Version 2006

Dr Laurent Andréoletti (MCU-PH)Laboratoire de Virologie, CHU Reims

et EA-3798 Faculté de Médecine de Reims

DIU VIHDIU VIHAnnée Universitaire 2005-2006Année Universitaire 2005-2006

Virologie Fondamentale et Mécanismes Virologie Fondamentale et Mécanismes

Immunopathologiques de l’InfectionImmunopathologiques de l’Infection

par les Virus VIHpar les Virus VIH

Version 2006

LES VIRUS VIHLES 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

Version 2006

0,48 – 0,76 0,48 – 0,76 millionsmillions

0,23 – 1,5 0,23 – 1,5 millionsmillions

24.3 – 28,4 24.3 – 28,4 millionsmillions

0,92 – 2,1 0,92 – 2,1 millionsmillions

4,4 – 10,6 4,4 – 10,6 millionsmillions

0,025 – 0,048 0,025 – 0,048 millionsmillions

0,54 – 1,6 0,54 – 1,6 millionsmillions

0,27 – 0,78 0,27 – 0,78 millionsmillions

1,3 – 2,2 1,3 – 2,2 millionsmillions

0,56 – 1,8 0,56 – 1,8 millionsmillions

Europe Occidentale et Centrale

Afriquesubsaharienne

Europe orientale& Asie centrale

Asie du Sud & du Sud–Est

Océanie

Amérique du Nord

Caraïbes

Amérique latine

Asie de l’Est & PacifiqueAfrique du Nord

& Moyen–Orient

Total : 39,4 millions (35,9-44,3 millions)

Estimation fin 2004

Adultes et Enfants vivant avec le VIH/SIDAAdultes et Enfants vivant avec le VIH/SIDA

Version 2006

Version 2006

CLASSIFICATION DES RETROVIRUS

ONCOVIRUS LENTIVIRUS SPUMAVIRUS

EIAV

VISNA

CaEV

VIH-1

VIH-2

SIV

FIV

EVOLUTIONLENTE

FeLVMLV

HTLV-1HTLV-2STLVBLV

EVOLUTIONRAPIDE

RSVMSV

Version 2006

Version 2006

Version 2006

ORGANISATION GENETIQUE DU VIH

Version 2006

VARIABILITE DU VIH-1 & QUASIESPECES

Une mutation aléatoiretoutes les 10 000 bases(une mutation/génome rétrotranscript)

Variabilité génétiquesans traitement ARVQUASIESPECES

= différents variants viraux

Variant majoritaire 90%

Variants minoritaires 10%

∆ Génétique 4 à 25%

Transcriptase inverse

Version 2006

STRUCTURE DE LA gp 120 DU VIH

Version 2006

ARBRE GENEALOGIQUE DES VIRUS VIH

Version 2006

Version 2006

L’origine des virus VIH

Lentivirus de primates

SIVcpz(chimpanze)

SIVsmm(Sooty mangabey)

SIVagm(Singe vert africain)

VIH-1(homme)

VIH-2(homme)

SIV mac(macaque)

SIVbab SIV chacma(babouin jaune) (Babouin chacma)

SIV wcm SIV pam G31(white-crowned (singe Patas)mangabey)

passage inter-espèces

T Morin et al., Virologie 2002.

Version 2006

VARIABILITE DU VIH-1

A O D g H

B

B

B

BFC

BB

B d g h

B

B

A D E F G H

C A D

B cC B E

B E

VIH 1C 48% VIH 1A 25% VIH 1B 16% VIH 1E 4%

VIH 1D 4% Autres 3%

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Recombinaison génétique des virus VIH

LTR

LTR LTR

LTR

VIRUS « HETEROZYGOTE »

Lc CD4+

LTR LTR

Lc CD4+

PROVIRUS RECOMBINANT

T Morin et al., Virologie 2002.

Version 2006

Version 2006

Version 2006

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

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Version 2006

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.

