Section 27 Relations hôte-pathogène, immunologie, inflammation

I. Agents infectieux – virulence, pathogenèse, facteurs de restriction de l'infection & interactions hôte-pathogène

La « virulence » des microorganismes pathogènes ne peut se réduire à son sens étymologique (du latin virulentia, qui tire son origine de virus = poison). En effet, la plupart des microorganismes ne sécrètent pas de « poison » à proprement dit, comme c'est le cas par exemple de quelques bactéries sécrétant des toxines. Au contraire, les progrès récents et conjoints de la microbiologie et de la biologie cellulaire ont montré à quel point la virulence microbienne s'exprime dans la capacité des microorganismes pathogènes à détourner ou manipuler les défenses de leur hôte, à commencer par celles des cellules qu'ils infectent. Ces avancées ont abouti à l'émergence d'une nouvelle discipline, communément admise maintenant sous l'appellation de « microbiologie cellulaire ». Par ailleurs, il devient clair que le métabolisme des cellules immunitaires et leur capacité à éliminer les pathogènes sont intrinsèquement liés ; de même le métabolisme des microorganismes est intimement lié à leur capacité à coloniser leur hôte. Un nombre croissant d'études a ainsi abouti aux notions en pleine émergence d'immuno-métabolisme et de virulence nutritionnelle.

A. Virus

1. Pourquoi faire de la recherche sur les virus ?

Les virus peuvent infecter toute forme de vie sur terre, des archées à l'Homme. Comme parasites intracellulaires obligatoires, ils dépendent de leur hôte à tous les niveaux de l'homéostasie cellulaire. La recherche en virologie est guidée par trois intérêts majeurs : la compréhension des processus fondamentaux de biologie cellulaire et d'immunologie, le traitement de l'infection pour soigner la maladie, et l'utilisation de virus comme agents thérapeutiques. Le succès de la virologie durant cette dernière décennie est évident avec la mise en place des traitements efficaces contre le virus du SIDA (VIH) et de l'hépatite C (VHC), l'autorisation de commercialiser la première drogue de thérapie génique basée sur un virus associé aux adenovirus (Glybera© ; traitement d'un déficit en lipoprotéine lipase) et les étapes clés dans la compréhension de la carcinogenèse, comme l'identification du premier oncogène (Antigène T de SV40).

2. Développements technologiques récents en virologie

Le développement rapide dans la compréhension de génomes complexes, y compris celui de l'Homme, multiplie les possibilités d'étudier les relations virus-hôte. Ceci inclut en particulier les technologies à haut débit résumées sous le vocable « omique », mais aussi les technologies de séquençage de dernière génération qui rendent possible l'étude des profils de transcription dans les extraits cellulaires. En dépit de leur usage déjà bien établi, on doit cependant garder à l'esprit que ces systèmes nécessitent toujours des vérifications par des techniques quantitatives indépendantes. De plus, comme dans les approches classiques de biochimie et de biologie cellulaire, elles ne fournissent qu'une moyenne dérivée de populations de plusieurs cellules. À cet égard, le développement récent de technologies d'analyse de transcrits à l'échelle de la cellule individuelle paraît très prometteur. Par ailleurs, le développement de techniques microscopiques de très haute sensibilité permet maintenant de suivre en profondeur les virus dans les cellules individuelles et même au niveau sous-viral, comme l'encapsidation du génome à l'intérieur d'un bactériophage en utilisant des pinces optiques. L'attribution, en 2008, du Prix Nobel de Chimie à Shimomura, Chalfie et Tsien pour la découverte et le développement de la protéine fluorescente verte (GFP) reflète bien l'importance de ces approches de visualisation (voir Chapitre VI). L'ensemble de ces développements technologiques nécessitent une analyse biostatistique et des scientifiques travaillant aux interfaces entre biologie, médecine et mathématiques. Afin de combler les lacunes qui ne peuvent être accessibles expérimentalement (lier les événements cellulaires à la résultante sur l'organisme humain entier, par exemple) il y a un besoin supplémentaire de modélisations mathématiques afin de comprendre comment la virologie au niveau moléculaire est liée à ses conséquences au niveau clinique.

