Miễn dịch tế bào T trong mô hình chuột của nhiễm virus viêm gan C - Luận án của Alex Stephen Hartlage

Khám phá vai trò thiết yếu của miễn dịch tế bào T trong việc kiểm soát và loại bỏ virus viêm gan C. Phân tích các cơ chế hoạt động và ứng dụng tiềm năng trong

• Tác giả: Alex Stephen Hartlage
• Người hướng dẫn: Amit Kapoor, PhD
• Trường học: The Ohio State University
• Chuyên ngành: Biomedical Sciences
• Đề tài: T cell immunity in a small animal surrogate of Hepatitis C virus infection
• Loại tài liệu: Dissertation
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Columbus

Tóm tắt

I. Khám Phá Vai Trò Cốt Lõi Của Miễn Dịch Tế Bào T Trong Mô Hình Virus Viêm Gan C

Virus viêm gan C (HCV) gây ra một gánh nặng y tế toàn cầu nghiêm trọng, ảnh hưởng đến khoảng 71 triệu người và là nguyên nhân chính dẫn đến các bệnh gan tiến triển như xơ gan và ung thư biểu mô tế bào gan. Mặc dù các loại thuốc kháng virus mới đã được phát triển với hiệu quả cao, chúng vẫn còn đắt đỏ, không hiệu quả ở những người mắc bệnh gan giai đoạn cuối, và không bảo vệ khỏi tái nhiễm. Do đó, việc phát triển một loại vaccine viêm gan C có khả năng ngăn chặn nhiễm trùng mãn tính vẫn là một nhu cầu cấp thiết chưa được đáp ứng.

Sự tồn tại của virus viêm gan C ở hầu hết những người nhiễm bệnh được cho là hệ quả của việc miễn dịch tế bào T đặc hiệu với virus bị thất bại. Thực tế, ứng cử viên vaccine HCV duy nhất tiến đến thử nghiệm hiệu quả lâm sàng giai đoạn II trên người là một phác đồ "prime-boost" dựa trên vector virus, được thiết kế để kích hoạt phản ứng của tế bào T CD4 và tế bào T CD8 đặc hiệu với virus. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều điều chưa rõ ràng về vai trò của tế bào T trong việc kiểm soát HCV cấp tính, lý do tại sao chúng có xu hướng thất bại, và liệu việc kích hoạt chúng thông qua vaccine có thể ngăn chặn nhiễm virus mãn tính hay không. Giải quyết những câu hỏi cơ bản này đã gặp vô vàn khó khăn do thiếu các mô hình động vật HCV phù hợp.

1.1. Bức Tranh Toàn Cảnh Về Đại Dịch Virus Viêm Gan C Toàn Cầu

Đại dịch virus viêm gan C (HCV) là một thách thức sức khỏe cộng đồng nghiêm trọng, với hàng triệu người trên thế giới đang phải vật lộn với các biến chứng nặng nề. Hậu quả của nhiễm HCV mãn tính bao gồm xơ gan, suy gan và ung thư gan, gây ra tỷ lệ tử vong đáng kể và gánh nặng kinh tế khổng lồ. Việc tìm kiếm các phương pháp điều trị và phòng ngừa hiệu quả vẫn đang được ưu tiên hàng đầu trong nghiên cứu y học toàn cầu. Sự hiểu biết sâu sắc về phản ứng miễn dịch tế bào T là chìa khóa để phát triển các chiến lược mới.

1.2. Thách Thức Nghiên Cứu Miễn Dịch Thích Ứng Trong Bối Cảnh HCV

Nghiên cứu miễn dịch thích ứng đối với virus viêm gan C gặp nhiều trở ngại, chủ yếu do thiếu các mô hình nghiên cứu phù hợp. Tinh tinh từng là loài động vật duy nhất ngoài con người có thể nhiễm HCV hoàn toàn, nhưng việc sử dụng chúng cho nghiên cứu đã bị hạn chế nghiêm ngặt. Các mô hình động vật HCV hiện tại, như chuột, thường bị suy giảm miễn dịch, làm cho chúng không phù hợp cho các nghiên cứu miễn dịch chi tiết. Điều này làm cản trở việc làm sáng tỏ cơ chế phản ứng miễn dịch tế bào T hiệu quả và thất bại trong bệnh HCV.

