VIH, el virus que no erradicamos by SciArt3D FabLabULL

KNOWLEDGE ON THE EDGE 1 de diciembre de 2017 Día Internacional del SIDA

VIH, EL VIRUS QUE NO CONSEGUIMOS ERRADICAR Han pasado treinta y cuatro años desde que el virus de inmunodeficiencia humana (VIH) se identificó por primera vez como la causa del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA); un descubrimiento histórico que ha llevado a un tremendo progreso en la comprensión y la lucha contra la infección por este retrovirus potencialmente mortal. El logro más notable durante este tiempo ha sido el desarrollo de terapias antirretrovirales que mejoran sustancialmente la calidad y la duración de la vida en personas infectadas. Sin embargo, hasta la fecha no se ha encontrado una cura completa ni una vacuna protectora, y se siguen produciendo nuevas infecciones, a una tasa de unas 8.000 personas por día, unos 3.000.000 de nuevas infecciones al año. La comunidad internacional se ha comprometido a poner fin a las epidemias de VIH/SIDA, tuberculosis, malaria e infecciones tropicales desatendidas para el año 2030. De hecho, el Programa de las Naciones Unidas sobre el VIH/SIDA, ONUSIDA (UNAIDS en inglés), discute actualmente si este ambicioso objetivo es alcanzable para el VIH/SIDA, y lo que se necesita para acelerar aún más el proceso, viendo que, en la actualidad, en muchos países, el VIH sigue en aumento. Aún queda mucho trabajo por hacer, para garantizar a las regiones más pobres del mundo, un acceso equitativo a la terapia antirretroviral y a los servicios de atención internacionales en la lucha contra el VIH. Lógicamente, descubrir una cura y una vacuna preventiva o terapéutica ayudaría a acelerar el progreso para terminar con la epidemia. Sin embargo, la vacuna no llega; en gran medida, porque aún no alcanzamos a entender cómo el VIH-1 infecta y afecta al sistema inmune, por su diversidad poblacional en cada individuo infectado y entre individuos, y por la importancia de las coinfecciones y comorbilidades en el control de la infección en cada persona portadora del virus, entre otros aspectos inmunes y virológicos. En este artículo, que publicamos en el Día internacional del SIDA, queremos hacer un homenaje a los científicos que han dedicado y dedican su vida entera a estudiar y entender cómo es este virus VIH, los mecanismos de infección que emplea y la patología asociada, así como a la búsqueda de nuevos factores celulares que controlen de forman natural la infección del VIH, con el objeto de poder erradicar este virus del organismo y acabar con esta terrible pandemia mundial, que afecta grandemente a los países en desarrollo, comprometiendo su futuro.

A continuación vamos a hablar someramente sobre cómo se descubrió el VIH, de lo que sabemos sobre los receptores celulares que las partículas virales de VIH-1 emplean para infectar, y de las glicoproteínas de la envoltura del virus, de fármacos antirretrovirales basados en el bloqueo de la fusión del virus a la célula huésped, de los polimorfismos genéticos de CCR5 que determinan la resistencia natural a la infección por VIH y progresión al SIDA, y, por último, de la obtención de anticuerpos neutralizantes anti-VIH como una de las estrategias terapéuticas más prometedoras en la lucha contra el VIH. El descubrimiento Tras 34 años del descubrimiento del VIH tipo 1 (VIH-1) por Françoise Barré-Sinoussi et al. en el Instituto Pasteur de París (Barré-Sinoussi F, et al. 1983; Premio Nobel Medicina 2008), si echamos la vista atrás, justo durante los dos años transcurridos entre la primera notificación del SIDA (CDC, New York City and California. MMWR 1981) y el descubrimiento del virus, observamos cómo los epidemiólogos establecieron los modos de transmisión y los factores de riesgo asociados con la infección por VIH-1, sin conocer la identidad del virus causante de este síndrome. Además, se hizo evidente, a partir de la primera descripción clínica completa del SIDA en 1981 (Gottlieb MS, et al. 1981), que la característica principal que subyace a la enfermedad es un agotamiento específico de los linfocitos T CD4+ auxiliares. El descubrimiento en 1983 del VIH-1 en París, junto a su confirmación un año más tarde por nuevos aislamientos virales de pacientes con SIDA en África (Ellrodt A, et al. 1984) y América (Gallo RC, et al. 1984; Levy JA, et al. 1984), representó un gran salto adelante en ciencia, porque nos permitió empezar a entender que: 1) el agente etiológico era un virus; y 2) que sus dianas son las células que sustentan la respuesta inmunológica de nuestro organismo.

