Chronic activation of the immune system is a hallmark of progressive HIV infection and better predicts disease outcome than plasma viral load, yet its etiology remains obscure. Here we show that circulating microbial products, probably derived from the gastrointestinal tract, are a cause of HIV-related systemic immune activation. Circulating lipopolysaccharide, which we used as an indicator of microbial translocation, was significantly increased in chronically HIV-infected individuals and in simian immunodeficiency virus (SIV)-infected rhesus macaques (P ≤ 0.002). We show that increased lipopolysaccharide is bioactive in vivo and correlates with measures of innate and adaptive immune activation. Effective antiretroviral therapy seemed to reduce microbial translocation partially. Furthermore, in nonpathogenic SIV infection of sooty mangabeys, microbial translocation did not seem to occur. These data establish a mechanism for chronic immune activation in the context of a compromised gastrointestinal mucosal surface and provide new directions for therapeutic interventions that modify the consequences of acute HIV infection.

Human cytomegalovirus (HCMV) infections of immunocompetent hosts are characterized by a dynamic, life-long interaction in which host immune responses, particularly of T cells, restrain viral replication and prevent disease but do not eliminate the virus or preclude transmission. Because HCMV is among the largest and most complex of known viruses, the T cell resources committed to maintaining this balance have never been characterized completely. Here, using cytokine flow cytometry and 13,687 overlapping 15mer peptides comprising 213 HCMV open reading frames (ORFs), we found that 151 HCMV ORFs were immunogenic for CD4+ and/or CD8+ T cells, and that ORF immunogenicity was influenced only modestly by ORF expression kinetics and function. We further documented that total HCMV-specific T cell responses in seropositive subjects were enormous, comprising on average ∼10% of both the CD4+ and CD8+ memory compartments in blood, whereas cross-reactive recognition of HCMV proteins in seronegative individuals was limited to CD8+ T cells and was rare. These data provide the first glimpse of the total human T cell response to a complex infectious agent and will provide insight into the rules governing immunodominance and cross-reactivity in complex viral infections of humans.

Following some high-profile clinical trial failures in recent years, the emphasis in HIV/AIDS vaccine research has shifted away from T-cell-based vaccines that control viral replication towards vaccines that block acquisition of infection. Hansen et al. take a novel route to T-cell-based immunity, using cytomegalovirus (CMV) vectors. They find that vaccination with a rhesus-CMV-based vaccine against simian immunodeficiency virus (SIV) provides long-term protection from SIV challenge in rhesus macaques. Protection seems to be mediated by tissue-resident T-effector memory responses, suggesting that persistent vectors such as CMV may be effective in HIV/AIDS vaccines. The acquired immunodeficiency syndrome (AIDS)-causing lentiviruses human immunodeficiency virus (HIV) and simian immunodeficiency virus (SIV) effectively evade host immunity and, once established, infections with these viruses are only rarely controlled by immunological mechanisms1,2,3. However, the initial establishment of infection in the first few days after mucosal exposure, before viral dissemination and massive replication, may be more vulnerable to immune control4. Here we report that SIV vaccines that include rhesus cytomegalovirus (RhCMV) vectors5 establish indefinitely persistent, high-frequency, SIV-specific effector memory T-cell (TEM) responses at potential sites of SIV replication in rhesus macaques and stringently control highly pathogenic SIVMAC239 infection early after mucosal challenge. Thirteen of twenty-four rhesus macaques receiving either RhCMV vectors alone or RhCMV vectors followed by adenovirus 5 (Ad5) vectors (versus 0 of 9 DNA/Ad5-vaccinated rhesus macaques) manifested early complete control of SIV (undetectable plasma virus), and in twelve of these thirteen animals we observed long-term (≥1 year) protection. This was characterized by: occasional blips of plasma viraemia that ultimately waned; predominantly undetectable cell-associated viral load in blood and lymph node mononuclear cells; no depletion of effector-site CD4+ memory T cells; no induction or boosting of SIV Env-specific antibodies; and induction and then loss of T-cell responses to an SIV protein (Vif) not included in the RhCMV vectors. Protection correlated with the magnitude of the peak SIV-specific CD8+ T-cell responses in the vaccine phase, and occurred without anamnestic T-cell responses. Remarkably, long-term RhCMV vector-associated SIV control was insensitive to either CD8+ or CD4+ lymphocyte depletion and, at necropsy, cell-associated SIV was only occasionally measurable at the limit of detection with ultrasensitive assays, observations that indicate the possibility of eventual viral clearance. Thus, persistent vectors such as CMV and their associated TEM responses might significantly contribute to an efficacious HIV/AIDS vaccine.