II. Thách Thức Lý Do Miễn Dịch Tế Bào T Thất Bại Trong HCV

Sự thất bại của miễn dịch tế bào T là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến nhiễm trùng mãn tính virus viêm gan C ở phần lớn bệnh nhân. Mặc dù cơ thể có thể tạo ra các phản ứng miễn dịch ban đầu, nhưng chúng thường không đủ mạnh hoặc không bền vững để loại bỏ hoàn toàn virus. Điều này đặt ra một câu hỏi cơ bản: tại sao tế bào T - những chiến binh chủ chốt của hệ miễn dịch - lại không thể kiểm soát hiệu quả virus viêm gan C? Để giải đáp thắc mắc này, các nhà nghiên cứu cần tìm hiểu sâu hơn về cả đặc tính của virus và phản ứng của vật chủ.

Một giả thuyết phổ biến cho rằng virus đã phát triển các cơ chế thoát miễn dịch tinh vi, cho phép nó né tránh sự nhận diện và tiêu diệt của tế bào T. Điều này có thể bao gồm việc đột biến các epitop quan trọng mà tế bào T CD8 nhận diện, làm giảm khả năng gắn kết với phức hợp tương thích mô chính (MHC) hoặc thay đổi khả năng xử lý kháng nguyên của tế bào trình diện kháng nguyên (APC). Bên cạnh đó, virus viêm gan C cũng có thể tạo ra một môi trường ức chế miễn dịch trong gan, làm suy yếu chức năng của tế bào T và thúc đẩy tình trạng cạn kiệt. Việc khám phá những cơ chế này là rất quan trọng để phát triển các chiến lược can thiệp miễn dịch hiệu quả hơn, bao gồm cả thiết kế vaccine viêm gan C có thể vượt qua các thách thức này.

2.1. Hạn Chế Của Mô Hình Động Vật HCV Hiện Tại

Việc thiếu một mô hình động vật HCV hoàn chỉnh, có khả năng tái tạo đầy đủ quá trình nhiễm trùng và phản ứng miễn dịch ở người, đã cản trở đáng kể nghiên cứu. Chuột, dù dễ tiếp cận, thường không có khả năng sao chép virus viêm gan C hiệu quả hoặc có hệ miễn dịch đã bị biến đổi, làm cho dữ liệu từ chúng khó có thể ngoại suy cho con người. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của các mô hình mới, phản ánh chính xác hơn các khía cạnh vi rút học và miễn dịch học của HCV, đặc biệt là vai trò của miễn dịch tế bào T.

2.2. Cơ Chế Thoát Miễn Dịch Của Virus Viêm Gan C

Virus viêm gan C đã phát triển nhiều cơ chế để trốn tránh hệ miễn dịch của vật chủ, góp phần vào sự dai dẳng của nhiễm trùng mãn tính. Các cơ chế này bao gồm khả năng đột biến nhanh chóng, tạo ra các biến thể kháng nguyên mà tế bào T không còn nhận diện được, hoặc làm suy giảm chức năng của các tế bào miễn dịch. Virus cũng có thể trực tiếp ức chế quá trình trình diện kháng nguyên, giảm sản xuất cytokine tiền viêm và thúc đẩy sự hình thành môi trường ức chế miễn dịch trong gan nhiễm virus, làm suy yếu hiệu quả của miễn dịch tế bào T.

III. Khám Phá Mô Hình Virus Viêm Gan C Mới RHV Trên Chuột Cống

Trong những năm gần đây, việc phát hiện ra một số loại virus tương đồng với HCV ở các vật chủ động vật đa dạng đã mở ra những khả năng mới cho việc mô hình hóa in vivo. Trong số này, hepacivirus gặm nhấm (RHV) được tìm thấy ở chuột cống Na Uy (Rattus norvegicus) được coi là hứa hẹn nhất. RHV chia sẻ các đặc điểm vi rút học quan trọng với HCV và đáng chú ý nhất là gây ra nhiễm trùng mãn tính ở gan nhiễm virus trên chuột cống thí nghiệm có hệ miễn dịch bình thường. Điều này cung cấp một cơ hội vàng để nghiên cứu miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C một cách toàn diện hơn.

