Epidemiologia e caratterizzazione molecolare di virus emergenti responsabili di Zoonosi: Calcivirus e Virus dell'Epatite E

Il virus dell’Epatite E (HEV) e i calicivirus (norovirus e sapovirus) causano rispettivamente epatite acuta e gastroenterite. Questi virus sono considerati agenti eziologici emergenti rappresentando un problema di sanità pubblica e di sicurezza alimentare. Per HEV, è ormai confermata la trasmissione zoonotica, e il suino è considerato il principale serbatoio asintomatico. Norovirus e sapovirus infettano sia i bambini che gli adulti. Sebbene questi virus siano stati identificati anche negli animali, la possibile trasmissione zoonotica non è stata dimostrata in modo conclusivo. Il lavoro sperimentale condotto durante il Dottorato di Ricerca è stato focalizzato sullo studio degli aspetti biologici ed epidemiologici dell’infezioni causate da HEV e da calicivirus. Per la prima volta in Italia, i risultati ottenuti hanno dimostrato la presenza del virus HEV nei fegati di suini in fase di macellazione ed hanno confermato, attraverso la ricerca di anticorpi, un’elevata esposizione degli animali al virus. Inoltre, mediante la produzione di antigeni e reattivi immunologici, sono stati messi a punto test diagnostici per la ricerca di anticorpi contro HEV nel suino e nei cinghiali. Il lavoro svolto per la ricerca di calicivirus nel suino e nel bovino ha dimostrato la circolazione dei sapovirus in popolazioni di suini asintomatici e la presenza di norovirus nei vitelli affetti da diarrea acuta.Sono stati inoltre sviluppati reattivi immunologici, utilizzando proteine del capside di norovirus umano e bovino espresse con il sistema ricombinante baculovirus. Questi hanno permesso di evidenziare la presenza di anticorpi contro norovirus umano e bovino, in sieri di veterinari professionalmente esposti. Inoltre, sono stati utilizzati per sviluppare metodi per la concentrazione dei virus da matrici a bassa concentrazione.Infine, le VLP sono state utilizzate per valutare l’attivazione del sistema immunitario umano ex vivo. I risultati hanno dimostrato che le VLP di NoV stimolano il sistema immunitario attivando risposte di tipo Th1 e Th2 .

HIV-1 infection: back and forth between virus and host.

The main obstacles to HIV-1 eradication are linked to the viral ability to evade immune system and establish a reservoir where virus is transcriptionally latent but able to replicate. IFN action and Restriction Factors (RFs) expression, dominant proteins that target multiple steps of the HIV-1 lifecycle, represent an early line of defence Because of their interplay with viral replication, we would like to study the relationship between RFs and the viral amount in latently infected cells.The first part of this project investigates the expression levels variations of a selected group of RFs (APOBEC3G, BST2, TRIM5α, MX2, SAMHD1, SERINC3/5, IFI16 and STING) in HIV-1 patients during the course of infection before and after ART administration by using Real Time qPCR. The second part of this study deals with the role of IFNα and IFNγ, and their role in the immune system disfunction that has been described during chronic inflammation associated to cancer, viral infection such as HIV-1, and autoimmune-disease. Immune Check Point proteins (ICPs) are a group of inhibitory receptors expressed on the cellular surface of immune cells and trigger immunosuppressive signaling pathways leading to T-cell exhaustion and the expression of immune checkpoint molecules (PD-1, PD-L1, TIGIT, LILRB2). The major aim of this project is to assess the clinical meaning of ICPs expression in HIV-1 chronically infected patients to better characterized their involvement in immune system disfunction.

