Pertinence du modèle d'infection Danio rerio pour l'étude immunopathologique de Mycobacterium abscessus

par Audrey Bernut

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Laurent Kremer.

Soutenue le 04-09-2014

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; ....-2014) , en partenariat avec Dynamique des Interactions Membranaires Normales et Pathologiques (Montpellier) (laboratoire) .

Le jury était composé de Laurent Kremer, Stewart Thomas Cole, Camille Locht, Jean-Louis Herrmann, Emma Colucci-Guyon, Isabelle Vergne, Henri Vial.

Les rapporteurs étaient Stewart Thomas Cole, Camille Locht.

mots clés

• Mycobacterium abscessus
• Danio rerio
• Glycopeptidolipides
• Mycobacterium abscessus
• Danio rerio
• Mucoviscidose
• Phagocytes

Résumé

Mycobacterium abscessus (Mabs) est un pathogène émergent entrainant de graves infections pulmonaires, notamment chez les patients mucoviscidosiques. L'expression différentielle des glycopeptidolipides (GPLs) permet de distinguer le morphotype rugueux (R), présentant un défaut de synthèse des GPLs, du morphotype lisse (S) exprimant les GPLs. Différents modèles ex vivo et in vivo rapportent que le variant R est impliqué dans des manifestations plus sévères associées à une réponse inflammatoire intense. Cependant, ces modèles d'étude restent particulièrement limités pour élucider les caractéristiques de cette infection. L'embryon de zebrafish (ZF) offre de nombreux avantages motivant et validant son utilisation pour une meilleure compréhension des maladies infectieuses. Ce travail de thèse a pour objectif de développer un modèle d'infection de Mabs dans l'embryon de ZF.Pour étudier la physiopathologie de l'infection de Mabs dans ce modèle, l'élaboration d'un protocole de microinjection des bactéries et des méthodes de suivi de la charge bactérienne ont été réalisés. Les techniques d'imagerie ont été employées pour déterminer la chronologie de l'infection au sein des embryons infectés. Les techniques de qRT-PCR, l'utilisation de lignées de ZF transgéniques et la technologie antisens (morpholinos) ont été utilisées pour déterminer le rôle du système immunitaire (Si) inné et de l'inflammation dans la physiopathologie infectieuse. Par ailleurs, le potentiel du ZF en tant qu'organisme modèle en pharmacologie a été mis à profit pour étudier l'activité in vivo d'antibiotiques (ATB) sur Mabs.Le variant R induit une infection létale plus robuste que le S, caractérisée par le développement d'abcès au niveau du système nerveux central (SNC) associés à une réponse inflammatoire intense et au recrutement de neutrophiles. Le suivi des infections a révélé que les bactéries étaient rapidement phagocytées par les macrophages au niveau du site d'injection. Une fois infectés, ces derniers traversent la barrière endothéliale et transportent les mycobactéries dans les tissus du SNC, soulignant leur rôle clé dans la dissémination du pathogène. Des expériences menées dans des embryons dépourvus de macrophages ont validé ces observations en montrant que les bactéries étaient incapables de rejoindre le SNC et restaient confinées dans le système vasculaire. Implanté au sein du tissu nerveux, le macrophage infecté entre en apoptose, libérant ainsi le pathogène dans le milieu extracellulaire. Une fois libéré, à la différence du variant S, la morphotype R forme des cordes augmentant rapidement de taille et capables d'initier le développement d'abcès volumineux. La taille démesurée de ces cordes par rapport à celle des phagocytes professionnels représenterait une stratégie permettant au variant R d'échapper à la phagocytose et donc de promouvoir sa multiplication extracellulaire et d'assurer la progression létale du processus infectieux. Enfin, ce modèle nous a permis de déterminer, en temps réel, l'efficacité thérapeutique de plusieurs ATBs sur les embryons infectés,qui s'accompagne d'une forte réduction de mortalité des embryons et d'une importante diminution des signes physiopathologiques au niveau du SNC. Ces résultats indiquent que l'embryon de ZF représente un modèle d'infection prometteur et pertinent pour 1) l'étude de la virulence de Mabs 2) l'évaluation de la contribution du SI innée au cours de l'infection et 3) le suivi directe de l'effet d'ATBs. Ce nouveau modèle, combiné aux outils déjà disponibles chez le ZF, devrait permettre de mieux caractériser la relation entre Mabs et mucoviscidose, notamment l'implication éventuelle de la protéine CFTR dans la résistance à cette bactérie. Par ailleurs, l'embryon étant particulièrement propice au criblage à haut débit, l'optimisation de ce système biologique pourrait être exploitée dans le cadre d'approches thérapeutiques innovantes pour identifier de nouveaux agents anti-infectieux contre Mabs.