ABSTRACT Human immunodeficiency virus (HIV)-specific T-cell responses are thought to play a key role in viral load decline during primary infection and in determining the subsequent viral load set point. The requirements for this effect are unknown, partly because comprehensive analysis of total HIV-specific CD4 + and CD8 + T-cell responses to all HIV-encoded epitopes has not been accomplished. To assess these responses, we used cytokine flow cytometry and overlapping peptide pools encompassing all products of the HIV-1 genome to study total HIV-specific T-cell responses in 23 highly active antiretroviral therapy naı̈ve HIV-infected patients. HIV-specific CD8 + T-cell responses were detectable in all patients, ranging between 1.6 and 18.4% of total CD8 + T cells. HIV-specific CD4 + T-cell responses were present in 21 of 23 patients, although the responses were lower (0.2 to 2.94%). Contrary to previous reports, a positive correlation was identified between the plasma viral load and the total HIV-, Env-, and Nef-specific CD8 + T-cell frequency. No correlation was found either between viral load and total or Gag-specific CD4 + T-cell response or between the frequency of HIV-specific CD4 + and CD8 + T cells. These results suggest that overall frequencies of HIV-specific T cells are not the sole determinant of immune-mediated protection in HIV-infection.

Issue:Vaccines that induce T cell responses to simian immunodeficiency virus are able to reduce virus load in infected macaques. Such vaccines typically induce central memory T cells that must expand before gaining full antiviral functions. Picker and his colleagues show that a new replicating anti-SIV vaccine, based on the persistently infecting cytomegalovirus, which preferentially induces effector memory T cells in mucosal tissues, can reduce the likelihood that the macaques become infected in the first place ( pages 244–246 ). The rapid onset of massive, systemic viral replication during primary HIV or simian immunodeficiency virus (SIV) infection and the immune evasion capabilities of these viruses pose fundamental problems for vaccines that depend upon initial viral replication to stimulate effector T cell expansion and differentiation1,2,3,4,5. We hypothesized that vaccines designed to maintain differentiated effector memory T cell (TEM cell) responses5,6 at viral entry sites might improve efficacy by impairing viral replication at its earliest stage2, and we have therefore developed SIV protein-encoding vectors based on rhesus cytomegalovirus (RhCMV), the prototypical inducer of life-long TEM cell responses7,8,9. RhCMV vectors expressing SIV Gag, Rev-Tat-Nef and Env persistently infected rhesus macaques, regardless of preexisting RhCMV immunity, and primed and maintained robust, SIV-specific CD4+ and CD8+ TEM cell responses (characterized by coordinate tumor necrosis factor, interferon-γ and macrophage inflammatory protein-1β expression, cytotoxic degranulation and accumulation at extralymphoid sites) in the absence of neutralizing antibodies. Compared to control rhesus macaques, these vaccinated rhesus macaques showed increased resistance to acquisition of progressive SIVmac239 infection upon repeated limiting-dose intrarectal challenge, including four macaques who controlled rectal mucosal infection without progressive systemic dissemination. These data suggest a new paradigm for AIDS vaccine development—vaccines capable of generating and maintaining HIV-specific TEM cells might decrease the incidence of HIV acquisition after sexual exposure.

