Estudio metabolómico por resonancia magnética nuclear de individuos expuestos al VIH-1 orientado a la búsqueda de biomarcadores y rutas metabólicas asociadas a la resistencia natural y a la progresión de la infección

Abstract

RESUMEN: la infección por el Virus de Inmunodeficiencia Humana 1 (VIH-1) y el desarrollo del Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida (SIDA) continúa siendo uno de los principales problemas de salud pública mundial. De manera frecuente la exposición al VIH-1 provoca una infección; sin embargo, algunas personas muestran una resistencia natural a la infección; estos individuos se conocen como expuestos al VIH-1 pero seronegativos (HESN). Adicionalmente, algunos individuos infectados logran controlar la replicación del VIH-1 y la progresión a SIDA de manera natural y en ausencia de terapia antirretroviral (TAR); denominados controladores. Los mecanismos biológicos que explican estos fenómenos no se conocen de forma precisa. En este contexto, la metabolómica surge como un método para identificar metabolitos en respuesta a estímulos fisiopatológicos, que pueden ayudar a establecer mecanismos de resistencia natural a la infección y progresión del VIH-1. El VIH-1 infecta específicamente a linfocitos T CD4+, monocitos y células dendríticas, en conjunto denominadas células mononucleares de sangre periférica (CMSP), causando hiperactivación y agotamiento del sistema inmune, lo cual conduce al desarrollo del SIDA; por lo tanto, el estudio de las CMSP a través de la metabolómica podría ayudar a explicar este fenómeno. En esta investigación realizamos un estudio transversal con 88 muestras de plasma (30 HESN, 14 controladores, 14 progresores y 30 controles sanos) y 48 muestras de CMSP (20 personas que viven con el VIH-1 en TAR (PLHIV-ART), 8 HESN y 20 controles sanos). En cada matriz biológica, se identificaron potenciales biomarcadores de cada grupo de estudio. En plasma; la creatinina, tirosina y lipoproteínas están diferencialmente expresadas en progresores; el glutamato, piruvato y acetato son marcadores metabólicos de los controladores, y el lactato y fosfocolina son biomarcadores de la resistencia natural en HESN. En CMSP, la fenilalanina, carnitina y glicina son potenciales biomarcadores de la respuesta efectiva de los voluntarios a la TAR en forma de reconstitución inmunológica en términos de disminución de la carga viral y aumento del recuento de linfocitos T CD4+; alanina, AMP, inosina y leucina al estatus de HESN. Adicionalmente, la valina es un metabolito importante en el control de la infección dada su expresión diferencial en controladores y progresores. Identificamos una serie de rutas metabólicas alteradas en mayor proporción en PLHIV-ART y progresores que en HESN. Dentro de las vías alteradas, las que presentan un mayor impacto en el análisis de enriquecimiento de rutas de Metaboanalyst® son las de biosíntesis de fenilalanina, tirosina y triptófano, aminoácidos aromáticos implicados en la síntesis de proteínas. En conclusión, nuestro estudio muestra que los mecanismos de resistencia natural a la infección por el VIH-1 y a la progresión hacia el SIDA están estrechamente relacionados con el metabolismo de los individuos expuestos y/o infectados, y que cambios en la expresión de metabolitos específicos pueden generar desenlaces positivos o negativos en una persona que se expone y/o infecta con el VIH-1. Esperamos que nuestros resultados tengan un impacto sobre el conocimiento y el descubrimiento de mecanismos de resistencia a la enfermedad y que con este trabajo se abran nuevos horizontes de investigación de otras enfermedades infecciosas a través de la plataforma de metabolómica por Resonancia Magnética Nuclear (RMN).

ABSTRACT: infection with Human Immunodeficiency Virus 1 (HIV-1) and the development of Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS) is one of the leading global public health problems. Exposure to HIV1 frequently causes infection; however, some people show a natural resistance to infection; these individuals are known as HIV-1 exposed but seronegative (HESN). Additionally, some infected individuals control HIV-1 replication and progression to AIDS naturally in the absence of antiretroviral therapy (ART), called controllers. The biological mechanisms that explain these phenomena are not known precisely. In this context, metabolomics emerges as a method to identify metabolites in response to pathophysiological stimuli, which can help establish mechanisms of natural resistance to HIV-1 infection and progression. HIV-1 infects CD4+ T lymphocytes, monocytes and dendritic cells, together called peripheral blood mononuclear cells (PBMC), causing hyperactivation and exhaustion of the immune system, which leads to the development of AIDS. Therefore, the study of PBMCs through metabolomics could help explain this phenomenon. In this research, we carried out a cross-sectional study with 88 plasma samples (30 HESN, 14 controllers, 14 progressors, and 30 healthy controls) and 48 PBMC samples (20 people living with HIV-1 on ART (PLHIV-ART), 8 HESN, and 20 healthy controls). In each biological matrix, potential biomarkers for each study group were identified. In plasma, creatinine, tyrosine, and lipoproteins are differentially expressed in progressors; glutamate, pyruvate, and acetate are metabolic markers of controllers, and lactate and phosphocholine are biomarkers of natural resistance in HESN. In PBMC, phenylalanine, carnitine and glycine are potential biomarkers of the effective response of volunteers to ART in the form of immunological reconstitution in terms of decreased viral load and increased CD4+ T lymphocyte count; alanine, AMP, inosine and leucine to HESN status. Additionally, valine is an important metabolite in the control of infection given its differential expression in controllers and progressors. We identified a series of metabolic pathways altered to a significant extent in PLHIV-ART and progressors than in HESN. Among the altered pathways, those that had the highest impact in the Metaboanalyst® pathway enrichment analysis are those of the biosynthesis of phenylalanine, tyrosine and tryptophan, aromatic amino acids involved in protein synthesis. In conclusion, our study shows that the mechanisms of natural resistance to HIV-1 infection and progression toward AIDS are closely related to the metabolism of exposed and/or infected individuals and that changes in the expression of specific metabolites can generate positive or negative outcomes in a person who is exposed and/or infected with HIV-1. We hope that our results will have an impact on the knowledge and discovery of disease resistance mechanisms and that this work will open new research horizons for other infectious diseases through the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) metabolomics platform.