Virus tropism and neutralization response in SIV infection

Abstract

Simian immunodeficiency virus (SIV) infections in macaques are commonly used as models to study the pathogenesis of human immunodeficiency virus (HIV). Both SIV and HIV normally use the CD4 receptor and an additional coreceptor for cell entry. The most common coreceptors used by HIV are CCR5 and CXCR4. SIV use CCR5 and rarely CXCR4 but may use other coreceptors as alternatives.



We have studied virus tropism and evolution of the humoral immune response in relation to pathogenesis in cynomolgus macaques experimentally infected with SIVsm (of sooty mangabey origin) by intravenous (IV) or intrarectal (IR) route. Route of transmission did not influence disease progression or virus tropism. CCR5 was the major coreceptor used and isolates were in general multitropic, using CCR5, CXCR6 and/or gpr15. Furthermore, both macrophages and peripheral blood mononuclear cells (PBMC) could be readily infected with all the SIVsm reisolates. CXCR4-using viruses could be isolated, but only when human cells were used for virus isolation. Human cells may also select for virus variants with increased CD4-dependence. Comparisons of SIV and HIV-1 showed differences in mode of CCR5 use which in turn may explain the CD4-independence of SIVsm. Virus production after CD4-independent infection occurred both intracellularly and extracellularly. Neutralizing antibodies appeared earlier in IV-infected animals than in IR-infected animals. In progressors, this early humoral immune response was accompanied by early appearance of neutralization resistant variants.



The majority of monkeys with progressive disease showed broadening of coreceptor use, stable coreceptor use or fluctuation in the use of different coreceptors. Viruses maintained effective replication in macrophages and PBMC and evolved to escape neutralizing antibodies already at three months after infection. In contrast, viruses from long-term non-progressor (LTNP) monkeys became less fit as shown by decreased frequency of successful virus isolations, narrowing of coreceptor use or stable CCR5 use and evolution to a more limited macrophage-tropism. Appearance of neutralization escape variants was delayed as compared to the early neutralization resistance in progressors. Neutralization resistance, whenever evident correlated with increased CD4-dependence in LTNP monkeys.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Sedan 1981, då de första fallen av AIDS beskrevs, har 25 miljoner människor dött på grund av att de har blivit smittade av immunbristviruset HIV . Det finns idag mer än 40 miljoner människor som lever med HIV eller AIDS. SIV är apsläktets variant på HIV och orsakar normalt ingen sjukdom hos sina värddjur som är olika afrikanska apor, men då asiatiska apor, t. ex. makaker, blir smittade av SIV utvecklar de en immunbristsjukdom som liknar AIDS hos människor. HIV tros ha uppstått genom att människor har jagat och ätit kött från afrikanska apor och att SIV har förändrats så att det kan smitta från människa till människa. SIV-infektion hos makaker används som en modell för att förstå HIV så man kan utveckla nya mediciner och förhoppningsvis vaccin. Det finns idag inga botemedel för sjukdomen, däremot finns det ett antal bromsmediciner som förlänger livslängden och minskar symptomen för HIV-smittade.



Virus består av en bit arvsmassa (DNA eller RNA) som omges av ett proteinhölje och alla virus kräver levande celler och cellernas förmåga att kopiera arvsmassa för att bli fler. När HIV har infekterat en cell kommer virusets arvsmassa att infogas i cellens DNA och cellen kan aldrig bli fri från virussmittan igen. För att ta sig in i och infektera en cell använder virus speciella proteinstrukturer på cellens utsida, så kallade receptorer. Receptorer används normalt för kommunikation mellan celler och är viktiga för normala kroppsfunktioner. HIV angriper immunförsvarets celler som bär på speciella receptorer. För att ta sig in i en cell kräver HIV två receptorer. Man har sedan länge känt till att den primära receptorn är CD4, medan den andra receptorn, coreceptorn, kan variera mellan ett tiotal olika receptorer. Av dessa coreceptorer använder HIV oftast två, CCR5 eller CXCR4, medan SIV oftast använder CCR5 och mycket sällan CXCR4. Ett problem med virus, speciellt HIV, är att när de kopieras och blir fler sker ofta små misstag, så kallade mutationer. Dessa mutationer ger upphov till att det finns en mängd olika varianter av HIV som kan infektera människor. Mutationer gör att virus kan variera användandet av coreceptorer samt att virus kan undvika immunförsvaret eftersom de nya varianterna inte känns igen. Mutationerna orsakar även resistens mot bromsmediciner.



