Alternative components of the cellular immunity to SARS-CoV-2 and HIV infection: beyond the classical CTL

Abstract

Dues infeccions virals, causades pel virus de la immunodeficiència humana (VIH) i el coronavirus 2 causant de la síndrome respiratòria aguda greu (SARS-CoV-2), són responsables de les dues pandèmies més grans que la humanitat ha viscut en els últims 50 anys, provocant més de 36 milions de morts associades al VIH i 6 milions associades al SARS-CoV-2. Tot i que la mortalitat del SIDA i de la COVID-19 s'ha reduït dràsticament gràcies a la teràpia antirretroviral combinada per al VIH i la vacunació contra el SARS-CoV-2, ambdós tractaments presenten limitacions. La teràpia antirretroviral contra el VIH requereix una adhesió al tractament de per vida i existeixen efectes secundaris del tractament. Per altre banda, noves variants de SARS-CoV-2 han posat en risc la immunitat de grup aconseguida mitjançant la vacunació. Addicionalment, les diferències socioeconòmiques entre diferents regions del món provoquen un accés desigual als tractaments. Per aquests motius, entendre els mecanismes que permeten el control natural de la infecció pot ser essencial per limitar la propagació d'aquestes infeccions i desenvolupar noves estratègies terapèutiques. La investigació en la resposta immune a les malalties infeccioses tradicionalment s'ha centrat en dos grans components de la immunitat viral, com el desenvolupament d'anticossos neutralitzants i la generació de limfòcits T citotòxics (CTL). Mentrestant, altres components de la immunitat cel·lular han estat menys explorats, incloent-hi i) les cèl·lules NK amb capacitats antivirals innates i ii) els limfòcits T que adquireixen respostes efectores més enllà dels CTL. En aquesta tesi, el nostre objectiu és aconseguir una millor comprensió dels mecanismes cel·lulars associats a un control natural de les infeccions per VIH i SARS-CoV-2 mitjançant la comparació d'individus amb un control natural de la infecció i individus en els quals la malaltia progresa. Els capítols I i II es centren en la regulació de les cèl·lules NK a través de l'eix HLA-E/NKG2X. Hem trobat patrons comuns a través d'aquesta senyalització en les infeccions per VIH i SARS-CoV-2, així com una expressió més alta de HLA-E, una pèrdua de la població de CD56bright circulant i una resposta efectora de les cèl·lules NK deficient en els pacients amb infeccions no controlades, que suggereix l'existència d'un mecanisme comú d'immunovigilància ineficaç associada a una pitjor evolució de la malaltia en ambdues infeccions. En els capítols III i IV hem utilitzat una nova aproximació per citometría de flux que ens ha permès identificar respostes efectores alternatives en limfòcits T CD4+ i CD8+. Més detalladament, en el Capítol III hem identificat respostes Th1, Th17 i Treg en limfòcits T CD4+ contra la proteïna N de Sars-CoV-2 que discrimina entre pacients amb una malaltia lleu o greu. Per altre banda, en el capítol IV trobem respostes més altes de limfòcits CD8+ Tfc-like en controladors de VIH que estan relacionades amb les respostes humorals i el control viral. En conclusió, aquest treball proporciona evidències sobre un paper important de les cèl·lules NKs i les funcions efectores alternatives dels limfòcits T en el control natural de les infeccions de VIH i SARS-CoV-2, Això podria beneficiar futures investigacions cap a noves immunoteràpies cel·lulars en aquestes i altres infeccions virals, incloent la recuperació de cèl·lules exhaustes i la generació de respostes de cèl·lules T específiques que poden portar a un millor pronòstic.