L'epatite E nei suidi: epidemiologia, diagnosi e filogenesi

Hepatitis E is an infectious viral disease with clinical and morphological features of acute hepatitis. The aetiological agent is the Hepatitis E virus (HEV). The disease represents an important Public Health problem in developing countries where is frequently epidemic and primarily transmitted by fecal-oral route. In the last few years, a certain number of sporadic cases have been also described in industrialized countries, Italy included. A swine HEV was first identified in 1997 and is now considered an ubiquitous virus. Human and swine strains from the same geographical region have shown to have a high level of nucleotidic omology and in experimental infections, the possibility of interspecific transmission of swine strains to humans and of human strains to non-human primates has been demonstrated. Furthermore, some seroepidemiological studies have demonstrated that people working in contact with swine have a higher risk to get infected than normal blood donors. Recently, cases of HEV hepatitis have been directly associated to the ingestion of uncooked tissues from pigs, wild boar or deer and today the disease is considered an emerging zoonosis. The aims of this thesis were: evaluate HEV prevalence in Italian swine herds (both in fattening and in breeding animals); investigate the possibility of finding HEV in livers used for human consumption; investigate if there is any correlation between HEV infection and the presence of macroscopical lesions; investigate HEV prevalence in a demographic managed wild boar population; phylogenetically analyse viral strains identified. During an internship period at Veterinary Laboratories Agency (Weybridge, UK), furthermore, swine samples at different stages of production and slurry lagoons have been analysed. Six swine herds located in North Italy have been sampled at different stage of production. The overall prevalence resulted 42%, and both breeding and fattening animals were positive for HEV infection. A longitudinal study has been conducted in a herd across all stages of production until the slaughtering age. Livers have been collected from the animals at the abattoir and 11.8% of them were positive for HEV infection. No correlations have been identified between HEV infection and macroscopical lesions in pigs affected by different pathological conditions. Of 86 wild boars tested 22 (25%) were positive for HEV. Of the swine tested in UK 21,5 % and 2 of the 9 slurry lagoons (22,2%) were positive for HEV infection. All the strains identified belonged to genotype 3 and showed high percentages of nucleotidic identity with humans and swine strains identified in Europe. The high prevalence detected in these studies confirms the widespread diffusion of HEV in swine populations in Italy and in UK. Phylogenetical analysis of identified strains, similar to those identified in autochthonous human hepatitis E cases of the same geographical area, confirm the hypothesis that pigs can be a font of zoonotical infection. The finding that a fraction of the livers inserted in the food chain are positive for HEV infection it’s of some concern for Public Health. The finding of a high HEV prevalence in all examined farms, together with the observation that infection may be sub-clinical and affect animals at slaughtering age, raise concern because of the possible risk of transmission of HEV to humans by either direct contact with infected pigs, indirect contact with environment and working instruments contaminated with pig feces, or ingestion of contaminated undercooked meat.

Infezione da virus dell'epatite E nel suino e nell'uomo: aggiornamento sulle metodiche diagnostiche di laboratorio

The first part of the thesis is a brief review on the most important aspects of HEV infection in human and swine, followed by an update on the laboratory techniques currently in use for the diagnosis of HEV infections in humans and animals. The second part refers on the results of two investigations carried out on the presence of HEV infection in swine farms in Toscana and Piemonte and on the presence of HEV infection in pigs and humans in some rural communities in Bolivia. HEV strains isolated from swine herds in Toscana and Piemonte were all included in the genotype 3, showing particular homology with Dutch porcine isolates, Spanish porcine and human isolates and British human isolates. The investigation carried out, with a random sampling, in the province of Cuneo, detected HEV infection with a prevalence of 46% on farms with a number of pigs greater than 500. HEV was detected in pigs and humans in rural communities in Bolivia and all the viral isolate were included in the genotype 3. Aminoacidic homology of human and swine isolates was estimated to be 92%. Results on the development of a Real Time RT-PCR to detect HEV are also reported. The used Real Time RT-PCR protocols, one step and two steps, exhibited good sensitivity to detect several Italian swine HEV strains with high rate of genetic variability.

Evaluation of glycoconjugate antigens as vaccine candidates against group A Streptococcus and human immunodeficiency virus infections

