Traiter ou tolérer les pathogènes, telle est la question

Pourquoi certaines personnes semblent ne jamais tomber malades alors que d’autres sont constamment la proie de virus et de bactéries ? Comment le conjoint d’une personne malade peut-il éviter d’attraper la punaise de son partenaire alors qu’il dort à ses côtés chaque nuit ? Des questions comme celles-ci sont devenues une priorité pour de nombreuses personnes pendant la pandémie de COVID-19, et les scientifiques sont maintenant sur le point d’y répondre grâce à certains assistants aquatiques : les têtards.

Des chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard ont découvert des mécanismes génétiques et biologiques qui améliorent la tolérance aux maladies – la capacité des cellules et des tissus à résister aux dommages en présence d’agents pathogènes envahisseurs – dans le développement de têtards de grenouilles Xenopus laevis et ont identifié des médicaments. qui peuvent maintenir les têtards en vie même en présence de bactéries mortelles. Bon nombre des mêmes mécanismes se retrouvent également chez les mammifères, ce qui suggère que les infections chez les humains et les autres animaux pourraient un jour être traitées en augmentant leur tolérance aux agents pathogènes.

« L’approche standard pour traiter les infections au cours des 75 dernières années a été de se concentrer sur la destruction de l’agent pathogène, mais l’utilisation excessive d’antibiotiques chez le bétail et chez l’homme a conduit à l’émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques que nous avons de plus en plus de mal. Notre recherche a montré que se concentrer sur la modification de la réponse d’un hôte à un agent pathogène plutôt que de tuer l’agent pathogène lui-même pourrait être un moyen efficace de prévenir la mort et la maladie sans aggraver le problème de la résistance aux antibiotiques », a déclaré la première auteure Megan Sperry, Ph.D. ., un boursier postdoctoral à l’Institut Wyss qui est co-encadré par les membres du corps professoral de Wyss Michael Levin, Ph.D. et Donald Ingber, MD, Ph.D.

La recherche est publiée aujourd’hui dans Sciences avancées.

Cartographie du réseau de tolérance aux têtards

Le phénomène de certains hôtes tolérants aux agents pathogènes infectieux qui devraient les rendre malades a été bien documenté dans la science au cours des dernières décennies. Les souris, par exemple, peuvent héberger des bactéries Pneumococcus responsables de la pneumonie dans leurs voies nasales sans montrer de signes de maladie, et les singes africains et asiatiques sont connus pour être moins sensibles à certains agents pathogènes que les humains et nos proches parents.

La recherche sur la biologie de la tolérance aux maladies a révélé qu’elle est associée à l’activation des réponses au stress qui sont normalement induites par un faible niveau d’oxygène (hypoxie). Ces réponses cellulaires reprogramment les cellules T, ce qui réduit la quantité d’inflammation qu’elles provoquent, et a également un impact sur le mouvement des ions métalliques, qui sont cruciaux pour la survie bactérienne.

Dans le cadre de la quête continue de l’Institut Wyss pour identifier les médicaments qui pourraient reproduire ces processus biologiques et induire la tolérance chez l’homme, Sperry et son équipe ont voulu voir s’ils pouvaient utiliser une combinaison de techniques informatiques et d’expériences pratiques pour démêler les gènes et voies moléculaires qui contrôlent la tolérance chez les grenouilles Xenopus, puis trouver des médicaments existants qui pourraient activer ces voies et induire un état de tolérance contre les agents pathogènes.

Ils ont choisi d’utiliser des embryons de grenouille Xenopus pour leurs études car ces embryons sont faciles à cultiver et à analyser en grand nombre et sont connus pour afficher une tolérance naturelle à des charges élevées de certains types de bactéries. Ils ont exposé les embryons à six espèces différentes de bactéries pathogènes, puis ont analysé les profils d’expression génique des animaux après l’infection. Embryons qui ont rencontré l’espèce plus agressive Aeromonas. hydrophila et Pseudomonas aeruginosa ont présenté des changements visibles dans leur développement physique 52 heures après l’infection et des modifications généralisées de leurs profils d’expression génique un jour après l’infection, reflétant les réponses physiologiques des animaux aux agents pathogènes.

