13,526 research outputs found

    Modeling viral infectious diseases and development of antiviral therapies using human induced pluripotent stem cell-derived systems

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    The recent biotechnology breakthrough of cell reprogramming and generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs), which has revolutionized the approaches to study the mechanisms of human diseases and to test new drugs, can be exploited to generate patient-specific models for the investigation of host-pathogen interactions and to develop new antimicrobial and antiviral therapies. Applications of iPSC technology to the study of viral infections in humans have included in vitro modeling of viral infections of neural, liver, and cardiac cells; modeling of human genetic susceptibility to severe viral infectious diseases, such as encephalitis and severe influenza; genetic engineering and genome editing of patient-specific iPSC-derived cells to confer antiviral resistance

    Phylogenetic surveillance of viral genetic diversity and the evolving molecular epidemiology of human immunodeficiency virus type 1

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    With ongoing generation of viral genetic diversity and increasing levels of migration, the global human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) epidemic is becoming increasingly heterogeneous. In this study, we investigate the epidemiological characteristics of 5,675 HIV-1 pol gene sequences sampled from distinct infections in the United Kingdom. These sequences were phylogenetically analyzed in conjunction with 976 complete-genome and 3,201 pol gene reference sequences sampled globally and representing the broad range of HIV-1 genetic diversity, allowing us to estimate the probable geographic origins of the various strains present in the United Kingdom. A statistical analysis of phylogenetic clustering in this data set identified several independent transmission chains within the United Kingdom involving recently introduced strains and indicated that strains more commonly associated with infections acquired heterosexually in East Africa are spreading among men who have sex with men. Coalescent approaches were also used and indicated that the transmission chains that we identify originated in the late 1980s to early 1990s. Similar changes in the epidemiological structuring of HIV epidemics are likely to be taking in place in other industrialized nations with large immigrant populations. The framework implemented here takes advantage of the vast amount of routinely generated HIV-1 sequence data and can provide epidemiological insights not readily obtainable through standard surveillance methods

    The utility of efavirenz-based prophylaxis against HIV infection. A systems pharmacological analysis

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    Pre-exposure prophylaxis (PrEP) is considered one of the five “pillars” by UNAIDS to reduce HIV transmission. Moreover, it is a tool for female self-protection against HIV, making it highly relevant to sub-Saharan regions, where women have the highest infection burden. To date, Truvada is the only medication for PrEP. However, the cost of Truvada limits its uptake in resource-constrained countries. Similarly, several currently investigated, patent-protected compounds may be unaffordable in these regions. We set out to explore the potential of the patent-expired antiviral efavirenz (EFV) as a cost-efficient PrEP alternative. A population pharmacokinetic model utilizing data from the ENCORE1 study was developed. The model was refined for metabolic autoinduction. We then explored EFV cellular uptake mechanisms, finding that it is largely determined by plasma protein binding. Next, we predicted the prophylactic efficacy of various EFV dosing schemes after exposure to HIV using a stochastic simulation framework. We predicted that plasma concentrations of 11, 36, 1287 and 1486ng/mL prevent 90% sexual transmissions with wild type and Y181C, K103N and G190S mutants, respectively. Trough concentrations achieved after 600 mg once daily dosing (median: 2017 ng/mL, 95% CI:445–9830) and after reduced dose (400 mg) efavirenz (median: 1349ng/mL, 95% CI: 297–6553) provided complete protection against wild-type virus and the Y181C mutant, and median trough concentrations provided about 90% protection against the K103N and G190S mutants. As reduced dose EFV has a lower toxicity profile, we predicted the reduction in HIV infection when 400 mg EFV-PrEP was poorly adhered to, when it was taken “on demand” and as post-exposure prophylaxis (PEP). Once daily EFV-PrEP provided 99% protection against wild-type virus, if ≥50% of doses were taken. PrEP “on demand” provided complete protection against wild-type virus and prevented ≥81% infections in the mutants. PEP could prevent >98% infection with susceptible virus when initiated within 24 h after virus exposure and continued for at least 9 days. We predict that 400 mg oral EFV may provide superior protection against wild-type HIV. However, further studies are warranted to evaluate EFV as a cost-efficient alternative to Truvada. Predicted prophylactic concentrations may guide release kinetics of EFV long-acting formulations for clinical trial design

    Personalizing HIV therapy, mission impossible?

