The role of clonally expanded HIV-1 infected cells in maintaining HIV reservoirs in adults and children on antiretroviral treatment
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The HIV-1 pandemic remains a major public health dilemma. Treatment with combination antiretroviral therapy (cART) can, in the majority of patients, sufficiently suppress HIV viral replication. However, cART is not a cure as it does not affect long-lived reservoirs. HIV proviruses are harboured in the genome of long-lived CD4 helper cells that are maintained by having long half-lives and by being replenished through cellular proliferation. HIV infected cells that proliferate can be identified as clonal populations by all having the same integration site. A small proportion of proviruses are intact from where HIV rebounds after therapy interruption and is the barrier to achieving cure or remission. Therefore, many molecular assays have been designed to characterise HIV proviruses, with a focus on intact proviruses. From this the proviral landscape is estimated to consist of ~2% intact proviruses and up to 98% defective proviruses comprising deletions and hypermutations. However, highly deleted proviruses such as solo-long terminal repeats (LTRs) remain largely uncharacterised. Recently, it has become apparent that some proviral clones are able to express infectious HIV and cause clonal viraemia in patients on cART, which are not indicative of ongoing cycles of viral replication. This has further confirmed the importance of proviral clones in maintaining the HIV reservoir. Subsequently, aspects of proviral clones were investigated in this study.
A novel assay capable of characterising severely deleted proviruses by targeting the unique integration sites was developed. The characterisation of proviral clones in paediatric patients with this novel assay revealed that severely deleted solo-LTR proviruses may be more prevalent than previously expected.
Further investigation of these solo-LTR proviral clones was performed with another novel assay capable of quantifying proviruses based on unique integration sites. The longitudinal waxing and waning of solo-LTR proviral clones could be observed. Although solo-LTR proviruses do not contribute to the true reservoir, it suggests that current proviral landscape proportions require adjustment to account for all HIV integration events in cells.
Clonal viraemia was studied in HIV positive adult patients on long term cART presenting with non-suppressible HIV viraemia. Three clusters of monotypic plasma viraemia and cell associated DNA HIV sequences were identified in one patient. These monotypic proviruses were shown to be replication competent by viral outgrowth. This provides evidence that clonally proliferated cells harbour at least a proportion of intact proviruses and therefore constitute an important component of the true HIV reservoir. Two additional patients were identified with uncommon cases of sustained viraemia. Firstly, a probable large cell clone harbouring non-infectious virus was found to leak proviral nucleic acid into plasma, resulting in apparent treatment failure. Secondly, possible clonal viremia was observed in a patient with very slow decaying viral load, despite objective evidence of adherence and initial undetectability of treatment-relevant drug resistance over a period of 2 years. We conclude that clonal viraemia may be underreported, and that cases like these show that clonal viraemia should be considered as an explanation of non-suppressed viraemia or apparent therapy failure in the management of HIV infected patients on cART.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die MIV-1 pandemie is steeds ‘n geweldige gesondheids probleem. Behandeling met kombinasie antiretrovirale terapie (kART) kan, in die meerderheid van pasiënte, voldoende onderdrukking van die MIV virale lading behaal. kART is egter nie ‘n geneesmiddel nie omdat dit geen effek op die lang-lewende reservoir het nie. MIV provirusse word gehuisves in die genoom van lang-lewende CD4 helper selle wat voortleef weens ‘n lang halfleeftyd en aangevul word deur sellulêre vermeerdering. MIV geïnfekteerde selle wat vermenigvuldig kan geïdentifiseer word as klonale populasies met identiese integrasie liggings. ‘n Klein proporsie provirusse is intakt en is die bron van MIV wat terugbons na terapie gestaak word en dit verhinder genesing of remissie. Daarom is etlike molekulêre toetse ontwerp om MIV provirusse te karakteriseer, met ‘n fokus op intakte provirusse. Bykans 2% van die provirale landskap is intakte provirusse terwyl soveel as 98% foutief is. Hoogs-gebrekkige provirusse, soos die wat alleen bestaan uit lang terminale herhalings (LTRs), is egter hoofsaaklik on-gekarakteriseer. Dit het onlangs geblyk dat sekere provirale klone infektiewe MIV kan produseer en klonale viremie veroorsaak in pasiënte op kART, sonder om aanduidend te wees van volgehoue replikasie. Hierdie bevindings bevestig die belangrikheid van provirale klone in die onderhouding van MIV reservoirs. In hierdie studie is aspekte van provirale klone dus verder bestudeer. ‘n Nuwe toets is ontwikkel wat hoogs-gebrekkige provirusse kan karakteriseer deur die unieke integrasie ligging te teiken. Karakterisering van provirale klone in pediatriese pasiënte met hierdie nuwe toets het onthul dat hoogs-gebrekkige LTR-alleen provirusse meer algemeen mag wees as wat voorheen verwag