26/03/2017 Virologie Fondamentale et Mécanismes Immunopathologiques de l’Infection par les Virus VIH DIU VIH Année Universitaire 2005-2006 Dr Laurent Andréoletti (MCU-PH) Laboratoire de Virologie, CHU Reims et EA-3798 Faculté de Médecine de Reims

LES VIRUS VIH - Structure du VIH & Classification 26/03/2017 LES VIRUS VIH - Structure du VIH & Classification  - Cellules cibles et multiplication du virus - Histoire Immunologique de l’infection par le VIH - Histoire naturelle de l’infection par le VIH - Persistance et évolution du VIH dans les réservoirs cellulaires et anatomiques

Total : 39,4 millions (35,9-44,3 millions) Adultes et Enfants vivant avec le VIH/SIDA Europe orientale & Asie centrale Europe Occidentale et Centrale Amérique du Nord 0,92 – 2,1 millions 0,54 – 1,6 millions 0,48 – 0,76 millions Asie de l’Est & Pacifique Afrique du Nord & Moyen–Orient 0,56 – 1,8 millions Caraïbes 0,23 – 1,5 millions 0,27 – 0,78 millions Asie du Sud & du Sud–Est 4,4 – 10,6 millions Afrique subsaharienne Amérique latine Océanie 1,3 – 2,2 millions 24.3 – 28,4 millions 0,025 – 0,048 millions Total : 39,4 millions (35,9-44,3 millions) Estimation fin 2004

CLASSIFICATION DES RETROVIRUS ONCOVIRUS LENTIVIRUS SPUMAVIRUS EIAV VISNA CaEV VIH-1 VIH-2 SIV FIV EVOLUTION LENTE FeLV MLV HTLV-1 HTLV-2 STLV BLV EVOLUTION RAPIDE RSV MSV

ORGANISATION GENETIQUE DU VIH

VARIABILITE DU VIH-1 & QUASIESPECES Transcriptase inverse Une mutation aléatoire toutes les 10 000 bases (une mutation/génome rétrotranscript) Variabilité génétique sans traitement ARV QUASIESPECES = différents variants viraux Variant majoritaire 90% Génétique 4 à 25% Variants minoritaires 10%

STRUCTURE DE LA gp 120 DU VIH

ARBRE GENEALOGIQUE DES VIRUS VIH

L’origine des virus VIH Lentivirus de primates SIVcpz (chimpanze) VIH-1 (homme) passage inter-espèces SIVsmm (Sooty mangabey) VIH-2 (homme) SIV mac (macaque) SIVagm (Singe vert africain) SIVbab SIV chacma (babouin jaune) (Babouin chacma) SIV wcm SIV pam G31 (white-crowned (singe Patas) mangabey) T Morin et al., Virologie 2002.

VARIABILITE DU VIH-1 B d g h B B E B c C B E A O D g H A D E F G H BFC C A D B c C B E B E VIH 1C 48% VIH 1A 25% VIH 1B 16% VIH 1E 4% VIH 1D 4% Autres 3%

Recombinaison génétique des virus VIH Lc CD4+ LTR LTR LTR LTR VIRUS « HETEROZYGOTE » Lc CD4+ LTR LTR PROVIRUS RECOMBINANT T Morin et al., Virologie 2002.

CORECEPTEURS D ’ENTREE DU VIH & TROPISME CELLULAIRE DEUX GRANDS TYPES DE CORECEPTEURS: CCR5 = Corécepteur des souches VIH M-tropiques (souches NSI)/ Phase asymtomatique / Ligands naturels= RANTES, MIP CXCR4 = Corécepteur des souches VIH T-tropiques (souches SI) / Phase symptomatique/ Ligand naturel= SDF-1

In vitro HIV-1 fitness Methods used to determine in vitro HIV-1 fitness. A) Viral growth kinetics assays correspond to quantification of virus production at various time points using suitable detection methods (e.g., p24 antigen or RT activity). (B) Growth competition experiments involve dual infection with two different HIV-1 isolates (initial proportion may vary). Production and quantification of each specific HIV-1 in the mixture can be determined using different methods (Table 1). (C) Single-cycle infection assays. The number of cells infected after a single cycle of replication can be measured using various indicator systems (Table 1). Clavel F, Race E, Mammano F. HIV drug resistance and viral fitness.Adv Pharmacol 2000;49:41-66. Dynamics of target cell infection and pathogenicity Drug Resistance HIV mutants and therapeutic strategies