mots clés

• Mycobacterium abscessus
• Danio rerio
• Glycopeptidolipids

Titre traduit

Zebrafish as a novel vertebrate model of Mycobacterium abscessus infection

Résumé

The emerging pathogen Mycobacterium abscessus causes severe lung infections particularly in cystic fibrosis (CF) patients. The Smooth (S) morphotype displays surface expression of glycopeptidolipids (GPL) while the Rough (R) morphotype is characterized by the loss of surface-associated GPL. Previous studies suggested that the R variant is involved in more severe clinical forms, associated with a hyper-proinflammatory response. However, the molecular mechanisms responsible for the virulence and physiopathology associated to the Rvariant remain unknown. The zebrafish embryo offers many advantages that motivated and validated its use for a better understanding of infectious diseases. In this study, a zebrafish model of infection was developed toinvestigate and compare the pathogenesis of R and S variants.A microinjection protocol was first developed and the fate and progression of the infection was monitored at a spatiotemporal level by videomicroscopy. A transcriptomic approach by qRT-PCR, an antisense technology using morpholinos and transgenic zebrafish lines were used to evaluate the contribution of theinnate immune system and the role of inflammation during infection. In addition, the potential of the embryo has been used to study the in vivo pharmacological activity of antibiotics during M. abscessus infection. In contrast to the S variant, the R morphotype induced a more robust and lethal infection in zebrafish embryos, characterized by the rapid development of bacterial foci within the central nervous system (CNS). The use of a mpx:GFP zebrafish transgenic line, exhibiting green fluorescent granulocytes, indicated that neutrophils are actively recruited to CNS infection foci. An intense pro-inflammatory response with production of TNFα was measured by qRT-PCR. Next, the use of a mpeg1:mCherry transgenic zebrafish line, exhibiting red fluorescent macrophages, demonstrated the presence of isolated or small aggregated bacilli within macrophages during early infection. In contrast, later stages were characterized by the presence of large aggregates of extensively replicating extracellularly that enables mycobacteria to induce a strong inflammatoryresponse, leading to rapid tissue damage (abscess) and to larval death. In addition, the high propensity of the R variant to form cords in vivo may, represent a strategy evolved by the R (but not S) M. abscessus, to escape themacrophage or avoid being phagocytosed by macrophages or granulocytes. The role of macrophages in the diffusion of bacteria to the CNS was evaluated in macrophage-depleted embryos. Here, M. abscessus failed to disseminate from vasculature to CNS as shown by infections performed in KDR:GFP transgenic line, exhibiting green vascular endothelium. In addition, we also showed that the activity of antibiotics on infected-embryos is associated with a strong reduction of embryonic mortality, reduction in the bacterial burden and a significant decrease in physiopathological signs in the CNS, which could be imaged in real-time and at high resolution.These results propose the zebrafish embryo as a suitable model, particularly relevant to 1) the study of M. abscessus virulence, 2) the evaluation of role of innate immune system during infection process and to 3)monitor, at spatiotemporal level, the effects of antibiotics in an infected vertebrate. In addition, the antisense technology allowing knocking-down cftr expression can now be optimized to mimic a CF environment. This should greatly help to define the relationship between M. abscessus in CF patients. Moreover, the embryo isparticularly conducive to high-throughput screening, thus allowing this biological system to be exploited in the search for new therapeutic molecules against M. abscessus and other CF-associated patients