Lutter contre l'épidémie mondiale de tuberculose: Exploiter la variation cellule à cellule afin d’entraver la persistance adaptative – PersisTB

PersisTB a combiné microbiologie, microscopie quantitative, micro-ingénierie et analyse moléculaire afin d’étudier le bacille tuberculeux à l’échelle de la cellule individuelle.

Des bactéries marquées par fluorescence ont été suivies par microscopie en temps réel afin d’observer leur croissance, leur activité et leur réponse aux changements environnementaux. Des dispositifs microfluidiques biocompatibles spécialement conçus pour les mycobactéries ont permis de cultiver les bactéries dans des conditions précisément contrôlées et de modifier rapidement leur environnement.

Ces systèmes ont permis de produire de véritables « films » de la vie des bactéries, puis de reconstruire quantitativement le comportement de cellules individuelles et de leurs descendantes. Cette approche a permis d’identifier des sous-populations présentant des caractéristiques particulières, notamment une meilleure capacité à répondre au stress.

Les populations bactériennes d’intérêt ont ensuite été isolées et analysées à l’aide d’approches moléculaires à grande échelle afin d’identifier les mécanismes et signatures biologiques associés à leur comportement.

Enfin, des dispositifs microfluidiques à plus haut débit ont été développés afin de tester simultanément différentes conditions et des bibliothèques de composés. Cette stratégie a permis de rechercher des molécules capables de perturber la diversification de la population bactérienne et d’augmenter sa sensibilité aux traitements.

PersisTB a confirmé que la population du bacille tuberculeux présente une importante hétérogénéité physiologique et que cette diversification peut générer des cellules présentant une meilleure capacité d’adaptation au stress.

Le projet a permis d’identifier plusieurs signatures moléculaires associées à la réponse au stress et à la persistance bactérienne. Ces signatures constituent des biomarqueurs candidats dont le potentiel diagnostique est actuellement exploré, notamment dans des échantillons cliniques.

Les travaux ont également montré qu’il est possible d’interférer avec les mécanismes de diversification de la population bactérienne. Plusieurs composés capables de modifier cette diversification et de rendre la population plus sensible aux traitements ont été identifiés.

Sur le plan technologique, le projet a conduit au développement de nouveaux dispositifs microfluidiques permettant l’analyse dynamique de mycobactéries individuelles ainsi que le criblage de conditions et de composés. Ces technologies ont fait l’objet d’une protection par brevet.

PersisTB a également généré plusieurs productions scientifiques, dont des articles de recherche, un commentaire scientifique, un chapitre d’ouvrage et plusieurs manuscrits issus du projet.

Enfin, les résultats obtenus ont permis d’établir de nouvelles collaborations avec des partenaires académiques, cliniques et privés, ouvrant la voie à la validation et à l’exploitation des découvertes réalisées au cours du projet.

PersisTB a permis de relier recherche fondamentale sur la physiologie bactérienne, innovation technologique et perspectives d’application biomédicale.

Les biomarqueurs candidats identifiés au cours du projet font désormais l’objet d’études complémentaires destinées à déterminer leur capacité à détecter ou caractériser les bactéries persistantes dans des échantillons cliniques. À terme, ces travaux pourraient contribuer au développement de nouvelles approches diagnostiques permettant de mieux distinguer différents états de l’infection tuberculeuse.

Les mécanismes de diversification mis en évidence constituent également de nouvelles cibles potentielles pour le traitement. Une stratégie consistant à réduire la diversité physiologique de la population bactérienne pourrait rendre les bacilles plus homogènes et plus vulnérables aux antibiotiques existants.

Les plateformes microfluidiques développées pendant le projet offrent par ailleurs de nouvelles possibilités de criblage de médicaments et d’étude fonctionnelle du bacille tuberculeux à l’échelle unicellulaire.

