Résilience - COVID-19 - Résilience - Coronavirus disease 2019

Modèle biomimétique de l'intestin humain pour tester l'impact des produits du microbiote pendant l'infection par le SRAS-CoV-2 – COVIDMicroGutModel

Modèle biomimétique d'intestin humain pour tester l'impact des produits du microbiote pendant l'infection par le SRAS-CoV-2

Plusieurs sources de données indiquent que le tractus gastro-intestinal (GI) est la cible du SRAS-CoV-2. Des symptômes gastro-intestinaux apparaissent dans 15 à 60 % des cas et sont associés à des formes graves de l'infection, et l'ARN du SRAS-CoV-2 est présent dans les selles des patients infectés. Cependant, le rôle joué par l'intestin au cours de l'infection par le COVID-19 et l'importance de cet organe pour la transmission virale et la réponse inflammatoire en aval ne sont pas encore compris.

Impact des dérivés du microbiote sur l'invasion, la réplication et les conséquences sur l'inflammation du SRAS-CoV-2

Dans ce projet, nous proposons un modèle d'intestin humain combinant des cellules primaires humaines (dérivées d'organoïdes) provenant de tissus du côlon et de l'intestin grêle avec une technologie d'organe sur puce pour récapituler l'ensemble des caractéristiques de la barrière de l'intestin grêle et du côlon (diversité des cellules, topologie 3D, stimulation mécanique) et tester le rôle des produits dérivés du microbiote pendant l'infection par le SRAS-CoV-2 :<br />- Évaluer l'impact du microbiote intestinal, en particulier de ses composants bactériens et de ses métabolites, sur l'infection et la réplication du SRAS-CoV-2.<br />- Déterminer les effets du microbiote intestinal sur l'inflammation induite pendant l'infection par le SRAS-CoV-2.<br />- Évaluer l'avantage éventuel de manipuler le microbiote intestinal pour réduire la gravité de l'infection par le COVID-19.

Nous utilisons une combinaison de cellules intestinales primaires humaines (dérivées d'organoïdes coliques et iléaux) et de la technologie des organes sur puce pour récapituler la physiologie de la barrière intestinale humaine (types de cellules, architecture 3D et stimulation mécanique, comme le mouvement péristaltique et l'écoulement des fluides). Les cellules primaires coliques/iléales humaines en filtre ou dans l'intestin sur puce sont traitées avec des métabolites microbiens pendant plusieurs temps et infectées par le SARS-CoV-2. L'invasion et la réplication virale sont évaluées par qPCR et par un test de plaque. L'impact des dérivés du microbiote sur le tissu intestinal est évalué par l'analyse de l'expression génétique d'un sous-ensemble de gènes par qPCR et l'inflammation est évaluée par l'expression génétique des cytokines (Nanostring) et FACS (Luminex).

1-Proportion de cellules ACE2 positives dans les modèles du côlon et de l'iléon
Nos données précédentes ont montré que l'infection par le SARS-CoV-2 était 10 fois plus efficace dans les puces 3D que dans les filtres, et plus efficace dans l'iléon que dans le colon. Pour comprendre si cela était lié à une expression différentielle du récepteur cellulaire du SARS-CoV-2, nous avons testé la proportion de cellules positives pour ACE2 dans des organoïdes de côlon/iléum cultivés dans des cellules indifférenciées par rapport à un milieu différencié (DM) ou cultivés dans des puces par rapport à des filtres (Fig. 1A-B). Nous avons observé une multiplication par deux des cellules positives pour ACE2 lorsque les cellules du côlon et de l'iléon sont cultivées dans un milieu DM, ce qui indique une plus grande production de cellules ACE2 lors de la différenciation (Fig. 1A). De plus, la maturation des cellules coliques ou iléales dans des puces augmente respectivement de 5 et 3 fois la proportion de cellules ACE2-positives par rapport à la maturation sur filtre (Fig. 1B). Cela indique que la maturation des organes sur puce augmente les cellules ACE2-positives, probablement en améliorant la différenciation cellulaire. De plus, nous observerons toujours une proportion plus élevée de cellules ACE2-positives dans l'iléon que dans le côlon. Dans l'ensemble, nos données confirment que l'efficacité de l'invasion du SRAS-CoV-2 est fortement corrélée à l'expression de l'ACE2.
2-Impact des dérivés du microbiote sur l'infection par le SRAS-CoV-2
Ensuite, nous avons d'abord testé plusieurs produits microbiens sur l'infection par le SARS-CoV-2 dans le colon/iléum maturé dans des filtres 2D : Lipopolysaccharide, Peptidoglycane, Flagelline ou dérivés de métabolites comme les acides gras à chaîne courte (SCFA mélange d'acétate, proprionate et butyrate). Nous avons ajouté ces produits 24h avant l'infection par le SARS-CoV-2 et les avons conservés tout au long de la cinétique de l'infection. Nos résultats ont montré que seule l'incubation des SCFA réduisait l'invasion virale dans les cellules coliques. Aucun effet clair n'a été observé sur les cellules iléales. Nous avons donc décidé de poursuivre notre étude avec les cellules du côlon uniquement, également parce que ce sont les cellules intestinales qui interagissent le plus avec le microbiote.
Le prétraitement des cellules coliques avec des SCFA pendant 4 jours avant l'infection multiplie par 2 son effet bénéfique contre l'invasion virale. Ensuite, nous avons comparé l'impact des SCFA sur les cellules coliques cultivées soit en filtre 2D soit en puce 3D (Fig.1C-E). Nos données montrent que le prétraitement par SCFA réduit l'invasion cellulaire du SARS-CoV-2 dans les filtres et les puces par 20 et 50 fois respectivement (Fig.1 C). Dans l'ensemble, nos données montrent un effet bénéfique clair des métabolites microbiens intestinaux, tels que les SCFA, pendant l'invasion et la réplication du SRAS-CoV-2 dans l'intestin humain.