Methods used to estimate HIV-1 fitness Figure 1. Summary of HIV-1 fitness studies classified according to the method used to estimate viral replication capacity. Table 1. Methods used to estimate HIV-1 fitness AIDS Rev 2001; 3: 223-242 Miguel E. Quiñones-Mateu, Jan Weber, Hector R. Rangel, and Bikram Chakraborty

Phenotype evaluation for drug resistance HIV mutants Viral PR/RT gene isolation PLASMA (> 200 µl) PR/RT GENES (amplicon) total RNA cDNA extraction RT PCR PATIENT Creation of Deleted Proviral Clone Gene Transfer (Electroporation) PRO RT Delete PRO & RT genes WT reference virus Deleted Proviral Clone CD4+ T-cells (MT4) Cell culture systems Infectious RECOMBINANT virus Susceptibility Assay ANTIVIROGRAM Replication capacity = FITNESS

LES VIRUS VIH - Histoire immunologique de l’infection par le VIH

Evolution des marqueurs virologiques & immunologiques au cours de l’infection naturelle par le VIH

Histoire naturelle immunologique de l ’infection à VIH Phase initiale Primo-infection-séroconversion: Virémie plasmatique Phase secondaire - Réponse humorale (Ac ) Réponse immune - Réponse immune cellulaire (CTL) et latence clinique - Latence clinique - Réplication virale chronique Infection persistante - Virémie plasmatique basse - Souches NSI - Profil cytokines Th1 Phase terminale - Virémie plasmatique Déficit immunitaire - Destruction architecture ganglionnaire profond-SIDA - Infections opportunistes - Affections néoplasiques - Souches SI - Profils cytokines Th1

Mécanismes du déficit quantitatif et qualitatif des lymphocytes CD4+

Mécanisme d ’Apoptose et infection par le VIH

Echappement du VIH à la surveillance immunologique Réponse humorale: Ac neutralisants Réponse cellulaire :Lc T CD8+ Pression immunologique Nouveaux virus L Letvin & D Walker: Nature Medicine, 2003.

Infection par le VIH & défaillance de la réponse immune L Letvin & D Walker: Nature Medicine, 2003.

Restauration immune au cours sous l ’effet d ’un traitement Antirétroviral

LES VIRUS VIH - Histoire naturelle de l’infection par le VIH

Evolution de la charge virale au cours de l ’infection naturelle par le VIH-1 CCR5 R5/X4 CXCR4

HIV DNA levels in PBMCs Early levels of HIV-1 DNA in peripheral blood mononuclear cells are predictive of disease progression independently of HIV-1 RNA levels and CD4+ T cell counts. HIV DNA level was highly correlated with HIV RNA level (r=0.69; P <.0001) and with CD4+ Tcell count (r=0.40; P < .0001) Rouzioux C. et al., JID 2005

HIV DNA levels in PBMCs Early levels of HIV-1 DNA in peripheral blood mononuclear cells are predictive of disease progression independently of HIV-1 RNA levels and CD4+ T cell counts. HIV DNA levels CD4+ cell count HIV RNA levels HIV DNA levels are predictive of AIDS progression Rouzioux C. et al., JID 2005

Histoire naturelle: Evolution de charge virale et des taux de TCD4+ au cours des différents schémas de progression vers le stade SIDA ARNémie VIH (Copies/ml) T CD4+ (/mm3) 108 Symptômes Non progresseurs à long terme Progresseurs rapides 106 600 Progresseurs intermédiaires Intermédiaires 104 400 200 102 Non progresseurs à long terme Progresseurs rapides Ag p 24 3 mois 10 ans Contage Contage Holterman L et al., AIDS Review,2000;2:155-7