is. Verdere ondersoek van die LTR-alleen provirusse is gedoen deur nog ‘n nuwe toets wat provirusse kan kwantifiseer deur gebruik te maak van die unieke integrasie ligging. Longitudinale toename en kwyning van LTR-alleen provirale klone kon waargeneem word. Hoewel LTR-alleen provirusse nie self tot die reservoir bydra nie, blyk dit hieruit dat daar aanpassing benodig word in die huidig-aanvaarde provirale landskap proporsies om al die integrasie voorvalle in te sluit. Klonale viremie is bestudeer in MIV positiewe volwasse pasiënte op kART van wie viremie nie-onderdukbaar was nie. Drie groeperings monotipiese plasma viremie en sellulêr geassosieerde DNA MIV nukleotied volgorde is in een pasiënt geïdentifiseer. Hierdie monotipiese provirusse het replikasie-vermoë soos bewys is met virale uitgroei toetse. Dit verleen ondersteuning daaraan dat klonaal-vermeerderde selle ‘n gedeelte van die intakte provirusse mag huisves en dus ‘n aansienlike komponent van die ware MIV reservoir uitmaak. Twee addisionele pasiënte met ongewone volhoubare viremie is geïdentifiseer. Eerstens, is ‘n waarskynlike groot sel-kloon wat ʼn gebrekkige provirus huisves en provirale nukleïensuur in plasma in lek, geïdentifiseer, wat tot klaarblyklike terapie-faling lei. Tweedens, is moontlike klonale viremie waargeneem in ‘n pasiënt met baie stadige afname van die virale lading oor twee jaar van studie, ten spyte van terapie en geen terapie-verwante weerstandigheid nie. Ons samevatting is dat klonale viremie meer algemeen mag wees as verwag, en dat gevalle soos hier bespreek, daarop dui dat klonale viremie ʼn oorweging moet wees in die hantering van MIV geïnfekteerde pasiënte op kART met volhoubare viremie of oënskynlike terapie-faling.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die MIV-1 pandemie is steeds ‘n geweldige gesondheids probleem. Behandeling met kombinasie antiretrovirale terapie (kART) kan, in die meerderheid van pasiënte, voldoende onderdrukking van die MIV virale lading behaal. kART is egter nie ‘n geneesmiddel nie omdat dit geen effek op die lang-lewende reservoir het nie. MIV provirusse word gehuisves in die genoom van lang-lewende CD4 helper selle wat voortleef weens ‘n lang halfleeftyd en aangevul word deur sellulêre vermeerdering. MIV geïnfekteerde selle wat vermenigvuldig kan geïdentifiseer word as klonale populasies met identiese integrasie liggings. ‘n Klein proporsie provirusse is intakt en is die bron van MIV wat terugbons na terapie gestaak word en dit verhinder genesing of remissie. Daarom is etlike molekulêre toetse ontwerp om MIV provirusse te karakteriseer, met ‘n fokus op intakte provirusse. Bykans 2% van die provirale landskap is intakte provirusse terwyl soveel as 98% foutief is. Hoogs-gebrekkige provirusse, soos die wat alleen bestaan uit lang terminale herhalings (LTRs), is egter hoofsaaklik on-gekarakteriseer. Dit het onlangs geblyk dat sekere provirale klone infektiewe MIV kan produseer en klonale viremie veroorsaak in pasiënte op kART, sonder om aanduidend te wees van volgehoue replikasie. Hierdie bevindings bevestig die belangrikheid van provirale klone in die onderhouding van MIV reservoirs. In hierdie studie is aspekte van provirale klone dus verder bestudeer. ‘n Nuwe toets is ontwikkel wat hoogs-gebrekkige provirusse kan karakteriseer deur die unieke integrasie ligging te teiken. Karakterisering van provirale klone in pediatriese pasiënte met hierdie nuwe toets het onthul dat hoogs-gebrekkige LTR-alleen provirusse meer algemeen mag wees as wat voorheen verwag is. Verdere ondersoek van die LTR-alleen provirusse is gedoen deur nog ‘n nuwe toets wat provirusse kan kwantifiseer deur gebruik te maak van die unieke integrasie ligging. Longitudinale toename en kwyning van LTR-alleen provirale klone kon waargeneem word. Hoewel LTR-alleen provirusse nie self tot die reservoir bydra nie, blyk dit hieruit dat daar aanpassing benodig word in die huidig-aanvaarde provirale landskap proporsies om al die integrasie voorvalle in te sluit. Klonale viremie is bestudeer in MIV positiewe volwasse pasiënte op kART van wie viremie nie-onderdukbaar was nie. Drie groeperings monotipiese plasma viremie en sellulêr geassosieerde DNA MIV nukleotied volgorde is in een pasiënt geïdentifiseer. Hierdie monotipiese provirusse het replikasie-vermoë soos bewys is met virale uitgroei toetse. Dit verleen ondersteuning daaraan dat klonaal-vermeerderde selle ‘n gedeelte van die intakte provirusse mag huisves en dus ‘n aansienlike komponent van die ware MIV reservoir uitmaak. Twee addisionele pasiënte met ongewone volhoubare viremie is geïdentifiseer. Eerstens, is ‘n waarskynlike groot sel-kloon wat ʼn gebrekkige provirus huisves en provirale nukleïensuur in plasma in lek, geïdentifiseer, wat tot klaarblyklike terapie-faling lei. Tweedens, is moontlike klonale viremie waargeneem in ‘n pasiënt met baie stadige afname van die virale lading oor twee jaar van studie, ten spyte van terapie en geen terapie-verwante weerstandigheid nie. Ons samevatting is dat klonale viremie meer algemeen mag wees as verwag, en dat gevalle soos hier bespreek, daarop dui dat klonale viremie ʼn oorweging moet wees in die hantering van MIV geïnfekteerde pasiënte op kART met volhoubare viremie of oënskynlike terapie-faling.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2020
Keywords
HIV infections -- Treatment, HIV reservoirs, Clonal viraemia, False ART failure, Antiretroviral agents