Ilustración SciArt3D-FabLabULL. Representación de la partícula lentiviral del VIH-1, agente etiológico del SIDA, mostrando la distribución de los trímeros de las proteínas de envoltura gp41 y gp120 (“spikes” o “knobs” en inglés) que conforman el complejo Env. El virión del VIH-1 tiene un diámetro de unos 100nm de diámetro, y el complejo Env tiene unos 10nm de largo. Ver animación 3D del proceso de unión, fusión y entrada viral, de un virión VIH-1 en células T CD4+, en https://vimeo.com/sciart3dfablabull/hiv

Así, la identificación del VIH-1 rápidamente condujo a pruebas de diagnóstico de infección que volvieron a hacer seguras las donaciones de sangre. Además, el reconocimiento del VIH1 como un retrovirus condujo al desarrollo de medicamentos antirretrovirales que han

reducido drásticamente la morbimortalidad del SIDA. Por otro lado, la medición de la carga viral (la cantidad de genoma VIH-1 en el plasma) se convirtió en un marcador pronóstico importante, junto con el recuento de células T CD4+ circulantes, para el seguimiento de la salud de los pacientes. Por último, el estudio del VIH-1 en el organismo de los individuos infectados, nos informa de que las respuestas inmunes son ineficaces (Weiss RA, et al. 1985; Margolick JB, et al. 1985), así como de la enorme diversidad antigénica del virus en un mismo paciente (Ndung’u T & Weiss RA, 2012), dificultando el desarrollo de una vacuna ampliamente eficaz. El complejo de proteínas de la envoltura del VIH: Env La membrana o envoltura del VIH-1 está salpicada de espículas de glicoproteínas virales que reconocen los receptores celulares, a los que se une el VIH-1 como el primer paso en la entrada del virus. Cada espícula (ver Figura) tiene una estructura trimérica que comprende tres glicoproteínas transmembrana (gp41) acopladas a tres glicoproteínas de superficie (gp120), denominadas así por sus pesos moleculares aproximados de 41.000 y 120.000 Da, respectivamente. La proteína viral gp120 está altamente glicosilada, con un alto contenido del azúcar manosa en sus residuos N-glicosilados, representando estos azúcares o carbohidratos el 50% de su masa (Doores KJ, et al. 2010). El complejo Env es en realidad una estructura flexible que experimenta una reorganización conformacional importante durante la unión a los receptores celulares, CD4 y CXCR4/CCR5, necesarios para la fusión, entrada en infección viral (ver https://vimeo.com/sciart3dfablabull/hiv ). Así, para entrar en las células, el VIH-1 debe unirse a CD4, el marcador distintivo de superficie celular de células T auxiliares, y a uno de los receptores de quimiocinas característicos de estas células, CCR5 ó CXCR4. La proteína viral gp120 posee los sitios de unión para el receptor celular CD4 y para los correceptores de quimiocinas CXCR4 ó CCR5 (o para ambos), mientras que gp41 contiene los dominios hidrofóbicos que efectúan la fusión entre la membrana de envoltura viral y la membrana plasmática de las células diana (Doms RW, 2000). El receptor CD4 y su reconocimiento por el virión de VIH-1 El descubrimiento de que CD4 es el receptor del VIH-1, se intuyó antes incluso que el descubrimiento del VIH-1, ya que en los pacientes SIDA se observaba claramente la destrucción de linfocitos T CD4+, asociándose como causa de la inmunodeficiencia que posteriormente se llamó SIDA (Gottlieb MS, et al. 1981). La depleción selectiva de células T CD4+ fue replicada in vitro por el grupo de David Klatzmann, quienes aislaron células T CD3+ totales, separándolas después en las fracciones CD4+ y CD8+, observando que el VIH-1 tan sólo replicaba y destruía la población T CD4+ (Klatzmann D, et al. 1984). Este hallazgo se confirmó al describirse que los anticuerpos monoclonales específicos para CD4 bloqueaban competitivamente la infección por VIH in vitro (Klatzmann D, Champagne E, et al. 1984; Dalgleish AG, et al. 1984). El epítopo vinculante en CD4, al que se une el VIH-1, se mapeó posteriormente mediante anticuerpos monoclonales, mutagénesis específica de sitio de unión y por estudios estructurales, que indicaban que el virión se une al dominio amino terminal del CD4, para el cual un residuo de fenilalanina en la posición 43 es crucial para unirse a un bolsillo conformacional de gp120 (Kwong PD, et al. 1998). CD4 es una glicoproteína de membrana de clase I, de cadena única, de la superfamilia de inmunoglobulinas. Cinco años después del descubrimiento de CD4 como el receptor del VIH-1, se identificaron otros dos miembros de esta familia como moléculas celulares a las que también se unen partículas virales de otros tipos de virus: concretamente la molécula de adhesión ICAM-1 para el grupo principal de rinovirus (Rossmann MG. 1989), y una molécula relacionada a ICAM para los tres serotipos de poliovirus (Mendelsohn CL, et al. 1989). Los sitios de unión para estos receptores están enterrados en bolsas profundas o hendiduras en las proteínas virales que los unen, al igual que el sitio de unión al ácido siálico en la hemaglutinina de los virus de la influenza. Michael Morganman postuló la hipótesis del

