Identification of individuals with broadly neutralizing serum activity against HIV-1

Abstract

Broadly neutralizing antibodies (bNAbs) present a promising new option in prevention and therapy of HIV-1 infection. Since the clinical use of bNAbs is limited by viral escape through mutations of the HIV-1 envelope glycoprotein (Env), more bNAbs need to be purified in order to unveil more viral vulnerabilities as well as various pathways of HIV-1 escape. Elite neutralizers have been the source of the second generation bNAbs, so it was the goal to identify these individuals within large cohorts of HIV-1-infected individuals. In the first part of the study, we screened HIV-1-infected individuals out of two diverse cohorts for broadly neutralizing serum activity. The sera of 294 long-term-non-progressors (LTNP-SELECTED cohort) and 343 subjects mostly treated with ART (UNSELECTED cohort) were tested on the first neutralization assay by Monogram Biosciences (MB) with 5 different HIV–1 subtypes. With the help of a new scoring system, these sera were ranked based on their neutralizing activity. Subsequently, the top 19 LTNP-SELECTED individuals and the top 20 UNSELECTED individuals were chosen for a second screening on an extended neutralization panel with a broader set of HIV-1 isolates. Here, 12 individuals were identified as elite neutralizers making up 1.8% out of total 637 individuals. Our results show that the combination of two neutralization panels and the new ranking system can be used to identify individuals with elite HIV-1 neutralizing activity out of diverse cohorts. In the second part of this study, the neutralization results of both cohorts were analyzed. A cohort's performance on the MB panel was associated by trend with greater breadth and higher potency on the extended panel. Another observation was that in both cohorts, breadth and potency of the samples correlated significantly on the MB panel but not on the extended panel. The top chosen LTNP-SELECTED and UNSELECTED individuals showed a similar level of neutralizing activity both on the MB and on the extended panel. Furthermore, the analysis of the MB panel revealed a significant correlation between neutralizing activity and the passed years since infection in the LTNP-SELECTED group. Also on the MB panel, no difference of HIV-1 serum neutralization was observed between treated and untreated UNSELECTED individuals. In the third part, we used mutated variants of gp120 in order to narrow down the epitope specificities of the top 39 neutralizers. 80% of the samples had specificities linked to epitopes in the V1/V2 apex, the V3 loop or the CD4 binding site of the HIV-1 envelope. The specificities of 5-10 % of samples remained undetected.

Breit neutralisierende Antikörper (bNAbs) stellen eine vielversprechende neue Option in der Prävention und Therapie einer HIV-1 Infektion dar. Die Selektion viraler Escape-Varianten durch Mutation des Env-Glykoproteinkomplex erschwert jedoch die klinische Anwendung von bNAbs. Daher sollten mehr bNAbs entdeckt werden, um weitere empfindliche Epitope sowie Escape-Mechanismen des HI-Virus zu beschreiben. Effektive bNAbs der zweiten Generation wurden aus Elite Neutralizern gewonnen, dementsprechend war das Ziel dieser Arbeit, Elite Neutralizer aus großen Kohorten von HIV-1-infizierten Individuen zu identifizieren. Im ersten Teil der Dissertation untersuchten wurden die Seren von 294 Long-term-non-progressors (LTNP-SELECTED Kohorte) und 343 Individuen aus einer größtenteils mit ART behandelten Kohorte (UNSELECTED) auf dem ersten Neutralisationsassay von Monogram Biosciences (MB) mit 5 verschiedenen HIV-1 Subtypen getestet. Mithilfe eines neuen Punktesystems wurden diese Seren in einen Rang eingereiht, welcher die Neutralisationsaktivität berücksichtigte. So wurden die Top 19 LTNP-SELECTED und 20 UNSELECTED Individuen ausgewählt für das zweite Screening auf einem erweiterten Assay mit einem breiteren Set an HIV-1 Isolaten. Hieraus gingen 12 Individuen als Elite Neutralizer hervor und machten 1,8% der zu Beginn 637 eingeschlossenen Personen dieser Studie aus. Unser Ergebnis bestätigt, dass die Kombination aus beiden Neutralisationsassays und unserem Punktesystem geeignet ist, um Elite Neutralizer in unterschiedlichen Kohorten zu finden. Im zweiten Teil dieser Studie wurden die Neutralisationsergebnisse beider Kohorten analysiert. Die Neutralisationsleistung auf dem MB Assay war tendenziell mit einer höheren Neutralisationsbreite und -potenz auf dem erweiterten Assay vergesellschaftet. Die Analyse der LTNP-SELECTED Kohorte auf dem MB Assay brachte eine signifikante Korrelation zwischen Neutralisationsaktivität und vergangene Jahre nach Infektion hervor. Zwischen den mit ART behandelten und nicht behandelten UNSELECTED Individuen gab es keinen Unterschied in der Neutralisationsaktivität auf dem MB Assay. Im dritten Teil benutzten wir ein Assay mit mutierten Varianten von gp120, um die Bindungsspezifitäten der Top 39 Individuen aus beiden Kohorten einzugrenzen. 80% der Top Seren waren spezifisch für Epitope im V1/V2 Apex, im V3 Bogen oder an der CD4 Bindungsseite des HIV-1 Hüllenproteins. Die Spezifitäten von 5-10% der Seren konnten nicht detektiert werden.