Analyse et exploitation de signatures transcriptomiques de patients infectés par des virus respiratoires en vue du repositionnement de médicaments pour de nouvelles indications thérapeutiques antivirales

Analysis and exploitation of transcriptomic signatures of patients infected with respiratory viruses for repositioning drugs for new antiviral therapeutic indications

• Auteur / Autrice : Claire Nicolas de Lamballerie
• Direction : Manuel Rosa-Calatrava, Catherine Legras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique
• Date : Soutenance le 13/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre International de Recherche en Infectiologie (Lyon ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Doublet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Rosa-Calatrava, Catherine Legras, Sylvie Pillet, Ronan Le Goffic, François Trottein
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Pillet, Ronan Le Goffic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcriptome

Antiviraux

Influenzavirus

Virus respiratoire syncytial humain

Mots clés libres

Virus Influenza

Métapneumovirus humain (HMPV)

Virus Respiratoire Syncytial Humain (HRSV)

Modèle d’épithélium respiratoire humain

Transcriptome

Next-Generation Sequencing (NGS)

Antiviraux

Repositionnement de médicaments

Influenza Virus

Respiratory Syncytial Virus (HRSV)

Human Metapneumovirus (HMPV)

Human respiratory epithelium model

Transcriptome

Next-Generation Sequencing (NGS)

Antivirals

Drug repositioning

Résumé

Les infections respiratoires aigües (IRAs) sont causées par de nombreux pathogènes et parmi eux, les virus respiratoires tiennent une place très privilégiée. Les études épidémiologiques mettent en lumière de nombreux cas d’infections causées par des rhinovirus, des adénovirus, des pneumovirus (Virus Respiratoire Syncytial et Métapneumovirus humain) ou encore des coronavirus, mais également des virus influenza et parainfluenza. Les jeunes enfants et les personnes immunodéprimées ou âgées sont considérés comme des populations à risque, mais aucune tranche d’âge n’est épargnée par ces infections virales respiratoires. Celles-ci constituent de ce fait une cause majeure de consultations, d’hospitalisations et de décès dans les pays en développement, mais aussi industrialisés. Elles sont la première cause de mortalité chez les jeunes enfants (plus de 2 millions de morts par an) et leur coût direct annuel pour nos sociétés est estimé à 2.5 milliards d'euros. Malgré cela, l’arsenal thérapeutique et / ou prophylactique est très peu fourni ou inexistant, excepté en ce qui concerne les virus influenza, dont les solutions restent malgré tout, limitées. L’émergence de souches influenza résistantes aux quelques antiviraux sur le marché est en effet une source de préoccupation importante, au même titre que la protection conférée par les vaccins annuels qui est parfois sous-optimale, du fait de la grande variabilité des souches virales saisonnières. Dans ce contexte de besoins médicaux non pourvus et d’enjeux sanitaires et économiques majeurs, mon travail de thèse s’est inscrit dans un programme de recherche (RESPIROMIX) visant à proposer une stratégie innovante de développement d’antiviraux, basée sur le repositionnement de médicaments déjà sur le marché pour de nouvelles indications thérapeutiques anti-infectieuses. Mon travail s’est focalisé sur la caractérisation et l’exploitation de signatures transcriptomiques d’infections in vivo (banque d'échantillons biologiques de patients infectés) et in vitro (modèle d’épithéliums respiratoires humains cultivés en interface air/liquide), obtenues par hybridation sur puces Affymetrix et par séquençage à haut débit (NGS), respectivement. Nos choix éclairés d’outils et la mise en place d’un pipeline adapté et optimisé ont permis l’analyse différentielle et fonctionnelle de ces signatures virogénomiques, ainsi que leur comparaison avec un ensemble de signatures chemogénomiques, issues de la base de données Connectivity Map (CMap). Cette base de données est une collection de données d’expression issues de cellules humaines en culture, traitées ou non avec de petites molécules bioactives (plus de 7 000 profils d'expression génique correspondant à 1 309 composés). Mes résultats ont notamment contribué (i) à l’identification et au repositionnement comme inhibiteur des virus influenza du diltiazem, un médicament usuellement utilisé comme antihypertenseur, et (ii) à la caractérisation en modèles in vitro et murin de son mode d’action (MoA), qui se traduit par l’activation endogène des gènes codant pour les interférons de type III et des voies de biosynthèse métabolique. Ces résultats ont ainsi permis la mise en place d’un essai clinique multicentrique de phase II (FLUNEXT TRIAL PHRC n°15-0442), visant à évaluer le Diltiazem dans la prise en charge de patients admis en réanimation pour des grippes sévères. Dans la même dynamique, la méthodologie et le pipeline développés au cours de mon travail doctoral ont également conduit, sur la base de signatures de patients infectés, à la sélection de plusieurs autres médicaments pour leur repositionnement thérapeutique contre les infections à pneumovirus (HRSV et HMPV). Certains de ces candidats, sont actuellement en cours de validation dans nos modèles in vitro et murin d’infections

Acute respiratory infections (ARIs) are caused by many pathogens and among them, respiratory viruses hold a very privileged place. Epidemiological studies have highlighted numerous cases of infections caused by rhinoviruses, adenoviruses, pneumoviruses (Respiratory Syncytial Virus and Human Metapneumovirus) or even coronaviruses, but also influenza and parainfluenza viruses. Young children and immunocompromised or elderly people are considered at risk populations, but no age group is spared from these viral respiratory infections. These remain a major cause of consultations, hospitalizations and deaths in both developing and industrialized countries. They are the leading cause of death in young children (more than 2 million deaths per year) and their annual direct cost to our societies is estimated at 2.5 billion euros. Despite this, the therapeutic and / or prophylactic arsenal is very scarce except for influenza viruses, but remains nevertheless limited. The emergence of influenza strains resistant to the few antivirals on the market is indeed a source of major concern, as is the protection conferred by annual vaccines which is sometimes suboptimal, due to the variability of seasonal viral strains. In this context of unmet medical needs and major health and economic issues, my thesis work was part of a research program (RESPIROMIX) which proposes an innovative strategy for the development of antivirals, based on the repositioning of drugs already on the market for new anti- infectious therapeutic indications. My work focused on the characterization and exploitation of transcriptomic signatures of in vivo (bank of biological samples from infected patients) and in vitro (model of human respiratory epithelium cultivated at the air / liquid interface) infections, obtained by hybridization on Affymetrix chips and by high throughput sequencing (NGS), respectively. Our informed choice of tools and the implementation of an adapted and optimized pipeline enabled the differential and functional analyses of these virogenomic signatures, as well as their comparison with a set of chemogenomic signatures, from the Connectivity Map database (CMap). This database is a collection of expression data from human cells in culture treated or not with small bioactive molecules (more than 7 000 gene expression profiles corresponding to 1 309 compounds). My results have notably contributed to (i) the identification and repositioning of Diltiazem, a drug usually used as an antihypertensive, as an inhibitor of influenza viruses, and (ii) the characterization in experimental in vitro and murine models of diltiazem mode of action (MoA), which leads to the endogenous activation of type III interferon genes and metabolic biosynthesis pathways. These results enabled the setup of a multicentric phase II clinical trial (FLUNEXT TRIAL PHRC n°15-0442) aiming to evaluate the use of Diltiazem in the management of patients admitted to intensive care for severe influenza. In the same dynamic, the methodology and pipeline developed during my doctoral work have also led, based on signatures of infected patients, to the selection of several drugs for their therapeutic repositioning against pneumovirus infections (HRSV and HMPV). Some of these candidates are currently being validated in our in vitro and murine models of infections