“cañón” (Rossmann MG. 1989), en la que se indica que los virus adoptan este tipo de receptor conformacional, para que los anticuerpos voluminosos que podrían impedir la unión (por ejemplo, de gp120 a CD4 en el caso del VIH-1) no puedan penetrar en el “cañón” o bolsillo de unión conformacional en los receptores de las proteínas virales. Sin embargo, se ha visto que algunos anticuerpos humanos convencionales, altamente neutralizantes de la infección por VIH-1, como VRC01, no consiguen entrar en el bolsillo de CD4 y sí bloquear la infección. Por lo que, esta teoría de ocupar internamente el bolsillo de unión en CD4 por parte de gp120 podría no ser esencial para encontrar o desarrollar anticuerpos anti-VIH-1 (McCoy LE & Weiss RA. 2013). Correceptores de quimiocinas: entendiendo la primera resistencia natural frente al VIH-1 Además de infectar a los linfocitos T CD4+ auxiliares, el VIH-1 puede infectar a otras células hematopoiéticas CD4+, como a macrófagos y a células del mismo linaje como la microglía en el cerebro, que expresan bajos niveles de CD4. Desde un principio, se observó que el antígeno CD4 era necesario, pero no suficiente, para la infección por VIH-1, ya que la expresión de CD4 humano en células murinas (de roedor) no confería la susceptibilidad a la entrada e infección por el VIH-1 (Maddon PJ, et al. 1986). Y no fue hasta el año 1996 que se identificó a ese componente correceptor que acompaña en la infección al CD4; era el receptor de superficie celular CXCR4, un receptor de quimiocinas de 7 dominios de transmembrana acoplado a proteínas G (Oberlin E, et al. 1996; Feng Y, et al. 1996). Unos meses antes del descubrimiento de CXCR4 como correceptor del VIH-1, y receptor único de la quimiocina natural SDF-1alpha (Oberlin E, et al. 1996; Feng Y, et al. 1996), se había descrito que las quimiocinas ligando solubles CCL3L1 (MIP-1αP), CCL4 (MIP-1β) y CCL5 (RANTES) podían bloquear la infección en cultivo (Cocchi F, et al. 1995). El único receptor que puede unir a estas tres quimiocinas es el CCR5. Con esta pista y el descubrimiento de CXCR4, varios grupos demostraron rápidamente que CCR5 es otro de los correceptores del virus, estando implicado en la infección por cepas de VIH-1 que infectan las células T primarias y los macrófagos (Doms RW. 2000). Los virus que usan CCR5 (R5 trópicos) representan las principales cepas transmisibles de VIH-1 in vivo, mientras que los virus que usan CXCR4 (X4 trópicos) tienden a aparecer tarde en el curso de la enfermedad, asociándose con un empeoramiento de la enfermedad (Forsman A & Weiss RA. 2008). El descubrimiento de CCR5 como correceptor condujo rápidamente a la identificación de un importante factor de resistencia genética para la infección por VIH-1. Había sido un enigma que algunas parejas sexuales, altamente expuestas de individuos infectados con el VIH-1, hubieran logrado escapar de la infección. Se demostró que uno de estos pacientes era un “knock-out” CCR5 natural, siendo homocigótico para una deleción de 32 pares de bases en el marco de lectura (ORF) del gen CCR5 (Δ32), y sus células no podían infectarse in vitro (Liu R, et al. 1996). El alelo Δ32 ocurre con relativa frecuencia en poblaciones caucásicas y, aunque los heterocigotos no son totalmente resistentes al VIH-1, son menos susceptibles a la infección y, una vez infectados, progresan a SIDA a un ritmo más lento que las personas con CCR5 normal. En este sentido, el paciente Berlín parece ser, a día de hoy, la única persona infectada por VIH-1 que se ha curado funcionalmente por erradicación del virus del organismo, tras haberse sometido a una operación de trasplante de células madre de médula ósea de un donante CCR5 homocigoto negativo e histocompatible, para tratar su leucemia aguda; lo que le ha convertido en un individuo con médula ósea CCR5 negativa, erradicando el virus VIH1, y, además, curado de leucemia (Allers K, et al. 2010). Otros polimorfismos CCR5 en la región promotora también ocurren en poblaciones no caucásicas y afectan la susceptibilidad al VIH-1 y a la progresión a la fase SIDA de la infección (Kulkarni H, et al. 2008). La densidad de expresión de CCR5 en los linfocitos y la concentración plasmática de quimiocinas que se unen actúan en conjunto para modular la eficacia de la entrada del VIH-1. No se han descrito polimorfismos de CXCR4, invalidantes para la función de este correceptor que protejan del VIH-1 in vivo, porque este receptor es vital para el desarrollo embrionario, la organogénesis, la homeostasis de muchas células y la guía axonal, entre otras