3. Nouvelles frontières

En poussant les limites de la virologie à des entités de plus en plus petites, on découvre que la plupart des événements d'interaction entre hôte et virus ne sont pas réguliers. Cela signifie que seule l'analyse d'un grand nombre d'événements permet de comprendre l'effet global résultant dans une cellule, un tissu, ou un organisme. L'apparition récente de la notion du virome chez les mammifères, incluant l'ensemble des virus infectant les cellules eucaryotes, les bactériophages et les éléments génétiques dérivés de virus et intégrés dans les chromosomes, permet d'envisager un nouvel axe de la recherche en virologie dans les années à venir. En effet, l'importance du virome sur les variations phénotypiques, la sensibilité à certaines maladies, l'inflammation, et la réponse immunitaire des individus est jusqu'à ce jour très peu explorée. L'étude des relations hôte-pathogène mais également pathogène-pathogène, comme par exemple l'influence du microbiome sur les infections virales et inversement, est une thématique à développer davantage.

Les maladies virales émergentes dues à l'apparition de nouveaux virus (par exemple les virus de la grippe H5N1 et H7N9, ou les coronavirus SARS ou MERScoV), à la ré-émergence d'un virus (les virus de la rougeole ou de la rubéole), ou encore à la découverte d'une pathologie virale présente dans la population mais sous-estimée ou non dépistée (virus de l'hépatite E, Ebola), constituent également des axes de recherche importants, certaines de ces infections virales pouvant conduire à des pandémies difficiles à maîtriser. Le risque de pandémie du virus Ebola qui sévit depuis le début de l'année en Afrique de l'Ouest en est l'illustration.

B. Bactéries

1. Microbiologie fondamentale et interactions avec l'hôte

La compréhension génétique et moléculaire des microorganismes, et des bactéries en particulier, est un domaine phare de la recherche française en biologie, et doit le rester. La génétique et en particulier la diversité génétique des populations bactériennes, le rôle de l'épigénétique et des petits ARN non codants chez les procaryotes, la structure et la formation de l'enveloppe des bactéries, ainsi que la physiologie microbienne doivent rester des domaines de recherche fortement soutenus.

Il semble évident que la capacité des microorganismes à coloniser leur(s) hôte(s) est directement liée à la capture et la métabolisation de nutriments aux sites d'infection. Des études récentes permettent de mieux comprendre comment les microorganismes pathogènes capturent le carbone ou l'azote, par exemple, à partir de molécules (sucres, lipides, acides aminés) présents dans les tissus et les cellules infectées. La fertilisation de la microbiologie et de la biologie cellulaire par des technologies innovantes de transcriptomique et de métabolomique/fluxomique a permis ces nouvelles découvertes qui doivent à présent être pleinement exploitées afin d'aboutir à une véritable compréhension écologique des microorganismes pathogènes. Ces études, au-delà d'une meilleure compréhension de la pathogénèse microbienne, permettent également d'envisager de nouveaux traitements prophylactiques ciblant les molécules impliquées dans la capture et le catabolisme des nutriments indispensables au développement des bactéries pathogènes.