In vitro HIV-1 fitness

Dynamics of target cell infection and pathogenicity

Drug Resistance HIV mutants and therapeutic strategies

Version 2006

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

Methods used to estimate HIV-1 fitness

Version 2006

Phenotype evaluation for drug resistance HIV mutants

PATIENT

PLASMA(> 200 µl)

total RNA cDNA PR/RT GENES

(amplicon)

Viral PR/RT gene isolationViral PR/RT gene isolation

extraction RT PCR

Creation of Deleted Proviral Clone

WT referencevirus

PRORT

Delete PRO & RT genes Deleted Proviral

Clone

Gene Transfer (Electroporation)

CD4+ T-cells (MT4)

Infectious RECOMBINANT

virus

Susceptibility AssayANTIVIROGRAM Replication capacity

= FITNESS

Cell culture systems

Version 2006

LES VIRUS VIHLES VIRUS VIH

- Histoire immunologique de l’infection par le VIH

Version 2006

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

Version 2006

Phase initialePrimo-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 plasmatiqueDéficit immunitaire - Destruction architecture ganglionnaireprofond-SIDA - Infections opportunistes

- Affections néoplasiques- Souches SI- Profils cytokines Th1

Histoire naturelle immunologique de l ’infection à VIH

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Mécanismes du déficit quantitatif et qualitatif des lymphocytes CD4+

Version 2006

Mécanisme d ’Apoptose et infection par le VIH

Version 2006

Echappement du VIH à la surveillance immunologique

L Letvin & D Walker: Nature Medicine, 2003.

Réponse humorale: Ac neutralisants Réponse cellulaire :Lc T CD8+

Nouveaux virus Pression immunologique

Version 2006

Infection par le VIH & défaillance de la réponse immune

L Letvin & D Walker: Nature Medicine, 2003.

Version 2006

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

Version 2006

Version 2006

LES VIRUS VIHLES VIRUS VIH

- Histoire naturelle de l’infection par le VIH

Version 2006

Evolution de la charge virale au cours de l ’infection naturelle par le VIH-1

CCR5 R5/X4 CXCR4

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Version 2006

Version 2006

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 in PBMCs

Rouzioux C. et al., JID 2005

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)

Version 2006

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 are predictive of AIDS progression

Rouzioux C. et al., JID 2005

HIV DNA levels in PBMCs

HIV DNA levels CD4+ cell count HIV RNA levels

Version 2006

Histoire naturelle: Evolution de charge virale et des taux de TCD4+Histoire naturelle: Evolution de charge virale et des taux de TCD4+

au cours des différents schémas de progression vers le stade SIDAau cours des différents schémas de progression vers le stade SIDA

Ag p 24

3 mois 10 ans

Symptômes

102

104

106

108

Progresseurs rapides

Progresseurs intermédiaires

Non progresseurs à long terme

ARNémie VIH(Copies/ml)

T CD4+(/mm3)

200

400

Contage

600

Holterman L et al., AIDS Review,2000;2:155-7

Progresseurs rapides

Intermédiaires

Non progresseurs à long terme

Contage

Version 2006

Interractions Hôte-VIH et progression Interractions Hôte-VIH et progression

de l’infection dans une population donnéede l’infection dans une population donnée

Progresseur rapide Intermédiaire Non progresseur

Hôte

100%

Pop

ula

tion

infe

ctée

Sensibilité Progression Résistance

Virus

.Virulence

.Fitness

.Phenotype/Tropisme

.Switch X4/R5

Polyporphisme génétique:. CMH classe I. Co-récepteurs X4/R5 (delta 32, Allèle CCR5 P1). Chimiokines : alpha Défensines

Version 2006

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 IVTransmission sexuelleRecombinaison???

Version 2006

– 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)

Super-infection VIH

VIH-1 (AE)

Phase 1 Phase 2 Phase 3

VIH-1 (B)

VIH-1 (B)

Version 2006

Réservoir lymphoïde de virus VIH

Pope M & Haase AT : Nature Medicine, 2003.

Version 2006

LES VIRUS VIHLES VIRUS VIH

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

Version 2006

“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)

Version 2006

DefinitionDefinition

Anatomic

Cellular

Reservoirs

Sanctuaries

Version 2006

Viral compartmentalization:Viral compartmentalization: Physiopathological mechanism that occurs during RNA virus infectionPhysiopathological mechanism that occurs during RNA virus infection

Anatomic or Anatomic or

Cellular siteCellular site

Microenvironment with selective pressures Microenvironment with selective pressures (local or systemic factors)(local or systemic factors)

different from that of systemic compartment (viral sanctuary)different from that of systemic compartment (viral sanctuary)

DefinitionDefinition

Main source of viral production or persistence (viral reservoir)Main source of viral production or persistence (viral reservoir)

Anatomically distinct quasispecies

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

Version 2006

Mechanisms of “cellular resistance” to ART are onlyMechanisms of “cellular resistance” to ART are onlypartially understoodpartially understood

– P-gp: involved at the cellular level but also at the bodyP-gp: involved at the cellular level but also at the bodycompartment levelcompartment level