RHV cung cấp một công cụ độc đáo để làm sáng tỏ tầm quan trọng của tế bào T trong quá trình nhiễm RHV ở chuột và xác định các cơ chế dẫn đến sự thất bại của chúng trong việc loại bỏ virus dai dẳng, cả trong bối cảnh tự nhiên và đã được tiêm chủng. Mục tiêu chính là vượt qua những hạn chế của các mô hình động vật HCV truyền thống bằng cách cung cấp một hệ thống thực nghiệm có khả năng tạo ra phản ứng miễn dịch thích ứng hoàn chỉnh, cho phép phân tích chi tiết các phản ứng của tế bào T CD4 và tế bào T CD8. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về sinh lý bệnh của RHV mà còn cung cấp những thông tin quan trọng để phát triển vaccine viêm gan C cho người, đặc biệt là trong việc ngăn chặn nhiễm trùng mãn tính.

3.1. RHV Bản Sao Quan Trọng Của Virus Viêm Gan C Trong Nghiên Cứu

Hepacivirus gặm nhấm (RHV) đại diện cho một bước đột phá trong nghiên cứu virus viêm gan C do những điểm tương đồng đáng kể của nó với HCV. RHV không chỉ chia sẻ các đặc điểm vi rút học quan trọng mà còn gây nhiễm trùng gan mãn tính ở chuột cống có hệ miễn dịch bình thường. Khả năng này làm cho RHV trở thành một mô hình động vật HCV lý tưởng để nghiên cứu sâu rộng về phản ứng miễn dịch tế bào T, đặc biệt là trong bối cảnh nhiễm trùng mãn tính, điều mà các mô hình chuột truyền thống không thể thực hiện được.

3.2. Vai Trò Miễn Dịch Tế Bào T CD4 Và Tế Bào T CD8 Trong Mô Hình RHV

Nghiên cứu sử dụng mô hình RHV đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về vai trò quan trọng của cả tế bào T CD4 và tế bào T CD8 trong việc kiểm soát nhiễm trùng. Tế bào T CD8 chịu trách nhiệm trực tiếp tiêu diệt các tế bào bị nhiễm virus, trong khi tế bào T CD4 đóng vai trò hỗ trợ, giúp kích hoạt và duy trì phản ứng của tế bào T CD8, cũng như hỗ trợ sản xuất kháng thể. Sự hiểu biết về cách hai loại tế bào này tương tác trong miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C là rất quan trọng để phát triển vaccine viêm gan C hiệu quả.

IV. Giải Pháp Vaccine Kích Hoạt Tế Bào T Chống HCV

Một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C là phát triển các chiến lược vaccine viêm gan C có khả năng kích hoạt và duy trì các phản ứng tế bào T mạnh mẽ, có khả năng bảo vệ. Bằng cách sử dụng vaccine adenovirus tái tổ hợp thể hiện các protein không cấu trúc của RHV làm công cụ thử nghiệm, các nghiên cứu đã chứng minh rằng tế bào T là một thành phần quan trọng của miễn dịch chống lại nhiễm trùng mãn tính. Việc tiêm chủng đã ngăn chặn sự dai dẳng của RHV ở hầu hết các động vật thí nghiệm, cung cấp bằng chứng trực tiếp về tiềm năng của các chiến lược vaccine dựa trên tế bào T.

Hơn nữa, việc loại bỏ tạm thời tế bào T CD8 hoặc tế bào T CD4 đã làm suy yếu khả năng bảo vệ miễn dịch, chứng tỏ sự hợp tác giữa hai loại tế bào này là cần thiết cho miễn dịch chống hepacivirus. Phát hiện này nhấn mạnh rằng một vaccine viêm gan C hiệu quả không chỉ cần kích hoạt tế bào T CD8 có khả năng gây độc mà còn phải thúc đẩy một phản ứng mạnh mẽ của tế bào T CD4 để hỗ trợ và duy trì các phản ứng này. Việc hiểu rõ bản chất và số phận của tế bào T CD8 đặc hiệu với RHV được tạo ra trong quá trình nhiễm trùng dai dẳng, cùng với việc xác định tải lượng virus sớm là yếu tố chính gây ra sự bất lực của chúng trong việc trung gian miễn dịch bảo vệ trong mô hình này, cung cấp những hiểu biết sâu sắc cho việc thiết kế vaccine trong tương lai. Các nghiên cứu này đang đặt nền móng cho việc phát triển một vaccine viêm gan C có khả năng kích hoạt miễn dịch thích ứng bền vững.

