Deciphering Barriers to HIV Elimination: Viral Reactivation in Tissue Reservoirs and the Role of Myeloid-Derived Suppressor Cells on Viral Persistence

Abstract

Malgrat l’èxit de la teràpia antiretroviral (TAR) en la supressió de la replicació del VIH, l’erradicació completa del virus continua sent un repte. La principal barrera per la cura rau en la persistència de reservoris virals, formats principalment per cèl·lules T CD4+ de llarga vida que alberguen VIH en estat latent i competent per la replicació. Aquests reservoris, distribuïts en diversos teixits del cos, eludeixen la resposta immune i no es veuen afectats per la TAR, cosa que provoca un rebot viral quan es suspèn el tractament. Una de les estratègies més prometedores per l’eliminació d’aquests reservoris és la teràpia “shock and kill”. Aquesta estratègia consisteix a reactivar el VIH latent mitjançant agents reversors de latència (LRAs) i eliminar les cèl·lules infectades mitjançant els efectes citopàtics induïts pel virus o mitjançant l’acció del sistema immune. Malgrat diversos LRAs han tingut èxit en la inducció de la reactivació viral in vitro, no s’ha demostrat una reducció significativa dels reservoris virals en persones amb VIH en els assaigs clínics. Aquest fracàs es pot atribuir a la potència insuficient dels LRAs actuals per reactivar de manera robusta el VIH latent en tots els reservoris del cos. A més, la presència de mecanismes immunoreguladors al lloc de la infecció pot impedir tant la reactivació viral com l’eliminació de les cèl·lules infectades per les cèl·lules efectores anti-VIH. Aquesta tesi doctoral examina aquests dos factors crítics que limiten l’eficàcia de l’estratègia “shock and kill”, centrant-se en la susceptibilitat dels reservoris de VIH a la reactivació viral en les diverses poblacions de cèl·lules T CD4+ en els teixits i el paper de les “Myeloid-Derived Suppressor Cells” (MDSCs) a facilitar la latència i persistència viral. En primer lloc, vam desenvolupar models de cultiu d’explants de dos teixits clau per a la persistència viral, concretament l’intestí i les amígdales, amb l’objectiu de caracteritzar els reservoris de VIH en les diferents poblacions de cèl·lules T CD4+ en aquests teixits. Vam descobrir que els reservoris induïbles de VIH estan principalment formats per cèl·lules de memòria residents de teixit (TRM) en l’intestí i per cèl·lules T fol·liculars auxiliars (TFH) en les amígdales. Vam observar respostes variables als LRAs, tant entre els dos teixits com entre les subpoblacions de cèl·lules T CD4+ en cada teixit. Concretament, vam demostrar que els inhibidors de la histona desacetilasa (HDACis) van ser ineficaços en ambdós teixits, el “SMAC mimetic” AZD5582 va ser capaç de reactivar el VIH només en l’intestí, i la IL-15 va mostrar un ampli potencial de reactivació en els diferents reservoris de l’intestí i les amígdales. En segon lloc, vam investigar l’impacte de les MDSCs, cèl·lules amb potents capacitats immunosupressores, en la persistència del VIH durant la TAR. Vam demostrar que els individus en TAR amb nivells indetectables de VIH en sang presenten nivells elevats de MDSC granulocítiques (G-MDSC) i monocítiques (M-MDSC) amb capacitats immunosupressores augmentades. Vam trobar que les G-MDSCs inhibeixen la reactivació del VIH a partir de reservoris latents mitjançant un mecanisme dependent de l’enzim arginasa-1 (ARG-1), cosa que suggereix que aquestes cèl·lules contribueixen a la persistència del VIH en promovent un estat latent i no susceptible a la reactivació en les cèl·lules T CD4+ infectades. En resum, aquesta tesi doctoral demostra que l’establiment i la reactivació dels reservoris del VIH estan àmpliament influïts per factors específics de les cèl·lules i dels teixits, així com per l’activitat de cèl·lules immunoreguladores com les MDSCs. Aquests descobriments destaquen la complexitat de la persistència del VIH i subratllen la necessitat d’un enfocament terapèutic multifacètic per afrontar eficaçment les diverses barreres per l’erradicació completa del VIH.

