Les microbes infectieux ont développé des moyens sophistiqués pour envahir les cellules hôtes, déjouer les défenses de l’organisme et provoquer des maladies. Alors que les chercheurs ont tenté de démêler les interactions compliquées entre les micro-organismes et les cellules hôtes qu’ils infectent, une facette du processus pathologique a souvent été négligée : les forces physiques qui ont un impact sur les interactions hôte-pathogène et les résultats de la maladie.
Dans une nouvelle étude, les auteurs correspondants Cheryl Nickerson, Jennifer Barrila et leurs collègues démontrent que dans des conditions de faible force de cisaillement des fluides qui simulent celles trouvées dans la culture en microgravité pendant les vols spatiaux, l’agent pathogène d’origine alimentaire Salmonella infecte des modèles 3D de tissu intestinal humain à des niveaux beaucoup plus élevés, et induit des altérations uniques dans l’expression des gènes.
Cette étude fait avancer les travaux antérieurs de la même équipe montrant que les forces physiques de cisaillement des fluides agissant à la fois sur l’agent pathogène et l’hôte peuvent transformer le paysage de l’infection.
Comprendre cette interaction subtile de l’hôte et de l’agent pathogène pendant l’infection est essentiel pour assurer la santé des astronautes, en particulier lors de missions spatiales prolongées. De telles recherches jettent également un nouvel éclairage sur les processus d’infection encore largement mystérieux sur terre, car de faibles forces de cisaillement des fluides se retrouvent également dans certains tissus de notre corps que les agents pathogènes infectent, y compris le tractus intestinal.
Alors que l’équipe a largement caractérisé l’interaction entre les cultures en flacon agité de manière conventionnelle de Salmonella Typhimurium et les modèles intestinaux 3D, cette étude marque la première fois que S. Typhimurium a été cultivé dans les conditions de faible cisaillement des fluides de la microgravité simulée, puis utilisé pour infecter un Modèle 3D d’épithélium intestinal humain co-cultivé avec des cellules immunitaires macrophages, types de cellules clés ciblés par Salmonella lors de l’infection.
Le modèle intestinal de co-culture 3D utilisé dans cette étude reproduit plus fidèlement la structure et le comportement du même tissu dans le corps humain et est plus prédictif des réponses à l’infection, par rapport aux cultures cellulaires de laboratoire conventionnelles.
Les résultats ont montré des changements spectaculaires dans l’expression génique des cellules intestinales 3D suite à une infection par des souches de S. Typhimurium de type sauvage et mutantes cultivées dans des conditions de microgravité simulées. Bon nombre de ces changements se sont produits dans des gènes connus pour être intimement impliqués dans la prodigieuse capacité de S. Typhimurium à envahir et coloniser les cellules hôtes et à échapper à la surveillance et à la destruction par le système immunitaire de l’hôte.
« Un défi majeur limitant l’exploration humaine de l’espace est le manque de compréhension globale de l’impact des voyages spatiaux sur la santé de l’équipage », a déclaré Nickerson. « Ce défi aura un impact négatif à la fois sur l’exploration de l’espace lointain par les astronautes professionnels, ainsi que sur les civils participant au marché spatial commercial en pleine expansion en orbite terrestre basse. Étant donné que les microbes accompagnent les humains partout où ils voyagent et sont essentiels pour contrôler l’équilibre entre la santé et la maladie, comprendre la relation entre les vols spatiaux, la fonction des cellules immunitaires et les micro-organismes sera essentiel pour comprendre le risque de maladies infectieuses pour les humains. »
Nickerson, qui a co-dirigé la nouvelle étude avec Jennifer Barrila, est chercheur au Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics et est également professeur à la School of Life Sciences de l’ASU. La recherche apparaît dans le numéro actuel de la revue Frontières en microbiologie cellulaire et infectieuse
Force qui change la vie
La vie sur terre s’est diversifiée en un éventail presque incompréhensible de formes, évoluant dans des conditions environnementales extrêmement dissemblables. Pourtant, un paramètre est resté constant. Tout au long des 3,7 milliards d’années d’histoire de la vie sur terre, tous les organismes vivants ont évolué sous l’attraction de la gravité terrestre et y ont répondu.
