A new mathematical model was used to analyze a detailed set of human immunodeficiency virus-type 1 (HIV-1) viral load data collected from five infected individuals after the administration of a potent inhibitor of HIV-1 protease. Productively infected cells were estimated to have, on average, a life-span of 2.2 days (half-life t 1/2 = 1.6 days), and plasma virions were estimated to have a mean life-span of 0.3 days ( t 1/2 = 0.24 days). The estimated average total HIV-1 production was 10.3 × 10 9 virions per day, which is substantially greater than previous minimum estimates. The results also suggest that the minimum duration of the HIV-1 life cycle in vivo is 1.2 days on average, and that the average HIV-1 generation time—defined as the time from release of a virion until it infects another cell and causes the release of a new generation of viral particles—is 2.6 days. These findings on viral dynamics provide not only a kinetic picture of HIV-1 pathogenesis, but also theoretical principles to guide the development of treatment strategies.

To better understand the dynamics of hepatitis C virus and the antiviral effect of interferon-α-2b (IFN), viral decline in 23 patients during therapy was analyzed with a mathematical model. The analysis indicates that the major initial effect of IFN is to block virion production or release, with blocking efficacies of 81, 95, and 96% for daily doses of 5, 10, and 15 million international units, respectively. The estimated virion half-life ( t 1/2 ) was, on average, 2.7 hours, with pretreatment production and clearance of 10 12 virions per day. The estimated infected cell death rate exhibited large interpatient variation (corresponding t 1/2 = 1.7 to 70 days), was inversely correlated with baseline viral load, and was positively correlated with alanine aminotransferase levels. Fast death rates were predictive of virus being undetectable by polymerase chain reaction at 3 months. These findings show that infection with hepatitis C virus is highly dynamic and that early monitoring of viral load can help guide therapy.

The precise identification of the HIV-1 envelope glycoprotein (Env) responsible for productive clinical infection could be instrumental in elucidating the molecular basis of HIV-1 transmission and in designing effective vaccines. Here, we developed a mathematical model of random viral evolution and, together with phylogenetic tree construction, used it to analyze 3,449 complete env sequences derived by single genome amplification from 102 subjects with acute HIV-1 (clade B) infection. Viral env genes evolving from individual transmitted or founder viruses generally exhibited a Poisson distribution of mutations and star-like phylogeny, which coalesced to an inferred consensus sequence at or near the estimated time of virus transmission. Overall, 78 of 102 subjects had evidence of productive clinical infection by a single virus, and 24 others had evidence of productive clinical infection by a minimum of two to five viruses. Phenotypic analysis of transmitted or early founder Envs revealed a consistent pattern of CCR5 dependence, masking of coreceptor binding regions, and equivalent or modestly enhanced resistance to the fusion inhibitor T1249 and broadly neutralizing antibodies compared with Envs from chronically infected subjects. Low multiplicity infection and limited viral evolution preceding peak viremia suggest a finite window of potential vulnerability of HIV-1 to vaccine-elicited immune responses, although phenotypic properties of transmitted Envs pose a formidable defense.

To determine the role of CD8(+) T cells in controlling simian immunodeficiency virus (SIV) replication in vivo, we examined the effect of depleting this cell population using an anti-CD8 monoclonal antibody, OKT8F. There was on average a 99.9% reduction of CD8 cells in peripheral blood in six infected Macaca mulatta treated with OKT8F. The apparent CD8 depletion started 1 h after antibody administration, and low CD8 levels were maintained until day 8. An increase in plasma viremia of one to three orders of magnitude was observed in five of the six macaques. The injection of a control antibody to an infected macaque did not induce a sustained viral load increase, nor did it significantly reduce the number of CD8(+) T cells. These results demonstrate that CD8 cells play a crucial role in suppressing SIV replication in vivo.

The problem of protecting computer systems can be viewed generally as the problem of learning to distinguish self from other. The authors describe a method for change detection which is based on the generation of T cells in the immune system. Mathematical analysis reveals computational costs of the system, and preliminary experiments illustrate how the method might be applied to the problem of computer viruses.< >

The immune system is capable of learning, memory, and pattern recognition. By employing genetic operators on a time scale fast enough to observe experimentally, the immune system is able to recognize novel shapes without preprogramming. Here we describe a dynamical model for the immune system that is based on the network hypothesis of Jerne, and is simple enough to simulate on a computer. This model has a strong similarity to an approach to learning and artificial intelligence introduced by Holland, called the classifier system. We demonstrate that simple versions of the classifier system can be cast as a nonlinear dynamical system, and explore the analogy between the immune and classifier systems in detail. Through this comparison we hope to gain insight into the way they perform specific tasks, and to suggest new approaches that might be of value in learning systems.

We examine a model for the interaction of HIV with CD4+ T cells that considers four populations: uninfected T cells, latently infected T cells, actively infected T cells, and free virus. Using this model we show that many of the puzzling quantitative features of HIV infection can be explained simply. We also consider effects of AZT on viral growth and T-cell population dynamics. The model exhibits two steady states, an uninfected state in which no virus is present and an endemically infected state, in which virus and infected T cells are present. We show that if N, the number of infectious virions produced per actively infected T cell, is less a critical value, Ncrit, then the uninfected state is the only steady state in the nonnegative orthant, and this state is stable. For N > Ncrit, the uninfected state is unstable, and the endemically infected state can be either stable, or unstable and surrounded by a stable limit cycle. Using numerical bifurcation techniques we map out the parameter regimes of these various behaviors. Oscillatory behavior seems to lie outside the region of biologically realistic parameter values. When the endemically infected state is stable, it is characterized by a reduced number of T cells compared with the uninfected state. Thus T-cell depletion occurs through the establishment of a new steady state. The dynamics of the establishment of this new steady state are examined both numerically and via the quasi-steady-state approximation. We develop approximations for the dynamics at early times in which the free virus rapidly binds to T cells, during an intermediate time scale in which the virus grows exponentially, and a third time scale on which viral growth slows and the endemically infected steady state is approached. Using the quasi-steady-state approximation the model can be simplified to two ordinary differential equations the summarize much of the dynamical behavior. We compute the level of T cells in the endemically infected state and show how that level varies with the parameters in the model. The model predicts that different viral strains, characterized by generating differing numbers of infective virions within infected T cells, can cause different amounts of T-cell depletion and generate depletion at different rates. Two versions of the model are studied. In one the source of T cells from precursors is constant, whereas in the other the source of T cells decreases with viral load, mimicking the infection and killing of T-cell precursors. The latter gives more realistic predictions than the model with a constant source.

In patients infected with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), combination antiretroviral therapy can result in sustained suppression of plasma levels of the virus. However, replication-competent virus can still be recovered from latently infected resting memory CD4 lymphocytes; this finding raises serious doubts about whether antiviral treatment can eradicate HIV-1.