A pesar del éxito de la terapia antirretroviral (TAR) en la supresión de la replicación del VIH, la erradicación completa del virus sigue siendo un desafío. La principal barrera para la cura radica en la persistencia de reservorios virales, compuestos principalmente por células T CD4+ de larga vida que albergan VIH en estado latente y competente para la replicación. Estos reservorios, distribuidos en diversos tejidos del cuerpo, escapan de la respuesta inmune y no se ven afectados por la TAR, lo que provoca un rebote viral al interrumpir el tratamiento. Una de las estrategias más prometedoras para la eliminación de estos reservorios es la terapia “shock and kill”. Esta estrategia consiste en reactivar el VIH latente utilizando agentes reversores de la latencia (LRAs) y eliminar las células infectadas mediante los efectos citopáticos inducidos por el virus o la acción del sistema inmunitario. Aunque varios LRAs han conseguido inducir la reactivación viral in vitro, no se ha demostrado una reducción significativa de los reservorios virales en personas con VIH en los ensayos clínicos. Este fracaso puede atribuirse a la potencia insuficiente de los LRAs actuales para reactivar de manera robusta el VIH latente en todos los reservorios del cuerpo. Además, la presencia de mecanismos inmunorreguladores en el sitio de la infección pueden impedir tanto la reactivación viral como la eliminación de las células infectadas por las células efectoras anti-VIH. Esta tesis doctoral examina estos dos elementos críticos que limitan la eficacia de la estrategia "shock and kill", enfocándose en la susceptibilidad de los reservorios de VIH a la reactivación viral en distintas poblaciones de células T CD4+ en los tejidos y el papel de las “Myeloid-Derived Suppresor Cells” (MDSCs) en facilitar la latencia y persistencia viral. En primer lugar, desarrollamos modelos de cultivo de explantes de dos tejidos clave para la persistencia viral, en concreto el intestino y las amígdalas, con el objetivo de caracterizar los reservorios de VIH en las diferentes poblaciones de células T CD4+ en estos tejidos. Descubrimos que los reservorios inducibles de VIH están principalmente constituidos por células de memoria residentes de tejido (TRM) en el intestino y por células T foliculares auxiliares (TFH) en las amígdalas. Observamos respuestas variables a los LRAs, tanto entre los dos tejidos como entre las subpoblaciones de células T CD4+ en cada tejido. Específicamente, demostramos que los inhibidores de la histona desacetilasa (HDACis) fueron ineficaces en ambos tejidos, el “SMAC mimetic” AZD5582 era capaz de reactivar el VIH solo en el intestino, y la IL-15 mostró un amplio potencial de reactivación de los diferentes reservorios del intestino y las amígdalas. En segundo lugar, investigamos el impacto de las MDSCs, células con potentes capacidades inmunosupresoras, en la persistencia del VIH durante la TAR. Demostramos que los individuos en TAR con un nivel indetectable de VIH en sangre presentan niveles elevados de MDSC granulocíticas (G-MDSC) y monocíticas (M-MDSC) y que sus capacidades inmunosupresoras están aumentadas. Averiguamos que las G-MDSCs inhiben la reactivación del VIH de los reservorios latentes mediante un mecanismo dependiente de la enzima arginasa-1 (ARG-1), lo que sugiere que estas células contribuyen a la persistencia del VIH al promover un estado latente y no susceptible a la reactivación en las células T CD4+ infectadas. En resumen, esta tesis doctoral demuestra que el establecimiento y la reactivación de los reservorios de VIH están ampliamente influenciados por factores específicos de las células y los tejidos, así como por la actividad de células inmunorreguladoras como las MDSCs. Estos hallazgos destacan la complejidad de la persistencia del VIH y subrayan la necesidad de un enfoque terapéutico multifacético para lograr la completa erradicación del virus.

Despite the success of antiretroviral therapy (ART) in suppressing HIV replication, complete viral eradication remains elusive. The primary barrier to a cure lies in the persistence of viral reservoirs, predominantly composed of long-lived CD4+ T cells harbouring latent, replication-competent HIV. These reservoirs, distributed across diverse tissue compartments, evade immune surveillance and are unaffected by ART, leading to viral rebound upon treatment interruption. One of the most promising strategies for eliminating these reservoirs is the "shock and kill" approach. This strategy involves reactivating latent HIV using latency-reversing agents (LRAs) and clearing the infected cells through viral cytopathic effects or immune-mediated mechanisms. Although several LRAs have been successful in inducing viral reactivation in vitro, clinical trials have not shown a significant reduction in viral reservoirs in people with HIV (PWH). This failure may be attributed to the insufficient potency of current LRAs in robustly reactivating latent HIV across all reservoirs in the body. Additionally, immunoregulatory mechanisms at the site of infection may impede both viral reactivation and the elimination of infected cells by anti-HIV effector cells. This PhD thesis explores these two critical factors contributing to the limitations of the "shock and kill" strategy, focusing specifically on the susceptibility of HIV reservoirs within distinct CD4+ T cell populations from tissues to reactivation, and the role of Myeloid-Derived Suppressor Cells (MDSCs) in promoting viral latency and persistence. Firstly, we developed explant culture models of two critical tissues for viral persistence, particularly the intestine and the tonsils, to characterize the establishment of HIV reservoirs within distinct CD4+ T cell populations in these tissues. We revealed that inducible HIV reservoirs are predominantly comprised of tissue-resident memory cells (TRM) in the intestinal tissue and T follicular helper (TFH) cells in the tonsils. We observed variable responses to LRAs, both between the two tissues and among the distinct CD4+ T cell subpopulations. Specifically, we showed that histone deacetylase inhibitors (HDACis) were ineffective in both tissues, the SMAC mimetic AZD5582 reactivated HIV only in the intestine, and IL-15 demonstrated broad reactivation potential across a wide range of intestinal and tonsillar reservoirs. Secondly, we investigated the impact of MDSCs, potent immunosuppressive cells, on HIV persistence during ART. Our study demonstrated that individuals on suppressive ART have elevated levels of both granulocytic (G-MDSCs) and monocytic (M-MDSCs) MDSCs with enhanced immunosuppressive capabilities. Functionally, G-MDSCs were found to inhibit HIV reactivation from latent reservoirs via an arginase-1 (ARG-1)-dependent mechanism, suggesting that these cells contribute to HIV persistence by promoting a non-reactive, latent state in infected CD4+ T cells. Overall, this PhD thesis elucidates that the establishment and reactivation of HIV reservoirs are significantly influenced by both cell-specific and tissue-specific factors, as well as by the activity of immunoregulatory cells such as MDSCs. These findings highlight the complex nature of HIV persistence and underscore the need for a multifaceted therapeutic approach to effectively address the various barriers to complete HIV eradication.