Dos infecciones virales, causadas por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) y el coronavirus 2 causante del síndrome agudo respiratorio severo (SARS-CoV-2), son responsables de las dos mayores pandemias que la humanidad ha vivido en los últimos 50 años, causando más de 36 asociadas al VIH y 6 millones de muertes asociadas al SARS-CoV-2, respectivamente. Aunque la mortalidad del SIDA de y de la COVID-19 se ha reducido dramáticamente gracias a la terapia antirretroviral combinada para el VIH y la vacunación contra el SARS-CoV-2, ambos tratamientos tienen limitaciones. La terapia antirretroviral contra el VIH requiere una adhesión al tratamiento de por vida y existen efectos secundarios del tratamiento. Por otro lado, nuevas variantes de SARS-CoV-2 han puesto en riesgo en peligro la inmunidad de grupo conseguida mediante la vacunación. Además, las diferencias socioeconómicas entre distintas regiones del mundo provocan un acceso desigual a dichos tratamientos. Por estos motivos, entender los mecanismos que sostienen el control natural de la infección puede ser esencial para limitar la propagación de estas infecciones y desarrollas nuevas estrategias terapéuticas. La investigación en la respuesta inmune a las enfermedades infecciosas tradicionalmente se ha centrado en dos grandes componentes de la inmunidad viral, como el desarrollo de anticuerpos neutralizantes y la generación de linfocitos T citotóxicos (CTL). Mientras tanto, otros componentes de la inmunidad celular han sido menos explorados, incluyendo i) las células NK con capacidades antivirales innatas y ii) los linfocitos T que adquieren respuestas efectoras más allá de los CTL. En esta tesis, nuestro objetivo es conseguir una mejor comprensión de los mecanismos celulares asociados a un control natural de las infecciones por VIH y SARS-CoV-2 mediante la comparación de individuos con un control natural de la infección e individuos cuya enfermedad progresa. Los capítulos I y II están centrados en la regulación de las células NK a través del eje HLA-E/NKG2X. Hemos hallado patrones comunes a través de esta señalización en las infecciones por VIH y SARS-CoV-2, como una expresión más alta de HLA-E, una pérdida de la población de CD56bright circulante y una respuestas efectora de las células NK deficiente en los pacientes con infecciones no controladas, lo que sugiere que existe un mecanismo común de inmunovigilancia ineficaz asociado a una peor evolución de la enfermedad en ambias infecciones. En los capítulos III y IV hemos empleado una nueva aproximación por citometría de flujo que nos ha permitido identificar respuestas efectoras alternativas en linfocitos T CD4+ y CD8+. En más detalle, en el Capítulo III hemos identificado respuestas Th1, Th17 y Treg en linfocitos T CD4+ contra la proteína N de SARS-CoV-2 que discriminan entre pacientes con una enfermedad leve o grave. Por otra parte, en el capítulo IV encontramos respuestas más altas de linfocitos CD8+ Tfc-like en controladores de VIH que están relacionadas con las respuestas humorales y el control viral. En conclusión, este trabajo proporciona evidencias sobre un papel importante de las células NKs y las funciones efectoras alternativas de los linfocitos T en el control natural de las infecciones de por VIH y SARS-CoV-2. Esto podría beneficiar futuras investigaciones hacia nuevas inmunoterapias celulares en estas y otras infecciones virales, incluyendo el rescate de células exhaustas y la generación de respuestas de células T específicas que pueden llevar a un mejor pronóstico.

Two viral agents, human immunodeficiency virus (HIV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), are responsible for two biggest pandemics that have hit the human population over the last few years, causing more than 36 HIV- and 6 million SARS-CoV2-associated deaths, respectively. Although AIDS and COVID-19 associated mortality has been dramatically reduced by combined antiretroviral therapy for HIV and vaccination against SARS-CoV-2, both have significant limitations. For HIV, antiretroviral therapy requires lifelong adherence and is linked to long-term side effects. For SARS-CoV-2, emerging variants have compromised herd immunity achieved by vaccination. In addition, global social and economic differences result in unequal access to those treatments. Understanding the underlying mechanisms of viral control will be essential in order to limit the further spread of these infections and develop novel preventive and therapeutic strategies. Research on the immune response to infectious diseases has been focused on two important components of viral immunity, the elicitation of neutralizing antibodies and cytotoxic T cells (CTL). Other components of the cellular immune response have been less well investigated, including i) NK cells with innate antiviral properties and ii) alternatively polarized T-cells with effector functions beyond those of classical CTL. In the present thesis, we aimed to provide a better understanding of cellular mechanisms that support HIV and SARS-CoV-2 viral control by comparing individuals with natural control of the infection and individuals with progressive disease. Chapters I and II are focused on the regulation of NK cell activity through the HLA-E/NKG2X axis. We observed common patterns between both infections, including elevated HLA-E expression, reduction of the circulating CD56bright NK cells population and impaired NK cell effector function in individuals with uncontrolled infections, suggesting a common mechanism of ineffective NK cell immunosurveillance linked to worse disease course in both infections. In Chapters III and IV, a novel flow cytometry approach allowed us to identify alternative CD4+ and CD8+ effector functions that might be missed otherwise. In particular, in Chapter III we identified Th1, Th17 and Treg CD4+ responses to SARS-CoV-2 N protein that distinguished individuals with mild or severe course of COVID-19. On the other hand, in Chapter IV we showed increased CD8+ Tfc-like responses in HIV controllers that were linked to humoral responses and to viral control. Together, this work provides supports an important role of NK cell and alternative T-cell effector function in the natural control of HIV and SARS-CoV-2 infections. This could benefit future research towards new cellular-based immunotherapies in these and other viral infections, including the rescue of exhausted NK cells and the elicitation of specific T-cell profiles that could lead to better disease prognosis.