Développement et évaluation clinique de nouveaux tests sanguins pour améliorer le diagnostic de la tuberculose pulmonaire et identification de biomarqueurs candidats pour le suivi de l'efficacité du traitement : une étude multicentrique dans des pays à incidence modérée et élevée

Development and clinical evaluation of new bloodbased tests for improving the diagnosis of pulmonary tuberculosis and identification of candidate biomarkers for treatment monitoring : a multicenter study in moderate and high incidence settings

• Auteur / Autrice : Rim Bayaa
• Direction : Florence Ader, Monzer Hamze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• 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 : Jean-Louis Herrmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Ader, Monzer Hamze, Priscille Brodin, Nicolas Veziris, Oana Dumitrescu, Maya Hites, Thierry Walzer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Priscille Brodin, Nicolas Veziris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Marqueurs biologiques

Diagnostic biologique

Mycobacterium tuberculosis

Innovation

Diagnostic

Tuberculose

Mots clés libres

Tuberculose

Mycobacterium tuberculosis

Tests non basés sur l'expectoration

Biomarqueurs

Tests sanguins

Diagnostic

Suivi du traitement

Tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis

Non-sputum-based tests

Biomarkers

Blood-based tests

Diagnosis

Treatment monitoring

Résumé

La tuberculose (TB) reste l'une des principales causes de décès dans le monde. Il est essentiel de s'appuyer sur un diagnostic précoce et des biomarqueurs évaluant l’efficacité du traitement. L'Organisation mondiale de la santé (OMS) a déclaré un besoin urgent de tests alternatifs non basés sur les expectorations pour le diagnostic de la tuberculose et le suivi du traitement. Dans cette étude, nous avons évalué de nouveaux tests de dépistage de la tuberculose non basés sur les expectorations pour le diagnostic de la tuberculose et à identifier des biomarqueurs simples, rapides et potentiels pour surveiller la réponse au traitement. Nous avons évalué la performance d'une signature transcriptomique de sang humain à 6 gènes; nommé RISK6, dans le contexte du diagnostic de la tuberculose et du suivi de la réponse au traitement. En outre, nous sommes concentrés sur l'identification de biomarqueurs immunitaires à partir des tests sanguins pour le suivi de l’efficacité traitement de la tuberculose. Tout d'abord, en évaluant des paramètres hématologiques simples. Ensuite, en utilisant une technologie monocellulaire de haute dimension; cytométrie en flux spectrale, utilisée pour explorer pour la tuberculose pulmonaire, nous avons effectué une analyse phénotypique approfondie pour caractériser des sous-ensembles immunitaires spécifiques qui pourraient être utilisés comme biomarqueurs potentiels pour surveiller la réponse au traitement. Ce travail a été mené dans le cadre d'une étude prospective multicentrique dans 5 pays: Bangladesh, Géorgie, Liban, Madagascar et Paraguay. Au total, 152 patients atteints de tuberculose pulmonaire active, 26 personnes atteintes d'infection tuberculeuse latente et 71 donneurs sains ont été recrutés. Les patients avec la tuberculose active étaient des adultes non immunodéprimés, avec une culture positive. Ils ont été suivis au cours du traitement au cours duquel des échantillons de sang total et d'expectorations ont été prélevés avant l’initiation du traitement (T0), deux mois après le début du traitement (T1), à la fin (T2) et deux mois après la fin du traitement (T3). La signature RISK6, a atteint le profil de produit cible minimal de l'OMS pour un test de dépistage et de triage de la tuberculose non basé sur les expectorations pour distinguer les patients avec une tuberculose active des donneurs sains et pour stratifier les patients en fonction de leur statut d'infection tuberculeuse. En outre, l'examen des numérations globulaires complètes a révélé que le risque d'échec du traitement était associé à un nombre élevé de globules blancs en plus de faibles proportions de lymphocytes détectés chez les patients avec une tuberculose active au départ avant l’initiation du traitement. Enfin, les données obtenues par analyse de cytométrie en flux spectrale ont mis en évidence une signature phénotypique des patients tuberculeux guéris, reflété par une augmentation des lymphocytes T CD8+ Effecteur Mémoire ré-exprimant le CD45RA, une diminution des lymphocytes T CD4+ effecteur mémoire, en plus d'une fréquence accrue du sous-ensemble de cellules tueuses naturelles (NK) activées. Les données de ce travail fournissent des preuves solides que les tests sanguins sont des substituts prometteurs pour améliorer le diagnostic de la tuberculose et le suivi du traitement. Par la suite, ces résultats soutiennent les efforts visant à intégrer ces outils dans un point of care test assurant une détection rapide et précise des cas de la tuberculose active et la prédiction de la réponse au traitement de la tuberculose. D'autres études de validation incluant des personnes atteintes d’une infection latente et des contacts familiaux non infectés sont nécessaires pour caractériser les facteurs transcriptomiques et immunitaires associés à un risque plus élevé de progression vers la tuberculose active et, surtout, pour valider la performance de ces tests identifiés dans d'autres populations telles que les enfants.

Tuberculosis (TB) remains one of the major infectious causes of death worldwide. It is essential to rely on early diagnosis and biomarkers assessing the outcomes during treatment monitoring. Currently, the most common methods used for diagnosing and monitoring TB treatment response are sputum-based tests including smear microscopy and culture. Patients’ sputum samples are often difficult to collect, smear microscopy has limited specificity and sensitivity, and culture methods require a long time. In this context, the World Health Organization (WHO) has declared an urgent need for alternative non-sputum-based tests for TB diagnosis and treatment monitoring. For this purpose, blood-based host candidates represent promising surrogates for TB diagnosis and treatment monitoring. Here, we aimed to evaluate novel non-sputum-based TB tests for TB diagnosis and to identify simple, rapid and potential biomarkers for monitoring TB treatment response in adults. In this way, we evaluated the performance of a 6 genes human-blood transcriptomic signature; called RISK6, in the context of TB diagnosis and monitoring treatment response. Besides, we focused on the identification of blood-based immune biomarker tests for TB treatment monitoring. First, by evaluating simple hematological parameters routinely performed (complete blood counts). Then, by using a high dimensional single cell technology; spectral flow cytometry, used to explore for the first time pulmonary TB, we conducted an in-depth phenotypic analysis to characterize specific immune subsets that could be used as potential biomarker for monitoring TB treatment response. This work was conducted in the framework of a multicenter prospective study in five countries including Bangladesh, Georgia, Lebanon, Madagascar and Paraguay. In total 152 patients with pulmonary active TB (ATB), 26 individuals with latent TB infection (LTBI), and 71 healthy (HD) were enrolled. ATB patients were non-immunocompromised adults, with culture positive, drug-susceptible (DS) and drug-resistant (DR) TB. They were followed-up during the course of treatment in which whole blood and sputum samples were collected at baseline (T0), at two months after treatment initiation (T1), at the end of treatment (T2) and two months after treatment completion (T3). RISK6 signature, assessed by quantitative real-time PCR, achieved the minimal WHO target product profile for a non-sputum-based TB screening and triage test for discriminating ATB from HD and for stratifying patients according to their TB infection status (e.g. ATB vs LTBI). Besides, examination of complete blood counts, revealed that the risk of treatment failure was associated with high white blood cell counts in addition to low proportions of lymphocytes detected in ATB patients at baseline. Finally, data obtained by high-dimensional spectral flow cytometry analysis highlighted a phenotypic signature of cured TB patients upon Mycobacterium tuberculosis-specific antigen stimulations. This was reflected by an increased terminally differentiated effector re-expressing CD45RA phenotype of CD8+ T cells, a decreased effector memory phenotype of CD4+ T cells, in addition of increased frequency of activated natural killer (NK) cell subset. Data from this work provide strong evidence that blood-based tests are promising surrogates for improving TB diagnosis and treatment monitoring. Subsequently, these findings support the efforts to incorporate these tools into a point-of-care test ensuring rapid and accurate detection of ATB cases, and prediction of TB treatment response. Moreover, novel immune features of T and NK cell associated with TB disease were identified. Further validation studies including LTBI individuals and uninfected household contacts are needed to characterize transcriptomic and immune factors associated with higher risk of progression to ATB, and, importantly, to validate the performance of such identified tests in other populations such as children.