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.

About 170 million people worldwide are infected with hepatitis C virus (HCV). The current standard therapy leads to sustained viral elimination in only approximately 50% of the treated patients. Telaprevir, an HCV protease inhibitor, has substantial antiviral activity in patients with chronic HCV infection. However, in clinical trials, drug-resistant variants emerge at frequencies of 5 to 20% of the total virus population as early as the second day after the beginning of treatment. Here, using probabilistic and viral dynamic models, we show that such rapid emergence of drug resistance is expected. We calculate that all possible single- and double-mutant viruses preexist before treatment and that one additional mutation is expected to arise during therapy. Examining data from a clinical trial of telaprevir therapy for HCV infection in detail, we show that our model fits the observed dynamics of both drug-sensitive and drug-resistant viruses and argue that therapy with only direct antivirals will require drug combinations that have a genetic barrier of four or more mutations.

Abstract Background Whereas the mode of action of lamivudine (LAM) against hepatitis B virus (HBV) is well established, the inhibition mechanism(s) of interferon-α are less completely defined. To advance our understanding, we mathematically modelled HBV kinetics during pegylated interferon-α-2a (pegIFN), LAM and pegIFN+LAM treatment of chronically HBV-infected humanized uPA/SCID chimeric mice. Methods Thirty-nine uPA/SCID mice with humanized livers whose pre-treatment steady-state serum HBV reached 9.2±0.4 logIU/mL were treated with pegIFN, LAM or pegIFN+LAM for 14 days. Serum HBV DNA and intracellular HBV DNA were measured frequently. We developed a nonlinear mixed effect viral kinetic model and simultaneously fit it to the serum and intracellular HBV DNA data. Results Unexpectedly, even in the absence of an adaptive-immune response, a biphasic decline in serum HBV DNA and intracellular HBV DNA was observed in response to all treatments. Modeling predicts that the first phase represents pegIFN inhibiting intracellular HBV DNA synthesis with efficacy of 86%, which was similar under LAM and pegIFN+LAM. In contrast, there were distinct differences in HBV decline during the 2nd phase which was accounted for in the model by a time-dependent inhibition of intracellular HBV DNA synthesis with the steepest decline observed during pegIFN+LAM (0.46/d) and the slowest (0.052/d) during pegIFN mono-treatment. Conclusions Reminiscent of observations in patients treated with pegIFN and/or LAM, a biphasic HBV decline was observed in treated humanized mice in the absence of adaptive immune response. Interestingly, combination treatment does not increase the initial inhibition of HBV production; however, enhancement of second phase decline is observed providing insight into the dynamics of HBV treatment response and the mode of action of interferon-α against HBV. Author Summary Chronic hepatitis B virus (HBV) infection remains a global health care problem as we lack sufficient curative treatment options. Elucidating the dynamic of HBV infection and treatment at the molecular level would potentially facilitate the development of novel, more effective HBV antivirals. Currently, the only well-established small animal HBV infection model available is the chimeric uPA/SCID mice with humanized livers; however, the HBV infection kinetics under interferon-α (IFN) in this model system have not been determined in sufficient detail to support the in-depth studies of HBV treatment response needed to identify/confirm more effective drug targets. In this study 39 chronic HBV-infected uPA/SCID humanized mice treated with IFN and/or lamivudine were analysed using a mathematical modelling approach. We found that IFN main mode of action is blocking HBV DNA synthesis and that 73% of synthesized HBV DNA per are secreted from infected cells. Our data-driven mathematical modeling study provides novel insights into IFN anti-HBV mechanism(s) and viral-host interplay at the molecular level.

Chronic infection with hepatitis B and hepatitis delta viruses (HDV) is considered the most serious form of viral hepatitis due to more severe manifestations of and accelerated progression to liver fibrosis, cirrhosis, and hepatocellular carcinoma. There is no FDA-approved treatment for HDV and current interferon-alpha treatment is suboptimal. We characterized early HDV kinetics post inoculation and incorporated mathematical modeling to provide insights into host-HDV dynamics.We analyzed HDV RNA serum viremia in 192 immunocompetent (C57BL/6) and immunodeficient (NRG) mice that did or did not transgenically express the HDV receptor - human sodium taurocholate co-transporting peptide (hNTCP).Kinetic analysis indicates an unanticipated biphasic decline consisting of a sharp first-phase and slower second-phase decline regardless of immunocompetence. HDV decline after re-inoculation again followed a biphasic decline; however, a steeper second-phase HDV decline was observed in NRG-hNTCP mice compared to NRG mice. HDV-entry inhibitor bulevirtide administration and HDV re-inoculation indicated that viral entry and receptor saturation are not major contributors to clearance, respectively. The biphasic kinetics can be mathematically modeled by assuming the existence of a non-specific binding compartment with a constant on/off-rate and the steeper second-phase decline by a loss of bound virus that cannot be returned as free virus to circulation. The model predicts that free HDV is cleared with a half-life of 18 minutes (standard error, SE: 2.4), binds to non-specific cells with a rate of 0.06 hour -1 (SE: 0.03), and returns as free virus with a rate of 0.23 hour -1 (SE: 0.03).Understanding early HDV-host kinetics will inform pre-clinical therapeutic kinetic studies on how the efficacy of anti-HDV therapeutics can be affected by early kinetics of viral decline.The persistence phase of HDV infection has been studied in some animal models, however, the early kinetics of HDV in vivo is incompletely understood. In this study, we characterize an unexpectedly HDV biphasic decline post inoculation in immunocompetent and immunodeficient mouse models and use mathematical modeling to provide insights into HDV-host dynamics. Understanding the kinetics of viral clearance in the blood can aid pre-clinical development and testing models for anti-HDV therapeutics.