Interractions Hôte-VIH et progression de l’infection dans une population donnée .Virulence .Fitness .Phenotype/Tropisme .Switch X4/R5 Polyporphisme génétique: . CMH classe I . Co-récepteurs X4/R5 (delta 32, Allèle CCR5 P1) . Chimiokines : alpha Défensines 100% Population infectée Hôte Virus Progresseur rapide Intermédiaire Non progresseur Sensibilité Progression Résistance

Co-infection par deux virus VIH Co-infection : infection par plusieurs virus au moment de la primo-infection ou dans le premier mois qui suit (phase de pré-séroconversion). Cohorte suisse (toxicomanes IV) 3/158 co-infections : les 2 virus persistent dans le plasma pendant toute la durée du suivi (L Perrin, abst 63/IAS 2003 abst 73) Transmission par voie IV Transmission sexuelle Recombinaison???

Super-infection VIH Super-infection : Infection par un deuxième virus VIH (sous-type différent ) présentant des capacités de réplication supérieures par rapport à la deuxième souche. Voie sexuelle (Ramos et al., J Virol , 2002) Voie parentérale IV ( Jost et al., NEJM, 2002) Phase 1 Phase 2 Phase 3 VIH-1 (B) VIH-1 (AE) VIH-1 (B)

Réservoir lymphoïde de virus VIH Pope M & Haase AT : Nature Medicine, 2003.

LES VIRUS VIH - Persistance et évolution du VIH dans les réservoirs cellulaires et anatomiques

“Réservoirs” des virus VIH La Dynamique de l’infection virale. L’Émergence de populations virales résistantes aux ARV. La Biologie de la transmission par voie sexuelle des souches virales Les sécrétions génitales sont à l’origine de plus de 95 % des nouveaux cas d’infection par les virus VIH dans le monde (Chuachoowong et al., JID 2000)

Definition Sanctuaries Cellular Reservoirs Anatomic

Definition Viral compartmentalization: Anatomic or Cellular site Physiopathological mechanism that occurs during RNA virus infection Anatomic or Cellular site Microenvironment with selective pressures (local or systemic factors) different from that of systemic compartment (viral sanctuary) Main source of viral production or persistence (viral reservoir) Anatomically distinct quasispecies Wong et al, J Virol 1997; 71: 2059-71

Cellular reservoirs & sanctuaries Mechanisms of “cellular resistance” to ART are only partially understood P-gp: involved at the cellular level but also at the body compartment level MRP D. Back, 8th Retroviruses Conf 2001

Cellular reservoirs & sanctuaries P-gp Liver CNS Enterocytes D. Back, 8th Retroviruses Conf 2001

Cellular reservoirs & sanctuaries Nature of residual cellular HIV RNA during HAART New cycles of infection Virus release from previously infected cells R. Siliciano, 8th Retroviruses Conf 2001

Central Nervous System Wong et al, J Virol 1997; 71: 2059-71

Lymphoid tissue Remains the major site of residual HIV-1 RNA during effective HAART 28 patients treated for < 2.5 years with ZDV, 3TC, IDV analysed simultaneously in different sanctuaries: HIV-1 RNA undetectable in 13/13 CSF samples Always detectable in LN with sequences similar to the ancestral plasma virus Günthard et al, JID 2001; 183: 1318-27

HIV-1 replication the female genital tract 26/03/2017 HIV-1 replication the female genital tract Female genital tract Stage of HIV-1 infection  CD4+T cells count  Pregnancy Oral contraceptive  Antiretroviral drugs (ARV)  Systemic cofactors Kinetic of HIV-1 replication Cervical ectopy  Cervicitis  STDs  Genital herpes Ces facteurs peuvent être de 2 ordres -Facteurs généraux -Facteurs locaux Cela implique que le portage génital du VIH-1 est très hétérogènes dans une population de femmes séropositives, et c’est la résultante de tous ces facteurs qui détermine le niveau de la charge virale génitale. Exemple une femme avec des CD4, peut aussi avoir un niveau de charge virale génitale à cause d ’une éruption herpétique au niveau génital. La charge virale génitale peut être totalement indépendante de la charge virale systémique. On parle alors du tractus génital féminin comme étant un compartiment totalement ou partiellement autonome avec ces propres lois; et c’est la notion de compartimentalisation qui est est à la fois immunologique (IgG >IgA) et virologique (génotype et phénotype viral indépendants) Local cofactors D HIV-1 RNA load

