Persistence of HIV-1 latent reservoir cells during antiretroviral therapy (ART) is a major obstacle for curing HIV-1. Latency-reversing agents (LRAs) are under intensive development to reactivate and eradicate latently infected cells; however, there are a few useful models for evaluating LRA activity in vitro. Here, we established a chronically HIV-1-infected culture system harboring thousands of different HIV-1-infected cell clones with a wide distribution of HIV-1 provirus similar to that observed in vivo. A combination of an LRA and an anti-HIV-1 drug successfully inhibited viral re-emergence after drug discontinuation, demonstrating "experimental cure" in the in vitro model. We demonstrated that the epigenetic environment of the integrated provirus plays a role in determining drug susceptibility. Our widely distributed intact provirus elimination (WIPE) assay will be useful for optimizing therapeutics against HIV-1 latency and provides mechanistic insights into the selection of heterogeneous HIV-1-infected clones during drug treatment.

Viruses proliferate through both genome replication inside infected cells and transmission to new target cells or to new hosts. Each viral genome molecule in infected cells is used either for amplifying the intracellular genome as a template (“stay-at-home strategy”) or for packaging into progeny virions to be released extracellularly (“leaving-home strategy”). The balance between these strategies is important for both initial growth and transmission of viruses. In this study, we used hepatitis C virus (HCV) as a model system to study the functions of viral genomic RNA in both RNA replication in cells and in progeny virus assembly and release. Using viral infection assays combined with mathematical modelling, we characterized the dynamics of two different HCV strains (JFH-1, a clinical isolate, and Jc1-n, a laboratory strain), which have different viral assembly and release characteristics. We found that 1.27% and 3.28% of JFH-1 and Jc1-n intracellular viral RNAs, respectively, are used for producing and releasing progeny virions. Analysis of the Malthusian parameter of the HCV genome (i.e., initial growth rate) and the number of de novo infections (i.e., initial transmissibility) suggests that the leaving-home strategy provides a higher level of initial transmission for Jc1-n, while, in contrast, the stay-at-home strategy provides a higher initial growth rate for JFH-1. Thus, theoretical-experimental analysis of viral dynamics enables us to better understand the proliferation strategies of viruses. Ours is the first study to analyze stay-leave trade-offs during the viral life cycle and their significance for viral proliferation.

Abstract Evaluation of intrahepatic covalently closed circular DNA (cccDNA) is a key for searching an elimination of hepatitis B virus (HBV) infection. HBV RNA and HBV core-related antigen have been proposed as surrogate markers for evaluating cccDNA activity, although they do not necessarily estimate the amount of cccDNA. Here, we developed a novel multiscale mathematical model describing intra- and inter-cellular viral propagation, based on the experimental quantification data in both HBV-infected cell culture and humanized mouse models. We applied it to HBV-infected patients under treatment and developed a model which can predict intracellular HBV dynamics only by use of noninvasive extracellular surrogate biomarkers. Importantly, the model prediction of the amount of cccDNA in patients over time was confirmed to be well-correlated with the liver biopsy data. Thus, our noninvasive method enables to predict the amount of cccDNA in patients and contributes to determining the treatment endpoint required for elimination of intrahepatic cccDNA.

Chronic infection of hepatitis B virus (HBV) is caused by the persistence of closed circular DNA (cccDNA) in the nucleus of infected hepatocytes. Despite available therapeutic anti-HBV agents, eliminating the cccDNA remains challenging. The quantifying and understanding dynamics of cccDNA are essential for developing effective treatment strategies and new drugs. However, it requires a liver biopsy to measure the intrahepatic cccDNA, which is basically not accepted because of the ethical aspect. We here aimed to develop a non-invasive method for quantifying cccDNA in the liver using surrogate markers present in peripheral blood. We constructed a multiscale mathematical model that explicitly incorporates both intracellular and intercellular HBV infection processes. The model, based on age-structured partial differential equations (PDEs), integrates experimental data from in vitro and in vivo investigations. By applying this model, we successfully predicted the amount and dynamics of intrahepatic cccDNA using specific viral markers in serum samples, including HBV DNA, HBsAg, HBeAg, and HBcrAg. Our study represents a significant step towards advancing the understanding of chronic HBV infection. The non-invasive quantification of cccDNA using our proposed methodology holds promise for improving clinical analyses and treatment strategies. By comprehensively describing the interactions of all components involved in HBV infection, our multiscale mathematical model provides a valuable framework for further research and the development of targeted interventions.