This PhD thesis discusses the rationale for design and use of synthetic oligosaccharides for the development of glycoconjugate vaccines and the role of physicochemical methods in the characterization of these vaccines. The study concerns two infectious diseases that represent a serious problem for the national healthcare programs: human immunodeficiency virus (HIV) and Group A Streptococcus (GAS) infections. Both pathogens possess distinctive carbohydrate structures that have been described as suitable targets for the vaccine design. The Group A Streptococcus cell membrane polysaccharide (GAS-PS) is an attractive vaccine antigen candidate based on its conserved, constant expression pattern and the ability to confer immunoprotection in a relevant mouse model. Analysis of the immunogenic response within at-risk populations suggests an inverse correlation between high anti-GAS-PS antibody titres and GAS infection cases. Recent studies show that a chemically synthesized core polysaccharide-based antigen may represent an antigenic structural determinant of the large polysaccharide. Based on GAS-PS structural analysis, the study evaluates the potential to exploit a synthetic design approach to GAS vaccine development and compares the efficiency of synthetic antigens with the long isolated GAS polysaccharide. Synthetic GAS-PS structural analogues were specifically designed and generated to explore the impact of antigen length and terminal residue composition. For the HIV-1 glycoantigens, the dense glycan shield on the surface of the envelope protein gp120 was chosen as a target. This shield masks conserved protein epitopes and facilitates virus spread via binding to glycan receptors on susceptible host cells. The broadly neutralizing monoclonal antibody 2G12 binds a cluster of high-mannose oligosaccharides on the gp120 subunit of HIV-1 Env protein. This oligomannose epitope has been a subject to the synthetic vaccine development. The cluster nature of the 2G12 epitope suggested that multivalent antigen presentation was important to develop a carbohydrate based vaccine candidate. I describe the development of neoglycoconjugates displaying clustered HIV-1 related oligomannose carbohydrates and their immunogenic properties.

Outcome of HIV-infected patients with hepatocellular carcinoma: a comparison with HIV negative controls

Background and rationale for the study. This study investigated whether human immunodeficiency virus (HIV) infection adversely affects the prognosis of patients diagnosed with hepatocellular carcinoma (HCC).Thirty-four HIV-positive patients with chronic liver disease, consecutively diagnosed with HCC from 1998 to 2007 were one-to-one matched with 34 HIV negative controls for: sex, liver function (Child-Turcotte-Pugh class [CTP]), cancer stage (BCLC model) and, whenever possible, age, etiology of liver disease and modality of cancer diagnosis. Survival in the two groups and independent prognostic predictors were assessed. Results. Among HIV patients 88% were receiving HAART. HIV-RNA was undetectable in 65% of cases; median lymphocyte CD4+ count was 368.5/mmc. Etiology of liver disease was mostly related to HCV infection. CTP class was: A in 38%, B in 41%, C in 21% of cases. BCLC cancer stage was: early in 50%, intermediate in 23.5%, advanced in 5.9%, end-stage in 20.6% of cases. HCC treatments and death causes did not differ between the two groups. Median survival did not differ, being 16 months (95% CI: 6-26) in HIV positive and 23 months (95% CI: 5-41) in HIV negative patients (P=0.391). BCLC cancer stage and HCC treatment proved to be independent predictors of survival both in the whole population and in HIV patients. Conclusions. Survival of HIV infected patients receiving antiretroviral therapy and diagnosed with HCC is similar to that of HIV negative patients bearing this tumor. Prognosis is determined by the cancer bulk and its treatment.

Metodi biomolecolari per il follow up dei pazienti HIV positivi

As proviral human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) DNA can replenish and revive viral infection upon attivation, its analysis, in addition to RNA viral load, could be considered a useful marker during the follow-up of infected individuals, to evaluate reservoir status, especially in HAART-treated patients when RNA viral load is undetectable by current techniques and the antiretroviral efficacy of new, more potent therapeutic regimens. Standardized methods for the measurement of the two most significant forms of proviral DNA, total and non-integrated, are currently lacking, despite the widespread of molecular biology techniques. In this study, total and 2-LTR HIV-1 DNA proviral load, in addition to RNA viral load, CD4 cell count and serological parameters, were determined by quantitative analysis in peripheral blood mononuclear cells (PBMC) in naïve or subsequently HAART-treated patients with acute HIV-1 infection in order to establish the role of these two DNA proviral forms in the course of HIV infection. The study demonstrated that HAART-treated individuals show a significant decrease in both total and 2-LTR circular HIV-1 DNA proviral load compared with naïve patients: these findings confirm that HIV-1 reservoir decay correlates with therapeutic effectiveness. The persistence of small amounts of 2-LTR HIV-1 DNA form, which is considered to be a molecular determinant of infectivity, in PBMC from some patients demonstrates that a small rate of replication is retained even when HAART is substantially effective: HAART could not eradicate completely the infection because HIV is able to replicate at low levels. Plasma-based viral RNA assays may fail to demonstrate the full extent of viral activity. In conclusion, the availability of a new standardized assay to determine DNA proviral load will be important in assessing the true extent of virological suppression suggesting that its quantification may be an important parameter in monitoring HIV infection.

