A Comprehensive Molecular Epidemiological Analysis of HIV-1 in Cyprus: Unraveling the Complexity of Transmission Dynamics, Transmitted Drug Resistance, and Novel Circulating Recombinant Forms

Abstract

The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) epidemic has been a major public health threat on a global scale since the early 1980s. Despite the introduction of combination antiretroviral therapy (cART), the incidence of new HIV-1 infections has continued to rise to this day. Thus, with the continuous transmission of HIV-1 and the lack of a cure, it is imperative for molecular epidemiological studies to be performed, in order to monitor the infection and ultimately be able to control the spread of this virus. This thesis provides a comprehensive molecular epidemiological analysis of the HIV-1 infection in Cyprus, through examining 305 HIV-1 sequences collected between March 9, 2017, and October 14, 2021. Employing advanced statistical and bioinformatic techniques, the research delved deeply into understanding the transmission dynamics of the HIV-1 epidemic in Cyprus, as well as monitoring of HIV-1 genetic diversity and surveillance of transmitted drug resistance. The characterization of Cyprus's HIV-1 epidemic revealed a diverse landscape, comprising 21 HIV-1 group M pure subtypes and circulating recombinant forms (CRFs), alongside numerous uncharacterized recombinant strains. Subtypes A1 and B emerged as the most prevalent strains, followed by CRF02_AG. The findings of the thesis also revealed high levels of transmitted drug resistance (TDR) patterns, raising concerns for the efficacy of cART. The demographic profile of individuals involved in HIV-1 transmission underscored the disproportionate burden borne by young to middle-aged Cypriot males, particularly those in the MSM community, who reported being infected in Cyprus. Assessment of the spatiotemporal evolutionary dynamics illustrated the global interconnectedness of HIV-1 transmission networks, implicating five continents in the dissemination of strains within Cyprus: Europe, Africa, Asia, North America, and Oceania. The thesis also included the development and evaluation of novel methodologies, HIV-1 pol RT–PCR and near-full-length HIV-1 genome RT–PCR assays, and the implementation of state-of-the-art visualization analytics for near-real-time detection of cohorts at substantial risk of HIV-1 infection, which were instrumental in addressing the HIV-1 epidemic. Additionally, the identification and characterization of five novel HIV-1 CRFs, CRF91_cpx, CRF129_56G, CRF130_A1B, CRF131_A1B, and CRF138_cpx, and two unique recombinant forms (URFs) underscore the dynamic nature of HIV-1 evolution in Cyprus. Overall, this thesis advances comprehension of the HIV-1 epidemic in Cyprus and highlights the importance of understanding HIV-1 transmission dynamics through continuous surveillance efforts. Furthermore, this work emphasizes the critical role of innovative methodologies and technologies in addressing the challenges posed by HIV-1 transmission globally, laying the groundwork for targeted public health interventions aimed at curbing its spread and improving patient outcomes.

