Characterization of HIV-1 elite controller envelope glycoproteins and incorporation as candidate antigens in a virus-like particle vaccine platform

Abstract

El desenvolupament accelerat d’una vacuna contra el SARS-CoV-2 es va beneficiar de dècades de recerca sobre el VIH. Tot i aquests avenços, només s’ha aconseguit un èxit modest en el desenvolupament d’una vacuna efectiva contra el VIH. Desenvolupar una vacuna contra el VIH ha demostrat ser especialment difícil a causa de l’alta taxa de mutació del virus, l’evasió del sistema immunitari i la manca d’una immunitat protectora natural en les persones infectades. En conseqüència, cal desenvolupar nous immunògens i estratègies que puguin induir una resposta d’anticossos neutralitzants de gran amplitud, juntament amb respostes cel·lulars protectores. L’estudi de casos poc freqüents de persones que viuen amb el VIH que poden controlar naturalment la replicació del virus i la progressió de la malaltia podria proporcionar indicis sobre els mecanismes de control viral. En particular, els controladors d’elit (EC) mantenen càrregues virals baixes i nivells estables de limfòcits CD4+ durant períodes prolongats en absència de tractament antiretroviral per mecanismes encara poc definits, incloent factors genètics, immunològics i virals. Alguns EC presenten virus amb glicoproteïnes d’embolcall (Env) defectuoses que podrien contribuïr a aquest fenotip. La hipòtesi inicial és que les seqüències d’Env d’EC presenten propietats específiques potencialment beneficioses per a l’equilibri patogènesi viral/respostes immunitàries, incloent els anticossos àmpliament neutralitzants. Addicionalment, la seva incorporació en vacunes basades en partícules similivíriques (VLP) d’alta densitat antigènica, podria millorar la seva immunogenicitat. Per avaluar-ho, es va caracteritzar funcionalment una àmplia col·lecció de clons d’Env d’EC i van seleccionar Env representatives amb la millor expressió i antigenicitat per ser incorporades a les VLP. La selecció es va basar en l’exposició i detecció d’epítops neutralitzants. La caracterització funcional va confirmar que les Env d’EC eren menys funcionals en comparació als progressors i controladors virèmics. Aquesta anàlisi es va complementar amb la caracterització longitudinal de la resposta humoral en 79 mostres de plasma de la cohort ECRIS. Els EC que mantenen el control durant períodes prolongats (controladors persistents, PC) es van comparar amb aquells que el perden eventualment (controladors transitoris, TC). Tot i que les seves capacitats neutralitzants eren heterogènies, no es van observar diferències entre els dos subgrups. Els PC mostraven una dominància d’al·lels protectors HLA-B respecte als no protectors, mentre que els TC no presentaven cap dels principals al·lels protectors, confirmant una interacció variable entre factors virològics, immunològics i genètics en aquest fenotip. Per desxifrar els mecanismes de control, vàrem caracteritzar la pèrdua de control d’un EC 32 anys després del diagnòstic. Es va realitzar un estudi virològic i immunològic complet. Es va avaluar longitudinalment la dinàmica del reservori, les quasiespècies virals, la funcionalitat dels clons d’Env i la neutralització autòloga. Es van identificar canvis en l’evolució i funció de les seqüències virals que es reflectien en la resposta immune analitzada, suggerint un escenari virològic i immunològic altament dinàmic durant el període de control, i no un comportament estàtic, en el cas estudiat. En paral·lel, vam caracteritzar antígens candidats seleccionats entre els ancestres comuns més recents (MRCA) d’Env d’EC i incorporar a VLPs com a proteïnes de fusió per obtenir partícules amb alta densitat antigènica. Els reptes tècnics d’aquesta estratègia, van portar a la producció estàndard de VLP i a assaigs preliminars d’immunogenicitat amb antígens formulats en DNA i administrats in vivo per electroporació. Dues dosis van mostrar immunogenicitat, però no inducció d’anticossos neutralitzants. Serà necessari refinar la producció de VLPs i el nombre de dosis per millorar l’eficiència global. En conjunt, tant l’estudi dels mecanismes de control en fenotips extrems, com el paper d’Env, mostren un gran potencial per informar el desenvolupament de noves estratègies terapèutiques contribuint a la curació del VIH i al desenvolupament de vacunes.