I denna avhandling jämförde vi virus (så kallade virus-isolat) från 30 krabbmakaker (Macaca fascicularis) som hade infekterats experimentellt med SIV. Åtta av aporna var smittade intravenöst via blodet och 22 av aporna var infekterade intrarektalt via slemhinnor. Aporna utvecklade sjukdom olika snabbt, 18 apor insjuknande snabbt, fem apor långsammare medan sju apor förblev friska länge. Virus hade isolerats från dessa apor olika dagar efter infektionen och vi ville jämföra om infektionsvägen och sjukdomsförloppet spelade någon roll för vilka receptorer och celltyper som virusen utnyttjade. Vi ville även studera hur immunförsvarets antikroppar utvecklades för att hindra att viruset kunde infektera celler (det neutraliserande antikroppssvaret) och när, och till vilken grad, virus muteras för att undvika neutralisation. Våra studier kommer att ge ökade kunskaper om hur SIV och HIV fungerar och främja möjligheterna för utveckling av effektiv behandling och vaccin.



För att testa vilka celler och receptorer som var viktiga använde vi olika celltyper och mätte om cellerna kunde infekteras med de olika virus-isolaten. Vi kom fram till att det inte fanns någon skillnad mellan infektion via slemhinnor eller blod för infektion av olika celltyper eller på användandet av receptorer. Däremot fann vi att intravenöst smittade apor utvecklade neutraliserande antikroppar snabbare än intrarektalt smittade apor. Tyvärr gav detta inte något skydd mot sjukdom utan att det verkade snarare som om detta selekterade fram muterade virus som inte kunde kontrolleras av immunförsvaret. CCR5, CXCR6 och gpr15 var de mest använda coreceptorerna. Vi var förvånade över att kunna isolera virus som använde CXCR4. Det är möjligt att när vi odlade virus på humana celler så fick vi fram virus som använde CXCR4 och även virus som var mer beroende av CD4 receptorn. Allmänt var inte SIV-isolaten särskilt beroende av CD4-receptorn utan de kunde även infektera celler som bara hade CCR5 på sin cellyta. Vi fann ett troligt samband mellan hur SIV eller HIV kunde interagera med CCR5 receptorn och hur beroende dessa virus var av CD4-receporn. HIV-1 är mycket beroende av CD4-receptorn och kanske har behovet att binda till CD4 har uppkommit hos människan. Att virus kan infektera celler som inte bär på CD4 gör att antalet målceller i en individ blir fler, och dessutom så verkar det som om nyproducerade viruspartiklar kan gömma sig från immunförsvaret inuti celler.



Vid jämförelser mellan olika sjukdomsförlopp fann vi intressanta skillnader. Virus från apor som blev snabbt sjuka bibehöll en effektiv replikationskapacitet i makrofager och i T-celler. Dessa virus kunde även efter hand som sjukdomen utvecklades infektera celler med hjälp av flera olika coreceptorer och dessutom så förändrades virusen redan efter tre månader till att vara resistent mot neutraliserande antikroppar. Apor som förblev friska länge kunde däremot kontrollera virusen bättre. Virus från dessa apor var ofta svårt att isolera eller så var det svårt att få det att växa i olika cellförsök. Speciellt sena virus från dessa apor replikerade dåligt i makrofager och T-celler och använde oftast bara CCR5 som coreceptor. Utöver detta, så muterade inte virus för att fly undan neutraliserande antikroppar lika snabbt hos friska apor som hos sjuka apor. Detta visar att utvecklandet av antikroppar kan vara viktigt för att kontrollera sjukdomsförloppet, men att antikroppar också kan selektera för nya virus varianter.

• author: Laurén, Anna
• supervisor: Eva Maria Fenyö
• opponent: PhD, Docent Karlsson Hedestam, Gunilla, Mikrobiologiskt och tumörbiologiskt centrum, Karolinska Institutet, Stockholm
• organization: Division of Medical Microbiology
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: Naturvetenskap, Natural science, Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), HIV, SIV, mode of CCR5 use, CD4-independence, macrophage tropism, coreceptor use, neutralization, evolution, pathogenesis
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2006:58
• pages: 174 pages
• defense location: Rune Grubb-salen, Biomedicinskt centrum, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2006-05-13 09:30:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85481-83-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Anna Laurén, Dalma Vödrös, Rigmor Thorstensson and Eva Maria Fenyö. 2006. Comparative studies on mucosal and intravenous transmission of SIVsm: evolution of coreceptor use varies with pathogenic outcome. J Gen Virol., vol 87 pp 581-594.; Anna Laurén, Rigmor Thorstensson and Eva Maria Fenyö. 2006. Comparative studies on mucosal and intravenous transmission of SIVsm: the kinetics of evolution to neutralisation resistance is related to progression rate of disease. J Gen Virol., vol 87 pp 595-606.; Anna Laurén, Rigmor Thorstensson and Eva Maria Fenyö. . Replication capacity of sequential SIVsm isolates in monocyte-derived macrophages - relationship to pathogenesis. (submitted); Anna Laurén, Elzbieta Vincic, Rigmor Thorstensson, Hiroo Hoshino and Eva Maria Fenyö. . CD4-independent use of the CCR5 receptor by sequential primary SIVsm isolates. (manuscript)
• id: 3aaf8270-6e61-4be4-bf76-04c16d171f12 (old id 546570)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:56:59
• date last changed: 2019-05-21 22:16:16