LECAM-1 (leukocyte-endothelial cell adhesion molecule 1), the lymphocyte lectin (“selectin”) homing receptor for peripheral lymph nodes (PLNs), participates in the earliest interactions of polymorphonuclear neutrophilic leukocytes (PMNs) with inflamed venuies. Here, we present evidence that LECAM-1 mediates this function through a novel mechanism—presentation of oligosaccharide ligands to the inducible vascular selectins endothelial-leukocyte adhesion molecule (ELAM-1) and granule membrane protein 140 (GMP-140). PMN, but not lymphocyte, LECAM-1 is modified with the vascular selectin ligand sialyl Lewis x (sLex) and specifically binds ELAM-1-transfected cells. Although only a small fraction of total cell surface sLex, LECAM-1-associated sLex appears to play a prominent role in PMN interactions with cell-associated ELAM-1 and GMP-140, as anti-LECAM-1 monoclonal antibodies or selective removal of cell surface LECAM-1 inhibits PMN binding to vascular selectin transfectants by up to 70%. The enhanced function of LECAM-1-associated sLex may reflect the striking concentration, shown here, of LECAM-1 on PMN surface microvilli, the site of initial cellular contact.

Cellular immune responses in rhesus macaques (Macaca mulatta) vaccinated with cytomegalovirus vectors expressing SIV proteins are able to stringently control highly pathogenic SIV infection, regardless of the route of challenge, after systemic spread; immunological and virological analyses of protected macaques followed for up to 3 years suggest that persistent immune surveillance by vaccine-elicited immune responses may have cleared the infection. Work on potential vaccines against human immunodeficiency viruses (HIV) and the simian equivalent (SIV) has so far proved largely fruitless. This study makes some progress by exploiting the recent observation that the pathogens appear vulnerable to immune control or pharmacological clearance in the first few hours to days of infection. Rhesus macaques vaccinated with SIV protein-expressing rhesus cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors developed durable resistance to the highly pathogenic SIVmac239 after challenge by vaginal and intravenous routes. Some of the vaccinated animals have controlled viral replication for 1 to 3 years with no demonstrable evidence for residual virus, raising the possibility that the vaccine- elicited immune responses may in fact have cleared the initial infection. Established infections with the human and simian immunodeficiency viruses (HIV and SIV, respectively) are thought to be permanent with even the most effective immune responses and antiretroviral therapies only able to control, but not clear, these infections1,2,3,4. Whether the residual virus that maintains these infections is vulnerable to clearance is a question of central importance to the future management of millions of HIV-infected individuals. We recently reported that approximately 50% of rhesus macaques (RM; Macaca mulatta) vaccinated with SIV protein-expressing rhesus cytomegalovirus (RhCMV/SIV) vectors manifest durable, aviraemic control of infection with the highly pathogenic strain SIVmac239 (ref. 5). Here we show that regardless of the route of challenge, RhCMV/SIV vector-elicited immune responses control SIVmac239 after demonstrable lymphatic and haematogenous viral dissemination, and that replication-competent SIV persists in several sites for weeks to months. Over time, however, protected RM lost signs of SIV infection, showing a consistent lack of measurable plasma- or tissue-associated virus using ultrasensitive assays, and a loss of T-cell reactivity to SIV determinants not in the vaccine. Extensive ultrasensitive quantitative PCR and quantitative PCR with reverse transcription analyses of tissues from RhCMV/SIV vector-protected RM necropsied 69–172 weeks after challenge did not detect SIV RNA or DNA sequences above background levels, and replication-competent SIV was not detected in these RM by extensive co-culture analysis of tissues or by adoptive transfer of 60 million haematolymphoid cells to naive RM. These data provide compelling evidence for progressive clearance of a pathogenic lentiviral infection, and suggest that some lentiviral reservoirs may be susceptible to the continuous effector memory T-cell-mediated immune surveillance elicited and maintained by cytomegalovirus vectors.