4.1. Vaccine Adenovirus Tái Tổ Hợp Công Cụ Nghiên Cứu Đắc Lực

Vaccine adenovirus tái tổ hợp đã chứng tỏ là một công cụ nghiên cứu mạnh mẽ trong việc khám phá miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C. Bằng cách biểu hiện các protein không cấu trúc của RHV, loại vaccine này có thể kích hoạt mạnh mẽ các phản ứng của tế bào T CD4 và tế bào T CD8 đặc hiệu với virus. Công nghệ này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát và đánh giá tác động của các phản ứng miễn dịch này đối với quá trình nhiễm trùng, từ đó cung cấp dữ liệu quan trọng để phát triển các loại vaccine viêm gan C tiềm năng cho người.

4.2. Khôi Phục Miễn Dịch Bảo Vệ Vai Trò Đồng Hợp Của CD4 và CD8

Nghiên cứu đã khẳng định rằng sự phối hợp giữa tế bào T CD4 và tế bào T CD8 là thiết yếu để khôi phục và duy trì miễn dịch bảo vệ chống lại hepacivirus. Trong khi tế bào T CD8 trực tiếp tiêu diệt các tế bào bị nhiễm, tế bào T CD4 lại cung cấp sự hỗ trợ quan trọng, bao gồm sản xuất cytokine và giúp tế bào T CD8 duy trì chức năng của chúng. Sự thiếu hụt một trong hai loại tế bào này có thể làm suy yếu đáng kể khả năng loại bỏ virus, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kích hoạt đồng thời cả hai loại tế bào trong bất kỳ chiến lược vaccine viêm gan C nào.

V. Phát Triển Mới Tối Ưu Miễn Dịch Tế Bào T Cho Vaccine Viêm Gan C

Các nghiên cứu gần đây về miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C đã mang lại những phát hiện đột phá, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa miễn dịch tế bào T để phát triển vaccine viêm gan C hiệu quả. Một trong những điểm nhấn là việc sử dụng chủng RHV chứa các đột biến thoát miễn dịch trong các epitop tế bào T CD8 nổi trội. Điều này đã làm nổi bật sự không khớp kháng nguyên như một yếu tố quyết định quan trọng đối với hiệu quả của vaccine RHV và tiết lộ các yếu tố tương quan với miễn dịch thành công đối với các chủng virus dị loại. Điều này có ý nghĩa sâu sắc đối với việc thiết kế vaccine HCV, nơi khả năng phản ứng với các biến thể virus khác nhau là rất quan trọng.

Một liều duy nhất vaccine adenovirus tái tổ hợp biểu hiện các protein không cấu trúc của hepacivirus đã tạo ra miễn dịch hiệu quả ở đa số chuột cống. Việc loại bỏ nhiễm trùng trùng hợp với phản ứng mạnh mẽ của tế bào trong gan. Tuy nhiên, sự lựa chọn vật chủ của các biến thể thoát khỏi tế bào T CD8 ở một con chuột cống đã làm suy yếu miễn dịch do vaccine tạo ra. Hơn nữa, việc loại bỏ tạm thời tế bào T CD8 từ chuột cống được tiêm vaccine đã kéo dài nhiễm trùng, trong khi việc loại bỏ tế bào T CD4 dẫn đến nhiễm virus huyết mãn tính. Những kết quả này cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng sự hợp tác giữa tế bào T CD4 và tế bào T CD8 là quan trọng đối với miễn dịch hepacivirus, và rằng việc ngăn chặn các phản ứng có thể được phòng ngừa bằng cách tiêm chủng dự phòng. Những phát hiện này mở đường cho việc phát triển một vaccine viêm gan C toàn diện, có khả năng đối phó với sự đa dạng di truyền của virus viêm gan C.

5.1. Tác Động Của Tải Lượng Virus Sớm Đến Tế Bào T CD8

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tải lượng virus sớm đóng vai trò then chốt trong việc định hình phản ứng của tế bào T CD8 trong mô hình RHV. Mức độ virus ban đầu cao có thể làm suy yếu khả năng của tế bào T CD8 trong việc trung gian miễn dịch bảo vệ, dẫn đến nhiễm trùng mãn tính. Sự hiểu biết này rất quan trọng để phát triển các chiến lược can thiệp sớm hoặc vaccine có khả năng kiểm soát virus từ giai đoạn đầu, từ đó tối ưu hóa phản ứng của miễn dịch tế bào T và ngăn chặn sự cạn kiệt của chúng.