Virus a RNA e a DNA: importanza dell’ampliamento dello spettro d’ospite nell’evoluzione virale

L’ampliamento dello spettro d’ospite è strettamente connesso al processo evolutivo a cui i virus sono assoggettati e rappresenta una notevole sfida alla loro capacità di adattarsi. L’attitudine a superare le barriere di specie è conseguente alla costante e relativamente rapida evoluzione che caratterizza i virus; allo stesso tempo, la forza selettiva esercitata dal nuovo ospite rappresenterà un ulteriore stimolo per le capacità adattative del virus. Ad oggi, i meccanismi genetici ed evolutivi responsabili del salto di specie virale, cioè la trasmissione di un virus da un ospite tradizionale ad uno precedentemente resistente all’infezione, sono parzialmente sconosciuti. Nel seguente lavoro verranno presentati gli studi effettuati sulle dinamiche evolutive caratterizzanti virus a RNA e a DNA in cui si sono osservate variazioni dello spettro d’ospite. Gli studi hanno riguardato i coronavirus, con particolare riferimento al ruolo svolto dai pipistrelli nell’evoluzione dei coronavirus SARS-correlati, e l’importanza del gatto nell’evoluzione dei parvovirus dei carnivori. Nella prima sezione saranno mostrate le correlazioni genetiche dei coronavirus identificati in Italia nei pipistrelli appartenenti alla specie Rhinolophus ferrumequinum con i ceppi europei e del resto del mondo, allo scopo di chiarire l’origine evolutiva dei coronavirus dei pipistrelli correlati al virus della SARS (Bat-SARS-like CoV) europei, gli eventi migratori che hanno caratterizzato la loro diffusione nel continente e le potenziali ripercussioni sulla salute pubblica. Nella seconda sezione saranno evidenziate le caratteristiche molecolari dei ceppi di parvovirus circolanti nella popolazione felina, valutandone la diversità di sequenza e la complessità genetica, allo scopo di ottenere importanti informazioni in merito all’evoluzione del virus e alle interazioni tra il parvovirus e l’ospite.

Studio della patogenesi di HIV-1 nel compartimento osseo: effetti della terapia antiretrovirale convenzionale e nuovi approcci all'eradicazione

L’obiettivo della tesi è studiare il virus HIV-1 in relazione alle alterazioni sistemiche, riscontrate nel paziente HIV-infetto, in particolare alterazioni a carico del sistema scheletrico, indotte dal virus o dall’azione dei farmaci utilizzati nella terapia antiretrovirale (HAART). L’incidenza dell’osteoporosi nei pazienti HIV-positivi è drammaticamente elevata rispetto alla popolazione sana. Studi clinici hanno evidenziato come alcuni farmaci, ad esempio inibitori della proteasi virale, portino alla compromissione dell’omeostasi ossea, con aumento del rischio fratturativo. Il nostro studio prevede un follow-up di 12 mesi dall’inizio della HAART in una coorte di pazienti naïve, monitorando diversi markers ossei. I risultati ottenuti mostrano un incremento dei markers metabolici del turnover osseo, confermando l’impatto della HAART sull’omeostasi ossea. Successivamente abbiamo focalizzato la nostra attenzione sugli osteoblasti, il citotipo che regola la sintesi di nuova matrice ossea. Gli esperimenti condotti sulla linea HOBIT mettono in evidenza come il trattamento, in particolare con inibitori della proteasi, porti ad apoptosi nel caso in cui vi sia una concentrazione di farmaco maggiore di quella fisiologica. Tuttavia, anche concentrazioni fisiologiche di farmaci possono regolare negativamente alcuni marker ossei, come ALP e osteocalcina. Infine esiste la problematica dell’eradicazione di HIV-1 dai reservoirs virali. La HAART riesce a controllare i livelli viremici, ciononostante diversi studi propongono alcuni citotipi come potenziali reservoir di infezione, vanificando l’effetto della terapia. Abbiamo, perciò, sviluppato un nuovo approccio molecolare all’eradicazione: sfruttare l’enzima virale integrasi per riconoscere in modo selettivo le sequenze LTR virali per colpire il virus integrato. Fondendo integrasi e l’endonucleasi FokI, abbiamo generato diversi cloni. Questi sono stati transfettati stabilmente in cellule Jurkat, suscettibili all’infezione. Una volta infettate, abbiamo ottenuto una significativa riduzione dei markers di infezione. Successivamente la transfezione nella linea linfoblastica 8E5/LAV, che porta integrata nel genoma una copia di HIV, ha dato risultati molto incoraggianti, come la forte riduzione del DNA virale integrato.