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    Sustained HIV suppression depends on a number of factors including therapy adherence, management of side effects, viral resistance and individual characteristics of patients and therapeutic settings. Treatment response rates range up to 90% in therapy naïve patients but decline to approximately 50% in patients who received several antiretrovirals during treatment history. Furthermore, HIV protease inhibitors (PI) and non nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTI) plasma concentrations display high inter- and intra individual variability and the therapeutic window is comparably narrow. In this therapeutic setting the personalization of dosing regimens has been suggested in many cases to tailor the ARV plasma concentrations with the intention to maximize therapy success and minimize side effects in the individual. However, personalizing therapy by modifying the dosing regimen bears the danger of losing therapeutic efficacy, increasing side effects or causing viral resistance. This topical review identifies pharmacokinetic and pharmacodynamic models of antiretroviral therapy appraising the potential application to HIV therapy and discusses its future in the light of new drug classes and fix-dose combinations

    Adaptive HIV-1 evolutionary trajectories are constrained by protein stability

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    Despite the use of combination antiretroviral drugs for the treatment of HIV-1 infection, the emergence of drug resistance remains a problem. Resistance may be conferred either by a single mutation or a concerted set of mutations. The involvement of multiple mutations can arise due to interactions between sites in the amino acid sequence as a consequence of the need to maintain protein structure. To better understand the nature of such epistatic interactions, we reconstructed the ancestral sequences of HIV-1's Pol protein, and traced the evolutionary trajectories leading to mutations associated with drug resistance. Using contemporary and ancestral sequences we modelled the effects of mutations (i.e. amino acid replacements) on protein structure to understand the functional effects of residue changes. Although the majority of resistance-associated sequences tend to destabilise the protein structure, we find there is a general tendency for protein stability to decrease across HIV-1's evolutionary history. That a similar pattern is observed in the non-drug resistance lineages indicates that non-resistant mutations, for example, associated with escape from the immune response, also impacts on protein stability. Maintenance of optimal protein structure therefore represents a major constraining factor to the evolution of HIV-1

    Modeling long-term longitudinal HIV dynamics with application to an AIDS clinical study

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    A virologic marker, the number of HIV RNA copies or viral load, is currently used to evaluate antiretroviral (ARV) therapies in AIDS clinical trials. This marker can be used to assess the ARV potency of therapies, but is easily affected by drug exposures, drug resistance and other factors during the long-term treatment evaluation process. HIV dynamic studies have significantly contributed to the understanding of HIV pathogenesis and ARV treatment strategies. However, the models of these studies are used to quantify short-term HIV dynamics (<< 1 month), and are not applicable to describe long-term virological response to ARV treatment due to the difficulty of establishing a relationship of antiviral response with multiple treatment factors such as drug exposure and drug susceptibility during long-term treatment. Long-term therapy with ARV agents in HIV-infected patients often results in failure to suppress the viral load. Pharmacokinetics (PK), drug resistance and imperfect adherence to prescribed antiviral drugs are important factors explaining the resurgence of virus. To better understand the factors responsible for the virological failure, this paper develops the mechanism-based nonlinear differential equation models for characterizing long-term viral dynamics with ARV therapy. The models directly incorporate drug concentration, adherence and drug susceptibility into a function of treatment efficacy and, hence, fully integrate virologic, PK, drug adherence and resistance from an AIDS clinical trial into the analysis. A Bayesian nonlinear mixed-effects modeling approach in conjunction with the rescaled version of dynamic differential equations is investigated to estimate dynamic parameters and make inference. In addition, the correlations of baseline factors with estimated dynamic parameters are explored and some biologically meaningful correlation results are presented. Further, the estimated dynamic parameters in patients with virologic success were compared to those in patients with virologic failure and significantly important findings were summarized. These results suggest that viral dynamic parameters may play an important role in understanding HIV pathogenesis, designing new treatment strategies for long-term care of AIDS patients.Comment: Published in at http://dx.doi.org/10.1214/08-AOAS192 the Annals of Applied Statistics (http://www.imstat.org/aoas/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

    CRISPR/Cas9‐mediated genome editing: from basic research to translational medicine

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    The recent development of the CRISPR/Cas9 system as an efficient and accessible programmable genome-editing tool has revolutionized basic science research. CRISPR/Cas9 system-based technologies have armed researchers with new powerful tools to unveil the impact of genetics on disease development by enabling the creation of precise cellular and animal models of human diseases. The therapeutic potential of these technologies is tremendous, particularly in gene therapy, in which a patient-specific mutation is genetically corrected in order to treat human diseases that are untreatable with conventional therapies. However, the translation of CRISPR/Cas9 into the clinics will be challenging, since we still need to improve the efficiency, specificity and delivery of this technology. In this review, we focus on several in vitro, in vivo and ex vivo applications of the CRISPR/Cas9 system in human disease-focused research, explore the potential of this technology in translational medicine and discuss some of the major challenges for its future use in patients.Portuguese Foundation for Science and Technology: UID/BIM/04773/2013 1334 Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities RTI2018-094629-B-I00 Portuguese Foundation for Science and Technology SFRH/BPD/100434/2014 European Union (EU) 748585 LPCC-NRS/Terry Fox grantsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio

    Probing entry inhibitors' activity on HIV and development of new fusion inhibitors : integrating evolutionary biology with virology

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    Tese de doutoramento, Farmácia (Microbiologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2011The general aims of this thesis were: 1) to examine the C2, V3 and C3 envelope regions ofHIV-1 and HIV-2 at the molecular, evolutionary and structural levels; 2) to compare HIV-1and HIV-2 susceptibility to entry inhibitors and assess their potential value in HIV-2therapy; 3) to produce a new fusion inhibitor peptide using evolutionary biology basedstrategies.In the first study (Chapter 2), HIV-1 and HIV-2 were compared at the molecular,evolutionary and structural levels in the C2, V3 and C3 envelope regions. We identifiedsignificant structural and functional constrains to the diversification and evolution of C2,V3 and C3 in the HIV-2 envelope but not in HIV-1. In particular, we found that V3 in HIV-2is less exposed and more conserved than in HIV-1, suggesting fundamental differences inthe biology and infection of these viruses as well as in their susceptibility to entryinhibitors.In the second study (Chapter 3) we measured the baseline susceptibility of HIV-1 and HIV-2primary isolates to different fusion inhibitors and coreceptor antagonists, includingenfuvirtide (T-20) and maraviroc (MVC). MVC inhibited HIV-2 R5 variants at significantlyhigher IC90 concentrations than HIV-1 variants. Moreover, as previously found in HIV-1,susceptibility of HIV-2 R5 variants to MVC was inversely related with CD4+ T cell counts attime of virus isolation. These results suggest that the structure of the envelope complex ofR5 variants changes along the course of infection. More importantly, the results call fornew clinical studies to evaluate the efficacy of MVC in HIV-2 infection and to determine itsbest therapeutic dosage in early and late stage disease. We also provide definitiveevidence demonstrating that T-20 is not useful for HIV-2 therapy.In the final study (Chapter 4), we designed a new HIV fusion inhibitor peptide (P3) basedon the ancestral sequences of the HIV-2 and SIV envelope genes. P3 has an a-helixstructure as demonstrated by circular dichroism. It has broad antiviral activity at thenanomolar range against HIV-1 and HIV-2 primary isolates, including HIV-1 variantsresistant to T-20. Binding ELISA assays and selection of resistant mutants suggest that P3prevents viral fusion by binding to the transmembrane protein in the HR1 region. Thesestudies provide proof of concept that viable antiviral peptides can be constructed usingevolutionary biology strategies. Such strategies should be explored to enhance theproduction of peptide drugs and vaccines.O Vírus da Imunodeficiência Humana do tipo 1 e do tipo 2 (VIH-1 e VIH-2) são os agentes etiológicos do Síndrome de Imunodeficiência Adquirida (SIDA). Embora sejam semelhantes na sua organização estrutural e genómica, estes lentivírus humanos apresentam características antigénicas distintas e partilham uma semelhança genética de apenas 50%. Enquanto o VIH-1 é responsável pela pandemia mundial, a infecção pelo VIH-2 localiza-se sobretudo na África Ocidental, em alguns países europeus como Portugal e França, e na Índia. A infecção pelo VIH-2 tem melhor prognóstico, a progressão para a doença é mais lenta e há melhor controlo imunológico do que na infecção pelo VIH-1. Ao contrário do VIH-1, o arsenal terapêutico actualmente disponível para tratar a infecção por VIH-2 é reduzido. Os fármacos antiretrovirais em uso foram especificamente desenvolvidos para o VIH-1 e, consequentemente, a sua actividade pode ser reduzida ou nula no VIH-2. Este é o caso concreto dos inibidores não nucleosídicos da transcriptase reversa e de alguns inibidores da protease. Neste contexto, os inibidores de entrada poderão ser úteis para tratar a infecção por VIH-2. Contudo, a susceptibilidade dos isolados primários de VIH-2 aos inibidores de entrada é actualmente desconhecida. A susceptibilidade do VIH aos inibidores de entrada é determinada pela qualidade da interacção do vírus com os receptores celulares. O VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes a este nível. Por exemplo, o VIH-2 pode ligar-se ao co-receptor CCR5 independentemente do receptor CD4 e da região V3 do invólucro. Por outro lado, as regiões C2, V3 e C3 do VIH-2 são substancialmente diferentes