HIV-1 infection, opportunistic pathogens, and T cell activation a sinister combination

Jurgen M. Orendi

12 oktober 1999
Universiteit van Utrecht
Eijkman-Winkler Instituut

orendi@microbiology.azl.nl

Hyperlink naar volledige proefschrift:
http://www.ewi.med.uu.nl/thesis/index.html  

SAMENVATTING

HIV-1 is een virus dat bij de mens de lymfoïde weefsels op unieke wijze aantast. Nadat verspreiding van HIV-1 in Afrika optrad, zijn wereldwijd meer dan 30 miljoen mensen besmet geraakt met dit virus. Besmetting treedt op door onbeschermd seksueel contact, overdracht van moeder op kind rond om de geboorte, of door injectie van met HIV besmette producten. De meest opvallende kenmerken die optreden in het natuurlijk beloop van het HIV ziekteproces zijn een geleidelijk verlies van de cellulaire afweer en een uiteindelijk irreversibele daling van het aantal van een bepaald type witte bloedcel: de CD4+ T-lymfocyt. HIV kan slechts een beperkt aantal celtypen infecteren, waaronder de CD4+ T-cel en de mono-cyt/macrofaag. Ten gevolge van de verworven afweerstoornis kunnen opportunistische pathogenen reeds in een vroeg stadium symptomatische infecties veroorzaken. Opportunistische pathogenen zijn micro-organismen of virussen die bij gezonde personen vrijwel nooit ernstige infecties veroorzaken. Echter, wanneer het eindstadium (aids) van het HIV ziekteproces bereikt wordt, veroorzaken bepaalde opportunistische pathogenen zoals bijvoorbeeld de gist Cryptococcus neoformans, levensbedreigende infecties.

In het natuurlijk beloop van de HIV infectie varieert de periode tussen primo infectie en de ontwikkeling van aids van minder dan 2 maanden tot meer dan 15 jaar. Voor deze grote variatie zijn verschillende oorzaken aan te wijzen. Zo zijn sommige HIV subtypen minder virulent (ziekmakend) dan andere. Daarnaast zijn er ook factoren anders dan het virus zelf die het ziekteproces beïnvloeden, bijvoorbeeld de genetische achtergrond en de leeftijd van de gastheer. Van alle tot nu toe beschreven parameters bij HIV infectie heeft de HIV RNA concentratie in plasma als maat voor de virus replicatie (vermenigvuldiging) de best voorspellende waarde voor het HIV ziekteproces.

Een geactiveerde CD4+ T-cel vormt een kwetsbaar doelwit voor HIV. Alleen indien een CD4+ T-cel geactiveerd is kan na binding van HIV aan de cel een volledige replicatiecyclus van het virus optreden. Verhoogde aantallen van geactiveerde T-cellen worden reeds vroeg in de HIV infectie waargenomen, en het is mogelijk dat het virus dankzij activering van CD4+ T-cellen het aantal doelwitcellen verhoogt en zodoende de HIV replicatie op peil houdt. Dit sluit echter niet uit dat de HIV replicatie profiteert van andere factoren die activering van CD4+ T-cellen teweegbrengen. Het doel van het onderzoek zoals beschreven in dit proefschrift was om na te gaan of er aanwijzingen zijn dat opportunistische infecties het HIV ziekteproces ongunstig beïnvloeden, en zo ja wat het onderliggende mechanisme kan zijn. De gekapselde gist C. neoformans werd gekozen om een mogelijk effect van deze gist op HIV replicatie in mononucleaire cellen uit perifeer bloed van volwassen donoren (PBMC) in vitro te onderzoeken. In hoofdstuk 2 wordt beschreven dat C. neoformans de HIV replicatie stimuleert in PBMC die geïnfecteerd zijn met lymfotroop HIV. De stimulatie van de HIV replicatie in lymfocyten bleek niet afhankelijk te zijn van de aanwezigheid van een kapsel om de gist noch van de door de gist veroorzaakte secretie van het ontstekingscytokine TNF door witte bloedcellen, maar was wel afhankelijk van de aanwezigheid van monocytaire cellen. Dit suggereerde dat de waargenomen HIV stimulatie afhankelijk is van de activiteit van antigeenpresenterende cellen.

Humane lymfocyten ontwikkelen normaliter een proliferatiereactie (celdeling) wanneer ze gekweekt worden met C. neoformans in de aanwezigheid van autologe monocyten. Teneinde het mechanisme van de stimulatie van HIV door C. neoformans te doorgronden werden verscheidene gistcelbestanddelen gezuiverd. Net als intacte cryptococcen stimuleerden de celwand-membraanfractie en de mannoproteïnefractie de proliferatie van lymfocyten en de replicatie van HIV in PBMC. De kapselpolysacchariden glucuronoxylomannaan en galactoxylomannaan stimuleerden de HIV replicatie niet. Tenslotte bleken monoklonale antilichamen die MHC klasse II afhankelijke antigeenpresentatie remmen, de door C. neoformans geïnduceerde lymfocyten proliferatie èn HIV replicatie volledig te kunnen blokkeren (hoofdstuk 3). Dit impliceert dat MHC klasse II afhankelijke antigeenpresentatie een belangrijk mechanisme vormt in de waargenomen stimulatie van HIV door C. neoformans.