funciones, y su existencia es incompatible con la vida. Por tanto, todo individuo viable presenta un CXCR4 funcional para la infección por VIH-1 La primera interacción VIH-1/célula como diana antiviral para el tratamiento y la prevención Las primeras etapas del proceso de infección por el VIH-1, justo antes de que el virus haya entrado en la célula diana, son buenas dianas terapéuticas susceptibles de ser bloqueadas por fármacos dirigidos a prevenir la entrada viral, y que no necesiten penetrar en el citoplasma o el núcleo celular (De Feo CJ & Weiss CD. 2012). Así, el primer fármaco potencial, que se ha descrito a este nivel, corresponde con una forma soluble de la propia molécula de CD4 que neutraliza potentemente las cepas X4-trópicas del VIH-1 in vitro; lamentablemente, esta molécula soluble es muy poco activa frente a las cepas R5 trópicas del virus. Sin embargo, al reemplazar la parte superior de la cadena pesada de IgG en el anticuerpo anti-CD4, por los dos dominios amino terminales de CD4, se genera una molécula bivalente con actividad antiVIH-1 más potente y que actúa contra ambos tropismos virales. Enfurtide es un péptido de 20 aminoácidos, que imita al péptido de fusión contenido en la secuencia extravirión de la proteína viral gp41, y es capaz de bloquear la formación del haz intermedio de seis alpha-hélices que el trímero de gp41, en cada complejo Env, forma tras interaccionar con CD4 y el correceptor CCR5 ó CXCR4. Este intermedio de seis alphahélices es crucial en el cambio conformacional del trímero de gp41 para que el péptido fusión de cada gp41 pueda anclarse a la membrana plasmática de la célula diana, promoviendo la fusión de las membranas viral y celular y la incorporación del genoma viral en el interior de la célula así infectada (ver https://vimeo.com/sciart3dfablabull/hiv); cabe decir que este fármaco requiere administración parental para que funcione, lo que dificulta la adherencia al tratamiento por parte del paciente. Quizás el inhibidor de fusión y entrada viral más prometedor, aprobado para uso clínico, sea Maraviroc: una molécula orgánica no peptídica, de bajo peso molecular, agonista inverso de CCR5, que evita que éste receptor actúe como correceptor del VIH-1 en presencia del fármaco. Es decir, Maraviroc actúa como un antagonista de la infección por cepas R5trópicas del VIH-1. Sin embargo, la alta capacidad que el VIH-1 muestra para mutar y adaptar sus proteínas, conservando las funciones provirales, a las barreras que el tejido diana o los fármacos le presentan, hace que ya se hayan descrito cepas de VIH-1 resistentes a este fármaco (De Feo CJ & Weiss CD. 2012). En este sentido, se observa que las mutaciones desarrolladas, bajo presión farmacológica de Maraviroc, en el dominio del bucle V3 de gp120 permiten que los virus resistentes a Maraviroc interactúen más fuertemente con el dominio extracelular amino terminal de CCR5, y se vuelvan menos dependientes del segundo bucle extracelular, que está más cerca del sitio de unión del fármaco dentro de las regiones transmembrana, infectando correctamente a las células CD4+/CCR5+ (Berro R, et al. 2012).

