Impact de Listeria monocytogenes sur les microglies et l'homéostasie cérébrale

Impact of Listeria monocytogenes on microglia and cerebral homeostasis

• Auteur / Autrice : Sylvain Levallois
• Direction : Marc Lecuit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunité et infection
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie des infections
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département de Biologie cellulaire et infection (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Bourdoulous
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sonia Garel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Réjane Rua, Raphaël Gaudin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Infections du système nerveux central

Homéostasie

Microglie

Listériose

Mots clés libres

Listeria

Neurolistériose

Microglie

Infections cérébrales

Neuroinvasion

Séquelles

Listeria

Neurolisteriosis

Microglia

CNS infections

Neuroinvasion

Sequelae

Résumé

Les infections du système nerveux central (SNC) sont causées par une multitude de microbes et sont généralement graves. Elles sont souvent mortelles, ou induisent des séquelles neurologique à long terme. Cependant, les mécanismes impliqués dans l'entrée des pathogènes dans le SNC et dans la gravité de ces infections sont mal décrits. L'étude d'un micro-organisme modèle adapté est donc essentielle à la compréhension de ces infections. Listeria monocytogenes (Lm) est une bactérie d'origine alimentaire responsable d'une des plus graves infections du SNC : la neurolistériose. Son taux de mortalité est de 30 % même avec un traitement antibiotique adapté, et parmi les patients survivants à l'infection environ 50 % gardent des séquelles neurologiques à long terme. De plus, Lm est un pathogène modèle établi, qui a permis de nombreuses avancées dans la compréhension de la propagation des bactéries au cours d'une infection. Les mécanismes de traversée des barrières intestinales et placentaires par Lm étaient déjà connus, mais pas ceux conduisant à l'invasion du SNC. De même, les mécanismes responsables de la sévérité de la neurolistériose et des séquelles neurologiques de cette infection restent à décrire. Dans cette thèse, nous avons établi un modèle murin de neurolistériose pour montrer comment Lm traverse la barrière hémato-encéphalique. Lorsque des monocytes infectés adhèrent aux vaisseaux sanguins cérébraux, Lm se propage de cellule en cellule, du monocyte à la cellule endothéliale, puis au parenchyme cérébral. Nous avons ensuite cherché à comprendre le tropisme de Lm pour le SNC, et nous avons montré que chez les souris atteintes d'une infection systémique, les bactéries sont en fait capables d'envahir n'importe quel organe, et que le taux d'entrée de Lm dans le cerveau n'est pas plus élevé que dans d'autres organes. Cependant, Lm prolifère plus vite dans le cerveau que dans d'autres tissus, car la réponse immunitaire innée dans le cerveau est moins intense que dans d'autres organes. De plus, nous avons observé que les microglies, les macrophages résidents du cerveau, meurent lors de l'infection, tandis que des monocytes circulants pénètrent dans le SNC. Pour déterminer si les monocytes recrutés jouent un rôle dans le repeuplement des microglies et dans les déficits neurologiques post-infection, nous avons analysé le cerveau de souris traitées par antibiotiques ayant survécu à l'infection. Alors que les microglies ne sont normalement pas repeuplées par des monocytes, nous montrons à l'aide d'un modèle murin de suivi de destin cellulaire, que les monocytes recrutés s'implantent transitoirement dans le cerveau et se différencient en macrophages. Cependant, ils conservent une identité distincte des microglies endogènes, modifiant l'état immunitaire au sein du cerveau. En parallèle, des lymphocytes cytotoxiques T-CD8+ pénètrent dans le parenchyme cérébral, se trouvent à proximité des macrophages cérébraux et sécrètent la cytokine pro-inflammatoire IFN-gamma. Simultanément, les microglies endogènes adoptent une signature transcriptionnelle associée à plusieurs maladies neurodégénératives. Les microglies étant impliquées dans le maintien de l'homéostasie neuronale, nous avons évalué l'impact de son altération sur les fonctions neuronales. Nous avons obtenu des preuves préliminaires suggérant que l'infection induit des changements comportementaux même après sa résolution. De plus, les souris précédemment infectées semblent être plus sensibles dans un modèle d'encéphalite auto-immune, en cohérence avec l'altération de leur système immunitaire cérébral. Nous avons montré que les spécificités du système immunitaire cérébral, qui est isolé du reste de l'organisme, expliquent la gravité de l'infection cérébrale par Lm et sa prévalence au cours de la listériose. Nous montrons également que l'infection perturbe de manière significative ce système immunitaire cérébral, ce qui peut expliquer les séquelles neurologiques ultérieures.

Infections of the central nervous system are caused by a variety of microbes and are usually severe, often resulting in death or long-term neurological disability. However, the biological mechanisms involved in pathogen access to the brain and the severity of these infections are largely unknown. Unravelling these mechanisms requires the use of an appropriate model microorganism. Listeria monocytogenes (Lm) is a foodborne bacterial pathogen responsible for one of the most severe central nervous system infections, called neurolisteriosis, with a fatality rate of 30% even with adequate antimicrobial treatment. In addition, approximately 50% of surviving patients do not fully recover and suffer long-term neurological sequelae. Lm is a well-established model pathogen, that has been instrumental in understanding how bacteria spread within the host. It was already known how Lm crossed the intestinal and placental barriers, but the mechanisms leading to neuroinvasion remained to be elucidated. In addition, the mechanisms responsible for the severity of neurolisteriosis and the long-lasting brain damage after infection are unknown. In this thesis, we have established a relevant mouse model of neurolisteriosis to show how Lm crosses the blood-brain-barrier. Upon binding of infected monocytes to the brain vessels, Lm is able to spread cell-to-cell from the monocyte to the endothelial cell, and then to the brain parenchyma. We then investigated whether the tropism of Lm for the brain is elective, and show that in mice with systemic infection, bacteria are actually able to invade any organ, and the rate of Lm entry into the brain is not higher than in other organs. However, bacteria proliferate significantly more in the brain than in other tissues, because the innate immune response in the brain is less intense than in other organs. Consistently, we observed that microglia, the resident cerebral immune cells, die upon infection, while blood-borne monocytes enter the infected central nervous system. To investigate whether recruited monocytes play a role in the repopulation of the microglial niche and in post-infection neurological deficits, we analyzed the brains of antibiotic-treated mice that survived the infection. While microglia are not normally replaced by monocytes, using a monocyte fate-mapping mouse model we show that invading monocytes transiently engraft the brain and differentiate into macrophages. However, these cells retain a distinct identity from endogenous microglia, altering the cerebral immune landscape. In addition, cytotoxic CD8+ T-cells enter the brain parenchyma are found in close proximity to brain macrophages, and secrete the pro-inflammatory cytokine IFN-gamma. Simultaneously, endogenous microglia shift their transcriptional identity, and upregulate a signature associated with several neurodegenerative conditions. As microglia are involved in the maintenance of neuronal homeostasis, we evaluated the consequences of their alteration on neuronal functions. We show preliminary evidence suggesting that neurolisteriosis induces behavioural changes even after resolution of the infection. Furthermore, previously infected mice appear to be more susceptible in a model of autoimmune encephalitis, consistent with the alteration of their cerebral immune landscape after infection. Overall, we have shown that the specificities of the brain immune system, which is isolated from the rest of the organism, account for the severity of brain infection by Lm, and its prevalence during listeriosis. We also report that infection significantly perturbs this cerebral immune system, which may account for the subsequent neurological sequelae.