5.2. Các Đột Biến Thoát Miễn Dịch Và Hiệu Quả Vaccine

Các đột biến thoát miễn dịch của virus là một thách thức lớn đối với việc phát triển vaccine viêm gan C. Mô hình RHV với các đột biến trong epitop tế bào T CD8 đã chứng minh rằng sự không khớp kháng nguyên có thể làm giảm đáng kể hiệu quả của vaccine. Để một vaccine viêm gan C thành công, nó cần phải kích hoạt phản ứng miễn dịch tế bào T có khả năng nhận diện và chống lại nhiều biến thể virus, giảm thiểu khả năng virus trốn tránh miễn dịch thông qua đột biến.

VI. Tổng Kết Miễn Dịch Tế Bào T Và Triển Vọng Vaccine Viêm Gan C

Nghiên cứu về miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các yếu tố quyết định miễn dịch thành công hoặc thất bại trong nhiễm hepacivirus. Các phát hiện cho thấy rằng miễn dịch tế bào T là một thành phần không thể thiếu của việc kiểm soát virus và phòng ngừa nhiễm trùng mãn tính. Đặc biệt, sự hợp tác giữa tế bào T CD4 và tế bào T CD8 được chứng minh là cực kỳ quan trọng đối với miễn dịch hepacivirus. Tế bào T CD4 không chỉ cung cấp tín hiệu hỗ trợ quan trọng cho tế bào T CD8 mà còn có thể trực tiếp tham gia vào việc loại bỏ virus.

Các nghiên cứu cũng đã làm nổi bật tầm quan trọng của việc giải quyết các cơ chế thoát miễn dịch của virus và tác động của tải lượng virus sớm đối với chức năng của tế bào T. Một trong những kết luận quan trọng là chiến lược tiêm chủng dự phòng có thể ngăn chặn sự suy yếu của các phản ứng miễn dịch, mang lại hy vọng lớn cho việc phát triển một vaccine viêm gan C hiệu quả. Trong tương lai, việc nghiên cứu RHV trên các nền tảng di truyền đa dạng hơn ở chuột cống có thể tiết lộ thêm những hiểu biết về các yếu tố vật chủ ảnh hưởng đến việc tạo ra và duy trì miễn dịch bảo vệ sau nhiễm trùng tự nhiên hoặc tiêm chủng. Những hiểu biết này sẽ rất cần thiết để thiết kế các liệu pháp và vaccine viêm gan C tiên tiến, nơi các chiến lược để duy trì hoặc phục hồi phản ứng tế bào T CD4 có khả năng là yếu tố thiết yếu cho sự thành công. Tổng thể, các bằng chứng này củng cố niềm tin vào tiềm năng của miễn dịch tế bào T như một trụ cột trong cuộc chiến chống lại virus viêm gan C.

6.1. Hợp Tác CD4 và CD8 Chìa Khóa Cho Miễn Dịch Hepacivirus

Vai trò đồng hợp giữa tế bào T CD4 và tế bào T CD8 là một yếu tố không thể thiếu cho miễn dịch hepacivirus hiệu quả. Tế bào T CD4 không chỉ giúp kích hoạt và duy trì tế bào T CD8 mà còn có thể thực hiện chức năng tiêu diệt trực tiếp. Khi một trong hai loại tế bào này bị suy giảm chức năng, khả năng kiểm soát virus của hệ miễn dịch bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Do đó, bất kỳ chiến lược vaccine viêm gan C nào cũng cần đảm bảo kích hoạt mạnh mẽ và duy trì bền vững cả hai quần thể miễn dịch tế bào T này.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mới Tối Ưu Miễn Dịch Tế Bào T Trên Đa Dạng Di Truyền

Tương lai của nghiên cứu miễn dịch tế bào T trong mô hình virus viêm gan C sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các phản ứng miễn dịch trên các cá thể có nền tảng di truyền đa dạng. Việc này sẽ giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố vật chủ ảnh hưởng đến khả năng tạo ra miễn dịch bảo vệ sau khi nhiễm bệnh tự nhiên hoặc tiêm chủng. Mục tiêu là phát triển vaccine viêm gan C có hiệu quả phổ rộng, vượt qua được sự khác biệt về di truyền giữa các quần thể, từ đó tạo ra tác động lớn hơn đến sức khỏe cộng đồng toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

