title: Analyse der SARS-CoV-2 spezifischen Immunantwort bei HIV-1 infizierten Personen
title: Analysis of the SARS-CoV-2 Specific Immune Response in HIV-1 Infected Persons
Creators: name: Schmidt, Katja
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: SARS-CoV-2
subject: HIV-1
subject: SARS-CoV-2 Impfung
subject: T-Zellen
subject: HLA-I
subject: CD8+ T-Zellen
subject: Antikörper
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::57 Biologie::570 Biologie
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::61 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit

description: Obwohl eine HIV-1 Infektion inzwischen durch antiretrovirale Medikation effektiv behandelt werden kann, stellt sie trotzdem einen potentiellen Risikofaktor für Infektionen mit anderen Pathogenen, wie auch SARS-CoV-2 dar. Zudem war die Datenlage zur Immunogenität von COVID-19 Impfstoffen bei HIV-1 Patient*innen zu Beginn der COVID-19 Epidemie lückenhaft, obwohl gerade für diese Risikogruppe eine effektive COVID-19 Impfung von großer Bedeutung ist. Daher wurde in dieser Arbeit die SARS-CoV-2 spezifische Immunantwort in HIV-1 Patient*innen untersucht. Ad26.COV2.S ist einer der in der EU zugelassenen COVID-19 Impfstoffe und basiert auf einem replikationsinkompetenten Adenovirus 26 Vektor. In klinischen Studien wurden durch das Einmaldosis-Schema bei ≥96% der gesunden Proband*innen SARS-CoV-2 Spike-spezifische Antikörper induziert. Antikörpermessungen bei den Ad26.COV2.S-geimpften Patient*innen der Erlanger HIV-1 Kohorte zeigte jedoch ein unerwartet schlechtes Ansprechen auf diesen Impfstoff. Sechs der 15 Geimpften (40%) bildeten nach der Impfung keine SARS-CoV-2 Spike-spezifischen Antikörper, weitere vier (27%) wiesen nur sehr niedrige Antikörperspiegel nach Ad26.COV2.S-Impfung auf. Um mögliche Ursachen für dieses schlechte Impfansprechen zu finden, sollte untersucht werden, ob Prä-Impfseren von Impf-Nonrespondern möglicherweise in der Lage sind, den Ad26-Vektor zu neutralisieren. Hierfür wurde HEK293T-Zellen mit dem Ad26.COV2.S-Impfstoff oder dem Kontrollimpfstoff ChAdOx1-S transduziert und die Expression von Spike- und adenoviralen Proteinen mit und ohne Zugabe von Serum gemessen. In der Tat reduzierten die Prä-Impfseren von vier Nonrespondern bei einer 1:50 Serumverdünnung die Ad26.COV2.S-induzierte Spike- und adenovirale Proteinexpression und zeigten somit neutralisierende Aktivität gegenüber dem Ad26-Vektor. Dagegen war keines der Seren der Impfresponder in der Lage, den Ad26.COV2.S-Impfstoff zu neutralisieren, auch auf den Kontrollimpfstoff ChAdOx1.S hatten die Prä-Impfseren keinen Effekt. Der Impfstoff Ad26.COV2.S macht allerdings nur einen geringen Teil der in Deutschland verimpften COVID-19 Impfstoffdosen aus, am häufigsten wird der mRNA-Impfstoff BNT162b2 verwendet. Die Messung von Spike-spezifischen Antikörpern bei einer Kohorte von geimpften HIV-1 Patient*innen und gesunden Kontrollen zeigte, dass alle Proband*innen im Serum IgG-, IgA- und neutralisierende Antikörper gegen das Spike-Protein entwickelten. Allerdings fanden sich bei den HIV-1 Patient*innen im Vergleich zu HIV-1 uninfizierten Kontrollen signifikant niedrigere Spike-spezifische IgA- und neutralisierende Antikörperspiegel. Unabhängig vom HIV-Status waren die Spike-spezifischen Antikörper im Serum nach zweimaliger BNT162b2 mRNA-Impfung