Studio dell'interazione di HIV-1 sulle cellule progenitrici ematopoietiche CD34+ (HPCs)

Oltre alla progressiva perdita dei linfociti T CD4, i pazienti HIV-infetti presentano diverse citopenie periferiche. In particolare l’anemia si riscontra nel 10% dei pazienti asintomatici e nel 92% di quelli con AIDS e la terapia cART non è in grado di risolvere tale problematica. I meccanismi patogenetici alla base di questa citopenia si ritiene che possano riguardare la deregolazione citochinica, il danno alle HPCs, alle cellule in differenziamento e alle cellule stromali. Le cellule progenitrici ematopoietiche CD34+, dopo essere state separate da sangue cordonale e differenziate verso la linea eritroide, sono state trattate con HIV-1 attivo, inattivato al calore e gp120. In prima istanza è stata messa in luce la mancata suscettibilità all’infezione e l’aumento dell’ apoptosi dovuto al legame gp120-CD4/CXCR4 e mediato dal TGF-β1 nelle cellule progenitrici indifferenziate. L’aspetto innovativo di questo studio però si evidenzia esaminando l’effetto di gp120 durante il differenziamento verso la filiera eritrocitaria. Sono stati utilizzati due protocolli sperimentali: nel primo le cellule sono inizialmente trattate per 24 ore con gp120 (o con HIV-1 inattivato al calore) e poi indotte in differenziamento, nel secondo vengono prima differenziate e poi trattate con gp120. Il “priming” negativo determina una apoptosi gp120-indotta molto marcata già dopo 48 ore dal trattamento ed una riduzione del differenziamento. Se tali cellule vengono invece prima differenziate per 24 ore e poi trattate con gp120, nei primi 5 giorni dal trattamento, è presente un aumento di proliferazione e differenziamento, a cui segue un brusco arresto che culmina con una apoptosi molto marcata (anch’essa dipendente dal legame gp120-CD4 e CXCR4 e TGF-β1 dipendente) e con una drastica riduzione del differenziamento. L’insieme dei risultati ha permesso di definire in modo consistente la complessità della genesi dell’anemia in questi pazienti e di poter suggerire nuovi target terapeutici in questi soggetti, già sottoposti a cART.

Costruzione di chimere molecolari dell'enzima Integrasi di HIV con attività idrolizzante delle LTR virali.

La Sindrome da Immunodeficienza Acquisita (AIDS o SIDA) causata da HIV-1 (Virus dell'Immunodeficienza umana) è caratterizzata dalla graduale compromissione del sistema immunitario del soggetto colpito. Le attuali terapie farmacologiche, purtroppo, non riescono a eliminare l'infezione a causa della comparsa di continui ceppi resistenti ai farmaci, e inoltre questi trattamenti non sono in grado di eliminare i reservoir virali latenti e permettere l'eradicazione definitiva del virus dall’organismo. E' in questo ambito che si colloca il progetto a cui ho lavorato principalmente in questi anni, cioè la creazione di una strategia per eradicare il provirus di HIV integrato nel genoma della cellula ospite. L'Integrasi di HIV-1 è un enzima che media l'integrazione del cDNA virale nel genoma della cellula ospite. La nostra idea è stata, quindi, quella di associare all'attività di legame dell'IN stessa, un'attività catalitica. A tal fine abbiamo creato una proteina chimerica costituita da un dominio DNA-binding, dato dall'Integrasi, e da un dominio con attività nucleasica fornito dall'enzima FokI. La chimera ottenuta è stata sottoposta a mutagenesi random mediante UV, ed è stata oggetto di selezione in vivo, al fine di ottenere una chimera capace di riconoscere, specificamente le LTR di HIV-1, e idrolizzare i siti di inserzione. Questo lavoro porterà a definire pertanto se l'IN di HIV può essere riprogrammata a catalizzare una nuova funzione mediante la sostituzione dell'attività del proprio dominio catalitico con quello di FokI.