Perspectivas A pesar de la disminución del número global de nuevos casos de infección por el virus VIH-1 (http://www.unaids.org/en/resources/documents/2016/Global-AIDS-update-2016), y de la esperanzadora sensación del colectivo científico de que curar la infección por VIH-1 no parece imposible (Allers K, et al. 2011), la pandemia del VIH-1 sigue siendo un reto de salud pública mundial en el siglo XXI (Eholie S, et al. 2012; Shao Y & Williamson C. 2012; Maartens G, et al. 2014). Mientras continúan los estudios para lograr la tan deseada vacuna (Haynes BF, et al. 2014; Barouch DH & Deeks SG. 2014), el control de la infección por el VIH-1 se fundamenta, principalmente, en la supresión de la replicación viral sistémica mediante terapia antirretroviral combinada (cTAR), lo que supone el tratamiento de los pacientes infectados de por vida (Arts EJ & Hazuda DJ. 2012). Sin embargo, la enorme capacidad del virus VIH-1 para adaptarse, de manera repetitiva, y escapar a las terapias antirretrovirales (Vermund SH & Leigh-Brown AJ. 2012), junto con los efectos tóxicos de estos medicamentos y del propio virus a nivel metabólico e inmunológico (Torres RA & Lewis W. 2014), obliga a un desarrollo continuo de nuevos antirretrovirales que solventen las resistencias y/o que eviten los problemas de toxicidad y patogenicidad.

