Links between inadequate immune responses to viral infections and disease outcome in humans

Abstract

Deux pandémies virales touchent aujourd’hui des millions d’individus : la pandémie du Coronavirus Disease 2019 (COVID-19), causée par le Syndrome respiratoire aigu sévère coronavirus 2 (SRAS-CoV-2) et celle du Syndrome d’Immunodéficience Acquise (SIDA) causée par le Virus de l’Immunodéficience Humaine (VIH). Ces deux maladies diffèrent par leur physiopathologie, dont une meilleure compréhension a permis le développement de traitements efficaces. Pourtant, ces deux pandémies persistent. Une infection par SARS-CoV-2 peut être mortelle en raison d’une réponse immunitaire exacerbée et potentiellement retardée. Le VIH à l’inverse échappe continuellement à la réponse immunitaire, l’affaiblissant au cours des années jusqu’au développement du SIDA, ouvrant la porte à des maladies opportunistes mortelles. L’intérêt global de cette thèse était d’étudier comment la réponse immunitaire échoue pour ces deux infections. L’objectif de la première étude était de trouver un biomarqueur sanguin robuste et fiable pour prédire le risque de mortalité des patients hospitalisés pour la COVID-19. Nous avons mesuré la quantité d’ARN viral, de cytokines et de marqueurs de dommages tissulaires, ainsi que la réponse humorale contre le virus dans des échantillons de plasma de 279 patients à travers trois cohortes. Nous avons trouvé que l’ARN viral mesuré environ 11 jours après le début des symptômes, et ajusté pour l’âge et le sexe, peut prédire la mortalité dans les 60 jours suivant le début des symptômes. Nous avons également trouvé que des fortes concentrations de cytokines inflammatoires et de marqueurs de dommages tissulaires, ainsi qu’un faible niveau d’anticorps liant le Region Binding Domain (RBD) de la protéine Spike de SARS-CoV-2, sont aussi associées à la mortalité. Dans un deuxième projet, nous nous sommes servis d’outils de réduction de dimensionnalités combinant les facteurs associés à la mortalité, permettant une stratification des patients en quatre groupes basés uniquement sur leur profil immuno-virologique plasmatique. Un seul de ces groupes est lié à une plus grande mortalité. Mis ensemble, nos travaux permettent une meilleure compréhension de l’hétérogénéité des patients hospitalisés pour la COVID-19, incluant l’identification des patients à haut risque de mortalité. Ces données pourraient servir à cibler les traitements thérapeutiques selon la réponse immunologique du patient. Notre troisième étude portait sur l’étude de la dysfonction des lymphocytes T CD4+ spécifiques du VIH. Ceux-ci sont affaiblis par l’infection au VIH et perdent leur capacité à combattre l’infection. Notre objectif était de caractériser la réponse au blocage du point de contrôle immunitaire (BPCI - immunothérapie qui renverse partiellement la dysfonction des lymphocytes T) PD-1 parmi les divers types des lymphocytes T CD4+. Nous avons d’abord comparé l’état de dysfonction des lymphocytes chez deux cohortes de personnes vivant avec le VIH (PVVIH) non-traitées. Pour l’une des deux cohortes, la virémie est contrôlée par le système immunitaire (cohorte dite de « Contrôleurs Élites »), à l’inverse de la seconde cohorte (dite « Virémique »). Les lymphocytes T CD4+ des personnes virémiques perdent leur activité antivirale et ont une forte expression de points de contrôles immunitaires. Au contraire, les contrôleurs élites ont une charge virale indétectable en l’absence de thérapie antirétrovirale (TAR), et des lymphocytes T CD4+ relativement fonctionnels. En réponse au BPCI, les lymphocytes T CD4+ spécifiques du VIH démontrent une plus grande réponse chez les PVVIH virémiques, via l’augmentation du nombre de cellules produisant des cytokines. Chez ces individus, toutes les fonctions mesurées augmentent, à l’exception des cytokines associées aux cellules T CD4+ folliculaires auxiliaires qui sont impliquées dans l’amorçage des réponses immunologiques des lymphocytes B. Ces données montrent qu’il existe une réponse spécifique des sous-types de lymphocytes T CD4+ aux BPCI. Ce projet démontre l’avantage du blocage du ligand de PD-1 (PD-L1) sur les effets hétérogènes au niveau unicellulaire, soulignant l’importance de considérer les T CD4+ dans les analyses futures des essais cliniques évaluant le bénéfice des BPCI.