Depuis plus de 20 ans, Nickerson a été un pionnier dans l’exploration des effets de l’environnement à microgravité réduite des vols spatiaux sur une gamme de microbes pathogènes et l’impact sur les interactions avec les cellules humaines et les animaux qu’ils infectent. Elle et ses collègues ont poursuivi avec obstination cette recherche dans des environnements terrestres et spatiaux, dont les résultats ont contribué à jeter les bases du domaine de recherche en croissance rapide, la mécanobiologie des maladies infectieuses, l’étude de l’impact des forces physiques sur les infections et les maladies.
Parmi leurs découvertes importantes, il y a le fait que les conditions de faible cisaillement des fluides associées à l’environnement de gravité réduite des vols spatiaux et de la culture analogue des vols spatiaux sont similaires à celles rencontrées par les agents pathogènes à l’intérieur de l’hôte infecté, et que ces conditions peuvent induire des changements uniques dans la capacité des microbes pathogènes comme Salmonella pour infecter agressivement les cellules hôtes et exacerber la maladie, une propriété connue sous le nom de virulence.
L’agent infectieux exploré dans la nouvelle étude, Salmonella Typhimurium, est un pathogène bactérien responsable de maladies gastro-intestinales chez l’homme et les animaux. Salmonella est la principale cause de décès par maladie d’origine alimentaire aux États-Unis. D’après le CDC, la bactérie Salmonella cause environ 1,35 million d’infections, 26 500 hospitalisations et 420 décès aux États-Unis chaque année. Les aliments contaminés par la bactérie sont la principale source de la plupart de ces maladies.
L’infection à Salmonella provoque généralement de la diarrhée, de la fièvre et des crampes d’estomac, commençant 6 heures à 6 jours après l’infection. La maladie de la maladie dure généralement de 4 à 7 jours. Dans les cas graves, une hospitalisation peut être nécessaire.
Probabilité de cisaillement ?
Les cellules des organismes mammifères, y compris les humains, ainsi que les cellules bactériennes qui les infectent, sont exposées au liquide extracellulaire s’écoulant sur leurs surfaces externes. Tout comme un léger courant en aval affectera les cailloux dans le lit sous-jacent différemment d’un torrent déchaîné, la force du fluide glissant sur les surfaces cellulaires peut provoquer des changements dans les cellules affectées. Cette abrasion liquide des surfaces cellulaires est connue sous le nom de cisaillement fluide.
Étant donné que les expériences de vol spatial sont rares et que l’accès à la plate-forme de recherche spatiale est actuellement limité, les chercheurs simulent souvent les conditions de faible cisaillement des fluides rencontrées par les microbes lors de la culture en vol spatial en cultivant des cellules dans un milieu de croissance liquide dans un dispositif connu sous le nom de bioréacteur à paroi rotative ou RWV. . Au fur et à mesure que le réacteur cylindrique tourne, les cellules sont maintenues en suspension, culbutant doucement et en continu dans leur milieu de culture environnant. Ce processus imite les conditions de faible cisaillement des fluides de la microgravité que les cellules subissent pendant la culture en vol spatial.
L’équipe a également montré que ce niveau de cisaillement des fluides est pertinent pour les conditions que les cellules microbiennes rencontrent dans l’intestin humain et d’autres tissus pendant l’infection, déclenchant des changements dans l’expression des gènes qui peuvent aider certains agents pathogènes à mieux coloniser les cellules hôtes et à échapper aux efforts du système immunitaire pour détruire leur.
Portrait d’un intrus
L’étude a révélé des changements significatifs à la fois dans l’expression des gènes et dans la capacité à infecter des modèles intestinaux 3D par des bactéries Salmonella cultivées dans le bioréacteur RWV. Ces expériences impliquaient deux souches de S. Typhimurium, une souche non altérée ou de type sauvage et une souche mutante.
