Potential use of serum HBV RNA in antiviral therapy for chronic hepatitis B in the era of nucleos(t)ide analogs

Abstract

Although the efficacy of nucleos(t)ide analogue (NA) has been confirmed for treatment of chronic hepatitis B, long-term therapy has been recommended due to the high frequency of off-therapy viral DNA rebound and disease relapse. In this review, the RNA virion-like particles of hepatitis B virus (HBV) are integrated into the life cycle of HBV replication, and the potential significance of serum HBV RNA is systematically described. The production of HBV RNA virion-like particles should not be blocked by NA; in this regard, serum HBV RNA is found to be a suitable surrogate marker for the activity of intrahepatic covalently closed circular DNA (cccDNA), particularly among patients receiving NA therapy. Therefore, the concept of virological response is redefined as persistent loss of serum HBV DNA and HBV RNA. In contrast to hepatitis B surface antigen (HBsAg) that can originate from either the cccDNA or the integrated HBV DNA fragment, serum HBV RNA, with pregenomic RNA origination, can only be transcribed from cccDNA. Therefore, the loss of serum HBV RNA would likely be a promising predicator for safe drug discontinuation. The clinical status of consistent loss of serum HBV RNA accompanied with low serum HBsAg levels might be implicated as a “para-functional cure,” a status nearly close to the functional cure of chronic hepatitis B, to distinguish the “functional cure” characterized as serum HBsAg loss with or without anti-HBs seroconversion.

Keywords

chronic hepatitis B / serum HBV RNA / nucleos(t)ide analogs / virological response / para-functional cure

References

[1] Trépo C, Chan HL, Lok A. Hepatitis B virus infection. Lancet 2014; 384(9959): 2053–2063

[2] WHO guidelines for the prevention, care and treatment of persons with chronic hepatitis B infection. Geneva: World Health Organization, 2015. Available from: URL: http://www.who.int/hepatitis/publications/hepatitis-b-guidelines-policy

[3] Lu FM, Zhuang H. Management of hepatitis B in China. Chin Med J (Engl) 2009; 122(1): 3–4

[4] Petersen J, Thompson AJ, Levrero M. Aiming for cure in HBV and HDV infection. J Hepatol 2016; 65(4): 835–848

[5] Lau GK, Piratvisuth T, Luo KX, Marcellin P, Thongsawat S, Cooksley G, Gane E, Fried MW, Chow WC, Paik SW, Chang WY, Berg T, Flisiak R, McCloud P, Pluck N; Peginterferon Alfa-2a HBeAg-Positive Chronic Hepatitis B Study Group. Peginterferon Alfa-2a, lamivudine, and the combination for HBeAg-positive chronic hepatitis B. N Engl J Med 2005; 352(26): 2682–2695

[6] Wei L, Kao JH. Benefits of long-term therapy with nucleos(t)ide analogues in treatment-naïve patients with chronic hepatitis B. Curr Med Res Opin 2017; 33(3): 495–504

[7] Sarin SK, Kumar M, Lau GK, Abbas Z, Chan HL, Chen CJ, Chen DS, Chen HL, Chen PJ, Chien RN, Dokmeci AK, Gane E, Hou JL, Jafri W, Jia J, Kim JH, Lai CL, Lee HC, Lim SG, Liu CJ, Locarnini S, Al Mahtab M, Mohamed R, Omata M, Park J, Piratvisuth T, Sharma BC, Sollano J, Wang FS, Wei L, Yuen MF, Zheng SS, Kao JH. Asian-Pacific clinical practice guidelines on the management of hepatitis B: a 2015 update. Hepatol Int 2016; 10(1): 1–98

[8] Lampertico P, Agarwal K, Berg T, Buti M, Janssen HLA, Papatheodoridis G, Zoulim F, Tacke F; European Association for the Study of the Liver. EASL 2017 Clinical Practice Guidelines on the management of hepatitis B virus infection. J Hepatol 2017; 67(2): 370–398

[9] Terrault NA, Bzowej NH, Chang KM, Hwang JP, Jonas MM, Murad MH; American Association for the Study of Liver Diseases.AASLD guidelines for treatment of chronic hepatitis B. Hepatology 2016; 63(1): 261–283

