In the RV144 trial, the estimated efficacy of a vaccine regimen against human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) was 31.2%. We performed a case–control analysis to identify antibody and cellular immune correlates of infection risk.

ABSTRACT Characterization of the immune responses induced in the initial stages of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) infection is of critical importance for an understanding of early viral pathogenesis and prophylactic vaccine design. Here, we used sequential plasma samples collected during the eclipse and exponential viral expansion phases from subjects acquiring HIV-1 (or, for comparison, hepatitis B virus [HBV]or hepatitis C virus [HCV]) to determine the nature and kinetics of the earliest systemic elevations in cytokine and chemokine levels in each infection. Plasma viremia was quantitated over time, and levels of 30 cytokines and chemokines were measured using Luminex-based multiplex assays and enzyme-linked immunosorbent assays. The increase in plasma viremia in acute HIV-1 infection was found to be associated with elevations in plasma levels of multiple cytokines and chemokines, including rapid and transient elevations in alpha interferon (IFN-α) and interleukin-15 (IL-15) levels; a large increase in inducible protein 10 (IP-10) levels; rapid and more-sustained increases in tumor necrosis factor alpha and monocyte chemotactic protein 1 levels; more slowly initiated elevations in levels of additional proinflammatory factors including IL-6, IL-8, IL-18, and IFN-γ; and a late-peaking increase in levels of the immunoregulatory cytokine IL-10. Notably, there was comparatively little perturbation in plasma cytokine levels during the same phase of HBV infection and a delayed response of more intermediate magnitude in acute HCV infection, indicating that the rapid activation of a striking systemic cytokine cascade is not a prerequisite for viral clearance (which occurs in a majority of HBV-infected individuals). The intense early cytokine storm in acute HIV-1 infection may have immunopathological consequences, promoting immune activation, viral replication, and CD4 + T-cell loss.

ABSTRACT A window of opportunity for immune responses to extinguish human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) exists from the moment of transmission through establishment of the latent pool of HIV-1-infected cells. A critical time to study the initial immune responses to the transmitted/founder virus is the eclipse phase of HIV-1 infection (time from transmission to the first appearance of plasma virus), but, to date, this period has been logistically difficult to analyze. To probe B-cell responses immediately following HIV-1 transmission, we have determined envelope-specific antibody responses to autologous and consensus Envs in plasma donors from the United States for whom frequent plasma samples were available at time points immediately before, during, and after HIV-1 plasma viral load (VL) ramp-up in acute infection, and we have modeled the antibody effect on the kinetics of plasma viremia. The first detectable B-cell response was in the form of immune complexes 8 days after plasma virus detection, whereas the first free plasma anti-HIV-1 antibody was to gp41 and appeared 13 days after the appearance of plasma virus. In contrast, envelope gp120-specific antibodies were delayed an additional 14 days. Mathematical modeling of the earliest viral dynamics was performed to determine the impact of antibody on HIV replication in vivo as assessed by plasma VL. Including the initial anti-gp41 immunoglobulin G (IgG), IgM, or both responses in the model did not significantly impact the early dynamics of plasma VL. These results demonstrate that the first IgM and IgG antibodies induced by transmitted HIV-1 are capable of binding virions but have little impact on acute-phase viremia at the timing and magnitude that they occur in natural infection.

A V1-V2 IgG3 response to HIV correlates with a decreased risk of HIV-1 infection and is one vaccine-induced humoral response that is higher in a clinical trial showing HIV-1 vaccine efficacy compared to a trial showing nonefficacy.