Aunque la generalización de la terapia cTAR ha reducido drásticamente la mortalidad en los pacientes infectados por el VIH-1, existe todavía un exceso de mortalidad en relación con la población general. Observándose, además, un cambio en las causas de mortalidad en estos pacientes, documentándose claramente, en estos últimos años, una elevada frecuencia de enfermedades no asociadas directamente con el SIDA: son los llamados “eventos no SIDA” o ENOS (Weber R, et al. 2013; Masiá M, et al. 2013). Como causa de muerte por ENOS encontramos tumores o cánceres agresivos como el renal y el pulmonar, además de un aumento en el riesgo de accidente cardiovascular, entre otros. Asimismo, se ha demostrado que la persistencia del virus VIH-1 en los reservorios en pacientes con carga viral controlada en sangre, por acción de la cTAR, sigue provocando un fallo funcional en las células T CD4+ del sistema inmune, de forma que estas están agotadas, senescentes, siendo incapaces de responder correctamente frente al antígeno. Estos pacientes además muestran en sangre marcadores y población celular que mantiene un estado de inflamación sostenido en el tiempo. Todo esto provoca una pérdida de la función adaptativa inmune y la incapacidad, por tanto, de controlar neoplasias y otros procesos anómalos. En este sentido, se espera que en los individuos VIH-1 bajo terapia antirretroviral, a medida que envejecen, las tasas de mortalidad causadas por algunos de estos procesos, en particular el cáncer y las enfermedades cardiovasculares, se incrementen más en que en la población general. Es decir, la cTAR no erradica el virus VIH-1 del organismo, no evita que éste siga dañando la función inmune y, por tanto, aunque se pueda ralentizar o evitar la muerte por SIDA, el VIH-1 sigue siendo causa de muerte por ENOS. Es urgente invertir en grupos científicos que indaguen los mecanismos de infección por VIH-1, y el daño inmune y pervivencia viral en el organismo que los tratamientos actuales no consiguen frenar ni erradicar. Por otra parte, debemos combatir la sensación de que el VIH-1 ya no es un problema de salud pública, sobre todo, en los países occidentales, o donde la terapia está al alcance de los individuos VIH-1+ como en el nuestro. Ya que, como los datos indican en España, seguimos siendo un país donde cada año sumamos nuevos casos de infección por VIH-1, sobre todo, debido a relaciones sexuales de riesgo sin prevención. Así, el año pasado, Canarias fue la comunidad autónoma con el mayor número de nuevos casos absolutos, con 306 frente a los 3.000 nuevos casos en todo el país. Si conjugamos este hecho cultural, del no miedo al VIH-1 (al SIDA) y de las relaciones sin protección (que conllevan a la par coinfecciones en aumento como sífilis, gonorrea y hepatitis A, entre otras), junto al desconocimiento de los mecanismos de citotoxicidad virales, como la inmunosenescencia y los eventos ENOS con muerte, es necesaria e imprescindible la concienciación urgente de la sociedad y la inversión en ciencia fundamental para estudiar el VIH-1. Además. la existencia de santuarios de latencia, replicación y propagación para el VIH-1 en el organismo, que impiden la eliminación de los provirus integrados, plantean un obstáculo enorme para la erradicación del virus en la lucha contra el SIDA. Es por esto, que urge encontrar nuevas dianas moleculares y celulares anti-VIH-1, necesarias para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas. Esta problemática se ejemplifica, claramente, en el fracaso en el desarrollo de vacunas contra el VIH-1, donde uno de los últimos ensayos clínicos realizados se suspendió porque se produjeron más casos de infección por VIH-1 en el grupo vacunado que en el grupo placebo control no vacunado (HIV vaccine trials network [http://www.hvtn.org/505-announcement- 25April2013.html]). Por tanto, en este marco, con toda seguridad, ahondar en el conocimiento de los mecanismos virales y celulares implicados en el proceso de entrada e infección temprana por VIH-1 nos aportará luz para el desarrollo de estrategias terapéuticas o vacunas anti-VIH-1 que eviten la primoinfección y ayuden a erradicar los reservorios virales del organismo.

La difícil investigación científica, a nivel molecular, viral y celular, para entender cómo el virus infecta las células del sistema inmune, o sobre cómo las células pueden defenderse frente a la infección por factores intracelulares (factores de restricción), y del porqué de la existencia de individuos infectados por VIH-1 que controlan la infección de forma natural (los llamados no progresores a largo plazo, controladores de élite (LTNP-EC en inglés)), sin duda alguna, es el camino necesario, obligatorio e inequívoco para erradicar el virus VIH-1 del organismo y cumplir los objetivos del programa ONUSIDA a nivel mundial (http://www.unaids.org/en/resources/documents/2016/Global-AIDS-update-2016).