The impact of HIV-1 on hematopoietic stem and progenitor cells

At the beginning of the 1980s, an increased frequency of immune deficiency was discovered in a population of homosexual men, which is nowadays known as the Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS). A few years later, the retro virus Human Immunodeficiency Virus 1(HIV-1) has been discovered as the cause of AIDS. Since the beginning of the pandemic, more that 74 million people have become infected and more than 32 million people died. In 2018, it was estimated that 38 million people where living with HIV-1 of which 24.5 million had access to Highly Active Antiretroviral Therapy (HAART), which blocks viral replication and prevents the progression towards AIDS. In the most cases an HIV-1 infection leads to the patient’s death within a few years Without HAART. Taken together, this thesis shows that hematopoietic stem and progenitor cells harbor the prerequisites and characteristics to form an HIV-1 reservoir in vivo. The subsets of HSCs, MPPs and CD34+CD38+ progenitors harbor CD4 & CXCR4 double-positive cells as well as a lower amount of CD4 & CCR5 doublepositive cells. In addition, the susceptibility to X4-tropic HIV-1 is shown in vitro. Susceptibility to R5-tropic HIV-1 is only seen to a very low amount for CD34+CD38+ progenitors. The results also show that transduced HSPCs are capable to pass on integrated viral genomes via proliferation and differentiation during in vitro colony formation. More over the experiments provide evidence that this can take place for long time span as the outcome of the replating assays shows. Ex vivo analysis of HSPCs isolated from PLHIV also suggests that these cells are susceptible to HIV-1. Proviral DNA detection using a nested PCR showed infection of Lin- cells of a single donor with an R5-tropic subtype B HIV-1 clone. However, the assay could not detect infection of CD34+ cells. The received results of this thesis are in agreement with previously published results. Albeit the obvious susceptibility to HIV-1 and existing reports of viral survival within HSPCs for several years, the low frequency of detected in vivo infected HSPCs could be related to the cytopathic effects of HIV-1 during replication resulting in cell death of potentially infected CD34+ cells. Other reasons could be associated with assay sensitivity or the small number of available patient samples. This makes hematopoietic stem and progenitor cells a target, which can be infected by HIV-1. The role and the clinical relevance of hematopoietic stem and progenitor cells in contribution to the latent viral HIV-1 reservoir within an HIV-1 infected patient needs to be further analyzed.Zu Beginn der 1980er Jahre wurde eine erhöhte Frequenz von Immunschwächeerkrankungen bei homosexuellen Männern festgestellt. Heutzutage ist diese Erkrankung als das erworbene Immunschwächesyndrom bekannt (AIDS, englisch: Acquired Immune Deficiency Syndrome). Wenige Jahre später wurde das Humane Immundefizienz-Virus 1 (HIV-1, englisch: Human Immunodeficiency Virus) entdeckt und als Ursache für die Erkrankung an AIDS identifiziert. Seit Beginn der Pandemie haben sich mehr als 74 Millionen Menschen mit dem Virus infiziert. Über 32 Millionen sind an den Folgen der HIV-Infektion seitdem gestorben. Im Jahr 2018 lebten schätzungsweise 38 Millionen Menschen mit einer HIV-1-Infektion, von denen ungefähr 24,5 Millionen Menschen Zugang zu einer anti-retroviralen Therapie (HAART, englisch: Highly Active Antiretroviral Therapy) hatten. Diese unterdrückt die virale Replikation und verhindert somit das Fortschreiten von AIDS. Wird eine HIV-1 Infektion nicht behandelt, so führt diese in den meisten Fällen innerhalb weniger Jahre zum Tod des Patienten. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass HSPCs die nötigen Voraussetzungen und Charakteristika besitzen, um ein HIV-1 Reservoir in Patienten zu bilden. Die Subpopulationen der HSCs, MPPs und CD34+CD38+ Vorläuferzellen weisen CD4 & CXCR4 sowie einen geringen Anteil CD4 & CCR5 doppelt-positive Zellen auf. Zusätzlich sind sie permissiv gegenüber X4- tropem HIV-1 in vitro, während die Permissivität gegenüber R5-tropem HIV-1 nur zu einem sehr geringen Teil in CD34+CD38+ Vorläuferzellen festgestellt werden konnte. Außerdem zeigten die in vitro Ergebnisse, dass transduzierte HSPCs in der Lage sind die integrierten viralen Genome durch Proliferation und Ausdifferenzierung an ihre Nachkommen weiterzugeben. Dieser Prozess kann auch über längere Zeiträume stattfinden. Die ex vivo Analysen zeigten, dass HSPCs von HIV-1 Patienten sensitiv für HIV-1 sein können. Provirale DNA konnte in Lin- Zellen eines einzelnen Spenders detektiert werden und einem R5-tropen HIV-1 Stamm des Subtyps B zugeordnet werden. Im Gegensatz dazu konnte keine provirale DNA in CD34+ Zellen der sechs untersuchten Spender nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Dissertation sind in Einklang mit den Ergebnissen, welche in vorherigen Studien beschrieben wurden. Die geringe Frequenz des Nachweises von in vivo infizierten HSPCs könnte, trotz der offensichtlichen Permissivität gegenüber HIV-1 und des beschrieben Überdauerns von HIV-1 Genomen in HSPCs, mit den zytopathischen Effekten der HIV-1 Replikation, speziell in potenziell infizierten CD34+ Zellen, zusammenhängen. Weitere Ursachen könnten in der Sensitivität der Analysen oder der geringen Anzahl verfügbarer Spender liegen.Hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen können somit prinzipiell von HIV-1 infiziert werden. Für die abschließende Einschätzung der Rolle und der klinischen Relevanz von hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen als latentes HIV-1 Reservoir innerhalb von HIV-1 Pateinten sind weitere Analysen notwendig