do VIH-1 a nível antigénico. Colectivamente, estes dados indicam que a estrutura e conformação das glicoproteínas de superfície do VIH-1 e VIH-2 são substancialmente diferentes e sugerem que a susceptibilidade e resistência dos dois tipos de vírus aos inibidores de entrada podem também ser diferentes. Os principais objectivos desta tese foram: 1) analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas das regiões C2, V3 e C3 no VIH-1 e VIH-2; 2) comparar a susceptibilidade do VIH-1 e VIH-2 aos inibidores de entrada e avaliar o seu potencial terapêutico na infecção por VIH-2; 3) produzir um novo inibidor de fusão para o VIH-2. Para melhor compreender as potenciais diferenças destes dois vírus na resposta aos inibidores de entrada começámos por analisar as características moleculares, estruturais e evolutivas da região V3 e as regiões circundantes C2 e C3, num número significativo de vírus VIH-1 e VIH-2 isolados em Portugal e noutras regiões do globo, com recurso a diferentes metodologias de biologia evolutiva e computacional (Capitulo 2). Apesar da menor variabilidade das 3 regiões no VIH-2, verificámos que a região C3 está sob forte selecção positiva e encontra-se exposta à superfície sugerindo que, tal como no VIH-1, esta região poderá constituir um domínio neutralizante. No entanto, ao contrário do VIH-1, a maioria das mutações adaptativas no VIH-2 são prejudiciais e levam à extinção das linhagens virais pelo que o efeito final é um forte constrangimento à variabilidade das regiões analisadas. Ao contrário do VIH-1, verificámos que a ansa V3 do VIH-2 se encontra oclusa no complexo glicoproteico do invólucro, numa conformação que parece ser estabilizada por interacções que mantém com alguns resíduos da regiões C2 e C3. Estes resultados são consistentes com o facto de a V3 não ser imunodominante no VIH-2, ficando assim mais protegida da resposta imunitária e das eventuais mutações que dela resultam. A forte conservação da V3, da C2 e da C3 também é consistente com a sua potencialmente importante actividade imunosupressora. Em conclusão, este primeiro estudo permitiu caracterizar algumas das características estruturais e funcionais que distinguem as glicoproteínas do invólucro do VIH-1 e do VIH-2 e que estão associadas às diferentes características biológicas e fenotípicas destes dois vírus. Estes dados podem ter impacto na resposta dos dois vírus aos inibidores de entrada (analisado no Capítulo 3) e no desenvolvimento de novas vacinas. No segundo estudo (Capítulo 3) comparámos a actividade antiviral dos antagonistas dos coreceptores (AMD3100, TAK-779 e maraviroc) e dos inibidores de fusão (T-20 e T-1249) entre um grupo de 20 isolados de VIH-2 (19 isolados primários + um isolado laboratorial) e nove isolados de VIH-1 (sete isolados primários + dois isolados laboratoriais). Verificámos que a sensibilidade ao AMD3100 e ao TAK-779 é semelhante no VIH-1 e o VIH-2. No entanto, o perfil da curva dose-resposta do maraviroc (MVC) obtido para os isolados R5 foi diferente nos dois tipos de vírus. No VIH-2 os valores de IC90 foram significativamente mais elevados do que no VIH-1; por outro lado, os declives da curva dose-resposta foram mais baixos no VIH-2 do que no VIH-1. Colectivamente, estes resultados sugerem que poderão ser necessárias concentrações mais elevadas de MVC para tratar os doentes infectados pelo VIH-2. Adicionalmente, encontrámos uma correlação forte e de sentido inverso entre as susceptibilidade do VIH-2 ao MVC e o número de células T CD4+ dos doentes quando os vírus foram isolados. Vírus isolados em doentes em fase de SIDA foram menos susceptíveis ao MVC do que os vírus isolados em doentes com uma contagem de células T CD4+ superior a 200 células/ul. Ao contrário do VIH-1 não encontrámos qualquer correlação entre a carga da V3 e a susceptibilidade dos isolados R5 de VIH-2 ao MVC. De um modo geral, os nossos resultados sugerem que são necessários ensaios clínicos para avaliar a efectividade do MVC na infecção pelo VIH-2, determinar a dose terapêutica mais adequada e esclarecer se é necessário fazer um ajuste de dose de acordo com a fase da doença. Adicionalmente, e uma vez que isolados VIH-2 X4 e populações duplas/mistas são totalmente ou parcialmente resistentes ao MVC, é de extrema importância o desenvolvimento de um ensaio de tropismo (genotípico e/ou fenotípico) para o VIH-2 de modo a determinar o tropismo antes do início da terapia com MVC. Sem