Abstract Hepatitis C virus (HCV) is capable of spreading within a host by two different transmission modes: cell-free and cell-to-cell. Although viral dissemination and diffusion of viral particles facilitates the infection of distant cells, direct cell-to-cell transmission to uninfected neighboring cells is thought to shield the virus from immune recognition. However, the contribution of each of these transmission mechanisms to HCV spread is unknown. To dissect the contribution of these different transmission modes to HCV spread, we measured HCV lifecycle kinetics and used an in vitro spread assay to monitor HCV spread kinetics after low multiplicity of infection in the absence and presence of a neutralizing antibody that blocks cell-free spread. By analyzing these data with a spatially-explicit mathematical model that describes viral spread on a single-cell level, we quantified the contribution of cell-free and cell-to-cell spread to the overall infection dynamics and show that both transmission modes act synergistically to enhance the spread of infection. Thus, the simultaneous occurrence of both transmission modes likely represents an advantage for HCV that may contribute to the efficient establishment of chronic infection. Notably, the relative contribution of each viral transmission mode appeared to vary dependent on different experimental conditions and suggests that viral spread is optimized according to the environment. Together, our analyses provide insight into the transmission dynamics of HCV and reveal how different transmission modes impact each other. Importance Hepatitis C Virus can spread within a host by diffusing viral particles or direct cell-to-cell transfer of viral material between infected and uninfected cells. To which extend these cell-free and cell-to-cell transmission modes contribute to HCV spread, establishment of chronicity and antiviral escape is still unknown. By combining in vitro experimental HCV spread data with a multi-scale mathematical model we have disentangled the contribution and interplay of cell-free and cell-to-cell transmission modes during HCV infection. Our analysis revealed synergistic effects between the two transmission modes, with the relative contribution of each transmission mode varying dependent on the experimental conditions. This highlights the adaptability of the virus and suggests that transmission modes might be optimized dependent on the environment, which could contribute to viral persistence.

Recent studies indicate that treatment of chronic hepatitis D virus (HDV) with either pegylated interferon (IFN)λ or pegylated IFNα monotherapy leads to a dramatic decline in HDV RNA. Herein, we investigated the innate antiviral efficacy of IFNλ and IFNα in humanized mice that lack an adaptive immune response. Humanized mice were either co-infected with hepatitis B virus (HBV) and HDV simultaneously, or HDV infection was performed subsequent to HBV infection (i.e., superinfected). After steady viral replication was achieved, mice received either IFNλ (n=6) or IFNα (n=7) for 12 (or 13) weeks. Pretreatment median levels of serum HBV DNA (8.8 [IQR:0.2] log IU/ml), HDV RNA (9.8 [0.5] log IU/ml), HBsAg (4.0 [0.4] log IU/ml) and human albumin, hAlb (6.9 [0.1] log ng/mL) were similar between mice treated with IFNα or IFNλ and between those coinfected versus superinfected. Compared to mice treated with IFNλ, mice treated with IFNα had a significantly greater decline in HBV, HDV, and HBsAg levels. In conclusion, IFNα induces stronger inhibition of HBV and HDV than IFNλ in humanized mice that lack an adaptive immune response. Further studies are needed to assess the respective role of the combined innate-and adaptive-immune systems in the treatment of HBV and HDV with IFNα and IFNλ.

Abstract Serum hepatitis B virus (HBV) kinetics in urokinase-type plasminogen activator/severe combined immunodeficient (uPA-SCID) mice reconstituted with humanized livers from inoculation to steady state is highly dynamic despite the absence of an adaptive immune response. We developed a stochastic agent-based model that includes virion production cycles in individual infected human hepatocytes. The model was calibrated using a genetic algorithm approach with the serum HBV kinetics observed in mice inoculated with 10 8 HBV genome equivalents and fit the data well when the following viral production parameters were assumed: (1) An eclipse phase lasting 5-50 hours and (2) a post-eclipse phase production rate that is based on increasing production cycles initially starting with a long production cycle of 1 virion per 20 hours that gradually reaches 1 virion per hour after approximately 3-4 days before virion production increases dramatically to reach to a steady state production rate of 4 virions per hour per cell. The model was then validated by showing it could accurately simulate the viral kinetics observed with lower HBV inoculation doses (10 4 -10 7 genome equivalents) in which similar, but delayed patterns were observed. Together, modeling suggests that it is the cyclic nature of the virus lifecycle combined with an initial slow but increasing rate of HBV production from each cell that plays a role in generating the observed multiphasic HBV kinetic patterns in humanized mice.