Bij in veelvoud uitgevoerde kweken leek de door C. neoformans veroorzaakte stimulatie van HIV op een alles-of-niets fenomeen. Met behulp van de HIV infectiegraad, de geschatte kans op HIV stimulatie en het aantal initieel aanwezige CD4+ T-cellen kon berekend worden dat na stimulatie van PBMC met C. neoformans slechts een klein deel (<0.005) van de initieel aanwezige CD4+ T-cellen geactiveerd wordt, hetgeen de aanwezigheid van mitogene eigenschappen bij C. neoformans onwaarschijnlijk maakt (hoofdstuk 4). Na stimulatie van PBMC met C. neoformans werden T-celklonen verkregen. Eén T-celkloon herkende specifiek deze gist, maar een andere T-celkloon respondeerde zowel tegen deze gist als Candida albicans (hoofdstuk 4). Dit suggereert dat de in PBMC normaliter optredende proliferatierespons tegen C. neoformans niet opgevat kan worden als bewijs van contact met C. neoformans in het verleden.

Antigeenafhankelijke CD4+ T-cel activering speelt waarschijnlijk een belangrijke rol in de pathogenese van HIV. Middelen die deze activering remmen kunnen mogelijk bijdragen de HIV replicatie te verminderen. Van hydroxyureum, een ribonucleotide reductase remmer, is bekend dat het bij HIV patiënten in combinatie met nucleoside analogen een synergistisch anti-HIV effect heeft. Het precieze werkingsmechanisme in vivo is echter onzeker. In hoofdstuk 5 wordt een celkweekmodel beschreven waarin PBMC gestimuleerd worden met C. albicans. Hydroxyureum bleek de gist-geïnduceerde celproliferatie reeds bij een lage concentratie (1 µM) te remmen, een concentratie die in vivo bereikt wordt. Dit betekent dat het voornaamste anti-HIV effect van hydroxyureum in vivo zou kunnen bestaan uit het remmen van antigeen-afhankelijke CD4+ T-cel activering, waardoor het aantal doelwitcellen voor HIV en derhalve ook de HIV replicatie afneemt.

Teneinde de relatie tussen HIV replicatie en T-cel activering nader te onderzoeken werd een studie opgezet bij HIV-geïnfecteerden. Hierbij werd rekening gehouden met de eventuele aanwezigheid van opportunistische infecties en anti-HIV behandeling (hoofdstuk 6). Bij personen die geen anti-HIV medicatie ontvingen correleerde de plasma HIV RNA concentratie met expressie van HLA-DR activering-geassocieerd antigeen in CD4+ T-cellen, met expressie van Ki-67 proliferatie-geassocieerd antigeen in CD8+ T-cellen en met expressie van CD38 in beide T-cel ondergroepen. In beide T-cel ondergroepen correleerde de expressie van Ki-67 met de expressie van HLA-DR. In vergelijking met gezonde controles bleek bij HIV-geïnfecteerden het aandeel van Ki-67 positieve cellen in zowel de CD4+ als de CD8+ T-cel ondergroep met ongeveer een factor drie verhoogd. In het beloop van een HIV infectie treedt in het algemeen een daling van het aantal CD4+ maar niet van het aantal CD8+ T-cellen op. Met verwijzing naar dit gegeven ondersteunen de resultaten in dit hoofdstuk de hypothese dat bij HIV infectie als gevolg van algemene T-cel activering een verminderde mediane levensduur van zowel CD4+ als CD8+ T-cellen optreedt, en dat deze verminderde levensduur wordt gecompenseerd door een toename van het aantal delende cellen in de CD8+ maar niet in de CD4+ T-cel ondergroep. Dit laatste zou kunnen worden verklaard door het als gevolg van HIV replicatie optreden van eliminatie van voorlopercellen van CD4+ maar niet CD8+ T-cellen. Bij HIV-geïnfecteerden met een niet-detecteerbare HIV RNA concentratie als gevolg van hoog-actieve antiretrovirale therapie (HAART), bleek de aanwezigheid van opportunistische infecties geassocieerd te zijn met een verhoogde expressie van HLA-DR in CD4+ T-cellen. Deze relatie werd niet gevonden bij HIV-geïnfecteerden die een detecteerbare HIV RNA concentratie hadden en geen anti-HIV medicatie ontvingen (hoofdstuk 6). De waarnemingen ondersteunen het beeld van een complexe onderlinge beïnvloeding van HIV replicatie, T-cel activering en opportunistische pathogenen.

Stimulatie van de HIV replicatie, zowel gelokaliseerd als verspreid optredend, is inmiddels beschreven bij HIV patiënten met acute bacteriële en virale infecties. Of langdurige of veelvuldige opportunistische infecties ook leiden tot een versnelling van het HIV ziekteproces en een toename van het risico van HIV overdracht naar anderen is aannemelijk maar niet aangetoond. Concluderend kan worden gesteld dat activering van CD4+ T-cellen een fundamenteel proces is in de pathogenese van HIV infectie. In het natuurlijk beloop van de ziekte kan deze activering zowel door HIV replicatie als opportunistische infecties worden verhoogd. Mede doordat geactiveerde CD4+ T-cellen een doelwit vormen voor HIV bestaat er een complexe relatie tussen CD4+ T-cel-activering en HIV replicatie; een relatie die enerzijds afhankelijk is van gastheer- en virusfactoren en anderzijds ongunstig wordt beïnvloed door opportunistische pathogenen.

Het is de vraag of selectieve remming van CD4+ T-cel-activering een gunstig effect kan hebben op het HIV ziekteproces. Indien deze activering kan worden geremd zonder dat dit leidt tot een toename van opportunistische infecties, dan resulteert dit mogelijk in een verlaging van de HIV replicatie, vertraging van het HIV ziekteproces en misschien zelfs uitstel van HAART. Mede gezien de indruk dat HAART levenslang dient te worden voortgezet, is nader onderzoek naar de mogelijkheid van immuno-modulatie vóór en tijdens HAART gerechtvaardigd.