o conhecimento prévio do tropismo viral, o tratamento com MVC poderá seleccionar espécies X4 minoritárias que estão associadas a maior resistência à neutralização e uma progressão mais rápida da doença. No que diz respeito aos inibidores de fusão, verificámos que o T-20 tem actividade reduzida no VIH-2, confirmando estudos anteriores realizados com dois isolados laboratoriais. Por outro lado, observámos uma elevada susceptibilidade deste vírus ao T- 1249, indicando que os inibidores de fusão são potencialmente eficazes na infecção pelo VIH-2. Assim, o desenvolvimento de um novo inibidor de fusão do VIH-2 foi o objectivo do último estudo desta tese (Capítulo 4). No Capítulo 4, desenvolvemos novos péptidos inibidores de fusão a partir da reconstrução de sequências ancestrais da glicoproteína gp36 do invólucro de VIH-2 e de Vírus de Imunodeficiência dos Símios (VIS). Com esta abordagem inovadora pretendemos incorporar a história evolutiva dos vírus na sequência dos péptidos e desta forma melhorar a tolerância destas moléculas aos polimorfismos naturais da sua região alvo bem como às mutações de resistência seleccionadas na sua presença. Obteve-se um péptido ancestral (P3) constituído por 34 aminoácidos, cuja sequência corresponde às posições homólogas 628 – 661 da proteína Env do isolado VIH-1 HXB2 (ou 623 – 656 do isolado VIH-2 ROD). A sequência do P3 difere em 21 aminoácidos da sequência consenso de VIH-1, 14 aminoácidos da sequência do T-20 e 6 aminoácidos da sequência consenso de VIH-2. Ao contrário da natureza não-estruturada do T-20, o P3 tem uma conformação típica em hélice-a, o que lhe poderá conferir maior a estabilidade contra a degradação proteolítica, bem como maior afinidade para a região alvo. Por outro lado, o P3 foi facilmente solúvel em soluções aquosas o que é uma vantagem num futuro desenvolvimento de uma fórmula farmacêutica. O P3 demonstrou ter uma forte actividade antiviral contra isolados primários e laboratoriais de VIH-1 e VIH-2 (IC50 médio, 11 nM para o HIV-1 e 63.8 nM para o HIV-2), incluindo variantes resistentes ao T-20 (IC50, 0.15 – 11.8 nM). Através da passagem consecutiva de vírus em cultura na presença do péptido, foi seleccionada uma mutação de resistência na região HR1 da gp41 (VIH-1), a qual é responsável pela redução da susceptibilidade do VIH-1 ao P3 em 120x. Nas mesmas condições, e após 60 dias em cultura, não foi possível seleccionar mutações de resistência ao P3 no VIH-2. Estes resultado, em conjugação com a sua forte ligação à glicoproteína transmembranar de um isolado de VIH-2, indicam que, tal como outros péptidos baseados na região HR2 (T-20, T- 1249), o P3 inibe a entrada do VIH pela interacção com a região HR1 da gp41 e sugerem que a barreira genética para a resistência ao P3 é significativamente superior no VIH-2 do que no VIH-1. Neste estudo demonstrámos ainda que o P3 é significativamente menos antigénico do que o T-20 nos doentes infectados pelo VIH-1 o que poderá traduzir-se numa maior duração da eficácia clínica do P3 em comparação com o T-20. Os resultados obtidos com o P3 demonstram pela primeira vez que é possível desenvolver péptidos com actividade antiviral significativa utilizando metodologias de biologia evolutiva, pelo que esta abordagem poderá ser explorada no futuro para a produção de medicamentos peptídicos e, eventualmente, de vacinas

    Estimating selection pressures on HIV-1 using phylogenetic likelihood models

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    Human immunodeficiency virus (HIV-1) can rapidly evolve due to selection pressures exerted by HIV-specific immune responses, antiviral agents, and to allow the virus to establish infection in different compartments in the body. Statistical models applied to HIV-1 sequence data can help to elucidate the nature of these selection pressures through comparisons of non-synonymous (or amino acid changing) and synonymous (or amino acid preserving) substitution rates. These models also need to take into account the non-independence of sequences due to their shared evolutionary history. We review how we have developed these methods and have applied them to characterize the evolution of HIV-1 in vivo.To illustrate our methods, we present an analysis of compartment-specific evolution of HIV-1 env in blood and cerebrospinal fluid and of site-to-site variation in the gag gene of subtype C HIV-1
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