Mise en évidence d'immunomodulations médiées par les métabolites : de l'identification à l'application en contexte infectieux

Identification of metabolite-mediated immunomodulations : from identification to application in an infectious context

• Auteur / Autrice : Caroline Plazy
• Direction : Bertrand Toussaint
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 03/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Max Maurin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Toussaint, François Fenaille
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Kipnis, Laetitia Aymeric

Mots clés

Mots clés contrôlés

Relations hôte-bactérie

Métabolites

Immunomodulation

Mots clés libres

Immunomodulation

Dialogue hôte/pathogène

Métabolites

Immunomodulation

Host/pathogen crosstalk

Metabolites

Résumé

En contexte d’infection chronique, les bactéries vont s'adapter à l'environnement pulmonaire du patient et à la pression exercée par le système immunitaire en sécrétant ou en exprimant une multitude de molécules pro ou anti-inflammatoires. Parmi celles-ci, certains métabolites, aussi appelés immunométabolites, ont été décrits comme altérant l'activation et la polarisation des réponses immunitaires subséquentes. Pour améliorer les connaissances sur l’interaction hôte/pathogène et pour identifier de nouveaux immunométabolites, nous étudions la modulation du système immunitaire induite par des souches cliniques de Pseudomonas aeruginosa (Pa) isolées de patients atteints de mucoviscidose et chroniquement infectés.Trente-deux patients atteints de mucoviscidose ont été inclus dans l'étude et, pour chaque patient, 2 isolats ont été recueillis à environ 5 ans d'intervalle. Les surnageants (SN) des souches ont été recueillis pour analyser la modulation de l'activation et de la maturation des cellules dendritiques (CD) sous l'activation TLR, induite par les métabolites excrétés. Pour confirmer ces résultats, nous avons évalué la polarisation des Lymphocytes T (LT) in vitro dans un modèle de co-culture allogénique de CD-LT puis chez des souris infectées par des souches ayant des propriétés immunomodulatrices différentes. En parallèle, les profils métaboliques des SN ont été caractérisés par analyse LC-MS/MS. Afin d’identifier les métabolites responsables des immunomodulations observées, les résultats de ces 2 approches ont été corrélés. Les propriétés immunomodulatrices des métabolites candidats identifiés ont été validées par le test de polarisation des LT in vitro. Enfin, nous avons réalisé une preuve de concept de la modulation de l’immunité induite in vivo par les souches par l’apport de métabolites ou d’exométabolomes aux propriétés immunomodulatrices opposées à celles de la bactérie administrée.Nous avons pu mettre en évidence que les souches cliniques présentaient 3 types de profils immunomodulateurs différents : deux clusters immunostimulants (différenciés par une expression variable du PD-L2) et un cluster immunosuppresseur (inhibition de la maturation des CD). A noter que l'infection des patients par des souches immunosuppressives est corrélée au déclin et à l’instabilité des fonctions respiratoires au cours du temps. Ces résultats ont été confirmés par la polarisation de LT in vitro et dans un modèle murin infectieux montrant l’induction d’une réponse immunitaire Th17 par les souches immunostimulantes et d’une réponse Treg par les souches immunosuppressives.En accord avec les phénotypes des CD, une corrélation entre la caractérisation par métabolomique des SN bactériens et les clusters immunologiques a pu être mise en évidence. L’identification d’empreintes métaboliques distinctes souligne l'importance du métabolisme des souches dans la modulation de l'immunité. Des métabolites immunostimulants et immunosuppresseurs candidats associés aux Immunoclusters ont été identifiés et leurs propriétés immunomodulatrices ont été validées par le test de polarisation de LT in vitro.Enfin, nous avons pu montrer que la réponse Th17 pouvait être inhibée par l’apport de métabolites immunosuppresseurs lors de l’infection par les souches immunostimulantes ou restaurées par l’apport d’exométabolome contenant des métabolites immunostimulants lors de l’infection par les souches immunosuppressives.Cette étude démontre que les bactéries pathogènes sont capables de moduler l'immunité de l'hôte par la sécrétion de métabolites au cours d’une infection chronique. Nous avons également pu mettre en évidence un lien entre les propriétés immunomodulatrices des souches, leur profil métabolique ainsi que leur impact sur l’évolution de l’état de santé des patients au cours du temps. Certains des métabolites identifiés constituent donc des cibles thérapeutiques pour restaurer/renforcer l'immunité de l'hôte dans les maladies infectieuses chroniques à Pa

Background and objectives:During chronic patient’s infection, bacteria will adapt themselves to the pulmonary environment and especially to the immune system by secreting or expressing a multitude of pro / anti-inflammatory molecules. Among them, some metabolites, i.e. immunometabolites, have been described as altering the activation and the polarization of subsequent immune responses. To improve the knowledge on host/microbe crosstalk and to identify new immunometabolites, we have investigated the modulation of the immune system induced by clinical strains of Pseudomonas aeruginosa (Pa) isolated from chronically infected CF patients.Materiel & Methods:Thirty two CF patients were included in the study and for each patient 2 isolates were collected 5 years apart. We collected the supernatant of the strains to analyze the modulation of the activation/maturation of dendritic cells (DC) under TLR activation induced by the excreted metabolites. To confirm these results, we evaluated T cell (LT) polarization in vitro in an allogeneic CD-LT co-culture model and then in mice infected by strains with different immunomodulatory properties. In parallel, SN metabolic profiles were characterized by LC-MS/MS analysis. Then, to identify metabolites responsible of immunomodulations, we correlated both results. The immunomodulatory properties of the identified candidate metabolites were validated via an in vitro T cell polarization assay. Finally, we performed a proof of concept of this immunity modulation induced in vivo by the strains via the administration of metabolites or exometabolomes with immunomodulatory properties opposite to those of the delivered bacteria.Results :Interestingly, we have highlighted 3 different immunomodulatory profiles depending on strains: two immunostimulatory clusters (Potentialisation of DC maturation compared to LPS alone for both and one cluster also inducing an increase of co-inhibition markers) and one immunosuppressive cluster (inhibiting DC maturation). Of note, infection of patients by immunosuppressive strains correlates with the decline of respiratory functions. These results were confirmed by LT polarization in vitro and in an infectious murine model showing an induction of a Th17 immune response mediated by the immunostimulatory strains and a Treg response by the immunosuppressive strains. In line with DC phenotypes, untargeted metabolomics analyses of bacterial SN showed 3 distinct metabolic fingerprints, highlighting the importance of Pa strains metabolism in the modulation of immunity. We identified both immunostimulatory and immunosuppressive metabolites that were closely associated with Immunoclusters and validated their immunomodulatory properties. Finally, we were able to show that the Th17 response could be inhibited by the delivery of immunosuppressive metabolites during infection with immunostimulatory strains or restored by the delivery of exometabolome containing immunostimulatory metabolites during infection with immunosuppressive strains.Conclusion :This study demonstrate that bacteria are able to modulate host immunity through metabolites secretion upon infection. This highlighted a link between metabolic profiles, immunomodulatory properties of the strains and subsequent clinical outcome of patients. Some of the identified metabolites thus constitute new therapeutic targets for restoring/enhancing host immunity in chronic infectious diseases.This study provide a full process combining immunoassays and metabolomics for studying host/microbe dialogue and demonstrate its feasibility and relevance.