Les quatre autres espèces n’ont provoqué aucun changement visible dans les embryons, ce qui a d’abord suggéré que les animaux ne réagissaient pas aux agents pathogènes. Mais l’analyse génétique a raconté une histoire différente. Alors que deux des espèces, S. aureus et S. pneumoniae, ont provoqué très peu de changements génétiques dans les profils d’expression génique des embryons, les espèces Acinetobacter baumanii et Klebsiella pneumoniae ont provoqué des changements significatifs dans un ensemble de 20 gènes qui étaient restés inchangés lors de l’infection par les bactéries les plus agressives. Ces changements génétiques semblaient corrélés à un impact positif sur la santé des grenouilles en développement, ce qui implique qu’ils pourraient être impliqués dans la réponse de tolérance des animaux.

Les chercheurs ont utilisé une approche informatique pour cartographier les gènes de Xenopus qui ont subi des changements significatifs dans leurs gènes correspondants chez l’homme, et ont analysé comment ces gènes interagissent les uns avec les autres en les organisant en « réseaux de gènes ». Ils ont découvert que les embryons qui toléraient A. baumanii et K. pneumoniae avaient des changements significatifs dans leurs réseaux de gènes qui étaient distincts des changements observés chez les embryons qui ont succombé à une infection par A. hydrophila et P. aeruginosa.

Un gène particulier, HNF4A, était fortement régulé à la hausse dans les embryons tolérants et était lié à plusieurs gènes impliqués dans le transport des ions métalliques et l’augmentation de la disponibilité de l’oxygène, deux processus qui étaient auparavant liés à la tolérance aux maladies. HNF4A aide également à maintenir le rythme circadien, et les scientifiques ont découvert que l’inversion du cycle lumineux des embryons augmentait la tolérance contre l’infection par A. hydrophila, soulevant la possibilité intrigante que la modulation des rythmes circadiens puisse avoir un impact sur la réponse d’un organisme à l’infection.

« C’était vraiment excitant de voir que la tolérance aux agents pathogènes semble être modulée par de multiples processus biologiques coordonnés – hypoxie, transport des ions métalliques et rythme circadien – car il pourrait être possible de développer toute une classe de médicaments qui ciblent simultanément plusieurs voies pour aider à faire organismes plus résistants aux dommages causés par l’infection tout en évitant les effets secondaires indésirables », a déclaré le co-auteur Richard Novak, Ph.D., ancien ingénieur en chef à l’Institut Wyss, qui est maintenant cofondateur et PDG d’Unravel Biosciences.

Traitez le corps, pas l’insecte

Forts de ces résultats prometteurs, Sperry, Novak et leur équipe ont entrepris de voir s’ils pouvaient trouver de tels médicaments. Tout d’abord, ils ont comparé la signature d’expression génique qu’ils avaient identifiée dans les embryons de Xenopus tolérants aux données existantes de souris et de primates infectés par des bactéries contre lesquelles ils étaient tolérants. Ils ont découvert que les réseaux de gènes dans les embryons de Xenopus tolérants partageaient des chevauchements clés avec ceux trouvés chez les souris et les primates tolérants, et que douze gènes étaient communs à toutes les espèces. Parmi ces gènes, plusieurs sont impliqués dans un processus appelé signalisation du facteur nucléaire kappa B (NF-?B), qui régule les réponses inflammatoires à l’infection, ainsi que le transport des ions métalliques et les réponses à l’hypoxie cellulaire.

Convaincus que les gènes de tolérance de Xenopus étaient un bon indicateur des aspects de la tolérance chez les mammifères, ils ont ensuite examiné plus de 30 médicaments pharmaceutiques connus pour avoir un impact sur le transport des ions métalliques ou l’hypoxie en les administrant à des embryons de Xenopus infectés par A. hydrophila. Trois médicaments ont considérablement augmenté la survie des embryons malgré la présence d’un agent pathogène qui aurait dû les tuer : la déféroxamine, un médicament approuvé par la FDA qui se lie aux ions fer et aluminium ; L-mimosine, qui se lie au fer et au zinc ; et l’hydralazine, qui se lie aux ions métalliques et dilate également les vaisseaux sanguins.