Ces données très prometteuses nous encouragent à poursuivre cette étude pour réduire la sévérité du COVID.
Nous comparons actuellement l'expression de plusieurs acteurs importants dans l'invasion du coronavirus (ACE2, TMPRSS2, BoAT1), ainsi que les marqueurs de plusieurs populations de cellules intestinales (colonocytes, entérocytes, cellules de gobelet, entéroendocrines, cellules de Paneth et cellules souches) entre des cellules coliques/iléales cultivées sur filtre ou sur puce et après traitement avec plusieurs dérivés du microbiote. De plus, nous décrypterons le rôle des acides gras à chaîne courte (SCFA) sur l'expression des gènes, l'organisation cellulaire mais aussi sur l'inflammation induite par le virus en analysant le profil des cytokines.

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Plusieurs sources de données indiquent que l'intestin est ciblé par le coronavirus (SRAS-CoV-2). Des symptômes intestinaux apparaissent dans 15 à 60 % des cas et sont associés à des formes graves de la maladie. Toutefois, le rôle joué par l'intestin lors de la COVID-19 et l'importance de cet organe pour la transmission virale et la réponse inflammatoire, ne sont pas encore compris. L'altération du microbiote intestinal est associée à de nombreuses maladies et peut impacter des infections pulmonaire virales. Ainsi, la dysbiose du microbiote intestinal, peut être impliquée dans la deuxième phase, inflammatoire, de l'infection par le SRAS-CoV-2, en cause dans la mortalité des patients. Les produits dérivés du microbiote, tels que les lipopolysaccharides (LPS), les peptidoglycanes (PG, MDP), les acides gras à chaîne courte (SCFA), l'acide biliaire secondaire et les molécules dérivées du tryptophane, ont déjà été signalés comme ayant un impact positif ou négatif sur la physiologie de la barrière épithéliale intestinale.
Pour obtenir un modèle physiologique de l'intestin humain, nous avons récemment mis au point des dispositifs "organe-sur-puce" qui combinent l'ingénierie tissulaire et les technologies microfluidiques. Ces dispositifs récapitulent l'architecture et les forces mécaniques observées dans l'intestin. Cette approche nous a permis de reproduire la forte infectivité du pathogène Shigella dans le côlon, telle qu'elle est rapportée chez les patients humains, révélant ainsi l'utilité de ce modèle dans les études précliniques. De plus, en combinant la technologie organe-sur-puce avec des cellules primaires d'intestin humain dérivées d'organoïdes, nous avons observé une efficace invasion, réplication et propagation du SRAS-CoV-2 dans ces modèles d'intestin humain biomimétiques.
Aujourd'hui, notre projet vise à utiliser ces intestin humain biomimétiques pour tester le bénéfice des produits dérivés du microbiote pendant l'infection par le SARS-CoV-2.
Nous utiliserons ces modèles côlon/iléon-sur-puce pour tester le rôle de certains produits dérivés de microbiote (LPS, MDP, SCFA, acides biliaires, tryptophane) sur :
- L'expression des facteurs des cellules hôtes importants pour l'invasion du virus
- L’entrée et la réplication du SRAS-CoV-2
- L'intégrité de la barrière colique/iléale et leur homéostasie lors de l'infection
- La réponse inflammatoire produite par la barrière épithéliale et les cellules immunitaires sous-jacente, au cours de l'infection virale.
Notre étude permettra de mieux comprendre l'infection et la physiopathologie du SRAS-CoV-2, et de mesurer le rôle joué par l'intestin et le microbiote intestinal dans ces processus. Nous en attendons des bénéfices significatifs pour les patients et la santé publique. Nous espérons identifier des produits dérivés du microbiote qui pourraient être utilisés de manière exogène (plusieurs de ces molécules sont déjà commercialisées) ou être augmentés en combinaison d’un traitement probiotique permettant le traitement précoce des patients avec un risque élevé de développer une forme grave de la COVID-19. Dans l'ensemble, ce projet évaluera les avantages possibles de la manipulation du microbiote intestinal pour réduire la gravité de la COVID-19. Notre approche innovante, technologies sophistiquées d’organes sur puces et de culture d’organoides à partir de tissus du côlon et de l'iléon humains, permettra de réduire, de remplacer et d'affiner l'utilisation des expérimentations sur les animaux mais aussi de fournir et valider un modèle préclinique pour développer des thérapies contre la COVID19.

Coordination du projet

Nathalie Sauvonnet (Institut Pasteur)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IP Institut Pasteur
IP INSTITUT PASTEUR

Aide de l'ANR 79 744 euros
Début et durée du projet scientifique : mai 2021 - 12 Mois

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