a aconseguir una cura se centraria en reactivar d'alguna manera tots els provirus de les cèl·lules infectades i en millorar funcionalment les TCD8+ esgotades, per així poder eliminar totes les cèl·lules infectades.

Human Immunodeficiency Virus type 1 (HIV-1) infection has caused more than 33 million deaths since the beginning of pandemic. Although combined antiretroviral treatment (cART) is one of the most important advances to treat HIV-1, cART is unable to cure completely as a consequence of viral perpetuation in the form of reservoir. HIV-1- specific CD8+ T cells play a major role in controlling viral replication through the recognition and killing of infected cells. However, HIV-1 persistency and sustained immune activation cause T-cell exhaustion (Tex) and CD8+ T cells progressively lose their function with sustained expression of inhibitory receptors (IRs). Although cART effectively controls viral replication and contributes to immune recovery, HIV-1-specific CD8+ T cells remain dysfunctional. Therefore, the role of IR expression in HIV-1 remains poorly understood but essential for future immunotherapeutic targets to regain antiviral immunity. The aim of this thesis is to provide a better understanding of the immunological bases of Tex mediated by IRs and how IRs may impact current immunotherapeutic strategies for HIV-1 cure. Based on the fundamental role of CD8+ T cells, the first study is focused on identifying the immunological barriers that prevent shock and kill strategies from successfully clearing the viral reservoir. Our results demonstrated that the potency of latency reactivator agents (LRAs) is crucial to modulate the speed of HIV-1-antigen recognition and also the magnitude of killing by HIV-1-specific CD8+ T cells. In addition, we observed an interdependency between CD8+ T-cell function, IR expression and the killing of reactivated cells, indicating the need to understand the role of IRs in CD8+ T cells as functional limitations on shock and kill strategies. In the second study, we performed a high-resolution mapping IR expression across the landscape of CD8+ T cells in HIV-1 infection and long-term cART. We identified an irreversible alteration of TIGIT+ after long-term cART which inversely correlated with CD4+ T-cell counts. Our single-cell data revealed wide IR heterogeneity with homeostatic changes in CD8+ Tcell clusters in the course of HIV-1 infection and cART. Indeed, we characterized a selective depletion of a CD107ahi TIGIThi memory HIV-1-specific CD8+ T-cell cluster after long-term cART. TIGIT blockade effectively restored degranulation profiles of HIV- 1-specific CD8+ T cells. These results led us to propose TIGIT as a new immunotherapeutic target to reverse exhausted CD8+ T cells in HIV-1 infection. In the third chapter, we addressed the impact of IR blockade in a clinical case report. The study focused on an HIV-1-infected individual on cART that received anti-PD-1 as therapy for metastatic melanoma. In terms of HIV-1, we showed that despite a transient increase in activation markers and TNF production in HIV-1-specific CD8+ T-cell responses, the effect of the anti-PD-1 treatment was not sufficient to consistently reduce the size of the viral reservoir, thus calling into question the stand-alone effect of IR blockade. Altogether, this thesis provides an overview of current curative strategies that are being used to attain a cure for HIV-1, starting from identifying the limitations of using HIV-1- specific CD8+ T cells to kill reactivated cells, going on to offer a thorough exploration of the role of IRs in HIV-1 infection and cART for the identification of novel molecular targets, and finally analyzing the impact of current IR blockade therapies as a cure strategy for HIV-1. We believe that the key to an effective HIV-1 cure strategy hinges on finding a way to reactivate all the provirus from latently infected cells and enhancing HIV-1-specific CD8+ T cells to clear the infected cells.