Analysis of distinctive host immune factors in HIV+ Viremic Non-Progressors

Abstract

Programa de Doctorat en Biomedicina / Tesi realitzada a l'Institut de Recerca de la Sida (IRSICaixa)[eng] Human Immunodeficiency Virus (HIV), which primarily targets CD4+ T cells and establishes a chronic infection leading to CD4+ T-cell depletion and immune failure, is the causative agent of Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS). The HIV/AIDS pandemic has dramatically impacted society over the past few decades. Although the development of effective antiretroviral treatments has undoubtedly improved the quality of life of people with HIV, some treated individuals still suffer from persistent chronic immune activation or lack immune recovery. We need a better understanding of the complex interactions between the virus and the immune system to identify biological mechanisms that can be exploited to help these populations. In some rare cases of HIV infection, people can naturally prevent the progression of the disease. These extreme phenotypes of HIV infection provide interesting models of limited pathogenesis and are a source of inspiration for new therapeutic strategies. Among them, Viremic Non-Progressors (VNPs) maintain normal CD4+ T-cell counts despite uncontrolled viral replication, presumably thanks to protective immune characteristics that are not yet fully characterized. In this study, we aimed to generate a comprehensive understanding of this infrequent phenotype of HIV infection by comparing VNPs and HIV+ Progressors from multiple perspectives: quantification of infected cells in peripheral blood, immunophenotype, genomics, single-cell transcriptomics, metabolomics, and analysis of plasma biomarkers. We have observed that during chronic infection VNPs show lower frequency of HIV-infected cells in the periphery, which is associated with a reduced expression of the viral coreceptor CCR5 and a higher prevalence of CCR5Δ32 deletion in heterozygosity. Moreover, despite similar viremia, we found lower bystander CD4+ T-cell death in VNPs, while the CD8+ T-cell compartment displays a less differentiated, less activated, and less cytotoxic phenotype. These individuals also show reduced interferon responses at the chronic phase of the infection, preserved responsiveness to LPS in vitro, reduced plasma levels of zonulin (a biomarker of intestinal permeability), and altered tryptophan catabolism compared to Progressors. Taken together, adult VNPs may prevent disease pathogenesis through a complex multifactorial mechanism that includes reduced susceptibility of target cells to infection, a generalized lower degree of chronic immune activation despite persistently high viral replication, and probably a preservation of lymphoid tissue associated with the intestine.[cat] El virus de la immunodeficiència humana (VIH) és l'agent etiològic de la síndrome d'immunodeficiència adquirida (SIDA). El VIH infecta principalment cèl·lules T CD4+ i estableix una infecció crònica que condueix a la depleció d'aquestes cèl·lules i a la disfunció del sistema immunitari. La pandèmia del VIH/SIDA ha tingut un gran impacte a la societat durant les darreres dècades. Tot i que el desenvolupament de tractaments antiretrovirals sens dubte ha millorat la qualitat de vida de les persones amb VIH, algunes persones tractades encara pateixen activació immunitària crònica o no recuperen els recomptes de cèl·lules T CD4+. Per tal d’identificar mecanismos biològics que es puguin modular i aconseguir ajudar aquests individus, necessitem un major coneixement de les complexes interaccions entre el virus i el sistema immunitari. En alguns casos infreqüents d'infecció pel VIH s'evita de manera natural la progressió de la malaltia. Aquests fenotips extrems d'infecció per VIH proporcionen models interessants de contenció de la patogènesi i són una font d'inspiració per a noves estratègies terapèutiques. Entre ells, els Virèmics No Progressors (VNP) mantenen recomptes normals de cèl·lules T CD4+ tot i que no controlen la replicació viral. Presumiblement, això és degut a característiques immunitàries protectores que encara no s'han caracteritzat per complet. En aquest estudi, el nostre objectiu ha estat generar una comprensió integral d‟aquest fenotip poc freqüent d‟infecció pel VIH mitjançant la comparació dels VNP amb individus VIH+ que presenten la progressió habitual de la malaltia (progressors) des de múltiples perspectives: quantificació de la taxa d’infecció en limfòcits circulants, immunofenotipat, genòmica, transcriptòmica de cèl·lula