– MRPMRP

Cellular reservoirs & sanctuariesCellular reservoirs & sanctuaries

D. Back, 8D. Back, 8thth Retroviruses Conf 2001 Retroviruses Conf 2001

Version 2006

EntEnteerocytesrocytes

LiverLiver

CNSCNS

D. Back, 8D. Back, 8thth Retroviruses Conf 2001 Retroviruses Conf 2001

P-gpP-gp

Cellular reservoirs & sanctuariesCellular reservoirs & sanctuaries

Version 2006

Nature of residual cellular HIV RNA during HAARTNature of residual cellular HIV RNA during HAART– New cycles of infectionNew cycles of infection

– Virus release from previously infected cellsVirus release from previously infected cells

RR. Siliciano, 8. Siliciano, 8thth Retroviruses Conf 2001 Retroviruses Conf 2001

Cellular reservoirs & sanctuariesCellular reservoirs & sanctuaries

Version 2006

Central Nervous SystemCentral Nervous System

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

Version 2006

Remains the major site of residualRemains the major site of residualHIV-1 RNA during effective HAARTHIV-1 RNA during effective HAART

– 28 patients treated for < 2.5 years with ZDV,28 patients treated for < 2.5 years with ZDV,3TC, IDV analysed simultaneously in3TC, IDV analysed simultaneously indifferent sanctuaries:different sanctuaries:

HIV-1 RNA undetectable in 13/13 CSFHIV-1 RNA undetectable in 13/13 CSFsamplessamples

Always detectable in LN with sequencesAlways detectable in LN with sequencessimilar to the ancestral plasma virus similar to the ancestral plasma virus

Lymphoid tissueLymphoid tissue

Günthard et al, JID 2001; 183: 1318-27Günthard et al, JID 2001; 183: 1318-27

Version 2006

HIV-1 HIV-1 replicationreplication the female genital tract the female genital tract

Stage of HIV-1 infection Stage of HIV-1 infection CD4CD4++T cells count T cells count

PregnancyPregnancyOral contraceptive Oral contraceptive

Antiretroviral drugs (ARV) Antiretroviral drugs (ARV)

Cervical ectopy Cervical ectopy

Cervicitis Cervicitis

STDs STDs

Genital herpesGenital herpes

Kinetic of HIV-1 replication

HIV-1 RNA loadHIV-1 RNA load

Female genital tractFemale genital tract

SystemiSystemic c

cofactorcofactorss

Local Local cofactorcofactor

ss

Version 2006

Treatment naive (n=12)Treatment naive (n=12)

Monotherapy (n=12)Monotherapy (n=12)

Bitherapy (n=12)Bitherapy (n=12)

HAART (n=18)HAART (n=18)

HIV-1 RNAHIV-1 RNA PlasmaPlasma

HIV-1 RNA HIV-1 RNA HIV-1 DNA HIV-1 DNA Vaginal lavageVaginal lavage

100100

5050

00

7575

2525

Pre

vale

nce

(%

)P

reva

len

ce (

%)

HIV-1 DNA & RNA detection by RT-PCR in pol HIV-1 DNA & RNA detection by RT-PCR in pol

Version 2006

HIV-1 HIV-1 replicationreplication

Local cofactorsLocal cofactors

  Compartmentalization of HIV-1 in female genital tractCompartmentalization of HIV-1 in female genital tract

Female genital tractFemale genital tract

HIV-specific HIV-specific immune responsesimmune responses

++

––

HIV-1 variants with potential mutations in pol

PlasmaPlasma

ARVARV

ARVARV

––

HIV-1 loadHIV-1 load–HIV-1 HIV-1

replicationreplication

V3/gp120V3/gp120geneticgenetic

analysesanalyses

Distinct Distinct genotypes,genotypes,

and and phenotypesphenotypes

Version 2006

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 »

Version 2006

3

2

5

1

8

2

22

2

3

1

3

34

4

11

11

1

Sperme 8

Sperme 2Sperme 7

Sperme 4

Sperme 5

Sperme 3

1 Sperme 6

PSMC 7

PSMC 4

PSMC 2

PSMC 10PSMC 8

PSMC 4

PSMC 1

PSMC 9

PSMC 11

PSMC 5

PSMC 5MXB 2

2

Emergence de mutations de résistance dans le compartiment seminal

Eron et al, AIDS 1998; 12: F181-9Kiessling et al, AIDS Res Human Retroviruses 1998; 14: S33

Version 2006

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???

Version 2006

Conclusions & perspectivesConclusions & perspectives

HIV-1 reservoirs & sanctuaries, still the hidden part ofHIV-1 reservoirs & sanctuaries, still the hidden part ofthe iceberg in HIV-1 infection managementthe iceberg in HIV-1 infection management