HIV-1 DNA & RNA detection by RT-PCR in pol 26/03/2017 HIV-1 DNA & RNA detection by RT-PCR in pol 100 50 75 25 Treatment naive (n=12) Monotherapy (n=12) Bitherapy (n=12) HAART (n=18) Prevalence (%) HIV-1 RNA Plasma HIV-1 RNA HIV-1 DNA Vaginal lavage

– – + Compartmentalization of HIV-1 in female genital tract Plasma – 26/03/2017  Compartmentalization of HIV-1 in female genital tract Plasma – HIV-1 load HIV-1 replication ARV V3/gp120 genetic analyses Female genital tract ARV Local cofactors HIV-1 replication + – La compartimentalisation virale dans le compartiment génital pourrait être le résultat de plusieurs facteurs. Facteurs liés au compartiment génital lui même caractérisé par une spécificité tissulaire destiné à la reproduction ; Deuxièmement, facteurs liés à la présence d ’une réponse immunitaire locale spécifique et qui se distingue de la réponse immunitaire observée au niveau systémique en effet on observe au niveau génital un titre d ’IgG>IgA. Il a récemment été montré que ces anticorps de la muqueuse génitalepossédaient une activité bloquante et neutralisante. Enfin de nombreux cofacteurs qui modulent négativement ou positivement la réplication virale locale et dont j’ai parlé précédemment pourraient participer à la sélection virale donc à la compartimentalisation. Cette compartimentalisation signifie que tractus génital féminin possède une relative autonomie par rapport au compartiment sanguin. Cette autonomie se traduit par la présence au niveau génital de virus génotypiquement et phénotypiquement différents des virus des autres compartiments, déterminant ainsi une dynamique de production virale propre au compartiment génital. Le traitement antirétroviral a permis de comprendre plus finement la dynamique de réplication virale et a permis de mettre en évidence l’existence de sanctuaires tissulaires et/ou cellulaire peu accessible au traitement antirétroviral permettant l ’entretient de l’infection. Le tractus génital féminin est-il réellement un sanctuaire? Comment évolue la charge virale génitale sous traitement. HIV-specific immune responses Distinct genotypes, and phenotypes – HIV-1 variants with potential mutations in pol

Réservoir séminal de virus Titres de virus infectieux dans le leucocytes du plasma séminal ≠ Titres de virus infectieux dans le plasma sanguin (Kiessling et al., AIDS Res Hum Retroviruses 1998 ; 14 : S33-41). CV ARN VIH du plasma séminal n’est pas corrélée à celle du de l’ARN plasmatique (étude réalisée sur 128 patients ; r=0,28) (Coombs et al., JID 1998 ; 177 : 320-330) Présence de variants génétiques de la boucle V3 dans le sperme différent de ceux du sang (Delwart et al., J Virol 1998 ; 78 : 617-23). Mise en évidence de patients présentant des niveaux d’ARN VIH > CV ARN VIH dans le sang (Tachet et al., AIDS 1999 ; 13 : 823-31). Notion de patients « fort excréteurs »

Emergence de mutations de résistance dans le compartiment seminal Eron et al, AIDS 1998; 12: F181-9 Kiessling et al, AIDS Res Human Retroviruses 1998; 14: S33

Mutations de résistance aux ARV dans le compartiment séminal Echecs thérapeutiques (Taylor et al . AIDS, 1999) Risque important de transmission sexuelle, homme –femme ou homme –homme, de souches VIH multi-résistantes aux ARV (Choudhury et al., 2002 ; Little et al., 2002). Fréquence de détection des mutations de résistance chez des sujets récemment infectés et naïfs de tout traitement ; + 12,4 % aux USA entre 1999 & 2000 (Little et al., NEJM 2002) 9 à 11 % des souches de primo-infection en France présentent une ou des mutations de résistance aux ARV (Chaix et al. , Abst.164, IAS 2003)  Nouvelles stratégies thérapeutiques capables de limiter l’apparition de mutations de résistance aux ARV???

Conclusions & perspectives HIV-1 reservoirs & sanctuaries, still the hidden part of the iceberg in HIV-1 infection management