Proteomics analysis for the identification of biomarkers and potential therapeutic targets for HIV-1 control and HIV-related neurological dysfunction

Abstract

Una de les estratègies per desenvolupar potencials teràpies per la cura del VIH-1 és analitzar un petit subconjunt d’individus infectats pel VIH-1 que presenten la capacitat natural de controlar el virus, aquests individus es coneixen com a controladors d’èlit. Tot i que alguns elements com els anticossos neutralitzants, les cèl·lules NK i la resposta de les cèl·lules T CD8 o els factors solubles difereixen entre aquests individus que poden controlar la infecció del VIH-1 i els que no, els mecanismes associats a aquest control natural encara no estan ben descrits. En aquesta tesi, hem utilitzat diferents eines proteòmiques per identificar factors plasmàtics associats al control o no control del VIH-1, per tal de definir biomarcadors relacionats amb la disfunció neurològica causada per la infecció del VIH-1. Paral·lelament, aquesta anàlisi proteòmica es va aplicar a l’assaig clínic BCN02, una intervenció terapèutica per la cura del VIH-1 basada en la estratègia “kick and kill”, per identificar altres factors plasmàtics que poden predir el rebot viral abans d’iniciar una pausa del tractament amb antirretrovirals. En el capítol I, vam identificar diferents factors plasmàtics associats al control del VIH-1 en absència de tractament en comparació amb individus no infectats pel VIH-1. En resum, es van analitzar el plasma i el líquid cefaloraquidi d’individus amb diferents nivells de control de la infecció pel VIH-1 en comparació amb els individus no infectats pel VIH-1. A continuació, vam seleccionar aquells marcadors plasmàtics que diferien entre individus que controlen el virus i no controladors del VIH-1. A més a més, alguns dels marcadors selceccionats vam veure que estaven fortament associats amb paràmetres virals i altres biomarcadors coneguts relacionats amb neuroinflamació. Curiosament, el tractament amb antirretrovirals va restaurar els nivells plasmàtics d’aquests candidats, cosa que indica que el tractament amb antirretrovirals pot reduir la disfunció neurològica causada pel VIH-1. En el capítol II, hem estudiat proteomes plasmàtics, amb en enfoc neurològica, en persones amb VIH-1 amb diferents capacitats per controlar la infecció amb el VIH-1. Curiosament, vam detectar de manera significativament diferent una desacetilasa dependent de NAD (dinucleòtid de nicotinamida i adenina), Sirtuin-2, que també es va veure associada amb el control viral. A més a més, aquest marcador estava relacionat amb alguns biomarcadors descrits en altres malalties neurològiques. Els nivells plasmàtics de SIRT2 vam observar que depenien del moment en què es va iniciar el tractament combinat amb antirretrovirals i estaven associats amb la involució d’una regió específica del cervell, l’escorça orbitofrontal. A més a més, els experiments in vitro d’inhibició de SIRT2 van reduir la reactivació viral de la latència i la replicació viral en cèl·lules de la sang perifèrica i en cèl·lules glials primàries. Aquests resultats suggereixen que SIRT2 pot servir com a biomarcador del control del VIH-1 i de la disfunció neurològica i podria ser una potencial diana terapèutica per a una estratègia per la cura del VIH-1. En el capítol III, es va analitzar el proteoma plasmàtic de participants de l’assaig clínic BCN02, basat en una estratègia “kick and kill”. Els participants de l’assaig clínic van ser tractats amb romidepsina per reactivar les cèl·lules latents infectades pel VIH-1 i vacunats amb l’immunogen HIVconsv per generar resposta de cèl·lules T. Per avaluar l’eficàcia d’aquesta estratègia els participants van interrompre el tractament d’antirretrovirals durant una pausa antirretroviral controlada. En aquest estudi, vam identificar possibles marcadors plasmàtics que es poden utilitzar per predir el rebot viral durant una pausa antirretroviral controlada després de la intervenció. Aquest estudi exploratori ens va permetre revelar com la intervenció va modificar els nivells de proteïnes plasmàtiques, especialment després de les infusions de romidepsina.

