Rational Design and Testing of Novel HIV T Cell Immunogens

Abstract

Aquesta tesi doctoral té com a objectiu caracteritzar millor les respostes VIH específiques de les cèl·lules T (CTL), identificar les dianes virals implicades en el control del virus i desenvolupar com aquesta informació s'ha incorporat en el disseny d’un inmunogen per a una futura vacuna contra el VIH. S’inicia amb una introducció actualitzada i àmpliament referenciada sobre el VIH/sida, inclosos aspectes històrics i epidemiològics de l’epidèmia, així com una visió des de la virologia i la immunologia de les dificultats en el desenvolupament de vacunes eficaces contra el VIH. En el primer capítol, es revisa la interacció entre factors virals, característiques genètiques de l’hoste i mecanismes immunològics implicats en el control del VIH. S’han incorporat les troballes més recents sobre aspectes immunològics -especialment en CTL- correlacionats amb l’evolució de la malaltia. A més, s’exposen els nous coneixements sobre com l'evolució viral és modula per diferències en la freqüència de característiques genètiques de l'hoste en les diferents regions del món. Es desenvolupa alhora la importància de discernir millor entre causa i efecte dels marcadors immunològics associats amb el control relatiu de la infecció pel VIH, doncs els factors que són un mer reflex de la replicació continguda del virus per altres motius poden induir a errors de concepte que s’incorporin al disseny de noves vacunes. Al llarg del segon capítol, s’exposa la identificació de 26 dianes virals (OLP) del VIH més potents per induir respostes CTL associades amb un millor control de la replicació viral en tres cohorts molt àmplies de pacients infectats. Es demostra que l'efecte dels OLP identificats en les càrregues virals dels pacients és tan fort com l'associat a la influència de l’ HLA individual. Alhora, les dianes identificades com a beneficioses van resultar trobar-se en regions més conservades dins del genoma viral, fet que està en relació amb treballs d’altres grups enfocats en els elements conservats del virus. Una contribució important del nostre treball és la incorporació d'una quantitat significativa de dades d’ immunogenicitat real, ja que no totes les regions conservades del proteoma viral són igualment immunogèniques i per tant, no totes poden considerar-se igualment beneficioses. En el tercer capítol, es va associar l’avidesa funcional i la capacitat de reaccionar amb variants virals amb el control del VIH. En aquest treball, es va incloure un grup d'individus infectats pel VIH amb un fenotip de 'controlador' i ‘progressor’ del que es van excloure deliberadament tots els participants que expressaven alguns dels HLA prèviament coneguts com a favorables en la infecció per VIH, per tal d’evitar el possible biaix a causa de la dominància de CTLs dirigides a epítops restringits per aquests al·lels beneficiosos. La idea és trobar resultats que siguin el màxim de traduïbles a la població general, on aquests HLA es presenten a unes freqüències molt baixes. El nostre treball alhora complementa una visió més amplia de la funcionalitat de les CTL. Tot i la limitació de l'avaluació d'una sola funció efectora (excreció d’IFNγ) el fet que l'avidesa es mostri estar vinculada a la reactivitat creuada, pot ser determinant per la inducció de respostes amb gran ‘profunditat’ (reactivitat creuada a variants virals) i així ajudar a contenir l’escapament a la pressió immunològica així com respondre a l’enorme diversitat viral, alguns dels principals obstacles en el desenvolupament de vacunes. Finalment, tots els resultats van ser incorporats per dissenyar una nova seqüència per a un immunogen reduccionista, que té com a objectiu cobrir un ampli repertori d’HLA, trencar amb la inmunodominància de respostes induïdes a regions que no apareixen com especialment beneficioses en les cohorts que hem testat alhora que tractar d'enfocar la inducció de respostes cap a les dianes virals identificades com a més beneficioses. Es va construir un plàsmid de DNA que expressa l’inmunogen dissenyat d’una forma estable in vitro. Es presenten els primers assaigs in vivo en ratolins C57BL/6 en els que l’immunogen va induir una resposta immunològica CTL particularment amplia. Al llarg de la discussió s’elaboren el punts forts i febles dels nostres resultats en un context més ampli del camp i es descriu la orientació futura del nostre treball.

This doctoral thesis aims to better characterize HIV specific T cell responses, define the viral targets most implicated in mediating viral control and discuss how this information has been incorporated into a rational immunogen design for a future HIV vaccine. A well-researched and referenced introduction to HIV, including historical and epidemiological aspects of the infection as well as virological and immunological overview of the vaccine development field challenges is firstly provided. In the first Chapter, a review of the important interplay between viral factors, host genetic and immune characteristics in HIV control is given. Some novel insights on immune correlates –specially on CTLs- elucidated over the last years to complete the work compiled in Chapter 1 are discussed. Also, new data is presenting regarding how viral evolution is shaped by differences in the frequency of different host genetic markers within different regions. New concepts to better discern between cause and effect of immune parameters associated with relatively controlled HIV infection will be discussed, as the factors that are a mere reflection of otherwise contained replication can mislead vaccine design. Throughout the second Chapter, the most potent viral targets of the virus-specific T cell responses in controlling viral replication were identified in 26 regions over the HIV proteome. The relative effects of host genetics (i.e. HLA) and CTL specificity on HIV-1 control were assessed in large cohorts of HIV infected individuals. Importantly, the effect of T cell specificity towards the identified regions on viral loads was shown to be at least as strong as the associated with host HLA genetics. These preferred targets turned out to be in the most conserved regions of the viral genome, which is in accordance with other investigators work developing novel vaccine concepts focused on conserved elements. An important contribution of our work is the incorporation of a significant amount of immunogenicity data, as not all conserved regions of the viral proteome are equally immunogenic. In the third chapter, functional avidity and the ability to react with viral variants were associated with controlled HIV infection. In the present work, a group of HIV infected individuals was chosen with a ‘controller’ and a ‘progressor’ phenotype, but those expressing some of the known favourable HLA were intentionally excluded from the cohort to avoid bias due to the presence of dominant CTL epitopes restricted by these beneficial alleles and find results more translatable to the general population. Our work complements recent data trying to have a bigger picture of CTL functionality. Despite the limitation of assessing a single effector function (IFNγ release) the fact that functional characteristics such as avidity are shown to be linked to cross-reactivity, can be determinant for the depth of vaccine induced T cell responses and therefore, help in dealing with escape and viral diversity, some of the major hurdles in vaccine development. Lastly, all the compiled findings were incorporated into a new reductionistic HIV immunogen sequence with a broad HLA heterogeneity restriction that aims to break immunodominance to regions with potential non-beneficial effects in viral control and seek to focus the vaccine induced response to most protective viral targets. A DNA plasmid expressing the HIV T cell immunogen was first engineered , showed to have a stable expression in-vitro and induced a particularly broad T cell responses in the first in vivo immunogenicity studies in C57BL/6 mice. Strong and weaker points of our findings are elaborated in a larger context of the field and next future directions of our work are outlined throughout the Discussion of this Thesis.