Human immunodeficiency virus (HIV-1) continues to persist indefinitely in long-lived CD4 T cells despite the maximal suppressive ability of antiretroviral therapy (ART). Evidence over the years has appointed persistent and generalized inflammation as being the prominent drivers of HIV disease progression, which involve elevated tryptophan (Trp) catabolites in the circulation such as kynurenine (Kyn). Indoleamine 2,3 Dioxegenase (IDO) is an intracellular enzyme that catabolizes Trp into immunosuppressive catabolites such as Kyn and has been implicated in suppressing T-cell immunity. Moreover, IDO can regulate the balance between Th17 and Treg and this dysregulation was shown to be associated with increased bacterial translocation from the gut into the systemic circulation causing increased inflammation, immune activation and further activation of Trp catabolism.Given that catabolites from the dendritic cell (DC)-induced IDO pathway may foster inflammation, we have explored the importance of IDO-induced Trp catabolism in HIV infection in patients successfully treated on ART, untreated ART-naïve subjects and elite controllers as a model for viral control. We hypothesized that ART treatment may normalize Trp catabolism in HIV infection associated with a recovered Th17/Treg balance. Under spontaneous viral replication control, we also hypothesize that elite controllers may mediate similar IDO-induced Trp catabolism associated with a protected Th17/Treg balance that is observed in treated patients. We obtained levels of plasmatic Trp and its catabolites via an automated on-line solid-phase extraction-liquid chromatographic-tandem mass spectrometric (XLC-MS/MS) method and IDO-1 mRNA levels by RT-PCR. We demonstrated a depletion in Trp and an increase in catabolites Kyn and 3OH-Kyn, IDO-1 enzyme activity (Kyn/Trp ratio) and IDO-1 mRNA expression in ART-naïve subjects when compared to healthy controls. As measured by flow cytometry, ART-naive subjects had a low Th17/Treg ratio when compared with ART-treated subjects. This low Th17/Treg ratio was positively associated with IDO activity and elevated soluble CD14 (sCD14), a marker of bacterial translocation. Thus prolonged ART seems to normalize IDO-induced Trp catabolism as seen by the partial restoration in Trp levels and suppressed Trp catabolites, IDO activity and IDO-1 mRNA expression, in association with a recovered Th17/Treg balance. Moreover, mRNA expression of IDO-2 and tryptophan 2,3 Dioxegenase (TDO), which catabolize the same step as IDO-1, were measured. IDO-2 remained unchanged between study groups whereas TDO was not fully suppressed in ART-treated subjects compared to ART-naives. ART-naïve subjects demonstrated elevated levels of inflammatory factors implicated in IDO induction such as TNF-α and soluble CD40L (sCD40L) which were positively associated with IDO enzyme activity. Interestingly, elite controllers had similar levels of Trp catabolites and IDO enzyme activity compared to ART-treated subjects, whereas Trp depletion was similar to ART-naives suggesting a distinct Trp metabolism in these subjects associated with viral suppression. Levels of TDO were significantly low in elite controllers thus this may not account for Trp depletion observed. DC-induced IDO activity is triggered by IFN-γ and by sCD40L after T-cell interaction and the latter was found to be immunosuppressive in cancer associated with an expansion of Treg. We expanded these findings in HIV infection and found that sCD40L was positively associated with Treg frequency, favours expansion of Tregs and favours its differentiation in vitro. Thus elevated sCD40L may play an immunosuppressive role in HIV disease progression in association with IDO-induced Trp catabolism by favouring Treg expansion and differentiation. Collectively, the IDO-induced Trp metabolism on Th17/Treg balance contributes to enhance a vicious inflammatory cycle between HIV and microbial translocation via DC and T cell interactions. / Le VIH continue de persister indéfiniment malgré la suppression par le traitement antirétroviral (ARV). La persistance de l'inflammation représente un facteur indépendant