T CELL IMMUNITY IN A SMALL ANIMAL SURROGATE OF HEPATITIS C VIRUS INFECTION DISSERTATION Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University By Alex Stephen Hartlage, BS Biomedical Sciences Graduate Program The Ohio State University 2020 Dissertation Committee: Amit Kapoor, PhD, Advisor Christopher M. Walker, PhD, Co-Advisor Arash Grakoui, PhD Mireia Guerau-de-Arellano, PhD Stefan Niewiesk, DVM, PhD Copyright by Alex Stephen Hartlage 2020 Abstract The hepatitis C virus (HCV) chronically infects 71 million people worldwide and is major cause of severe progressive liver diseases such as cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Persistence of HCV in most infected persons is thought to be a consequence of failed virus-specific T cell immunity. Indeed, the only HCV vaccine candidate to progress to phase II clinical efficacy testing in humans is a virally vectored prime-boost regimen designed to induce virus-specific CD4 and CD8 T cell responses.

However, there is still uncertainty about the role of T cells in acute HCV control, why they tend to fail, and whether their induction via vaccine could prevent virus chronicity. Addressing these fundamental questions has been exceedingly difficult in the absence of relevant HCV animal models. Chimpanzees, the only species besides humans fully permissive to HCV infection, are no longer available for research, and current mouse models are immune- compromised and therefore unsuitable for detailed immunological studies. In recent years, a number of closely-related viral homologs of HCV have been discovered in diverse animal hosts, opening new possibilities for in vivo modeling.

The most promising of these is a rodent hepacivirus (RHV) discovered in wild Norway rats (Rattus norvegicus). RHV shares important virological features with HCV and, most notably, causes chronic hepatotropic infections in immune- competent laboratory rats. The central objective of these studies was to elucidate the importance of T cells during rat RHV infection and to identify mechanisms leading to their failure to eliminate persistent virus, in both naïve and immunized contexts. Using a recombinant adenovirus vaccine expressing RHV non-structural proteins as an experimental tool, we demonstrate that T cells are a critical component of immunity to persistent infection.

Vaccination prevented RHV persistence in most animals and transient depletion of CD8 or CD4 T cells undermined protective immunity. We also describe the nature and fate of RHV-specific CD8 T cells induced during persistent infection and reveal early viral load as a key factor underlying their inability to mediate protective immunity in this model. Finally, using an RHV strain containing immune escape mutations within ii dominant CD8 T cell epitopes, we highlight antigen mismatch as an important determinant of RHV vaccine efficacy and reveal correlates of successful immunity to heterologous virus. Overall, our data provide direct evidence that T cells are vital for hepacivirus control and that vaccines that stimulate cellular immunity without parallel antibody induction can be effective in preventing virus persistence.

Furthermore, our studies highlight the ease and utility of rat RHV infection for investigating mechanisms of HCV immunity, persistence, and vaccine protection. iii To my family, friends, and all those without whom this work would not have been possible. My success is truly yours to share. iv Acknowledgements I am forever indebted to my graduate advisors Drs.

Kapoor and Walker who provided endless support and career guidance for me throughout my training. When I entered graduate school four years ago, I had a growing interesting in the science of vaccines and viral diseases but little experience within this field. Thank you both for sharing your knowledge and passion with me and helping me grow as an independent scientist and professional. The opportunity to pursue science with you has been forever life-changing.

From the bottom of my heart, thank you. Additionally, I would like to extend my deepest gratitude to my committee members Drs. Grakoui, Guerau, and Niewiesk for their thoughtful teachings and advice. Your friendly and kindhearted support has meant the world to me these past few years.

I must also acknowledge Dr. Victoria Velazquez for her unwavering encouragement and support during my training. Victoria, your dedication and patience with me has been a cornerstone of my graduate school success. I will forever remember the technical, scientific, and personal help you graciously provided me with during these past several years.

Thank you immensely for your lessons and time. And finally, thank you to my wonderful soon-to-be wife Kelsey for all her love and support and for giving my life meaning outside of science and medicine. You are my world. v Vita Born – Cincinnati, OH………………………………….

Biochemistry, The Ohio State University……………………………………….2010-2013 Medical Scientist Training Program, The Ohio State University………………………2014-present Publications Hartlage AS, Walker CM, Kapoor A. Priming of antiviral CD8 T cells without effector function by a persistently replicating hepatitis C-like virus. Hartlage AS, Srinivasa Murthy S, Kumar A, Trivedi S, Dravid P, Sharma H, Walker CM, Kapoor A. Vaccination to prevent T cell subversion can protect against persistent hepacivirus infection.

