Vers une meilleure compréhension de l'émergence de la résistance aux antibiotiques et des interactions hôte-pathogène pour le développement de thérapies innovantes

Towards a better understanding of the emergence of antibiotic resistance and host-pathogen interactions for the development of innovative therapies

• Auteur / Autrice : Lou Mondange
• Direction : Jean-Nicolas Tournier, Olivier Dussurget
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : France. Institut de recherche biomédicale des armées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Claire Janoir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Laroucau, Katy Jeannot, Alessandro Pagliuso
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Karine Laroucau, Katy Jeannot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries -- Effets des médicaments

Résistance aux antibiotiques

Étiologie

Mots clés libres

Évolution

Antibiorésistance

Composés antibactériens

Pathogénèse bactérienne

Evolution

Antibiotic resistance

Antibacterial compounds

Bacterial pathogenesis

Résumé

La résistance aux antibiotiques est l'un des enjeux de santé publique les plus urgents et complexes du XXIème siècle. Plus de 700 000 décès surviennent chaque année à la suite d'infections dues à des bactéries résistantes aux antibiotiques. Il est estimé que d'ici 2050, 10 millions de décès annuels dus à des infections bactériennes surviendront dans le monde. L'utilisation généralisée et abusive des antibiotiques dans la médecine humaine et vétérinaire, et dans l'agriculture, a conduit à une émergence rapide de bactéries résistantes à ces médicaments. Ce phénomène menace l'efficacité même des antibiotiques, qui ont été les piliers du traitement des infections bactériennes depuis leur découverte.Le premier volet de cette thèse visait à comprendre comment les bactéries évoluent dans un environnement sous antibiotique. Nous avons étudié l'évolution de Burkholderia thailandensis, une espèce bactérienne avirulente utilisée comme modèle alternatif de Burkholderia pseudomallei, l'agent étiologique de la mélioïdose nécessitant un confinement de niveau 3. Nous avons mesuré les changements génétiques et les caractéristiques phénotypiques des bactéries en réponse à une concentration croissante de triméthoprime-sulfaméthoxazole. Nous avons mis en évidence une forte hétérogénéité de populations au sein de l'espèce, avec plusieurs voies d'adaptation à faible concentration d'antibiotique devenant spécifiques à plus forte concentration.Le deuxième volet consistait à explorer des stratégies innovantes pour lutter contre l'émergence de l'antibiorésistance, requérant le développement de médicaments novateurs et l'identification de cibles originales. D'une part, nous avons testé l'activité antibactérienne de nouveaux analogues de sidérophores conjugués à la ciprofloxacine. Parmi eux, nous avons identifié un analogue prometteur, dépourvu de cytotoxicité et actif sur plusieurs souches de B. pseudomallei et B. thailandensis ainsi que sur Pseudomonas aeruginosa, une bactérie appartenant à la liste des espèces antibiorésistantes prioritaires définie par l'OMS. D'autre part, nous avons testé de nouveaux analogues d'un dérivé di-adénosine inhibiteur de la NAD kinase (NADK), une enzyme essentielle à la production de NADP(H) chez les bactéries. L'activité antibactérienne des composés a été évaluée in vitro sur la croissance de Staphylococcus aureus. Ce criblage a permis d'identifier un composé possédant une meilleure activité que le dérivé di-adénosine de départ.Enfin, le dernier volet de cette thèse cherchait à mieux comprendre les interactions hôte-pathogène pour concevoir des approches ciblées dirigées vers l'hôte. Dans ce but, nous avons choisi de caractériser le rôle de la phosphatase LipA dans la pathogenèse des infections à Listeria monocytogenes, une bactérie modèle pour l'étude de la biologie de l'infection. LipA est une protéine de virulence sécrétée par la bactérie possédant à la fois une activité tyrosine et phospho-inositide phosphatase, pouvant donc agir sur plusieurs substrats de l'hôte lors de l'infection. Un crible double hybride a permis d'identifier un premier interactant de LipA, la protéine cellulaire p62. Cette protéine multifonctionnelle est à la fois un récepteur de l'autophagie et un régulateur de la signalisation dépendante de NF-kB et NRF2, deux facteurs de transcription impliqués dans les réponses inflammatoires et antioxydantes respectivement. La caractérisation des voies de signalisation cellulaire détournées par LipA actuellement en cours nous permettra de mettre en évidence des facteurs cellulaires jouant un rôle clé dans le processus infectieux qui pourront être de nouvelles cibles thérapeutiques.En conclusion, cette thèse offre de nouvelles perspectives dans la lutte contre l'émergence de l'antibiorésistance en fournissant des connaissances approfondies sur le pouvoir d'évolution des bactéries et en explorant des stratégies novatrices de lutte contre la résistance.

Antibiotic resistance is one of the most urgent and complex public health issues of the 21st century. Each year, over 700,000 deaths result from infections caused by antibiotic-resistant bacteria. By 2050, it is estimated that bacterial infections could lead to 10 million annual deaths worldwide. Widespread and improper use of antibiotics in human and veterinary medicine, and in agriculture, has led to rapid emergence of bacteria resistant to these drugs. This phenomenon threatens the effectiveness of antibiotics, which have been the pillars of bacterial infection treatment since their discovery.The first part of this thesis aimed at understanding how bacteria evolve in an antibiotic environment. We studied evolution of Burkholderia thailandensis, an avirulent bacterial species used as an alternative model for Burkholderia pseudomallei, the etiological agent of melioidosis requiring level 3 containment. We measured the genetic changes and phenotypic characteristics of bacteria in response to an increasing concentration of trimethoprim-sulfamethoxazole. Our results highlighted a strong population heterogeneity within the species, with several adaptation pathways at low antibiotic concentrations becoming specific at higher concentrations.The second part of the thesis sought to explore innovative strategies to combat the emergence of antibiotic resistance, requiring development of novel drugs and identification of original targets. We first evaluated the antibacterial activity of new siderophore analogs conjugated to ciprofloxacin. Among them, we identified a promising analog, devoid of cytotoxicity and active on several strains of B. pseudomallei and B. thailandensis, as well as on Pseudomonas aeruginosa, a bacterium which belongs to the WHO list of global priority antibiotic-resistant species. We also tested new analogs of a di-adenosine derivative that inhibits NAD kinase (NADK), an enzyme essential for NADP(H) production in bacteria. The antibacterial activity of these compounds was assessed against Staphylococcus aureus. This screening allowed identification of a compound with better activity than the initial di-adenosine derivative.Finally, the objective of the last part of this thesis was to better understand host-pathogen interactions in order to design host-directed therapies. To this end, we focused on the characterization of the role of the LipA phosphatase in the pathogenesis of Listeria monocytogenes, a model bacterium for the study of infection biology. LipA is a virulence protein secreted by the bacterium possessing both a tyrosine and a phosphoinositide phosphatase activity, thus acting on several host substrates during infection. A two-hybrid screen led to identification of the first LipA partner, the cellular protein p62. This multifunctional protein is both a receptor for autophagy and a regulator of NF-kB and NRF2-dependent signaling, two transcription factors involved in inflammatory and antioxidant responses, respectively. The characterization of cell signaling pathways hijacked by LipA currently underway aims at identifying crucial cellular factors involved in the infectious process, which could be potential new therapeutic targets.In conclusion, this thesis offers new perspectives in the fight against emergence of antibiotic resistance by providing in-depth knowledge of the evolutionary power of bacteria and exploring innovative strategies for combating resistance.