Baby steps toward bNAbs Some HIV-infected individuals develop heavily mutated, broadly neutralizing antibodies (bNAbs) that target HIV. Scientists aim to design vaccines that would elicit such antibodies. Jardine et al. report an important step toward this goal: They engineered an immunogen that could engage B cells from HIV-uninfected individuals that express the germline versions of the immunoglobulin genes harbored by a particular class of bNAbs. The frequencies of these B cells, their affinities for the immunogen, and structural analysis suggest that the immunogen is a promising candidate. Further shaping of the B cell response with subsequent immunogens may eventually elicit bNAbs in people. Science , this issue p. 1458

Genetic analysis of breakthrough infections in people vaccinated against HIV-1 show that vaccine efficacy increased by up to 80% against viruses carrying two mutations in Env V2, but also raises the possibility of population-level adaptation to the vaccine. A major clinical trial involving more than 16,000 volunteers, known as the RV144 trial, tested a combination of two vaccines (ALVAC-HIV and AIDSVAX B/E gp120) for its ability to prevent HIV infection, as well as for safety. The vaccine was 31% effective against HIV-1 infection, and antibodies against the HIV-1 envelope variable loop 1 and 2 (V1/V2) domain correlated inversely with infection risk. Rolland et al. present a genetic analysis of breakthrough infections in RV144 trial participants and identify signatures associated with vaccine-induced immune pressure, thereby gaining support for a causal relationship between vaccination and protection. Viral amino-acid changes at positions 169 and 181 in the second variable loop of the viral envelope are shown to be most associated with efficacy — and represent possible targets for future vaccines. The RV144 trial demonstrated 31% vaccine efficacy at preventing human immunodeficiency virus (HIV)-1 infection1. Antibodies against the HIV-1 envelope variable loops 1 and 2 (Env V1 and V2) correlated inversely with infection risk2. We proposed that vaccine-induced immune responses against V1/V2 would have a selective effect against, or sieve, HIV-1 breakthrough viruses. A total of 936 HIV-1 genome sequences from 44 vaccine and 66 placebo recipients were examined. We show that vaccine-induced immune responses were associated with two signatures in V2 at amino acid positions 169 and 181. Vaccine efficacy against viruses matching the vaccine at position 169 was 48% (confidence interval 18% to 66%; P = 0.0036), whereas vaccine efficacy against viruses mismatching the vaccine at position 181 was 78% (confidence interval 35% to 93%; P = 0.0028). Residue 169 is in a cationic glycosylated region recognized by broadly neutralizing and RV144-derived antibodies. The predicted distance between the two signature sites (21 ± 7 Å) and their match/mismatch dichotomy indicate that multiple factors may be involved in the protection observed in RV144. Genetic signatures of RV144 vaccination in V2 complement the finding of an association between high V1/V2-binding antibodies and reduced risk of HIV-1 acquisition, and provide evidence that vaccine-induced V2 responses plausibly had a role in the partial protection conferred by the RV144 regimen.

Whether a broadly neutralizing antibody (bnAb) can be used to prevent human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) acquisition is unclear.

Standardized assessments of HIV-1 vaccine-elicited neutralizing antibody responses are complicated by the genetic and antigenic variability of the viral envelope glycoproteins (Envs). To address these issues, suitable reference strains are needed that are representative of the global epidemic. Several panels have been recommended previously, but no clear answers have been available on how many and which strains are best suited for this purpose. We used a statistical model selection method to identify a global panel of reference Env clones from among 219 Env-pseudotyped viruses assayed in TZM-bl cells with sera from 205 HIV-1-infected individuals. The Envs and sera were sampled globally from diverse geographic locations and represented all major genetic subtypes and circulating recombinant forms of the virus. Assays with a panel size of only nine viruses adequately represented the spectrum of HIV-1 serum neutralizing activity seen with the larger panel of 219 viruses. An optimal panel of nine viruses was selected and augmented with three additional viruses for greater genetic and antigenic coverage. The spectrum of HIV-1 serum neutralizing activity seen with the final 12-virus panel closely approximated the activity seen with subtype-matched viruses. Moreover, the final panel was highly sensitive for detection of many of the known broadly neutralizing antibodies. For broader assay applications, all 12 Env clones were converted to infectious molecular clones using a proviral backbone carrying a Renilla luciferase reporter gene (Env.IMC.LucR viruses). This global panel should facilitate highly standardized assessments of vaccine-elicited neutralizing antibodies across multiple HIV-1 vaccine platforms in different parts of the world.An effective HIV-1 vaccine will need to overcome the extraordinary genetic variability of the virus, where most variation occurs in the viral envelope glycoproteins that are the sole targets for neutralizing antibodies. Efforts to elicit broadly cross-reactive neutralizing antibodies that will protect against infection by most circulating strains of the virus are guided in part by in vitro assays that determine the ability of vaccine-elicited antibodies to neutralize genetically diverse HIV-1 variants. Until now, little information was available on how many and which strains of the virus are best suited for this purpose. We applied robust statistical methods to evaluate a large neutralization data set and identified a small panel of viruses that are a good representation of the global epidemic. The neutralization properties of this new panel of reference strains should facilitate the development of an effective HIV-1 vaccine.

