Elucidating the role of natural killer cells in hiv control and evaluation of a bispecific antibody to enhance their function

Abstract

El virus de la immunodeficiència humana (VIH) causa una infecció crònica que afecta al sistema immunitari i, en absència de tractament, por conduir a la síndrome de la immunodeficiència adquirida (SIDA). El tractament antiretroviral (TAR) actual disponible pot suprimir la virèmia fins a nivells indetectables, restaurar la funció de les cèl·lules immunitàries, i reduir la mortalitat i morbiditat associades a la infecció, disminuint així el risc de transmissió. Tot i així, el TAR és incapaç d’eliminar completament el virus de les cèl·lules principalment degut a la formació de reservoris virals que permeten que el VIH quedi en un estat latent, invisible a l’acció del TAR i del sistema immune. A més, això implica que, en interrompre el tractament, la càrrega viral augmenta de nou a nivells detectables en poques setmanes. D’aquesta manera, els individus amb VIH requereixen la continua administració de TAR el llarg de tota la vida. Per aquesta raó, és necessari desenvolupar noves estratègies terapèutiques dirigides a curar la infecció per VIH. El desenvolupament de noves teràpies exigeix una comprensió profunda dels mecanismes que controlen el VIH i enfocaments que potenciïn les respostes immunològiques per eliminar el virus. Actualment, s’han descrit sis casos de curació del VIH, tots ells a través de transplantaments de cèl·lules hematopoètiques en pacients oncològics amb una mutació en el gen CCR5, que confereix resistència a la infecció per VIH amb virus amb tropisme R5. A més d’aquests casos, també existeixen els anomenats controladors d’èlit, individus amb VIH que són capaços de controlar la infecció d’una manera excepcional en absència de TAR. Per altra banda, les cèl·lules Natural Killer (NK) són candidates prometedores per la desenvolupament d’immunoteràpies contra el VIH, donada la seva potent activitat immunològica. En la present tesi es descriu, en primer lloc, el fenotip diferencial expressat per les cèl·lules NK en controladors d’èlit en comparació amb altres cohorts de persones amb VIH. S’observa que aquests individus tenen més cèl·lules NK de memòria, amb un fenotip particular que inclou l’expressió del marcador inhibidor NKG2A, i que són capaces de promoure respostes de tipus ADCC molt potents contra cèl·lules infectades. A més, aquestes cèl·lules presenten un perfil transcripcional caracteritzat per la sobreregulació de gens implicats en el metabolisme, migració, resposta efectora i resposta antiviral d’aquestes cèl·lules. En segon lloc, s’ha avaluat l’ús d’un anticòs biespecífic dirigit a les cèl·lules VIH+ i cèl·lules NK, tant in vitro com in vivo, en un model de ratolí humanitzat d’infecció per VIH. Els resultats mostren que l’anticòs biespecífic potencia l’acció de les cèl·lules NK en l’eliminació de les cèl·lules VIH+ en diversos contextos d’infecció viral. No obstant això, els resultats preclínics mostren una reducció de la població total de cèl·lules NK després d’una administració prolongada de l’anticòs, associada amb un pitjor control virològic després de la interrupció del TAR. En conclusió, aquesta tesi descriu una població de cèl·lules NK amb una potent resposta citotòxica contra cèl·lules infectades per VIH en controladors d’èlit, amb implicacions per al disseny de noves estratègies de cura funcional dirigides a l’eliminació dels reservoris virals, i destaca el potencial d’un anticòs biespecífic per a aplicacions en immunoteràpies dirigides a potenciar l’acció de les cèl·lules NK en la resposta anti-VIH.