[10] Chinese Society of Infectious Diseases, Chinese Medical Association; Hou JL, wei L. The guideline of prevention and treatment for chronic hepatitis B: a 2015 update. Chin J Hepatol (Zhonghua Gan Zang Bing Za Zhi) 2015; 23(12): 888–905 (in Chinese)

[11] Jansen L, Kootstra NA, van Dort KA, Takkenberg RB, Reesink HW, Zaaijer HL. Hepatitis B virus pregenomic RNA is present in virions in plasma and is associated with a response to pegylated interferon alfa-2a and nucleos(t)ide analogues. J Infect Dis 2016; 213(2): 224–232

[12] Wang J, Shen T, Huang X, Kumar GR, Chen X, Zeng Z, Zhang R, Chen R, Li T, Zhang T, Yuan Q, Li PC, Huang Q, Colonno R, Jia J, Hou J, McCrae MA, Gao Z, Ren H, Xia N, Zhuang H, Lu F. Serum hepatitis B virus RNA is encapsidated pregenome RNA that may be associated with persistence of viral infection and rebound. J Hepatol 2016; 65(4): 700–710

[13] Köck J, Theilmann L, Galle P, Schlicht HJ. Hepatitis B virus nucleic acids associated with human peripheral blood mononuclear cells do not originate from replicating virus. Hepatology 1996; 23(3): 405–413 (PubMed: 8617418)

[14] Rokuhara A, Matsumoto A, Tanaka E, Umemura T, Yoshizawa K, Kimura T, Maki N, Kiyosawa K. Hepatitis B virus RNA is measurable in serum and can be a new marker for monitoring lamivudine therapy. J Gastroenterol 2006; 41(8): 785–790

[15] Huang YW, Chayama K, Tsuge M, Takahashi S, Hatakeyama T, Abe H, Hu JT, Liu CJ, Lai MY, Chen DS, Yang SS, Kao JH. Differential effects of interferon and lamivudine on serum HBV RNA inhibition in patients with chronic hepatitis B. Antivir Ther 2010; 15(2): 177–184

[16] Huang YW, Takahashi S, Tsuge M, Chen CL, Wang TC, Abe H, Hu JT, Chen DS, Yang SS, Chayama K, Kao JH. On-treatment low serum HBV RNA level predicts initial virological response in chronic hepatitis B patients receiving nucleoside analogue therapy. Antivir Ther 2015; 20(4): 369–375

[17] van Bömmel F, Bartens A, Mysickova A, Hofmann J, Krüger DH, Berg T, Edelmann A. Serum hepatitis B virus RNA levels as an early predictor of hepatitis B envelope antigen seroconversion during treatment with polymerase inhibitors. Hepatology 2015; 61(1): 66–76

[18] Tsuge M, Chayama K. Availability of monitoring serum HBV DNA plus RNA during nucleot(s)ide analogue therapy. J Gastroenterol 2013; 48(6): 779–780

[19] Hatakeyama T, Noguchi C, Hiraga N, Mori N, Tsuge M, Imamura M, Takahashi S, Kawakami Y, Fujimoto Y, Ochi H, Abe H, Maekawa T, Kawakami H, Yatsuji H, Aisaka Y, Kohno H, Aimitsu S, Chayama K. Serum HBV RNA is a predictor of early emergence of the YMDD mutant in patients treated with lamivudine. Hepatology 2007; 45(5): 1179–1186

[20] Tsuge M, Murakami E, Imamura M, Abe H, Miki D, Hiraga N, Takahashi S, Ochi H, Nelson Hayes C, Ginba H, Matsuyama K, Kawakami H, Chayama K. Serum HBV RNA and HBeAg are useful markers for the safe discontinuation of nucleotide analogue treatments in chronic hepatitis B patients. J Gastroenterol 2013; 48(10): 1188–1204

[21] Summers J, O’Connell A, Millman I. Genome of hepatitis B virus: restriction enzyme cleavage and structure of DNA extracted from Dane particles. Proc Natl Acad Sci USA 1975; 72(11): 4597–4601