Η επιδημία του ιού της ανοσοανεπάρκειας του ανθρώπου τύπου 1 (HIV-1) αποτελεί μια μείζονα δημόσια υγειονομική απειλή παγκοσμίως από τις αρχές της δεκαετίας του 1980. Παρά την εφαρμογή της συνδυασμένης αντιρετροϊκής θεραπείας (cART), οι νέες μολύνσεις HIV-1 συνεχίζουν να αυξάνονται έως και σήμερα. Ως εκ τούτου, δεδομένης της συνεχούς μετάδοσης του HIV-1 και της απουσίας οριστικής θεραπείας, είναι κρίσιμο να διεξάγονται μοριακές επιδημιολογικές μελέτες για την παρακολούθηση της μόλυνσης και για τον έλεγχο της εξάπλωσης του ιού. Αυτή η διατριβή παρέχει μια περιεκτική μοριακή επιδημιολογική ανάλυση της λοίμωξης HIV-1 στην Κύπρο, μέσω της εξέτασης 305 αλληλουχιών HIV-1 που συλλέχθηκαν από τις 9 Μαρτίου 2017 έως τις 14 Οκτωβρίου 2021. Χρησιμοποιώντας προηγμένες μεθόδους στατιστικής και βιοπληροφορικής, η έρευνα αυτή ενίσχυσε την κατανόηση των δυναμικών μετάδοσης της επιδημίας HIV-1 στην Κύπρο, καθώς και την ανάλυση της γενετικής ποικιλομορφίας και την επιτήρηση της αντίστασης στα αντιρετροϊκά φάρμακα. Η μελέτη της κυπριακής επιδημίας HIV-1 αποκάλυψε ένα ποικίλο τοπίο, που περιλαμβάνει 21 αμιγείς υποτύπους της ομάδας M και κυκλοφορούσες ανασυνδυασμένες μορφές (CRFs) του HIV-1, μαζί με αρκετά αχαρακτήριστα ανασυνδυασμένα στελέχη. Οι υποτύποι A1 και B αναδείχθηκαν ως τα πιο διαδεδομένα στελέχη, ακολουθούμενοι από το CRF02_AG. Τα ευρήματα της διατριβής αποκάλυψαν επίσης υψηλά επίπεδα μεταδιδόμενης αντίστασης στα φάρμακα (TDR), γεγονός που προκαλεί ανησυχίες για την αποτελεσματικότητα της cART. Το δημογραφικό προφίλ των ατόμων που εμπλέκονται στη μετάδοση του HIV-1 δείχνει ότι οι νεαροί έως μεσήλικες Κύπριοι άνδρες, ιδίως αυτοί από την κοινότητα MSM, αποτελούν την πλειονότητα των κρουσμάτων, οι οποίοι ανέφεραν ότι μολύνθηκαν στην Κύπρο. Η ανάλυση της χωρο-χρονικής εξελικτικής δυναμικής αποκάλυψε την παγκόσμια διασύνδεση των δικτύων μετάδοσης του HIV-1, εμπλέκοντας πέντε ηπείρους στη διάδοση των στελεχών εντός της Κύπρου. Τα στελέχη αυτά μεταφέρονται και κυκλοφορούν εντός της Ευρώπης, της Αφρικής, της Ασίας, της Βόρειας Αμερικής και της Ωκεανίας. Η διατριβή περιλαμβάνει επίσης την ανάπτυξη και αξιολόγηση νέων μεθοδολογιών RT–PCR του γονιδίου pol και για το σχεδόν πλήρες γονιδιώμα του HIV-1, καθώς και την εφαρμογή προηγμένων τεχνικών οπτικοποίησης δεδομένων για την άμεση ανίχνευση ομάδων με σημαντικό κίνδυνο μόλυνσης από HIV-1, που ήταν καθοριστικές στην αντιμετώπιση της επιδημίας HIV-1. Επιπλέον, η ταυτοποίηση και χαρακτηρισμός πέντε νέων HIV-1 CRFs, CRF91_cpx, CRF129_56G, CRF130_A1B, CRF131_A1B, και CRF138_cpx, καθώς και δύο μοναδικές ανασυνδυασμένες μορφές (URFs), τονίζουν τη δυναμική φύση της εξέλιξης του HIV-1 στην Κύπρο. Συνολικά, αυτή η διατριβή βελτιώνει την κατανόηση της επιδημίας του HIV-1 στην Κύπρο και τονίζει τη σημασία της κατανόησης των δυναμικών μετάδοσης του HIV-1 μέσω συνεχών προσπαθειών επιτήρησης. Επιπλέον, αυτή η εργασία επισημαίνει τον κρίσιμο ρόλο των καινοτόμων μεθοδολογιών και τεχνολογιών στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που παρουσιάζει η παγκόσμια μετάδοση του HIV-1, θέτοντας τις βάσεις για στοχευμένες δημόσιες υγειονομικές παρεμβάσεις με στόχο τον περιορισμό της εξάπλωσής του και τη βελτίωση της κλινικής πορείας των ασθενών.