Una de las estrategias para desarrollar potenciales terapias para la cura del VIH-1 es analizar un pequeño subconjunto de individuos infectados por VIH-1 que presentan la capacidad natural de controlar el virus, estos individuos se conocen como controladores de élite. Aunque algunos elementos como los anticuerpos neutralizantes, las células NK y la respuesta de las células T CD8 o los factores solubles difieren entre los individuos que pueden controlar la infección y los que no, los mecanismos asociados a este control natural todavía no están bien descritos. En esta tesis, hemos utilizado diferentes herramientas proteómicas para identificar factores plasmáticos asociados al control o no control del VIH-1 para definir biomarcadores relacionados con la disfunción neurológica causada por la infección por VIH-1. Paralelamente, este análisis proteómico se aplicó en el ensayo clínico BCN02, una estrategia terapéutica “kick and kill” contra el VIH-1, para identificar otros factores plasmáticos que puedan predecir el rebote viral antes de iniciar la interrupción del tratamiento con antirretrovirales. En el capítulo I, hemos identificado distintos factores plasmáticos asociados al control del VIH-1 en ausencia de tratamiento en comparación con individuos no infectados por el VIH-1. En resumen, se analizaron el plasma y el líquido cefalorraquídeo de individuos con distintos niveles de control de la infección por el VIH-1 en comparación con los individuos no infectados por el VIH-1. A continuación, seleccionamos aquellos marcadores plasmáticos que diferían entre individuos que controlan el virus y no controladores del VIH-1. Además, estos marcadores estaban fuertemente asociados a parámetros virales y otros biomarcadores conocidos relacionados con neuroinflamación. Curiosamente, el tratamiento con antirretrovirales restauró los niveles plasmáticos de estos candidatos, indicando que el tratamiento con antirretrovirales puede reducir la disfunción neurológica relacionada con el virus. En el capítulo II, hemos estudiado proteomas plasmáticos, con un enfoque neurológico, en personas con VIH-1 con diferentes capacidades para controlar la infección por el VIH-1. Curiosamente, detectamos de forma significativamente diferente una desacetilasa dependiente de NAD (dinucleótido de nicotinamida y adenina), Sirtuin-2, que también se vio asociada con el control viral. Este marcador, además, estaba relacionado con algunos biomarcadores descritos en otras enfermedades neurológicas. Curiosamente, observamos que los niveles plasmáticos de SIRT2 eran dependientes del momento del inicio del tratamiento con antirretrovirales, y estos niveles estaban asociados con la involución de una región específica del cerebro, la corteza orbitofrontal. Además, los experimentos in vitro de inhibición de SIRT2 redujeron la reactivación viral de la latencia y la replicación viral en células de la sangre periférica y en células gliales primarias. Estos resultados sugieren que SIRT2 puede servir como biomarcador del control del VIH-1 y la disfunción neurológica y podría ser una potencial diana terapéutica para una estrategia de cura del VIH-1. En el capítulo III, se analizó el proteoma plasmático de participantes del ensayo clínico BCN02, basado en una estrategia “kick and kill”. Los participantes del ensayo clínico fueron tratados con romidepsina para reactivar las células latentes infectadas por el VIH-1 y vacunados con el inmunogeno HIVconsv para generar respuesta de células T. Para evaluar la eficacia de esta estrategia los participantes interrumpieron el tratamiento con antirretrovirales durante una pausa antirretroviral controlada. En este estudio, identificamos posibles marcadores plasmáticos que se pueden utilizar para predecir el rebote viral durante una pausa antirretroviral controlada después de la intervención. Este estudio exploratorio nos permitió revelar cómo la intervención modificó los niveles de proteínas plasmáticas, especialmente después de las infusiones de romidepsina. Además, el análisis proteómico identificó la asociación entre los niveles plasmáticos de CD33 con parámetros virales, estableciéndolo como un posible biomarcador plasmático indicativo del control viral durante la monitorización de la interrupción del tratamiento.

Combined antiretroviral therapy (cART) is the current treatment for people with HIV (PWH) that allows to turn this otherwise deadly disease into a chronic infection. Although these drugs maintain undetectable viral load and stop the progression of AIDS disease, access to cART is not ensured worldwide, requires life-long medication and can cause secondary effect associated with drug toxicity. Additionally, if the medication is stopped, a rapid viral rebound occurs due to the virus ability to establish a latent viral reservoir. One of the strategies to develop potential HIV-1 cure strategies, is to analyze a small subset of HIV-1 infected individuals that present the natural capacity to control the virus, known as elite controllers or long term non-progressors. Although some aspects such as neutralizing antibodies, NK cells and CD8 T-cell response or soluble factors differ between individuals that can control the infection versus those that cannot, the mechanisms associated with this natural control are not fully understood. In this thesis, we have used different proteomics approaches to identify plasma factors associated with HIV-1 control or non-control and to define biomarkers linked to neurological dysfunction in HIV-1 infection. In parallel, this proteomics analysis was applied to the BCN02 clinical trial, a “kick and kill” HIV-1 therapeutic strategy, to identify plasma factors that can predict viral rebound before initiating an antiretroviral treatment pause. In ChapterI, we identified different plasma factors associated with HIV-1 control in the absence of treatment compared to HIV-1 uninfected individuals. In brief, the plasma as well as cerebrospinal fluids were analyzed in individuals with different levels of control of HIV-1 infection and compared to HIV-1 uninfected individuals. Then, we selected those plasma markers that differed between individuals that control the virus and HIV-1 non-controllers. These markers were strongly associated with additional viral parameters and other well-known biomarker related to neuroinflammation. Interestingly, cART treatment restored the plasma levels of these proteins, suggesting that cART treatment may reduce HIV-related neurological dysfunction. ChapterII, we studied neuro-tailored plasma proteomes of PWH with different capabilities to control HIV-1 infection. Interestingly, a NAD (nicotinamide adenine dinucleotide)-dependent deacetylase, Sirtuin-2, was differentially detected and associated with viral control. Also, Sirtuin-2 was related to biomarkers described in other neurological diseases. The plasma levels of Sirtuin-2 were dependent on the time when cART was initiated and were associated with the involution of a specific brain region, in particular the orbitofrontal cortex. Moreover, in vitro targeting of SIRT2 reduced viral reactivation from latency and viral replication in peripheral blood cells and primary microglial cells. These results suggest that SIRT2 can serve as a biomarker of HIV-1 control and neurological dysfunction and could be a potential therapeutic target for a HIV-1 cure strategy. Chapter III, we analyzed the plasma proteome during the BCN02 clinical trial, which was based on a “kick and kill” HIV-1 cure strategy. Participants in the clinical trial were treated with romidepsin to reactivate HIV-1 in latently infected cells and vaccinated with HIVconsv vaccines to generate robust T-cell responses. Then, participants interrupted their cART treatment during a monitored antiretroviral pause (MAP) to evaluate the efficacy of this “kick and kill” strategy. In this context, we identified possible candidate plasma markers that predicted viral rebound during the monitored antiretroviral pause. This exploratory study revealed how this intervention modified the levels of plasma proteins, especially after romidepsin infusions. Moreover, proteomics analysis identified levels of the plasma CD33 protein to be associated with viral parameters, establishing it as a possible plasma biomarker indicative of monitored antiretroviral virus control, at least during short-term treatment interruption. Overall, proteomics allowed us to identify possible biomarkers that reflect pathogenic processes or responses to therapeutic interventions.