Ein Atlas der Immunzell-Transkriptome bei HIV-infizierten immunologischen Non-Respondern identifiziert Marker-Gene, die die Virusreplikation kontrollieren
Das durch das humane Immundefizienzvirus (HIV) verursachte erworbene Immunschwächesyndrom (AIDS) ist durch einen schweren Rückgang der CD4+ T-Lymphozytenzahl gekennzeichnet, was zu erheblicher Morbidität und Mortalität führt. Die antiretrovirale Therapie (ART) hemmt effektiv die HIV-Replikation und erhöht die CD4+ T-Zellzahl im peripheren Blut HIV-infizierter Patienten. Trotz vollständiger Unterdrückung der HIV-Replikation durch ART gelingt es jedoch bei 15–30 % der Patienten nicht, die CD4+ T-Zellzahl ausreichend zu regenerieren. Diese Patienten werden als immunologische Non-Responder (INRs) bezeichnet. Nach 4–7 Jahren kombinierter ART (cART) werden Patienten mit CD4+ T-Zellzahlen unter 350–500 Zellen/µl als INRs eingestuft, während solche mit über 500 Zellen/µl als immunologische Responder (IRs) gelten. INRs weisen eine schwere Immunstörung auf und haben im Vergleich zu IRs ein höheres Risiko für AIDS- und Nicht-AIDS-bedingte Komplikationen wie metabolisches Syndrom, Leber- und Nierenerkrankungen, kardiovaskuläre Erkrankungen, Krebs und HIV-assoziierte neurokognitive Defizite.
Die Mechanismen der unzureichenden CD4+ T-Zell-Erholung umfassen verminderte Knochenmarkhämatopoese, eingeschränkte Thymus- und Lymphknotenaktivität, Apoptose, persistierende Immunaktivierung und Zytokinstörungen. Dennoch bleiben die genauen Ursachen der immunologischen Non-Response unklar. Bisherige Transkriptomanalysen peripherer mononukleärer Blutzellen (PBMCs) zeigten differenzielle Expression von Interferon-assoziierten Genen wie IFI27. Allerdings ist die zellspezifische Expression dieser Gene unzureichend erforscht.
Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) ermöglicht die hochauflösende Analyse zellspezifischer Transkriptome. In dieser Studie wurde scRNA-seq an 60.000 PBMCs von drei IRs und drei INRs durchgeführt. Die Zellsubtypen wurden mittels Seurat R-Paket (v. 2.2.0) und Harmony-Algorithmus analysiert. Es wurden neun Zellcluster identifiziert, darunter CD16+ Monozyten, erschöpfte B-Zellen, NK-Zellen, CD4+ T-Zellen und terminale Effektor-CD8+ T-Zellen. Signifikante Unterschiede in der Häufigkeit dieser Subpopulationen wurden zwischen IRs und INRs festgestellt: CD16+ Monozyten (11,08-fach erhöht in INRs), Monozyten (39,79-fach erhöht) und erschöpfte B-Zellen (2,71-fach erhöht) waren bei INRs häufiger, während CD4+ T-Zellen (0,39-fach), NK-Zellen (0,37-fach) und terminale Effektor-CD8+ T-Zellen (0,27-fach) seltener waren.
Insgesamt wurden 1.114 Marker-Gene identifiziert, von denen 181 mit HIV-Interaktionswegen assoziiert waren, darunter Gene, die durch Virushüllproteine (gp120, gp41), Pr55(Gag), Nef und Vpu reguliert werden. Vergleiche mit Bulk-Transkriptomdatensätzen (GSE143742, GSE106792) ergaben 12 überlappende Gene (ISG15, IFITM3, PLSCR1, HLA-DQB1, CCL3L1, DDX5 u. a.), die in Monozyten und CD4+ T-Zellen exprimiert wurden und mit der HIV-Replikationskontrolle in Verbindung stehen. Beispielsweise hemmt IFITM3 die Viruseintrittsphase, während PLSCR1 die Tat-vermittelte Transkription hemmt.
Differenziell exprimierte Gene (DEGs) in NK-Zellen (114 Gene) und Monozyten (117 Gene) waren in Signalwegen wie Toll-like-Rezeptor-, IL-17- und Th17-Differenzierung angereichert. In CD4+ T-Zellen (186 DEGs) und terminalen Effektor-CD8+ T-Zellen (148 DEGs) fanden sich Zusammenhänge mit Apoptose und Th1/Th2-Differenzierung. Eine Enrichment-Analyse zeigte, dass 28 dieser DEGs direkt mit HIV-Proteinen interagierten, jedoch ohne statistische Signifikanz.
Eine Einschränkung der Studie ist die geringe Fallzahl (n = 3 pro Gruppe), die jedoch aufgrund der hohen Zellzahl pro Probe statistisch relevante Aussagen ermöglicht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Monozyten-subtyp-spezifische Marker-Gene (ISG15, IFITM3, PLSCR1) eine Schlüsselrolle in der HIV-Latenz und Immunrekonstitution spielen könnten. Zudem weisen die erhöhten CD16+ Monozyten und die verringerten CD4+ T-Zellen bei INRs auf ein Ungleichgewicht hin, das durch residuale Virusreplikation und anhaltende Entzündung getrieben sein könnte.
Zusammenfassend liefert diese Studie neue Einblicke in die zellspezifische Genexpression bei INRs und identifiziert kritische Marker-Gene, die potenzielle Angriffspunkte für die Verbesserung der Immunrekonstitution darstellen. Weitere Forschung ist notwendig, um die klinische Relevanz dieser Gene zu validieren.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000002918