única, metabolòmica i quantificació de marcadors plasmàtics. Com a resultat, hem observat que durant la infecció crònica pel VIH els VNP mostren una freqüència menor de cèl·lules infectades per VIH en sang perifèrica, la qual cosa s'associa amb una expressió reduïda del correceptor viral CCR5 i una major prevalença de la deleció CCR5Δ32 en heterocigosi. A més, malgrat que tots dos grups presenten una virèmia similar, trobem menors nivells de mort cel·lular en cèl·lules T CD4+ als VNP, mentre que el compartiment de cèl·lules T CD8+ mostra un fenotip menys diferenciat, menys activat i menys citotòxic. Els VNP també mostren una menor activació de les respostes d'interferó durant la fase crónica de la infecció, mantenen la seva capacitat de resposta a l'estimulació amb LPS in vitro i presenten menors nivells plasmàtics de zonulina (un biomarcador de la permeabilitat intestinal), així com alteracions en el catabolisme del triptòfan, en comparació amb els progressors. En conjunt, els VNP adults eviten la patogènesi de la malaltia a través d'un complex mecanisme multifactorial que inclou una menor susceptibilitat de les cèl·lules diana de la infecció, un menor grau general d'activació immunitària crònica i, probablement, una major preservació de teixit limfoide associat a l'intestí, tot això malgrat una elevada i persistent replicació viral.[spa] El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es el agente etiológico del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). El VIH infecta principalmente células T CD4+ y establece una infección crónica que conduce a la depleción de estas células y a la disfunción del sistema inmunitario. La pandemia del VIH/SIDA ha tenido un gran impacto en la sociedad durante las últimas décadas. Aunque el desarrollo de tratamientos antirretrovirales sin duda ha mejorado la calidad de vida de las personas con VIH, algunas personas tratadas todavía sufren activación inmunitaria crónica o carecen de recuperación del número de células T CD4+. Para identificar los mecanismos biológicos que necesitamos modular para ayudar a estos individuos, necesitamos un mayor conocimiento de las complejas interacciones entre el virus y el sistema inmunitario. En algunos casos infrecuentes de infección por VIH se evita de forma natural la progresión de la enfermedad. Estos fenotipos extremos de infección por VIH proporcionan modelos interesantes de contención de la patogénesis y son una fuente de inspiración para nuevas estrategias terapéuticas. Entre ellos, los Virémicos No Progresores (VNP) mantienen recuentos normales de células T CD4+ a pesar de no controlar la replicación viral. Presumiblemente, esto se debe a características inmunitarias protectoras que aún no se han caracterizado por completo. En este estudio, nuestro objetivo ha sido generar una comprensión integral de este fenotipo poco frecuente de infección por VIH mediante la comparación de los VNP con individuos VIH+ que presentan la progresión habitual de la enfermedad (progresores) desde múltiples perspectivas: cuantificación de la tasa de infección en sangre periférica, inmunofenotipado, genómica, transcriptómica de célula única, metabolómica y cuantificación de marcadores plasmáticos. Como resultado, hemos observado que durante la infección crónica por VIH los VNP muestran una menor frecuencia de células infectadas por VIH en sangre periférica, lo cual se asocia con una expresión reducida del correceptor viral CCR5 y una mayor prevalencia de la deleción CCR5Δ32 en heterocigosis. Además, a pesar de que ambos grupos presentan una viremia similar, encontramos menores niveles de muerte celular en células T CD4+ en los VNP, mientras que el compartimento de células T CD8+ muestra un fenotipo menos diferenciado, menos activado y menos citotóxico. Los VNP también muestran una menor activación de las respuestas de interferón durante la fase crónica de la infección, mantienen su capacidad de respuesta a la estimulación con LPS in vitro y presentan menores niveles plasmáticos de zonulina (un biomarcador de la permeabilidad intestinal), así como alteraciones en el catabolismo del triptófano, en comparación con los progresores. En conjunto, los VNP adultos pueden evitar la progresión de la enfermedad a través de un complejo mecanismo multifactorial que incluye una menor susceptibilidad de las células diana de la infección, un menor grado general de activación inmunitaria crónica y, probablemente, una mayor preservación de tejido linfoide asociado al intestino, todo ello a pesar de una elevada y persistente replicación viral