Determining and utilizing the quasispecies of the hepatitis B virus in clinical applications

Abstract

Chronic hepatitis B caused by infection with the hepatitis B virus (HBV) affects about 240 million people worldwide and is one of the major causes of severe liver cirrhosis and liver cancer. Hepatitis B treatment options have improved dramatically in the last decade. Effective direct-acting antiviral drugs, so-called nucleos(t)ide analogs, and one effective immunomodulatory drug (pegylated interferon alpha-2a) are available presently. Current challenges for treating HBV involve the careful selection of patients who require therapy and the thoughtful choice of the treatment option tailored to each patient individually. Personalized medicine aims to optimize treatment decisions based on the analysis of host factors and virus characteristics. The population of viruses within a host is called the viral quasispecies. This thesis provides statistical methods to infer relevant information about the viral quasispecies of HBV to support treatment decisions. We introduce a new genotyping methodology to identify dual infections, which can help to quantify the risk of interferon therapy failure. We present a method to infer short-range linkage information from Sanger sequencing chromatograms, a method to support treatment adjustment after the development of resistance to nucleos(t)ide analogs. Additionally, we provide the first full-genome analysis of the G-to-A hypermutation patterns of the HBV genome. Hypermutated viral genomes form a subpopulation of the quasispecies caused by proteins of the human innate immune system editing the genome of exogenous viral agents. We show that hypermutation is associated with the natural progression of hepatitis B, but does not correlate with treatment response to interferon.

Die Hepatitis-B-Erkrankung wird durch eine Infektion mit dem Hepatitis-B-Virus (HBV) verursacht. Weltweit sind schätzungsweise 240 Millionen Menschen chronisch infiziert. Dabei stellt Hepatitis-B eine der häufigsten Ursachen für die Entwicklung von Leberzirrhose und Leberkrebs dar. Die Behandlungsmöglichkeiten wurden in den letzten zehn Jahren signifikant verbessert. Mittlerweile stehen effektive direkt antivirale Medikamente – sogenannte Nukleos(t)id-Analoga – und ein effektives immunmodulierendes Medikament (pegyliertes Interferon alpha-2a) für die Behandlung zur Verfügung. Zentrale Fragen bei der Behandlung von Hepatitis-B beinhalten die zielgerichtete Auswahl der Patienten, welche therapiert werden müssen, sowie die passgenaue Auswahl der Behandlungsoption. Die personalisierte Medizin verfolgt das Ziel, die Behandlung basierend auf der Analyse von Patientencharakteristika und Eigenschaften des Virus zu optimieren. Die Gesamtheit der Viren innerhalb eines Wirtes wird als virale Quasispezies bezeichnet. Diese Arbeit stellt statistische Methoden zur Verfügung, um relevante Informationen über die Quasispezies von HBV zur Unterstützung von Therapieentscheidungen zu ermitteln. Wir entwickeln eine neue Methode zur Genotypisierung, welche Zweifachinfektionen mit HBV identifiziert und somit hilfreich sein kann, das Risiko eines Therapieversagens einer Interferonbehandlung korrekt einzuschätzen. Des Weiteren stellen wir eine Methode vor, welche Linkage-Informationen der viralen Quasispezies, basierend auf den Chromatogrammen der DNA-Sequenzierung nach Sanger, extrahieren kann. Diese Methode kann bei der Umstellung einer Therapie mit Nukleos(t)id-Analoga nach Resistenzentwicklung verwendet werden. Schließlich präsentieren wir die erste Vollgenomanalyse der G-zu-A Hypermutationsmuster von HBV. Hypermutierte virale Genome stellen eine Teilmenge der Quasispezies dar, welche durch von Proteinen der angeborenen Immunabwehr bewirkte Mutationen im viralen Genom entsteht. Wir zeigen, dass diese Subpopulation mit dem natürlichen Verlauf einer Hepatitis-B-Erkrankung, jedoch nicht mit dem Therapieansprechen auf Interferon, statistisch signifikant assoziiert werden kann.