Ces résultats ont donné naissance à plusieurs projets de suivi impliquant des partenaires académiques, cliniques et industriels. À plus long terme, les connaissances et technologies issues de PersisTB pourraient contribuer à améliorer le diagnostic et le traitement de la tuberculose persistante et à réduire l’impact sanitaire et économique de cette maladie.

La tuberculose est l’infection humaine la plus létale et une des plus graves menaces globales à notre santé, causant presque 2 millions de morts chaque année. A cause de sa modalité de transmission par aérosol, chacun est vulnérable à cette maladie, qui atteint principalement les poumons mais peut aussi toucher d’autres parties du corps. Mycobacterium tuberculosis est capable d’établir un rapport solide avec son hôte, souvent résultant en formes subcliniques qui peuvent durer pour toute la vie. On estime qu’une personne sur trois soit porteuse de tuberculose latente et à risque de réactivation. La tuberculose latente est difficile à distinguer d’une guérison, soit celle-ci spontanée ou après traitement, et elle cache des réservoirs de bacilles inactifs dont la physiologie reste une énigme. Les techniques de dépistage existantes ne permettent qu’une détermination indirecte de l’infection, sans information ni sur le degré de développement de la maladie ni sur la probabilité de sa progression. Une compréhension plus profonde de la physiologie de la mycobactérie et de ses mécanismes de survie est indispensable pour identifier des biomarqueurs prédictifs et des nouvelles stratégies d’attaque, afin d’améliorer le contrôle de la tuberculose sur une échelle globale.

Il est bien connu que des cellules clonales cultivées sous conditions stables montrent des différences remarquables de comportement, ce qui est aussi connu comme hétérogénéité phénotypique. Alors qu’une partie de cette hétérogénéité vient du caractère intrinsèquement aléatoire des processus intracellulaires, la plupart de la variabilité entre cellules est conséquence de mécanismes déterministes. L’environnement a un effet important sur le spectre phénotypique des cellules individuelles, ce qui peut résulter en variations favorables. Nous avons découvert que M. tuberculosis montre, à l’équilibre, de l’hétérogénéité phénotypique par rapport au potentiel de croissance et d’activité métabolique, et que cette variabilité augmente quand les cellules sont sujettes à des perturbations environnementales, comme privation de nutriments, agents antimicrobiens et milieu hôte. Nous faisons l’hypothèse que la capacité de M. tuberculosis de couvrir un large spectre phénotypique soit associée à sa tendance à persister en présence de fluctuations environnementales. Le fait d’avoir une plus grande variation entre cellules améliore la probabilité d’adaptation sous des conditions environnementales défavorables.

Notre groupe étudie l’hétérogénéité phénotypique mycobactérienne dans son sens le plus large, couvrant ses bases moléculaires, ses implications pour la viabilité bactérienne, jusqu’aux moyens de la supprimer. La combinaison de marquage fluorescent des bactéries, microscopie microfluidique en temps réel et analyse multiparamétrique nous permet une compréhension quantitative et prédictive du comportement des cellules individuelles dans le temps, sous des conditions environnementales strictement contrôlées. Par l’étude des mycobactéries au niveau de cellules individuelles et sous-populations, notre but est de séparer du bruit stochastique les variations phénotypiques génuines et leur corrélation avec la viabilité bactérienne. Nous essayons de clarifier les bases moléculaires de l’hétérogénéité phénotypique et ses implications pour la pathogenèse et l’adaptabilité, en accordant une attention particulière aux réservoirs bactériens inactifs et à leurs marqueurs de persistance. Enfin, nous faisons l’hypothèse qu’un réglage fin de l’hétérogénéité phénotypique, et en particulier une réduction de la variabilité entre cellules, pourra nous aider à affaiblir les bacilles et à surmonter l’obstacle de la tuberculose persistante. Le projet PersisTB pourra déclencher un changement de paradigme sur la persistance de la tuberculose, en offrant une perspective originale sur la physiologie mycobactérienne, et en comblant le fossé entre la recherche fondamentale et les stratégies de contrôle.