signifikant höher als nach einer SARS-CoV-2 Infektion. Innerhalb der Gruppe der COVID-19 genesenen Personen fanden sich keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Antikörperspiegel zwischen HIV-1 infizierten und uninfizierten Spender*innen. Abgesehen vom Serum konnten auch im Speichel SARS-CoV-2 Spike-spezifische IgG- und IgA-Antikörper nachgewiesen werden, allerdings in deutlich geringeren Frequenzen und Titern. Dies könnte auch ein möglicher Grund für das Risiko einer (Re-)Infektion nach einer SARS-CoV-2 Impfung oder Infektion sein. Bei einem Vergleich der T-Zellantwort auf die BNT162b2 mRNA-Impfung fanden sich keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Expression von Aktivierungsmarkern und Zytokinen zwischen HIV-1 infizierten und uninfizierten Spender*innen. Die SARS-CoV-2 spezifische T-Zellantwort leistet einen wichtigen Beitrag zur Bekämpfung der Infektion und ist mit einem milderen Krankheitsverlauf assoziiert. Besonders interessant sind hierbei SARS-CoV-2 kreuzreaktive T-Zellen, welche von zirkulierenden Erkältungscoronaviren induziert wurden. Im Zuge dieser Arbeit wurden 177 HIV-1 Patient*innen mit ausgewählten Replikase-Peptiden in vier Peptidpools stimuliert, wobei 116 Personen (66%) eine Reaktion auf mindestens einen Peptidpool zeigten. Weiterhin konnten ausgehend von diesen Peptiden mehrere kreuzreaktive Epitope in der SARS-CoV-2 Replikasesequenz definiert werden. In Probanden ohne SARS-CoV-2 Infektion wurden dabei das B*35:03-restringierte Epitop CoV-YL8 und das C*07-restringierte Peptid CoV-NM20 definiert. Bei COVID-19 genesenen Personen wurde das B*35:01-restringierte Epitop CoV-CV9, das A*26-restringierte Epitop CoV-SF10, das HLA-C restringierte Peptid CoV-SK15, das B*18-restringierte Peptid CoV-RF16 sowie das A*03-restringierte Peptid CoV-II15 gefunden. Um indirekt den Einfluss von CD8+ T-Zellen auf die SARS-CoV-2 Infektionsrate zu untersuchen, wurde bei 452 HIV-1 Patient*innen über die ersten drei COVID-19 Wellen hinweg die Assoziation von HLA-I Allelen mit dem Auftreten einer SARS-CoV-2 Infektion untersucht. Hierbei zeigte sich, dass Personen mit den Allelen HLA-B*35 und HLA-C*04 ein signifikant erhöhtes Risiko für eine SARS-CoV-2 Infektion hatten. Bei Betrachtung der HLA-B*35 Subtypen zeigte sich überraschenderweise, dass vor allem HLA-B*35:01 für das erhöhte Infektionsrisiko der HLA-B*35 positiven Personen verantwortlich ist. Während HLA-B*35:01 positive Patient*innen ein signifikant erhöhtes Risiko für COVID-19 haben, wies im Gegensatz dazu das Allel HLA-B*35:03 einen signifikant protektiven Effekt auf. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass prä-existierende Ad26-neutralisierende Aktivität ein wichtiger Faktor für das schlechte Impfansprechen auf die Ad26.COV2.S-Impfung bei einem Teil von Patient*innen sein könnte. Auf die Impfung mit BNT162b2 mRNA sprachen zwar alle untersuchten HIV-1 Patient*innen an, allerdings konnte eine mäßige Funktionseinschränkung in der humoralen Immunantwort gezeigt werden. Weiterhin konnte eine Reihe an neuen, kreuzreaktiven Epitopen in der SARS-CoV-2 Replikasesequenz definiert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die HLA-I Allele B*35:01 und C*04 mit einem erhöhten Risiko einer SARS-CoV-2 Infektion assoziiert sind, während HLA-B*35:03 ein protektives Allel zu sein scheint.