2. Manipulation cellulaire

Outre leur capacité à capturer et utiliser des nutriments de l'hôte pour assurer leur réplication, les bactéries sont aussi capables d'interférer avec les machineries cellulaires normalement dédiées à leur destruction. Ainsi par exemple, il est bien connu maintenant que de nombreuses bactéries pathogènes sont capables d'injecter des molécules effectrices dans le cytosol de leurs cellules hôtes afin d'interférer avec des processus cellulaires visant normalement à leur dégradation comme la phagocytose, la maturation et le trafic vacuolaires, ou l'autophagie. Par ailleurs, plusieurs études ont montré que les bactéries sont capables d'interférer directement avec la synthèse des ARN et protéines des cellules hôtes en ciblant leur noyau à l'aide de molécules à présent communément appelées « nucléomodulines ». Les modifications génétiques et épigénétiques induites par les infections constituent un domaine émergent qui doit être pleinement exploré. Enfin, l'avancée des techniques d'imagerie à haute résolution, de la cytométrie combinée aux progrès de la microfluidique a permis de mieux appréhender l'hétérogénéité des populations bactériennes en permettant des études à l'échelle de la bactérie individuelle.

C. Parasites

Les parasites demeurent toujours un vrai problème de santé publique au niveau mondial, et un obstacle important au développement économique des pays en zone tropicale. Il s'agit malheureusement de maladies pour la plupart dites « négligées », autant par l'industrie pharmaceutique que par les financeurs de la recherche, à l'exception du paludisme qui bénéficie de fonds importants. Les espoirs de vaccins sont rendus difficiles par les stratégies multiples d'échappement mises en place par les parasites ; et le besoin de molécules thérapeutiques est plus que jamais pressant. Les génomes des principaux parasites affectant l'Homme ont été séquencés, ce qui a accéléré la compréhension des mécanismes spécifiques d'adaptation des parasites à leur hôte.

1. Processus cellulaires et moléculaires présents chez les parasites

L'étude des parasites, et des protozoaires en particulier, est singulièrement compliquée par l'absence de réactifs (vecteurs, anticorps, kits, etc.) commercialisés, et la nécessité de développer des outils génétiques ou cellulaires propres à chaque modèle (qui sont extrêmement distants sur le plan phylogénétique). Les protozoaires sont des eucaryotes « divergents » dont l'étude révèle régulièrement des caractéristiques du vivant hautement originales, voire uniques, qui peuvent bousculer les dogmes établis chez les organismes modèles, mais aussi parfois servir de paradigme pour des processus équivalents et méconnus chez ces mêmes modèles. Ces spécificités constituent potentiellement des cibles d'action de lutte contre ces pathogènes.

Les thématiques rejoignent les préoccupations des chercheurs travaillant dans ce domaine sur des modèles plus classiques : épigénétique ; architecture nucléaire ; mécanismes de régulation de l'expression génique (en particulier variation antigénique) ; trafic intracellulaire ; maintien et biogenèse des organites de cellules eucaryotes, qu'ils soient non spécifiques ou, souvent, spécifiques ; étude des étapes de différenciation et de développement ; métabolisme (où là encore les spécificités peuvent servir de bases au développement de cibles thérapeutiques), etc. La biogenèse du flagelle, ou encore l'implication de l'actine-F dans la relocalisation de gènes de virulence vers des régions du noyau transcriptionnellement actives, constituent des exemples frappants de l'impact du développement de ces aspects fondamentaux sur le reste de la biologie. L'irruption de la notion de « population » pour ces organismes unicellulaires eucaryotes (souches faites de millions d'individus, à l'instar des populations bactériennes), ouvre tout un champ de recherches sur les régulations des processus cellulaires et moléculaires intégrant le niveau cellulaire et le niveau populationnel, à l'image sans doute de la régulation au niveau tissulaire chez les eucaryotes supérieurs.

Cette recherche ayant pour objet le parasite en soi reste cependant peu développée en France par rapport aux pays anglo-saxons. En particulier, si elle se trouve comme l'ensemble des sciences du vivant à l'ère de la post-génomique, les nouvelles technologies dites « omiques » sont restées insuffisamment développées pour les parasites eux-mêmes. Ce retard est heureusement en voie d'être comblé grâce à des soutiens financiers propres.