[22] Yan H, Zhong G, Xu G, He W, Jing Z, Gao Z, Huang Y, Qi Y, Peng B, Wang H, Fu L, Song M, Chen P, Gao W, Ren B, Sun Y, Cai T, Feng X, Sui J, Li W. Sodium taurocholate cotransporting polypeptide is a functional receptor for human hepatitis B and D virus. eLife 2012; 1: e00049

[23] Sureau C, Salisse J. A conformational heparan sulfate binding site essential to infectivity overlaps with the conserved hepatitis B virus a-determinant. Hepatology 2013; 57(3): 985–994

[24] Cornberg M, Wong VW, Locarnini S, Brunetto M, Janssen HL, Chan HL. The role of quantitative hepatitis B surface antigen revisited. J Hepatol 2017; 66(2): 398–411

[25] Yang HC, Kao JH. Persistence of hepatitis B virus covalently closed circular DNA in hepatocytes: molecular mechanisms and clinical significance. Emerg Microbes Infect 2014; 3(9): e64

[26] Tuttleman JS, Pourcel C, Summers J. Formation of the pool of covalently closed circular viral DNA in hepadnavirus-infected cells. Cell 1986; 47(3): 451–460

[27] Zhang YY, Zhang BH, Theele D, Litwin S, Toll E, Summers J. Single-cell analysis of covalently closed circular DNA copy numbers in a hepadnavirus-infected liver. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100(21): 12372–12377

[28] Yang W, Summers J. Illegitimate replication of linear hepadnavirus DNA through nonhomologous recombination. J Virol 1995; 69(7): 4029–4036

[29] Bill CA, Summers J. Genomic DNA double-strand breaks are targets for hepadnaviral DNA integration. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101(30): 11135–11140

[30] Li X, Zhang J, Yang Z, Kang J, Jiang S, Zhang T, Chen T, Li M, Lv Q, Chen X, McCrae MA, Zhuang H, Lu F. The function of targeted host genes determines the oncogenicity of HBV integration in hepatocellular carcinoma. J Hepatol 2014; 60(5): 975–984

[31] Wang HP, Rogler CE. Topoisomerase I-mediated integration of hepadnavirus DNA in vitro. J Virol 1991; 65(5): 2381–2392

[32] Mason WS, Gill US, Litwin S, Zhou Y, Peri S, Pop O, Hong ML, Naik S, Quaglia A, Bertoletti A, Kennedy PT. HBV DNA integration and clonal hepatocyte expansion in chronic hepatitis B patients considered immune tolerant. Gastroenterology 2016; 151(5): 986–998.e4

[33] Rivkina MB, Lunin VG, Mahov AM, Tikchonenko TI, Kukain RA. Nucleotide sequence of integrated hepatitis B virus DNA and human flanking regions in the genome of the PLC/PRF/5 cell line. Gene 1988; 64(2): 285–296

[34] Kaplan PM, Ford EC, Purcell RH, Gerin JL. Demonstration of subpopulations of Dane particles. J Virol 1976; 17(3): 885–893

[35] Sakamoto Y, Yamada G, Mizuno M, Nishihara T, Kinoyama S, Kobayashi T, Takahashi T, Nagashima H. Full and empty particles of hepatitis B virus in hepatocytes from patients with HBsAg-positive chronic active hepatitis. Lab Invest 1983; 48(6): 678–682

[36] Ning X, Nguyen D, Mentzer L, Adams C, Lee H, Ashley R, Hafenstein S, Hu J. Secretion of genome-free hepatitis B virus—single strand blocking model for virion morphogenesis of para-retrovirus. PLoS Pathog 2011; 7(9): e1002255

[37] Luckenbaugh L, Kitrinos KM, Delaney WE 4th, Hu J. Genome-free hepatitis B virion levels in patient sera as a potential marker to monitor response to antiviral therapy. J Viral Hepat 2015; 22(6): 561–570

[38] Littlejohn M, Locarnini S, Yuen L. Origins and evolution of hepatitis B virus and hepatitis D virus. Cold Spring Harb Perspect Med 2016; 6(1): a021360