Kohnken R, Wen J, Mundy-Bosse B, McConnell K, Keiter A, Grinshpun L, Hartlage AS, Yano M, McNeil B, Chakravarti N, William B, Bradner J, Caligiuri MA, Porcu P, Mishra A. 2018 Diminished microRNA-29b level is associated with BRD4-mediated activation of oncogenes in cutaneous T- cell lymphoma. Trivedi S, Murthy S, Sharma H, Hartlage AS, Kumar A, Gadi S, Simmonds P, Chauhan LV, Scheel TKH, Billerbeck E, Burbelo PD, Rice CM, Lipkin WI, Vandergrift K, Cullen JM, Kapoor A. Viral persistence, liver disease and host response in Hepatitis C-like virus rat model.

Billerbeck, E, Wolfisberg R, Fahnoe U, Xiao JW, Quirk C, Luna JM, Cullen JM, Hartlage AS, Chiriboga L, Ghoshal K, Lipkin WI, Bukh J, Scheel TKH, Kapoor A, Rice CM. Mouse models of acute and chronic hepacivirus infection. Hartlage AS, Cullen JM, Kapoor A. The Strange, Expanding World of Animal Hepaciviruses.

Hartlage AS*, Liu T*, Patton JT, Garman SL, Lozanski G, Zhang X, Habibe K, Losanski G, Lustberg ME, Caligiuri MA, and Baiocchi RA. The Epstein-Barr virus lytic protein BZLF1 as a candidate target antigen for vaccine development. *equal co-authorship Briercheck EL, Trotta RT, Chen L, Hartlage AS, Cole JP, Cole TD, Mao C, Banerjee PP, Hsu HT, Mace EM, Ciarlariello D, Mundy-Bosse BL, Garcia-Cao I, Yu L, Pilarsky R, Yu J, Leone G, Pandolfi PP, Orange JS, and Caligiuri MA. PTEN is a negative regulator of natural killer cell cytolytic function.

vi Fields of Study Major Field: Biomedical Sciences Graduate Program Area of emphasis: Immunology vii Table of Contents Abstract……………………………………………………………………………………………….……vi List of Tables…………………………………………………………………………….ix List of Figures………………………………………………………………………………….x Chapter 1: Introduction – Background and Objectives……………………………………….………1 Chapter 2: Vaccine prevention of hepacivirus persistence………………………………….16 Chapter 3: Antiviral CD8 T cell dysfunction and response to antiviral treatment……………….49 Chapter 4: Vaccine mismatch and CD8 T cell escape……….80 Chapter 5: Identification of a novel Rano-A allele………………………………………………….107 Chapter 6: Final discussion and conclusion………………………………………….122 viii List of Tables Table 2. PCR primer sequences…………………………………………………………………. RHV core class II epitopes……………………………………………………………. RHV primer sequences………………………………………………………………….

RHV class I and II epitopes………………………………………………………. NS5B polymerase mutations associated with Sofosbuvir resistance……………. RHV primer sequences……………………………………………………………. RHV class I and II epitopes………………………………………………………….……106 ix List of Figures Figure 2.

Functional profile of RHV-specific T cells after infection…………………………. Breadth of core-specific CD4+ T cell response……………………………………. Direct tetramer staining of RHV-specific CD8+ T cells after infection…………………39 Figure 2. Immunogenicity of Ad-NSmut and characterization of vaccine-elicited T cell repertoire…………………………………………………………………………………………………40 Figure 2.

T cell immunization confers partial protection against RHV infection…………. Class I epitope evolution in vaccinated rat R558……………………. Vaccine-induced T cell responses after RHV challenge……………. T cell responses in Ad-null vaccinated rats after challenge………………….

Impact of CD8 T cell depletion upon vaccine efficacy…………………. Impact of CD4 T cell depletion upon vaccine efficacy……………………. Identification of novel RHV class I epitopes………………………………. Early expansion of intrahepatic CD8 T cells targeting RHV after infection……………69 Figure 3.