In the RV144 HIV-1 vaccine efficacy trial, IgG antibody (Ab) binding levels to variable regions 1 and 2 (V1V2) of the HIV-1 envelope glycoprotein gp120 were an inverse correlate of risk of HIV-1 infection. To determine if V1V2-specific Abs cross-react with V1V2 from different HIV-1 subtypes, if the nature of the V1V2 antigen used to asses cross-reactivity influenced infection risk, and to identify immune assays for upcoming HIV-1 vaccine efficacy trials, new V1V2-scaffold antigens were designed and tested. Protein scaffold antigens carrying the V1V2 regions from HIV-1 subtypes A, B, C, D or CRF01_AE were assayed in pilot studies, and six were selected to assess cross-reactive Abs in the plasma from the original RV144 case-control cohort (41 infected vaccinees, 205 frequency-matched uninfected vaccinees, and 40 placebo recipients) using ELISA and a binding Ab multiplex assay. IgG levels to these antigens were assessed as correlates of risk in vaccine recipients using weighted logistic regression models. Levels of Abs reactive with subtype A, B, C and CRF01_AE V1V2-scaffold antigens were all significant inverse correlates of risk (p-values of 0.0008-0.05; estimated odds ratios of 0.53-0.68 per 1 standard deviation increase). Thus, levels of vaccine-induced IgG Abs recognizing V1V2 regions from multiple HIV-1 subtypes, and presented on different scaffolds, constitute inverse correlates of risk for HIV-1 infection in the RV144 vaccine trial. The V1V2 antigens provide a link between RV144 and upcoming HIV-1 vaccine trials, and identify reagents and methods for evaluating V1V2 Abs as possible correlates of protection against HIV-1 infection.ClinicalTrials.gov NCT00223080.

The identification of HIV-1 Envelope glycoprotein (Env) traits associated with development of neutralization cross-reactivity in natural infection is critical for vaccine design. Here we describe the presence of additional Cysteine (Cys) residues in V1 that are enriched among people with elite neutralization breadth. Using >65,000 V1 sequences from the CATNAP database, the AMP trials and three large longitudinal HIV infection cohorts, the SHCS, ZPHI and CAPRISA studies, we show that Env variants with extra V1 Cys are present at low levels throughout infection and fluctuate in frequency over time within participants. We demonstrate an independent association of extra V1 Cys with elite plasma neutralization, and a strong preference for two versus one extra Cys, suggesting certain Envs introduce an additional disulfide bond for stabilization. We observed high levels of neutralization resistance among Envs from 34 bNAb donors, of which 17.6% had elongated V1 regions with extra Cys. We show that extra V1 Cys moderately increase neutralization resistance in an Env from a V2-Apex bNAb-inducer. Modulation of the accessibility of bNAb epitopes on this Env by extra V1 Cys enhanced epitope shielding of several regions, but increased V2 exposure. This suggests that escape from autologous neutralizing activity drove insertion of the extra V1 Cys, creating a modified antigen that may have favored V2 bNAb induction in this donor. Overall, we identify a rare motif of twin Cys in V1 that confers increased neutralization resistance and Env stabilization, is associated with bNAb induction, and may hold potential for incorporation into future HIV bNAb immunogens.