Parce que le transport des ions métalliques et les voies d’hypoxie sont connus pour être interconnectés, les chercheurs avaient l’intuition que ces médicaments piégeant les métaux stabilisaient une protéine biologique appelée HIF-1?. HIF-1? régule les réponses des cellules à l’hypoxie et peut être impliqué dans la réduction des lésions tissulaires et l’augmentation de la tolérance aux maladies. Ainsi, les scientifiques ont administré un médicament appelé 1,4-DPCA, qui est connu pour améliorer l’activité de HIF-1? via un mécanisme distinct mais connexe. Ce médicament a augmenté la survie des embryons de Xenopus à plus de 80 % en présence de bactéries mortelles. Lorsque les chercheurs ont ajouté un inhibiteur de HIF-1? avec le 1,4-DPCA, les embryons ont succombé à l’infection, confirmant que HIF-1? est bien un acteur clé de la tolérance aux infections.

Fondamentalement, les gènes de Xenopus qui ont subi les plus grands changements dans leurs niveaux d’expression en raison du traitement au 1,4-DPCA étaient également présents dans la signature à 20 gènes de la tolérance aux agents pathogènes que les chercheurs avaient identifiée précédemment, ce qui suggère que le médicament imite des aspects de la nature. tolérance, y compris les gènes modulateurs impliqués dans la liaison des ions métalliques.

« Depuis que la théorie des germes de la maladie a commencé à être acceptée par la science au 19ème siècle, le traitement s’est concentré sur les agents pathogènes eux-mêmes. Mais ces expériences montrent que la modulation des réponses physiologiques d’un hôte à un agent pathogène mérite une attention égale et pourrait offrir une approche alternative indispensable pour traiter la maladie », a déclaré le co-auteur et membre du corps professoral associé de Wyss, Michael Levin, Ph.D., qui est également président de Vannevar Bush et directeur du Allen Discovery Center de l’Université Tufts.

Cependant, les chercheurs avertissent que les médicaments induisant la tolérance ne sont pas une solution miracle contre les infections. L’augmentation de la tolérance des humains à l’infection pourrait signifier qu’ils n’éliminent jamais complètement un agent pathogène nocif de leur corps, ce qui pourrait avoir des effets à long terme sur la santé. De plus, ces personnes atteintes d’infections persistantes de faible intensité pourraient propager l’agent pathogène à d’autres personnes plus sensibles. Par conséquent, les médicaments qui augmentent la tolérance sont probablement mieux utilisés en combinaison avec d’autres mesures comme les vaccins, ou dans des situations d’urgence isolées telles que la protection des médecins et des infirmières qui répondent à une épidémie mortelle d’agents pathogènes.

« C’est un merveilleux exemple de renversement des paradigmes scientifiques ou médicaux : plutôt que de rechercher un autre antibiotique hautement ciblé auquel les agents pathogènes développeront une résistance à l’avenir, nous avons choisi de découvrir des moyens de stimuler l’hôte à être tolérant à un large éventail. Bien que ce travail soit loin de la clinique, il démontre la valeur de sortir des sentiers battus et ouvre de nouvelles approches pour le développement thérapeutique », a déclaré l’auteur principal et directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School (HMS) et au Boston Children’s Hospital, et professeur de bio-ingénierie à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

L’équipe continue d’étudier les réponses au stress similaires à celles trouvées dans la tolérance aux agents pathogènes chez Xenopus, maintenant en grande partie dans le contexte du projet Biostasis de l’Institut Wyss.

Parmi les autres auteurs de l’article figurent les anciens membres de l’Institut Wyss, Vishal Keshari, Alexandre Dinis et Diogo Camacho, Ph.D. ; Mark Cartwright, Ph.D., chercheur principal à l’Institut Wyss ; Jean-François Paré Ph.D., de l’Université Queen’s, Ontario, Canada; et Michael Super, Ph.D., chercheur principal à l’Institut Wyss.