2. Interactions hôte-parasite

Ce champ de recherche a été ces dernières années marqué par les forts progrès en immunologie et biologie cellulaire des mammifères, ainsi que dans le domaine des technologies « omiques ». Ceci a permis des avancées importantes dans la compréhension de la virulence, de la prolifération, des stratégies de contournement de l'immunité de l'hôte, de la pathogenèse, de la résistance/susceptibilité de l'hôte, et aussi, quelques progrès vers la vaccination. Les approches y sont aussi spécialisées et multiples que dans les autres domaines de la biologie des eucaryotes supérieurs (petits ARN, codes des histones, voies de signalisation cellulaire, biologie structurale, etc.). Les progrès en imagerie ont aussi permis des avancées remarquables en ce qui concerne la motilité cellulaire et les processus d'invasion des cellules hôtes par les parasites, ainsi que l'évasion de ces mêmes pathogènes. Les interactions sont ainsi étudiées à des niveaux de plus en plus fins, révélant la participation des deux acteurs de la pathogénie dans tous ces processus, et non pas seulement celle du pathogène.

L'interaction avec l'hôte inclut aussi l'étude des insectes vecteurs, relativement peu poussée jusqu'à récemment en France, mais là aussi en voie d'approfondissement, sur un plan à la fois fondamental et plus appliqué.

Un point à souligner est l'existence d'un lien solide avec l'industrie pharmaceutique française pour le développement de médicaments et de vaccins. Plusieurs laboratoires font de la recherche fondamentale de haut niveau et en parallèle s'investissent dans de nouvelles stratégies d'intervention. À noter que malgré cela, les progrès dans les domaines du vaccin et plus encore de la thérapeutique sont restés limités, ce qui pousse à poursuivre l'étude fondamentale de la physiologie de ces organismes très distants sur le plan phylogénétique, et des stratégies surprenantes qu'ils développent pour coloniser et se maintenir chez leurs hôtes.

D. Co-infections & co-morbidité

Il existe de nombreuses pathologies associées dans des tableaux de co-infections, ce qui constitue un challenge mondial pour contrôler ces maladies et développer des vaccins ou des thérapies adaptées. Par exemple, l'infection par le VIH provoque des dysfonctionnements graves du système immunitaire qui se traduisent par le développement d'infections bactériennes, parasitaires ou fongiques opportunistes, souvent létales. Le virus de la grippe, de par ses effets délétères sur la barrière épithéliale pulmonaire et sur les mécanismes de défense de l'hôte, est à l'origine de surinfections bactériennes parfois très graves comme nous le rappelle la tristement célèbre grippe Espagnole (20-40 millions de morts). Les infections bactériennes, dont la tuberculose, et parasitaires (malaria, leishmaniose) peuvent aussi conduire à des infections secondaires et noircir le tableau clinique. Les co-infections, sans oublier les relations entre flore commensale et agents pathogènes, jouent un rôle important dans l'évolution de ces derniers. C'est le cas par exemple des souches invasives non typhoïdes de Salmonelles qui, étant apparues en Afrique Australe avant le VIH, ont émergé avec le développement du virus. Inversement, certaines infections bactériennes ou parasitaires induisent un terrain propice au développement de certains virus. Les cas de co-infections par le VIH et les virus de l'hépatite B ou C sont également fréquents, après transmission par voie sexuelle ou sanguine. Tous ces exemples d'infections multiples commencent à être étudiés in vitro ou in vivo, malgré la complexité des modèles expérimentaux qui doivent composer avec de multiples variables, afin d'identifier les facteurs moléculaires de virulence ou de restriction qui sont spécifiquement impliqués dans l'émergence des co-infections, ou qui pourraient constituer des cibles thérapeutiques. Clairement, l'impact des infections primaires sur les mécanismes de défense ainsi que les conséquences de la « cohabitation » entre agents pathogènes (et flore commensale) doivent être mieux compris.

Enfin, la co-morbidité entre maladies infectieuses et maladies non-infectieuses (par exemple entre la tuberculose et le diabète de type 2, qui devient une des premières causes de susceptibilité aux mycobactéries) reste encore peu étudiée.