[39] Huang CR, Lo SJ. Hepatitis D virus infection, replication and cross-talk with the hepatitis B virus. World J Gastroenterol 2014; 20(40): 14589–14597

[40] Li M, Hongyan C, Huaxing Z, Wei L, Daru L. Locked nucleic acid couples with Fok I nucleases to target and cleave hepatitis B virus’s gene in vitro. Yi Chuan 2016; 38(4): 350–359

[41] Zhu Y, Yamamoto T, Cullen J, Saputelli J, Aldrich CE, Miller DS, Litwin S, Furman PA, Jilbert AR, Mason WS. Kinetics of hepadnavirus loss from the liver during inhibition of viral DNA synthesis. J Virol 2001; 75(1): 311–322

[42] Dandri M, Locarnini S. New insight in the pathobiology of hepatitis B virus infection. Gut 2012; 61(Suppl 1): i6–i17

[43] Nguyen T, Locarnini S. Hepatitis: monitoring drug therapy for hepatitis B—a global challenge? Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2009; 6(10): 565–567

[44] Werle-Lapostolle B, Bowden S, Locarnini S, Wursthorn K, Petersen J, Lau G, Trepo C, Marcellin P, Goodman Z, Delaney WE 4th, Xiong S, Brosgart CL, Chen SS, Gibbs CS, Zoulim F. Persistence of cccDNA during the natural history of chronic hepatitis B and decline during adefovir dipivoxil therapy. Gastroenterology 2004; 126(7): 1750–1758

[45] Wong DK, Yuen MF, Ngai VW, Fung J, Lai CL. One-year entecavir or lamivudine therapy results in reduction of hepatitis B virus intrahepatic covalently closed circular DNA levels. Antivir Ther 2006; 11(7): 909–916

[46] Wursthorn K, Lutgehetmann M, Dandri M, Volz T, Buggisch P, Zollner B, Longerich T, Schirmacher P, Metzler F, Zankel M, Fischer C, Currie G, Brosgart C, Petersen J. Peginterferon alpha-2b plus adefovir induce strong cccDNA decline and HBsAg reduction in patients with chronic hepatitis B. Hepatology 2006; 44(3): 675–684

[47] Durantel D, Zoulim F. New antiviral targets for innovative treatment concepts for hepatitis B virus and hepatitis delta virus. J Hepatol 2016; 64(1 Suppl): S117–S131

[48] Nassal M. HBV cccDNA: viral persistence reservoir and key obstacle for a cure of chronic hepatitis B. Gut 2015; 64(12): 1972–1984

[49] Petersen J, Thompson AJ, Levrero M. Aiming for cure in HBV and HDV infection. J Hepatol 2016; 65(4): 835–848

[50] Yip TC, Wong VW, Tse YK, Chan HL, Wong GL. Hepatitis B surface antigen seroclearance in a cohort of 154,740 patients with chronic hepatitis B: a 15-year follow-up study. Hepatol Int 2017; 11: S75

[51] Liu ZR, Liu F, Wang L, Liu YD, Zhang M, Li T. Clinical characteristics and outcomes of patients with recurrent chronic hepatitis B after nucleos(t)ide analog withdrawal with stringent cessation criteria: a prospectivecohort study. Hepatol Res 2017; 47(10): 1000–1007

[52] Petersen J, Buggisch P, Hinrichsen H, Berg T, Wedemeyer H, Cornberg M, Stoehr A. Stopping long-term NA-therapy before HBsAg loss in HBeAg negative patients: follow-up of long-term responders. J Hepatol 2013; 58: S313–S314

[53] Lai CL, Wong D, Ip P, Kopaniszen M, Seto WK, Fung J, Huang FY, Lee B, Cullaro G, Chong CK, Wu R, Cheng C, Yuen J, Ngai V, Yuen MF. Reduction of covalently closed circular DNA with long-term nucleos(t)ide analogue treatment in chronic hepatitis B. J Hepatol 2017; 66(2): 275–281