Mis ensemble, cette thèse permet une meilleure caractérisation de la réponse immunologique contre un virus à infection aiguë et, dans un second temps, un autre à infection chronique. Ces études permettent une meilleure compréhension de l’hétérogénéité dans la réponse immunologique des personnes infectées qui, si prise en compte dans des essais cliniques, pourrait aider à expliquer la variété de l’efficacité des traitements.

Viral infections are a major cause of disease in humans. Pandemics refer to virulent viruses that spread across more than one continent. In the last century, two major such pandemics have occurred with still-current repercussions: the acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) pandemic caused by the Human Immunodeficiency Virus (HIV), and the Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) pandemic by the severe acute respiratory coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The diseases caused by both of these viruses are very different in their pathophysiology. A better elucidation of these diseases has already allowed researchers to develop therapeutic treatments against these infections; however, both pandemics caused by these viruses are ongoing. While SARS-CoV-2 proves to ultimately be fatal by an exacerbated and perhaps delayed immune response against the virus, HIV rather evades the host’s immune response, weakening it over time until inducing a severe immunocompromised state, opening the door for fatal opportunistic diseases. The overarching goal of this thesis was to study the failings of the immune response against each virus, and extract information useful to guide therapeutic practices. The objective of the first study was to find a robust and reproducible predictor of fatal outcome among patients hospitalized for their COVID-19. We profiled the plasma of a total of 279 patients across three independent cohorts to measure SARS-CoV-2 viral RNA, antibody responses against the virus and the quantities of inflammatory cytokines and markers of tissue damage. We found that plasma viral RNA could reproducibly predict fatal outcome on samples collected at 11 days after symptom onset, when adjusted for age and sex. Plasma vRNA’s predictive accuracy was maintained at earlier timepoints. We also found that low SARS-CoV-2-region-binding-domain (RBD)-specific IgG, low SARS-CoV-2-specific antibody-dependent cellular cytotoxicity, and elevated cytokines and injury markers were also strongly associated with mortality. In a second study using dimensionality reduction tools, we were able to separate our cohort in four distinct « patient clusters », based on their immunovirological plasma profile, with one cluster enriched in fatal outcomes. Our findings better characterize the heterogeneity of hospitalized COVID-19 cases, and may be useful in directing targeted therapeutic treatments. In our third study, our objective was to characterize the response of dysfunctional HIV-specific CD4+ T cells to immune checkpoint blockade (ICB) across multiple subsets. We first sought to compare the functional state of HIV-specific CD4+ T cells among two cohorts of HIV-infected untreated indivduals, based on their ability to spontaneously control viral replication. Elite controllers, who have no detectable viral load in the absence of anti-retroviral therapy (ART), had more functional HIV-specific CD4+ T cells than their viremic counterparts, as well as lower levels of dysfunction-related transcription factors and immune checkpoint expression. We then compared the response of HIV-specific CD4+ T cells to ICB and saw greater increase in functionality in the dysfunctional cells of viremic individuals. All functions assessed were increased except for B-cell helping T follicular-helper-associated functions, underlying subset-specific responses to ICB. This effect was largely lost once ART was initiated, suggesting that the use of ICB would be optimal right before the initiation of ART. Together, our results contribute to a better understanding of two pandemic-causing viral infections, and reveal key considerations for therapy.