ABSTRACT In the current global AIDS pandemic, more than half of new human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) infections are acquired by women through intravaginal HIV exposure. For this study, we explored pathogenesis issues relevant to the development of effective vaccines to prevent infection by this route, using an animal model in which female rhesus macaques were exposed intravaginally to a high dose of simian immunodeficiency virus (SIV). We examined in detail the events that transpire from hours to a few days after intravaginal SIV exposure through week 4 to provide a framework for understanding the propagation, dissemination, and establishment of infection in lymphatic tissues (LTs) during the acute stage of infection. We show that the mucosal barrier greatly limits the infection of cervicovaginal tissues, and thus the initial founder populations of infected cells are small. While there was evidence of rapid dissemination to distal sites, we also show that continuous seeding from an expanding source of production at the portal of entry is likely critical for the later establishment of a productive infection throughout the systemic LTs. The initially small founder populations and dependence on continuous seeding to establish a productive infection in systemic LTs define a small window of maximum vulnerability for the virus in which there is an opportunity for the host, vaccines, or other interventions to prevent or control infection.

Natural SIV infection of sooty mangabeys (SMs) is nonprogressive despite chronic virus replication. Strikingly, it is characterized by low levels of immune activation, while pathogenic SIV infection of rhesus macaques (RMs) is associated with chronic immune activation. To elucidate the mechanisms underlying this intriguing phenotype, we used high-density oligonucleotide microarrays to longitudinally assess host gene expression in SIV-infected SMs and RMs. We found that acute SIV infection of SMs was consistently associated with a robust innate immune response, including widespread upregulation of IFN-stimulated genes (ISGs) in blood and lymph nodes. While SMs exhibited a rapid resolution of ISG expression and immune activation, both responses were observed chronically in RMs. Systems biology analysis indicated that expression of the lymphocyte inhibitory receptor LAG3, a marker of T cell exhaustion, correlated with immune activation in SIV-infected RMs but not SMs. Our findings suggest that active immune regulatory mechanisms, rather than intrinsically attenuated innate immune responses, underlie the low levels of immune activation characteristic of SMs chronically infected with SIV.

The gut is a major reservoir for human immunodeficiency virus (HIV) in patients receiving antiretroviral therapy (ART). We hypothesized that distinct immune environments within the gut may support varying levels of HIV.In 8 HIV-1-positive adults who were receiving ART and had CD4(+) T cell counts of >200 cells/μL and plasma viral loads of <40 copies/mL, levels of HIV and T cell activation were measured in blood samples and endoscopic biopsy specimens from the duodenum, ileum, ascending colon, and rectum.HIV DNA and RNA levels per CD4(+) T cell were higher in all 4 gut sites compared with those in the blood. HIV DNA levels increased from the duodenum to the rectum, whereas the median HIV RNA level peaked in the ileum. HIV DNA levels correlated positively with T cell activation markers in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) but negatively with T cell activation markers in the gut. Multiply spliced RNA was infrequently detected in gut, and ratios of unspliced RNA to DNA were lower in the colon and rectum than in PBMCs, which reflects paradoxically low HIV transcription, given the higher level of T cell activation in the gut.HIV DNA and RNA are both concentrated in the gut, but the inverse relationship between HIV DNA levels and T cell activation in the gut and the paradoxically low levels of HIV expression in the large bowel suggest that different processes drive HIV persistence in the blood and gut.ClinicalTrials.gov identifier: NCT00884793 (PLUS1).

Abstract Antiretroviral therapy (ART) generally suppresses HIV replication to undetectable levels in peripheral blood, but immune activation associated with increased morbidity and mortality is sustained during ART, and infection rebounds when treatment is interrupted. To identify drivers of immune activation and potential sources of viral rebound, we modified RNAscope in situ hybridization to visualize HIV-virus producing cells as a standard to compare the following assays of potential sources of immune activation and virus rebound following treatment interruption: 1) EDITS (envelope detection by induced transcription-based sequencing) assay; 2) HIV-Flow; and 3) Flow-FISH assays that can scan tissues and cell suspensions to detect rare cells expressing env mRNA, gag mRNA/Gag protein and p24 respectively; and 4) an ultrasensitive immunoassay that detects p24 in cell/tissue lysates at subfemtomolar levels. We show that the sensitivity of these assays is sufficient to detect a rare HIV-producing/env mRNA+/p24+ cell in a million uninfected cells. These high-throughput technologies thus provide contemporary tools to detect and characterize rare cells producing virus and viral antigens as potential sources of immune activation and viral rebound. Importance Anti-retroviral therapy (ART) has greatly improved the quality and length of life for people living with HIV, but immune activation does not normalize during ART, and persistent immune activation has been linked to increased morbidity and mortality. We report a comparison of assays of two potential sources of immune activation during ART: rare cells producing HIV virus or the virus’ major viral protein, p24, benchmarked on a cell model of active and latent infections and a method to visualize HIV-producing cells. We show that assays of HIV Envelope mRNA (EDITS assay) and gag mRNA and p24 (Flow-FISH, HIV-Flow and ultrasensitive p24 immunoassay) detect HIV-producing cells and p24 at sensitivities of one infected cell in a million uninfected cells, thus providing validated tools to explore sources of immune activation during ART in the lymphoid and other tissue reservoirs.

Summary Productively and latently HIV-infected cells are the source of virus that respectively establishes and sustains systemic infections and the reservoir in which HIV persists and rebounds when anti-retroviral therapy (ART) is interrupted. While infected activated CD4 + T cells are thought to be the principal source of HIV production, and reversion of activated infected cells to a resting state as the major pathway to establishment of the latently infected cell reservoir, we now show that in the earliest stages of detectable HIV infection in the lymphoid tissue reservoir, infection of resting CD4 + T cells establishes the first populations of both productively and latently infected cells. We further show that the early infection of resting T cells reflects their predominance in lymphoid tissues and the expression of pTEFb in vivo in resting T cells to support their infection. The immediate establishment of productively and latently infected cell populations enable HIV to propagate and persist, and generates reservoirs from which infection can rebound despite instituting ART at the earliest stage of detectable infection.