El desarrollo acelerado de una vacuna contra el SARS-CoV-2 se benefició de décadas de investigación sobre el VIH. A pesar de estos avances, sólo se ha logrado un éxito modesto en el desarrollo de una vacuna eficaz contra el VIH. El desarrollo ha demostrado ser especialmente difícil debido a la alta tasa de mutación del virus, la evasión del sistema inmunitario y la carencia de una inmunidad protectora natural en las personas infectadas. En consecuencia, es necesario desarrollar nuevos inmunógenos y estrategias que puedan inducir una respuesta de anticuerpos neutralizantes de gran amplitud, junto con respuestas celulares protectoras. El estudio de casos poco frecuentes de personas que viven con VIH que pueden controlar naturalmente la replicación del virus y la progresión de la enfermedad, podría proporcionar indicios sobre los mecanismos de control viral. En particular, los controladores de élite (EC) mantienen cargas virales bajas y niveles estables de linfocitos CD4+ durante períodos prolongados en ausencia de tratamiento antirretroviral por mecanismos todavía poco definidos, incluyendo factores genéticos, inmunológicos y virales. Algunos EC presentan virus con glicoproteínas de envuelta (Env) defectuosas que podrían contribuir a este fenotipo. La hipótesis inicial es que las secuencias de Env de EC presentan propiedades específicas potencialmente beneficiosas para el equilibrio patogénesis viral/respuestas inmunitarias, incluyendo los anticuerpos ampliamente neutralizantes. Adicionalmente, su incorporación en vacunas basadas en partículas similivíricas (VLP) de alta densidad antigénica, podría mejorar su inmunogenicidad. Para evaluarlo, se caracterizó funcionalmente una amplia colección de clones de Env de EC y se seleccionaron Env representativas con la mejor expresión y antigenicidad para ser incorporadas a las VLP. La selección se basó en la exposición y detección de epítopos neutralizantes. La caracterización funcional confirmó que las Env de EC eran menos funcionales en comparación con progresores y controladores virémicos. Este análisis se complementó con la caracterización longitudinal de la respuesta humoral en 79 muestras de plasma de la cohorte ECRIS. Los EC que mantienen el control durante períodos prolongados (controladores persistentes, PC) se compararon con aquellos que lo pierden eventualmente (controladores transitorios, TC). Aunque sus capacidades neutralizantes fueron heterogéneas, no se observaron diferencias entre ambos subgrupos. Los PC mostraron una dominancia de alelos protectores HLA-B respecto a los no protectores, mientras que los TC no presentaban ninguno de los principales, confirmando una interacción variable entre factores virológicos, inmunológicos y genéticos en ese fenotipo. Para descifrar los mecanismos de control, caracterizamos la pérdida de control de un EC 32 años después del diagnóstico. Se realizó un estudio virológico e inmunológico completo. Se evaluó longitudinalmente la dinámica del reservorio, las cuasiespecies virales, la funcionalidad de los clones de Env y la neutralización autóloga. Se identificaron cambios en la evolución y función de las secuencias virales que se reflejaron en la respuesta inmune analizada, sugiriendo un escenario virológico e inmunológico altamente dinámico durante el período de control, y no un comportamiento estático, en el caso estudiado. En paralelo, caracterizamos antígenos candidatos seleccionados entre los ancestros comunes más recientes (MRCA) de Env de EC y los incorporamos a VLPs como proteínas de fusión para obtener partículas con alta densidad antigénica. Los retos técnicos de esta estrategia llevaron a la producción estándar de VLP y a ensayos preliminares de inmunogenicidad con antígenos formulados en DNA y administrados mediante electroporación. Dos dosis mostraron inmunogenicidad, pero no inducción de anticuerpos neutralizantes. Será necesario refinar la producción de VLPs y el número de dosis para mejorar la eficiencia global. En conjunto, tanto el estudio de los mecanismos de control en fenotipos extremos como el papel de Env muestran un gran potencial para informar el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas contribuyendo a la curación del VIH y al desarrollo de vacunas.

While SARS-CoV-2 vaccine’s accelerated development benefited from decades of HIV research, modest to no success has been achieved in an effective HIV vaccine development so far. Developing an HIV vaccine has proven uniquely difficult due to the virus mutation rate, evasion of the immune system, and a lack of natural protective immunity in infected individuals. Consequently, there is a need for the development of new immunogens and strategies that can induce broad neutralizing antibody response along with protective T-cell responses. The study of rare cases of people living with HIV (PLWH) who can naturally control HIV replication and disease progression could provide insights into viral control mechanisms. Specifically, elite controllers (EC) maintain low viral loads and stable CD4+ T-cell counts for long periods in the absence of antiretroviral treatment by mechanisms not fully understood, including genetic, immunological and viral factors. Some ECs exhibit viruses with defective envelope glycoproteins (Env) that could contributed to the development of this phenotype. The hypothesis of this work was that EC Env sequences, present specific properties that could be beneficial for the balance of viral pathogenesis and immune responses, including the elicitation of broadly neutralizing antibodies. Additionally, their incorporation on a high antigen density viral-like particle (VLP)-based vaccine, would improve their immunogenicity. To test this, we functionally characterized a large collection of EC Env clones and selected representative Envs with the best expression and antigenicity to be incorporated in the VLP platform. Selection was based on the exposure and detection of neutralizing epitopes. Functional characterization confirmed previous results, highlighting that ECs presented less fusogenic Envs compared to progressors and viremic controllers. This analysis was complemented with the longitudinal characterization of humoral response in 79 EC plasma samples of the ECRIS cohort to understand the contribution of neutralization capacity to EC phenotype. ECs that maintain control for a long period of time (persistent controllers, PC) were compared with those who lose it eventually (transient controllers, TC). While their neutralizing capacities were heterogeneous, no differences were observed between both subgroups. Notably, PC showed a dominance of HLA-B protective alleles over non-protective, while TC harbored no main protective ones. This confirms a variable interplay between virological, immunological and genetic factors in this phenotype. To further understand control mechanisms, we characterized the case of an EC that lost control 32 years after diagnosis. A comprehensive longitudinal virological and immunological study was performed. Reservoir evolution, dynamics of viral quasispecies, functionality of Env clones and autologous neutralizing capacity were assessed. This extensive sampling identified changes in sequence evolution and function during control period. These fluctuations were also reflected in the immune response analyzed, suggesting a highly dynamic virological and immunological scenario during the control period instead of a steady-state one in this case. In parallel, candidate antigens selected among different most common recent ancestors (MRCA) of EC Env sequences were characterized and incorporated in a VLP platform through fusion-protein strategies to obtain particles capable of displaying high antigenic density. As this strategy met technical challenges, alternatives strategies were used. Both standard VLP production and preliminary immunogenicity assays were performed. Antigens formulated into a nucleic acid vaccine strategy and delivered in vivo by DNA electroporation in two doses showed immunogenicity but did not elicit neutralizing antibodies. Further refinement of VLP production, a higher number of immunization doses and the use of different vaccination regimens will be required to improve its global efficiency. Overall, the study of control mechanisms in extreme phenotypes, as well as the role of Env, proves of high potential and interest to inform the development of new therapeutic strategies that could contribute to HIV cure and vaccine development.