El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) causa una infección crónica que afecta al sistema inmunitario y, en ausencia de tratamiento, puede dar lugar al síndrome de la inmunodeficiencia adquirida (SIDA). El tratamiento antirretroviral (TAR) actual disponible es capaz de suprimir la viremia hasta niveles indetectables, restaurar la función de las células inmunitarias, y reducir la mortalidad y morbilidad asociadas a la infección, disminuyendo así el riesgo de transmisión. Sin embargo, el TAR es incapaz de eliminar completamente el virus de las células, principalmente debido a la formación de reservorios virales que permiten que el VIH quede en un estado latente, invisible a la acción del TAR y del sistema inmunológico. Esto implica que, al interrumpir el tratamiento, la carga viral aumenta de nuevo a niveles detectables en pocas semanas. De esta manera, las personas con VIH requieren la continua administración de TAR a lo largo de toda la vida. Por esta razón, es necesario desarrollar nuevas estrategias terapéuticas dirigidas a curar la infección por VIH. El desarrollo de nuevas terapias exige una comprensión profunda de los mecanismos que controlan el VIH y enfoques que potencien las respuestas inmunológicas para eliminar el virus. Actualmente, se han descrito seis casos de curación del VIH, todos ellos a través del trasplante de células hematopoyéticas con una mutación en el gen CCR5, que confiere resistencia a la infección por VIH con virus de tropismo R5, en pacientes oncológicos. Además de estos casos, también existen los llamados controladores de élite, individuos con VIH que son capaces de controlar la infección de una manera excepcional en ausencia de TAR. Por otro lado, las células Natural Killer (NK) son candidatas prometedoras para el desarrollo de inmunoterapias contra el VIH, dada su potente actividad inmunológica. En la presente tesis se describe, en primer lugar, el fenotipo diferencial expresado por las células NK en controladores de élite en comparación con otras cohortes de personas con VIH. Se observa que estos individuos tienen más células NK de memoria, con un fenotipo particular que incluye la expresión del marcador inhibidor NKG2A, y que son capaces de promover respuestas de tipo ADCC muy potentes contra células infectadas. Además, estas células presentan un perfil transcripcional caracterizado por la sobreexpresión de genes implicados en el metabolismo, migración, respuesta efectora y respuesta antiviral de estas células. En segundo lugar, se ha evaluado el uso de un anticuerpo biespecífico dirigido a las células VIH+ y células NK, tanto in vitro como in vivo, en un modelo de ratón humanizado de infección por VIH. Los resultados muestran que el anticuerpo biespecífico potencia la acción de las células NK en la eliminación de las células VIH+ en distintos contextos de infección viral. No obstante, los resultados preclínicos muestran una reducción de la población total de células NK después de la administración prolongada del anticuerpo, asociada a un peor control virológico tras la interrupción del TAR. En conclusión, la presente tesis describe una población de células NK con una potente respuesta citotóxica contra células infectadas por VIH en controladores de élite, con implicaciones para el diseño de nuevas estrategias de cura funcional dirigidas a la eliminación de los reservorios virales, y destaca el potencial de un anticuerpo biespecífico para aplicaciones en inmunoterapias dirigidas a potenciar la acción de las células NK en la respuesta anti-VIH.

The human immunodeficiency virus (HIV) causes a chronic infection that disrupts the immune system and, in the absence of treatment, can lead to acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). The currently available antiretroviral treatment (ART) can suppress viremia to undetectable levels, restore immune cell function, and reduce the mortality and morbidity associated with the infection, thereby decreasing the risk of transmission. However, ART is unable to completely eliminate the virus from the cells, primarily due to the formation of viral reservoirs that allow HIV to remain in a latent state, rendering invisible to the action of ART and the immune system. Consequently, upon treatment interruption, the viral load increases again to detectable levels within a few weeks. Therefore, individuals with HIV require lifelong administration of ART. For this reason, it is essential to develop new therapeutic strategies aimed at achieving HIV cure. The development of new therapies requires a deep understanding of the mechanisms that control HIV as well as the development of approaches that enhance immune responses to eliminate the virus. To date, six cases of HIV cure have been described, all through hematopoietic stem cell transplants harboring mutations in the CCR5 gene, which confers resistance to HIV infection from R5-tropic virus, in cancer patients. In addition to these cases, there are also the so-called elite controllers, individuals that exhibit the exceptional ability to control HIV infection for prolonged periods in the absence of ART. Furthermore, Natural Killer (NK) cells are promising candidates for the development of immunotherapies against HIV due to their potent immunological activity. The present doctoral thesis describes the differential phenotype expressed by NK cells in elite controllers compared to other groups of people living with HIV. Here, we show that these individuals present higher frequencies of memory NK cells with a particular phenotype, including the expression of the inhibitory marker NKG2A, and that they can mediate robust ADCC responses against infected cells. Additionally, these cells exhibit a unique transcriptional profile characterized by the upregulation of genes involved in the metabolism, migration, effector and antiviral responses of these cells. Secondly, the use of a bispecific antibody to simultaneously target HIV-infected cells and NK cells has been evaluated both in vitro and in vivo in a humanized mouse model of HIV infection. The results show that the bispecific antibody enhances the action of NK cells in eliminating HIV+ cells in various contexts of viral infection. However, preclinical evaluation showed a reduction in the total NK cell population following sustained antibody administration, which was associated with poor virological HIV control after ART interruption. In conclusion, the present doctoral thesis describes a population of NK cells with potent cytotoxic responses against HIV-infected cells in elite controllers, with implications for the design of new functional cure strategies aimed at eliminating viral reservoirs, and highlights the potential of a bispecific antibody for the development of novel immunotherapies targeting NK cells for HIV control.