[54] Jiang S, Yang Z, Li W, Li X, Wang Y, Zhang J, Xu C, Chen PJ, Hou J, McCrae MA, Chen X, Zhuang H, Lu F. Re-evaluation of the carcinogenic significance of hepatitis B virus integration in hepatocarcinogenesis. PLoS One 2012; 7(9): e40363

[55] Freitas N, Cunha C, Menne S, Gudima SO. Envelope proteins derived from naturally integrated hepatitis B virus DNA support assembly and release of infectious hepatitis delta virus particles. J Virol 2014; 88(10): 5742–5754

[56] Wooddell CI, Yuen MF, Chan HL, Gish RG, Locarnini SA, Chavez D, Ferrari C, Given BD, Hamilton J, Kanner SB, Lai CL, Lau JYN, Schluep T, Xu Z, Lanford RE, Lewis DL. RNAi-based treatment of chronically infected patients and chimpanzees reveals that integrated hepatitis B virus DNA is a source of HBsAg. Sci Trans Med 2017; 9(409): eaan0241 160;

[57] Wang J, Du M, Huang H, Chen R, Niu J, Jiang J, Zhuang H, Lu F. Reply to: “Serum HBV pgRNA as a clinical marker for cccDNA activity”: Consistent loss of serum HBV RNA might predict the “para-functional cure” of chronic hepatitis B. J Hepatol 2017; 66(2): 462–463

[58] Yip TC, Chan HL, Wong VW, Tse YK, Lam KL, Wong GL. Impact of age and gender on risk of hepatocellular carcinoma after hepatitis B surface antigen seroclearance. J Hepatol 2017; 67(5): 902–908

[59] Liu J, Yang HI, Lee MH, Lu SN, Jen CL, Batrla-Utermann R, Wang LY, You SL, Hsiao CK, Chen PJ, Chen CJ; R.E.V.E.A.L.-HBV Study Group. Spontaneous seroclearance of hepatitis B seromarkers and subsequent risk of hepatocellular carcinoma. Gut 2014; 63(10): 1648–1657

[60] Giersch K, Allweiss L, Volz T, Dandri M, Lütgehetmann M. Serum HBV pgRNA as a clinical marker for cccDNA activity. J Hepatol 2017; 66(2): 460–462

[61] Hu P, Jia S, Zhang W, Gong G, Li Y, Chen X, Jiang J, Xie Q, Dou X, Sun Y, Li Y, Liu Y, Liu G, Mao D, Chi X, Tang H, Li X, Xie Y, Chen X, Jiang J, Zhao P, Hou J, Gao Z, Fan H, Ding J, Ren H. A multi-center randomized study on the efficacy and safety of switching to peginterferon alpha-2a (40KD) for 48 or 96 weeks in HBeAg positive CHB patients with a prior NUC history for 1 to 3 years: an interim analysis of NEW SWITCH study. Hepatology 2014; 60: 1273A–1274A

[62] Ning Q, Han M, Sun Y, Jiang J, Tan D, Hou J, Tang H, Sheng J, Zhao M. Switching from entecavir to PegIFN alfa-2a in patients with HBeAg-positive chronic hepatitis B: a randomised open-label trial (OSST trial). J Hepatol 2014; 61(4): 777–784

[63] Chen EQ, Feng S, Wang ML, Liang LB, Zhou LY, Du LY, Yan LB, Tao CM, Tang H. Serum hepatitis B core-related antigen is a satisfactory surrogate marker of intrahepatic covalently closed circular DNA in chronic hepatitis B. Sci Rep 2017; 7(1): 173

[64] Hu J, Liu K. Complete and incomplete hepatitis B virus particles: formation, function, and application. Viruses 2017; 9(3): E56

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81672013 and 81471938), the National S&T Major Project for Infectious Diseases (Nos. 2017ZX10302201 and 2017ZX10202202), and the 111 project (No. B07001).

Compliance with ethics guidelines

Fengmin Lu, Jie Wang, Xiangmei Chen, Dongping Xu, and Ningshao Xia declare no conflicts of interest. This manuscript is a review article and does not involve a research protocol requiring approval by a relevant institutional review board or ethics committee.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany