Etude de la réponse inflammatoire et immune par transcriptomique respiratoire au cours des pneumonies virales nécessitant une admission en médecine intensive réanimation

Analysis of the inflammatory and immune response by respiratory transcriptomics during viral pneumonia requiring admission to the intensive care unit

• Auteur / Autrice : Pierre Bay
• Direction : Nicolas De prost
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2022
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de la Vie et de la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe PAWLOTSKY - Virus, Hépatologie, Cancer

Mots clés

Mots clés libres

Reponse immunitaire

Transcriptomique respiratoire

Pneumonie virale

Reanimation

Syndrome de détresse respiratoire aiguë

Immune response

Respiratory trancriptomics

Viral pneumonia

Intensive care unit

Acute respiratory distress syndrom

Résumé

Introduction Les virus respiratoires sont responsables d'infection de gravité variée. Les infections les plus sévères se présentent sous la forme d'une pneumonie virale nécessitant une admission en réanimation et pouvant évoluer vers un syndrome de détresse respiratoire aiguë. Les virus les plus fréquemment concernés sont des virus à ARN, notamment le virus de la grippe, le virus respiratoire syncytial, les coronavirus, les virus para-influenza et les rhinovirus/entérovirus (1). Outre les facteurs préexistants spécifiques de l'hôte, le type de virus respiratoire et son effet cytopathogène propre, il est maintenant bien établi que la réponse immune et inflammatoire de l'hôte joue un rôle déterminant dans la physiopathologie des formes sévères (2–4). L'analyse de cette réponse est donc un élément crucial dans l'étude des pneumonies virales sévères. La transcriptomique respiratoire sur écouvillon nasopharyngé est un outil performant et accessible permettant l'analyse de la réponse immunitaire de l'hôte au cours des pneumonies virales (3,5,6). Une étude réalisée dans notre laboratoire (INSERM U955) lors de la première vague de la pandémie de Covid-19 a montré que certains profils d'expression de transcrits impliqués dans l'immunité cellulaire étaient spécifiquement associés aux formes les plus sévères de la maladie (6). Une surexpression des transcrits cytokiniques activant la voie du récepteur CXCR2 était ainsi retrouvée chez les patients les plus sévères, admis en réanimation. Le stage de Master 2 réalisé au cours de l'année 2021-2022 dans ce même laboratoire portait sur l'étude de la réponse inflammatoire et immune par transcriptomique respiratoire induite par différents variants du SARS-CoV-2 chez des patients avec une pneumonie grave en réanimation. Cette étude, réalisée chez 88 patients admis en réanimation et infectés par les 4 variants préoccupants (ancestral, Alpha, Delta et Omicron) responsables des principales vagues épidémiques en France a montré que le profil transcriptomique différait selon le type de variant (données en cours de publication). Comparativement au variant ancestral, les patients infectés par les variants Alpha et Delta avaient une réponse immune et inflammatoire globalement diminuée, alors qu'elle était augmentée pour les patients infectés par le variant Omicron. Ces différences concernaient à la fois la réponse immunitaire innée, et notamment la dégranulation des neutrophiles, la signalisation cytokinique (voies de l'IL-6, IL-4/IL-13, TNF), et la réponse immunitaire adaptative (notamment T effectrice). La thèse de science portera sur la poursuite du travail débuté en stage de Master 2, en approfondissant les résultats obtenus et élargissant prospectivement les analyses aux autres virus respiratoires ou à d'éventuels nouveaux variants du SARS-CoV-2. L'analyse et la compréhension de la réponse immunitaire de l'hôte au cours des pneumonies virales sévères est un des éléments clés pour phénotyper au mieux les patients et à l'avenir personnaliser la prise en charge du patient dans le cadre d'une médecine personnalisée (7–9). Objectifs du travail de thèse : Comparer la réponse inflammatoire et immunitaire par transcriptomique respiratoire dans une population de patients pris en charge en réanimation pour une pneumonie virale grave : - Selon les caractéristiques virales propres : comparatif de la réponse induite par différents virus respiratoires (grippe, VRS, SARS-CoV-2, …) et par différents variants du SARS-CoV-2. - Au cours du temps, à l'aide de la réalisation de plusieurs écouvillons nasopharyngés chez le même patient. - En fonction des facteurs du patient : immunodépression, statut vaccinal, traitements immunomodulateurs administrés … Matériels et méthodes : Les données cliniques et les échantillons biologiques (ENP prélevé dans un milieu de conservation de l'ARN, eNAT, COPAN) de patients infectés par le SARS-CoV-2 ont d'ores-et-déjà été recueillis dans le cadre du projet prospectif multicentrique COMETS financé par l'ANR. Un avis favorable de l'IRB de GH Henri Mondor a été obtenu. Un recueil prospectif de patients infectés par le SARS-CoV-2 et par d'autres virus respiratoires est également prévu. Le séquençage du génome entier viral, l'étude transcriptomique et les outils d'analyse bio-informatiques sont d'ores-et-déjà disponibles sur la plateforme « Génomiques » de l'Hôpital Henri Mondor, une des plateformes nationales du projet EMERGEN, et ont permis la réalisation du stage de Master 2 au cours de l'année 2021-2022. Références : 1. Clementi N, Ghosh S, De Santis M, Castelli M, Criscuolo E, Zanoni I, et al. Viral Respiratory Pathogens and Lung Injury. Clin Microbiol Rev. 2021 Jun 16;34(3):e00103-20. 2. Lamers MM, Haagmans BL. SARS-CoV-2 pathogenesis. Nat Rev Microbiol. 2022 Mar 30; 3. de Steenhuijsen Piters WAA, Heinonen S, Hasrat R, Bunsow E, Smith B, Suarez-Arrabal MC, et al. Nasopharyngeal Microbiota, Host Transcriptome, and Disease Severity in Children with Respiratory Syncytial Virus Infection. Am J Respir Crit Care Med. 2016 Nov 1;194(9):1104–15. 4. Short KR, Kroeze EJBV, Fouchier RAM, Kuiken T. Pathogenesis of influenza-induced acute respiratory distress syndrome. The Lancet Infectious Diseases. 2014 Jan 1;14(1):57–69. 5. Yu J, Peterson DR, Baran AM, Bhattacharya S, Wylie TN, Falsey AR, et al. Host Gene Expression in Nose and Blood for the Diagnosis of Viral Respiratory Infection. J Infect Dis. 2019 Apr 1;219(7):1151–61. 6. Rodriguez C, de Prost N, Fourati S, Lamoureux C, Gricourt G, N'debi M, et al. Viral genomic, metagenomic and human transcriptomic characterization and prediction of the clinical forms of COVID-19. PLoS Pathog. 2021 Mar 29;17(3):e1009416. 7. Gorman EA, O'Kane CM, McAuley DF. Acute respiratory distress syndrome in adults: diagnosis, outcomes, long-term sequelae, and management. The Lancet [Internet]. 2022 Sep 4 [cited 2022 Sep 12];0(0). Available from: https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(22)01439-8/fulltext 8. Beitler JR, Thompson BT, Baron RM, Bastarache JA, Denlinger LC, Esserman L, et al. Advancing precision medicine for acute respiratory distress syndrome. Lancet Respir Med. 2022 Jan;10(1):107–20.

Introduction: Respiratory viruses constitute a major public health problem and are associated with infections of varying severity. The most severe infections lead to acute respiratory failure, secondary to viral pneumonia, bacterial co-infection or decompensation of cardio-respiratory comorbidities, requiring admission to the ICU. The sickest patients experience acute respiratory distress syndrome. The most common viruses concerned are RNA viruses, including influenza virus, respiratory syncytial virus, coronaviruses, para-influenza viruses and rhinoviruses/enteroviruses. Besides pre-existing host-specific factors and the genotype/subtype of the respective respiratory virus, it is now established that the host immune and inflammatory response plays a key role in the pathophysiology of severe disease. The investigation of this response is therefore a crucial component of the field of severe viral pneumonia. Respiratory transcriptomics (by ''bulk'') on nasopharyngeal swabs is a powerful and accessible tool for the global analysis of the host immune response during viral pneumonia. A study carried out in our laboratory (INSERM U955) during the first wave of the Covid-19 pandemic found that some transcriptional profiles involved in cellular immunity were specifically associated with the most severe forms of the disease. An overexpression of cytokine transcripts activating the CXCR2 receptor pathway was thus found in the most severe patients admitted to intensive care. The Master 2 internship carried out during the year 2021-2022 in the same laboratory focused on the study of the inflammatory and immune response by respiratory transcriptomics induced by different variants of SARS-CoV-2 in patients with severe pneumonia in the ICU. This study, carried out on 88 patients admitted to the ICU and infected by the 4 variants of concern (ancestral, Alpha, Delta and Omicron) responsible for the main epidemic waves in France, showed that the transcriptomic profile differed according to the type of variant (data in the process of publication). Compared to the ancestral variant, patients infected with the Alpha and Delta variants had an overall decreased immune and inflammatory response, whereas it was increased for patients infected with the Omicron variant. These differences concerned both the innate immune response, including neutrophil degranulation, cytokine signalling (IL-6, IL-4/IL-13, TNF pathways), and the adaptive immune response (including effector T). The PhD project will be a continuation of the work initiated during the Master 2 internship, by studying the impact of variants on the cytokine response in a model of ex-vivo infection of primary respiratory epithelial cells and by prospectively extending the analyses to new variants of SARS-CoV-2 and other seasonal respiratory viruses. The identification of possible viral molecular signatures associated with disease severity will also be studied and characterised in an in vitro infection model. The analysis and understanding of the host immune response during severe viral pneumonia is one of the key elements to better phenotype patients and in the future personalise patient management in the context of personalized medicine. PhD research aims: To compare the inflammatory and immune response by respiratory transcriptomics in a population of patients managed in the ICU for severe viral pneumonia: - According to the specific viral characteristics: comparison of the response induced by different genotypes/subtypes of different respiratory viruses (influenza, RSV, ...) and by different variants of SARS-CoV-2. - Over time, by performing repeated nasopharyngeal swabs (NPS) in the same patient. - Depending on patient factors: immunosuppressive status, vaccination status, immunomodulatory treatments administered ... Materials and methods: Clinical data and biological samples (ENP collected in RNA preservation medium, eNATTM, COPAN) from patients infected with SARS-CoV-2 have already been collected in the framework of the prospective multicentre COMETS project funded by the ANR. A favourable opinion from the IRB of Henri Mondor Hospital has been obtained. A prospective collection of patients infected with SARS-CoV-2 and other respiratory viruses is also planned. The sequencing of the entire viral genome, the transcriptomic study and the bioinformatics analysis tools are already available on the ''Genomics'' platform of Hôpital Henri Mondor, one of the national platforms of the EMERGEN project, and have made it possible to carry out the Master's 2 internship during the year 2021-2022.