Analyse intégrative des données multi-dimensionnelles pour l'étude de la vaccination vis-à-vis des infections mammaires et pulmonaires chez les bovins

Integrative analysis of multidimensionnal data for the study of vaccination against bovine mammary and lung infections

• Auteur / Autrice : Nathan Cebron
• Direction : Gilles Foucras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Pathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions Hôtes - Agents Pathogènes (Toulouse ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Concordet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Foucras, Didier Concordet, Sabine Riffault, Pierre Germon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Jaffrézic, François Meurens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vaches laitières

Vaccination des animaux

Médecine vétérinaire

Mots clés libres

Vaccination

Analyse de données

Transcriptomique

Données haut débit

Intégration

Vaccination

Data analysis

Transcriptomic

High throughput data

Integration

Résumé

Dans le but de prévenir la sélection de bactéries résistantes aux antibiotiques, la volonté de réduire leur usage en médecine vétérinaire est un choix sociétal largement affiché. Le développement de méthodes alternatives telles que la vaccination est nécessaire. Dans l’espèce bovine, les infections mammaires et pulmonaires restent très présentes, et de nombreuses zones d’ombre subsistent sur la compréhension des mécanismes immunitaires de défense pour les prévenir. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de la vaccination à l’aide d’approches multidimensionnelles dans le double objectif de comprendre les mécanismes qu’elles mobilisent et d’élaborer de nouvelles méthodes vaccinales plus performantes. Les techniques dites de haut débit telles que la transcriptomique ou encore la protéomique ciblée sont de plus en plus utilisées dans les questions de recherche. En effet, leur utilisation permet d’identifier et d’étudier de façon large et sans a priori des mécanismes encore méconnus notamment dans le domaine de l’infectiologie. La stratégie vaccinale associant une immunisation par les voies systémique et locale permet une meilleure protection des vaches laitières vis-à-vis d’une infection expérimentale par E. coli, comparée à l’immunisation systémique seule. Pour la compréhension des mécanismes immunitaires protecteurs induits par la vaccination locale, une étude transcriptomique haut débit à l’aide du séquençage de l’ARN a été réalisée sur les cellules du sang, puis sur les lymphocytes CD4 extraits du tissu mammaire. En parallèle, une étude protéomique moyen débit via le dosage de cytokines par une méthode multiplexe utilisant des billes magnétiques a été conduite en parallèle. Une intégration de l’ensemble des données couplées à des informations sur l’état clinique après l’épreuve infectieuse a permis d’attribuer la protection induite par la vaccination à l’activité des lymphocytes producteurs d’interleukine 17 dans le tissu mammaire. La deuxième étude s’inscrit dans le cadre de l’étude de la vaccination contre les maladies respiratoires des bovins. Les effets d’un protocole de préparation des animaux incluant la vaccination ont été mesurés chez des jeunes bovins et un suivi de la réponse immunitaire, en parallèle des performances zootechniques et de la morbidité a été réalisé. Via l’utilisation de méthodes multidimensionnelles, les résultats montrent que la prévalence des signes cliniques et des lésions pulmonaires n’ont pas été efficacement prévenus par les interventions vaccinales. Des conditions d’hébergement défavorables ont un impact négatif sur la santé respiratoire malgré la vaccination. Ces travaux, outre la collection d’informations nouvelles sur la réponse immunitaire induite par la vaccination, ouvrent des perspectives sur de nouvelles modalités de prévention des deux principales maladies justifiant l’utilisation d’antibiotiques en élevage bovin.

In order to prevent selection of multi-resistant bacteria to antibiotics, reduction of their use in veterinary medicine is expected by the society in general. The development of alternative methods such as vaccination seems necessary to help reducing the disease prevalence. However, in the bovine species, and in particular with regard to mammary and pulmonary infections, while understanding of the complex immune mechanisms is not optimal and many grey areas remain, the development of innovative strategies is necessary. The topic of my Doctoral thesis is related to the study of vaccination using multidimensional approaches with the double purpose of deciphering associated mechanisms and improve development of new vaccine methods with improved efficacy. High throughput technics such as transcriptomics or targeted proteomics are increasingly present in the research arsenal. Indeed, their implementation allows the discovery of mechanisms that are still poorly known, particularly in the field of infectious diseases. A prime and pull vaccine strategy against mastitis caused by E. coli was more efficient at preventing clinical signs than the systemic vaccination alone. To understand the protective immune mechanisms associated with this protocol of immunization, a high-throughput transcriptomic study by RNA sequencing was carried out in the blood and mammary tissues. In parallel, a medium throughput proteomic study via the determination of cytokines in plasma, milk and mammary tissue extract was carried out using a multiplex method. An integrative analysis of these data coupled with information on clinical records after an experimental infectious challenge was performed. This study made it possible to attribute the protection induced by the vaccination to the activity of CD4 lymphocytes producing IL-17 in the mammary tissue. The second study was carried out on vaccination against respiratory diseases. Within the frame of a study on the benefits of a preconditioning programme, a vaccine strategy was evaluated in fattening young bulls and immune monitoring, in parallel to recording of growth and clinical signs was carried out. Using multivariate methods, a lack of protective effect even after multiple vaccine injections was observed. Preconditioning in poor housing conditions has a negative impact on respiratory health and growth performances of the animals despite multiple vaccinations against the main respiratory pathogens. Our study paves the way to novel vaccine strategies in addition to providing important information on the mechanisms provided by vaccination against two of the most frequent infectious diseases that motivate antibiotic treatment in cattle.