RHV-specific CD8 T cells fail to produce effector cytokines……………………………70 Figure 3. RHV-specific CD4 T cell cytokine responses after infection……………………………72 Figure 3. Phenotypic differentiation of RHV-specific CD8 T cells…………………………………73 Figure 3. Early DAA treatment partially ameliorates RHV-specific CD8 T cell dysfunction….

Evolution of R558 immune escape variants………………………………………. Evolution of RHV polyprotein in vaccinated rat R558………………………………. Stability of R558 escape mutations after passage into naïve rats……………. Vaccine efficacy against wild-type versus escape virus………………………….

T cell responses and viral evolution in infection non-resolvers………………………. RHV-specific T cell responses after clearance or persistence of escape virus. Secondary immunity to escape virus after clearance of wild-type RHV infection. Evolutionary divergence of Rano-AHz………………………………………………….110 xi CHAPTER 1 Introduction – Background and Objectives 1.1 Overview of hepatitis C virus infection and treatment: the need for a vaccine Chronic infections by the hepatitis C virus (HCV), a bloodborne RNA hepacivirus of the Flaviviridae family, are a primary cause of severe progressive liver diseases and a major public health threat.

Approximately 71 million people are infected worldwide and at least 400,000 die annually from HCV-related liver complications, including cirrhosis, end-stage liver disease, and hepatocellular carcinoma(1, 2). Within the United States, HCV is the leading cause of death by an infectious pathogen, exceeding that of HIV and tuberculosis combined, and transmission is increasing due to rising injection drug abuse fueled by an ongoing opioid epidemic(3, 4). For over two decades since the virus’ discovery in 1989 as the primary cause of transfusion- acquired non-A, non-B hepatitis(5), standard-of-care HCV treatment consisted of combination pegylated interferon-a plus ribavirin, a regimen which yielded sustained virologic cure in approximately 50% of adherent patients but was often accompanied by severe, sometimes dangerous, side effects(6, 7). In 2011 the first direct-acting antivirals (DAAs), targeting the HCV protease, were approved for clinical treatment.

These agents elevated treatment success when combined with interferon-based therapy but were still suboptimal and associated with unwanted side effects(8, 9). Subsequent development of newer DAAs, targeting additional viral proteins critical for the HCV lifecycle, has revolutionized HCV therapy, allowing for an all-oral, interferon- free regimen that safely achieves cure in >95% of treated individuals after only 8 weeks of therapy(10, 11). 1 Because of the remarkable efficacy and safety profile of DAA treatment, the World Health Organization has now set a target for HCV elimination by 2030(1). Indeed, progression of HCV- associated liver complications often takes years to decades to develop(2) and termination of HCV infection via therapy substantially reduces the risk of liver-related mortality and disease(12, 13).

Thus, intervening with these agents represents a conceptually plausible strategy to reduce, and possibly even eradicate, HCV-related disease(14). However, significant barriers to HCV treatment remain that are likely to hinder global elimination efforts. These include the high cost of antiviral therapy, risk for DAA resistance, insufficient infection surveillance programs, and poor treatment adherence within difficult-to-treat patient groups(11, 15). Additionally, individuals cured by DAA therapy remain immunologically susceptible to HCV reinfection(16, 17), which will likely complicate elimination of the virus from high-risk populations such as injection drug users.

Thus, there is a growing belief that a preventive vaccine, effective in HCV-naïve and/or DAA-cured individuals, will ultimately be needed to help curb HCV transmission and achieve global elimination goals(11, 14, 18). Since acute HCV is rarely symptomatic and disease development is only observed in the chronic phase of infection, an effective HCV vaccine would need only to reduce or eliminate progression to lifelong HCV persistence. However, despite over thirty years of sustained research efforts, a vaccine is still unavailable and development is progressing at a disappointingly slow pace.2 Feasibility of an HCV vaccine Several lines of evidence highlight the feasibility of an HCV vaccine. First, during the acute of phase of infection, initial control of HCV viremia coincides with the appearance of virus-specific B and T cell responses in blood(19-21).

Long-term maintenance of these responses, particularly CD4 T cell help, is strongly correlated with spontaneous resolution of infection(22-25), which occurs in approximately 30% of HCV-naïve individuals. Second, natural clearance of HCV 2 infection generates long-lived immunity that significantly reduces the risk of HCV chronicity upon re-infection, including occasionally against heterologous strains(26, 27). Indeed, prospective studies of injection drug users demonstrated a 60% reduction in rate of HCV persistence during secondary infection of those that resolved prior infection(28, 29).