de la progression clinique dans l'infection à VIH, en lien avec une augmentation des catabolites de Trp. L'Indoleamine 2,3 dioxygénase (IDO) qui métabolise le Trp peut aussi réguler l'équilibre entre le Th17 et Treg. La diminution du ratio Th17/Treg est associée au niveau de translocation bactérienne observé dans la circulation systémique, entrainant une augmentation de l'inflammation qui favorise l'induction supplémentaire du catabolisme de Trp. Étant donné que les catabolites produits par IDO, peuvent favoriser l'inflammation, nous avons exploré l'importance du catabolisme de Trp durant l'infection par le VIH chez les patients traités par des ARVs, les sujets non-traités et les contrôleurs élites utilisés comme modèle pour le contrôle viral. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle le traitement ARV peut normaliser le catabolisme de Trp dans l'infection par le VIH qui est associée à une normalisation du ratio du Th17/Treg. Durant un contrôle du virus modérée, nous émettons l'hypothèse que les contrôleurs élites pourraient véhiculer des résultats similaires sur le catabolisme de Trp induit par IDO associée à un ratio de Th17/Treg protégé. Les niveaux plasmatiques de Trp et ses catabolites étaient obtenus par la méthode d'extraction en phase solide couplée avec la chromatographie liquide et la spectrométrie de masse (XLC-MS/MS) et les niveaux d'ARNm de l'enzyme IDO-1 par RT-PCR. Nous avons démontré chez les patients non-traités VIH+, une déplétion en Trp et une augmentation des catabolites (Kyn et 3OH-Kyn), l'activité enzymatique d'IDO-1 et d'ARNm d'IDO. Comme mesurée par la cytométrie en flux, les sujets non-traités VIH+ avaient une perte du ratio de Th17/Treg qui a été partiellement restauré dans les sujets traités par ARVs. La balance Th17/Treg était corrélée positivement avec l'activité d'IDO et le CD14 soluble (sCD14), un marqueur de la translocation bactérienne. Donc, le traitement par les ARVs semble normaliser le catabolisme de Trp induit par IDO comme vu par un rétablissement partiel des niveaux de Trp et une dépression de ces catabolites et l'activité de l'IDO en liaison avec un équilibre Th17/Treg récupéré. En outre, les niveaux d'IDO-2 et TDO, qui catabolise la même étape qu'IDO-1, ont été mesurés. L'expression d'IDO-2 n'avait pas changé entre les groupes d'étude. L'expression de TDO n'était pas totalement supprimée dans les sujets traités par ARV et significativement faibles chez les contrôleurs elites. Les sujets non-traités VIH ont démontré des niveaux élevés de facteurs inflammatoires impliqués dans l'induction d'IDO telles que TNF-α et CD40L soluble (sCD40L) qui étaient corrélées positivement avec l'activité de l'enzyme IDO. Fait intéressant, comparativement aux sujets traités par ARV, les contrôleurs élites avaient des niveaux similaires des catabolites de Trp et d'activité de l'enzyme IDO tandis que la déplétion de Trp était semblable à celle des sujets non-traités, suggérant un métabolisme de Trp unique chez ces sujets. L'activité IDO induite dans les cellules dendritiques est déclenchée par l'IFN-γ et par sCD40L après l'interaction des cellules T et ce dernier a été jugée immunosuppressive dans le cancer associée à une expansion des Treg. Au niveau de VIH, nos résultats ont constaté que sCD40L était positivement associée à la fréquence de Treg, induit l'expansion des Treg et favorise leurs différenciation in vitro. Donc une augmentation de sCD40L pourrait jouer un rôle immunosuppresseur dans la progression du VIH en association avec une induction d'IDO en favorisant la différenciation et l'expansion de Treg. Collectivement, l'impact du métabolisme de Trp induite par IDO sur la balance de Th17/Treg peut aider la conception de nouvelles stratégies immunothérapeutiques pour renforcer le contrôle immunitaire dans les sujets VIH+.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119673 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Patel, Mital |
| Contributors | Jean-Pierre Routy (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Medicine) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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