Analysis of HIV clinical trials shows that the vaginal microbiome underlies varied responses to microbicide-based preexposure prophylaxis.

Abstract Background The potential role of the gut microbiome as a predictor of immune-mediated HIV-1 control in the absence of antiretroviral therapy (ART) is still unknown. In the BCN02 clinical trial, which combined the MVA.HIVconsv immunogen with the latency-reversing agent romidepsin in early-ART treated HIV-1 infected individuals, 23% (3/13) of participants showed sustained low-levels of plasma viremia during 32 weeks of a monitored ART pause (MAP). Here, we present a multi-omics analysis to identify compositional and functional gut microbiome patterns associated with HIV-1 control in the BCN02 trial. Results Viremic controllers during the MAP (controllers) exhibited higher Bacteroidales/Clostridiales ratio and lower microbial gene richness before vaccination and throughout the study intervention when compared to non-controllers. Longitudinal assessment indicated that the gut microbiome of controllers was enriched in pro-inflammatory bacteria and depleted in butyrate-producing bacteria and methanogenic archaea. Functional profiling also showed that metabolic pathways, including methanogenesis and carbohydrate biosynthesis, were significantly decreased in controllers. Fecal metaproteome analyses confirmed that baseline functional differences were mainly driven by Clostridial es. Participants with high baseline Bacteroidales/Clostridiales ratio had increased pre-existing immune activation-related transcripts. The Bacteroidales/Clostridiales ratio as well as host immune-activation signatures inversely correlated with HIV-1 reservoir size. Conclusions This proof-of-concept study suggests the Bacteroidales/Clostridiales ratio as a novel gut microbiome signature associated with HIV-1 reservoir size and immune-mediated viral control after ART interruption.

BACKGROUND Tenofovir gel is being evaluated for vaginal and rectal pre-exposure prophylaxis against sexual HIV transmission. Because this is a new prevention strategy targeting large numbers of healthy people, we broadly assessed its effects on the mucosa. METHODS AND FINDINGS In MTN-007, a phase 1, randomized, double-blinded rectal microbicide trial, we used systems genomics/proteomics to determine the effect of tenofovir 1% gel, nonoxynol-9 2% gel, placebo gel or no treatment on rectal biopsies taken at baseline, after one application or after seven daily applications (15 subjects/arm). Experiments were repeated using primary vaginal epithelial cells from four healthy women. After seven days of administration, tenofovir 1% gel had broad-ranging biological effects on the rectal mucosa, which were much more pronounced than—but different from—those caused by the detergent nonoxynol-9. Tenofovir profoundly suppressed anti-inflammatory mediators such as interleukin 10; increased T cell densities; caused mitochondrial dysfunction, possibly by blocking PNPT1 expression; and altered regulatory pathways of cell differentiation and survival. Except for leukocyte-derived factors, all these effects were replicated in primary vaginal epithelial cells, which also proliferated significantly faster in tenofovir’s presence. CONCLUSIONS Tenofovir’s suppression of anti-inflammatory activity could diminish its prophylactic efficacy over time. The breadth of mucosal changes, including mitochondrial dysfunction and epithelial proliferation, raises questions about its safety for long-term topical use. These findings suggest that a systems biology evaluation of mucosal effects may be beneficial before advancing to large-scale efficacy trials with topical HIV prevention agents that achieve high, long-lasting local drug concentrations.

Microbial translocation is a significant contributor to chronic inflammation in people living with HIV (PLWH) and is associated with increased mortality and morbidity in individuals treated for long periods with antiretrovirals. The use of therapeutics to treat microbial translocation has yielded mixed effects, in part, because the species and mechanisms contributing to translocation in HIV remain incompletely characterized. To characterize translocating bacteria, we cultured translocators from chronically SIV-infected rhesus macaques. Proteomic profiling of these bacteria identified cytosine-specific methyltransferases as a common feature and therefore, a potential driver of translocation. Treatment of translocating bacteria with the cytosine methyltransferase inhibitor decitabine significantly impaired growth for several species in vitro. In rhesus macaques, oral treatment with decitabine led to some transient decreases in translocator taxa in the gut microbiome. These data provide mechanistic insight into bacterial translocation in lentiviral infection and explore a novel therapeutic intervention that may improve the prognosis of PLWH.

Tenofovir disoproxil fumarate and emtricitabine are used for HIV treatment and pre-exposure prophylaxis. Previously, we found that topical rectal application of tenofovir 1% gel caused many gene expression changes. Here, we measured RNA and protein expression in several clinical trials of oral administration in HIV-uninfected individuals (using microarrays, RNAseq, droplet digital PCR, mass spectrometry, and microscopy). We found tens to hundreds of differentially expressed genes in the gastrointestinal tract, but none in the blood or female reproductive tract. In rectal samples from one trial, most of the 13 upregulated genes were related to type I/III interferon signaling. Similar changes were seen at the protein level in the same trial and in the duodenum and rectum in another trial. We conclude that tenofovir disoproxil fumarate and emtricitabine have little effect on gene expression in the blood or female reproductive tract but increase type I/III interferon signaling in the gut. This effect may enhance their anti-viral efficacy when used as pre-exposure prophylaxis, in particular to prevent rectal HIV transmission. However, it may also contribute to chronic immune activation and HIV reservoir maintenance in chronically treated people living with HIV.