description: Although HIV-1 infection can be effectively controlled by antiretroviral medication, it still poses a potential risk for infection with other pathogens such as SARS-CoV-2. Moreover, only limited data were available at the beginning of the COVID-19 epidemic regarding the immunogenicity of COVID-19 vaccines in HIV-1 patients, even though an effective COVID-19 vaccination is especially important for this risk group. Therefore, the SARS-CoV-2 specific immune response in HIV-1 patients was assessed in this thesis. Ad26.COV2.S is one of the approved COVID-19 vaccines in the EU and is based on a replication-incompetent adenovirus type 26 vector. In clinical studies SARS-CoV-2 spike-specific antibodies were induced in ≥96% of healthy subjects by a single dose of this vaccine. Antibody measurements of Ad26.COV2.S vaccinated patients of the Erlangen HIV-1 cohort however showed an unexpectedly high failure rate towards this vaccine. Six of the 15 vaccinated HIV-1 patients (40%) did not generate SARS-CoV-2 spike-specific antibodies after vaccination, another four (27%) only showed low antibody levels after Ad26.COV2.S vaccination. To elucidate potential reasons for this poor vaccine response, it was analyzed whether pre-vaccination sera of vaccine non-responders were capable of neutralizing the Ad26 vector. Therefore, HEK293T cells were transduced with Ad26.COV2.S or the control vaccine ChAdOx1-S and the expression of spike and adenoviral proteins was measured with and without addition of serum. Indeed, pre-vaccination sera of four non-responders reduced the Ad26.COV2.S-induced spike and adenoviral protein expression at a 1:50 dilution and thus showed neutralizing activity against the Ad26 vector. In contrast, sera of vaccine responders were not capable of neutralizing the Ad26.COV2.S vaccine, also no effect of pre-vaccination sera on the control vaccine ChAdOx1-S was observed. The vaccine Ad26.COV2.S only accounts for a small proportion of the administered COVID-19 vaccine doses in Germany, however. The most commonly used SARS-CoV-2 vaccine is the mRNA vaccine BNT162b2 mRNA. Measurement of spike-specific antibodies in a cohort of vaccinated HIV-1 patients and healthy controls showed that all subjects developed IgG-, IgA- and neutralizing antibodies against the spike protein in the serum. However, spike-specific IgA and neutralizing antibody levels were significantly lower in HIV-1 patients compared to HIV-1 uninfected controls. Irrespective of HIV status, spike-specific antibody levels in serum were significantly higher after two doses of BNT162b2 mRNA compared to SARS-CoV-2 infection. Within the group of COVID-19 convalescent donors there were no significant differences regarding the humoral immune response between HIV-1 infected and uninfected subjects. Apart from serum, spike specific IgG and IgA antibodies could also be detected in saliva, albeit at lower frequencies and titers. This could also be a potential reason for a risk of (re)-infection after SARS-CoV-2 vaccination or infection. When comparing T-cell responses after BNT162b2 mRNA vaccination, no significant differences between HIV-1 infected and uninfected donors were found regarding the expression of activation markers and cytokines. The SARS-CoV-2 specific T-cell response is an important contributor towards the control of the infection and is associated with a milder disease course. SARS-CoV-2 cross-reactive T-cells that have been induced by circulating common cold coronaviruses are particularly interesting in this context. In this thesis, 177 HIV-1 patients were stimulated with select replicase peptides contained in four peptide pools, of which 116 patients (66%) showed a reaction to at least one peptide pool. Furthermore, starting from those peptides, several cross-reactive epitopes within the SARS-CoV-2 replicase sequence could be defined. In donors without SARS-CoV-2 infections the B*35:03 restricted epitope CoV-YL8 and the C*07-restricted peptide CoV-NM20 could be delineated. In COVID-19 convalescent donors the B*35:01 restricted epitope CoV-CV9, the A*26 restricted epitope CoV-SF10, the HLA-C restricted peptide CoV-SK15, the B*18-restricted peptide CoV-RF16 and the A*03-restricted peptide CoV-II15 were described. To indirectly assess the influence of CD8+ T-cells on the SARS-CoV-2 infection rate, the association of HLA-I alleles with the occurrence of SARS-CoV-2 infections was analyzed over the course of the first three COVID-19 waves. In doing so it was observed that people with the alleles HLA-B*35 and HLA-C*04 had a significantly higher risk of getting infected with SARS-CoV-2. Looking at HLA-B*35 subtypes, surprisingly HLA-B*35:01 was mainly responsible for the increased infection risk in HLA-B*35 positive donors. While HLA-B*35:01 patients had a significantly higher risk for COVID-19, the allele HLA-B*35:03 had a significantly protective effect in contrast. In this thesis it was shown that pre-existing Ad26-neutralizing activity could be an important factor for the poor response to Ad26.COV2.S vaccination in a subgroup of patients. While all evaluated HIV-1 patients responded to BNT162b2 mRNA vaccination, a moderate impairment of the humoral immune response was shown nevertheless. Furthermore, a series of new cross-reactive epitopes within the SARS-CoV-2 replicase sequence could be defined. Additionally, it was shown that the HLA-I alleles B*35:01 and C*04 were associated with a higher risk of SARS-CoV-2 infection, whereas HLA-B*35:03 seems to be a protective allele.