La souche mutante était par ailleurs identique au type sauvage mais manquait d’une protéine importante connue sous le nom de Hfq, un régulateur majeur de la réponse au stress chez Salmonella. Dans des recherches antérieures, Nickerson et son équipe ont découvert que Hfq agit comme un régulateur principal du processus d’infection de Salmonella dans les vols spatiaux et dans la culture analogue des vols spatiaux. Ils ont découvert plus tard des agents pathogènes supplémentaires qui utilisent également Hfq pour réguler leurs réponses à ces mêmes conditions.
De manière inattendue, dans l’étude actuelle, la souche mutante hfq était toujours capable de se fixer, d’envahir et de survivre dans des modèles de tissus 3D à des niveaux comparables à la souche de type sauvage. En accord avec cette découverte, de nombreux gènes responsables de la capacité de Salmonella à coloniser les cellules humaines, y compris ceux associés à l’adhérence, à la motilité et à l’invasion cellulaires, étaient toujours activés dans la souche mutante dans des conditions de microgravité simulées, malgré la suppression de Hfq.
Du point de vue de l’hôte, le modèle de co-culture intestinale 3D a répondu à l’infection à Salmonella en régulant à la hausse les gènes impliqués dans l’inflammation, le remodelage des tissus et la cicatrisation des plaies à des niveaux plus élevés lorsque les bactéries ont été cultivées dans des conditions de microgravité simulées avant d’être utilisées dans des études d’infection. Cela a été observé pour les souches mutantes de type sauvage et hfq de l’agent pathogène.
Les données de cette nouvelle étude analogique sur les vols spatiaux renforcent les conclusions précédentes des expériences de l’équipe sur la navette spatiale en 2006, 2008 et 2010. En particulier, l’expérience de vol de 2010 menée à bord de la navette spatiale Discovery, appelée STL-IMMUNEont utilisé la même souche de type sauvage de S. Typhimurium pour infecter un modèle 3D de tissu intestinal humain fabriqué à partir des mêmes cellules épithéliales utilisées dans la nouvelle étude.
Plusieurs points communs ont été observés entre les réponses des cellules hôtes à l’infection dans la nouvelle étude analogue de vol spatial et celles rapportées précédemment lorsque des infections ont eu lieu lors d’un véritable vol spatial au cours de l’expérience STL-IMMUNE. Ces résultats renforcent encore le RWV en tant que système de culture analogique de vol spatial prédictif basé au sol qui imite les aspects clés des réponses microbiennes à une véritable culture de vol spatial.
« Au cours de STL-IMMUNE, nous avons découvert que l’infection d’un modèle épithélial intestinal humain 3D par Salmonella lors d’un vol spatial induisait des biosignatures transcriptionnelles et protéomiques clés compatibles avec une infection accrue par l’agent pathogène », a déclaré Barrila. « Cependant, en raison des défis techniques liés à la réalisation d’infections en vol, nous n’avons pas pu quantifier si les bactéries se fixaient et envahissaient réellement les tissus à des niveaux plus élevés. L’utilisation du bioréacteur RWV comme système de culture analogue de vol spatial dans notre étude actuelle a été un outil puissant qui nous a permis d’explorer cette question expérimentale à un niveau plus profond. »
Nouveaux horizons
Les astronautes sont confrontés à un double risque de maladies infectieuses lors de leurs missions loin de la Terre. Les rigueurs combinées des vols spatiaux agissent pour affaiblir leur système immunitaire. Dans le même temps, certains agents pathogènes comme Salmonella peuvent être déclenchés par des conditions de faible cisaillement des fluides induites par la microgravité pour devenir des agents infectieux plus efficaces.
Avec des missions de vol spatial plus longues en phase de planification avancée et l’avènement rapide des voyages spatiaux civils, il est vital de protéger les voyageurs spatiaux contre les maladies infectieuses.
Des études comme celle en cours aident également à tirer le rideau sur le processus d’infection, révélant des détails fondamentaux d’une grande pertinence pour la lutte contre les maladies, sur Terre et au-delà.
La culture analogue de vol spatial améliore l’interaction hôte-pathogène entre la salmonelle et un modèle de co-culture intestinale biomimétique 3D, Frontières en microbiologie cellulaire et infectieuse (2022). DOI : 10.3389/fcimb.2022.705647