Utilisation de l'invertébré Galleria mellonella comme modèle d'infection pour étudier le complexe mycobacterium de tuberculose

La tuberculose est une menace majeure pour la santé publique mondiale avec 9 millions de nouveaux cas par an et 1,5 million de décès¹. En outre, on estime qu’un quart de la population mondiale est infectée par l’agent causal de la maladie, Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Parmi la population infectée, 5 à 10 % développeront une tuberculose active au cours de leur vie. En outre, l’émergence et la propagation de MTB multirésistants (MDR) et résistants aux médicaments (XDR) constitue une menace sérieuse pour la lutte contre la maladie, 123 pays signalant au moins un cas de XDR¹. Le traitement de la tuberculose nécessite un cocktail d’au moins quatre médicaments antimycobactériens, dont l’isoniazide et la rifampicine sont prescrites pour une durée minimale de six mois; le traitement est souvent associé aux effets secondaires et aux toxicités complexes. La protection contre le seul vaccin homologué contre la tuberculose, Mycobacterium bovis Bacillus Calmette-Guérin (BCG), est variable². Une compréhension incomplète de la pathogénie de la tuberculose entrave considérablement l’élaboration de nouvelles stratégies thérapeutiques et de vaccination.

Pendant des décennies, les modèles d’infection animale ont été essentiels pour la recherche sur la tuberculose afin de comprendre la pathogénie de base et la réponse de l’hôte à l’infection, et d’évaluer de nouveaux agents antimycobactériens, immunothérapeutiques et de nouveaux vaccins candidats^{3, 4}. Cependant, la recherche utilisant des modèles d’infection animale de la tuberculose est notoirement difficile car la pathogénie et la progression de l’infection à tuberculose sont complexes, et il n’existe pas de modèle animal unique qui imite le spectre complet et les caractéristiques importantes de la maladie^{5 ,6}. En outre, les expériences sur les animaux sont coûteuses, prennent beaucoup de temps à entreprendre et nécessitent une justification éthique complète. Néanmoins, des modèles d’infection animale de la tuberculose ont été décrits chez des primates non humains (p. ex. macaques), des cobayes, des lapins, des bovins, des porcs, des souris et des poissons zèbres, chacun ayant ses limites^3,4. Le modèle murine est le modèle le plus couramment utilisé en raison du coût, de la disponibilité des lignées consanguines, de la reproductibilité de l’infection et de l’abondance des réactifs immunologiques. Cependant, ils ne forment généralement pas de granulomes associés à des zones d’hypoxie qui sont caractéristiques de l’infection tuberculeuse latente (LTBI)⁶. Les cochons d’Inde sont très sensibles à l’infection à Mtb, avec une pathologie et une formation précoce de granulomes semblables à ceux chez l’homme, et sont largement utilisés dans les tests de vaccination; pourtant, l’absence de réactifs immunologiques entrave leur utilisation comme modèle d’infection⁷. Les poissons zèbres conviennent au dépistage à grande échelle dans les études précliniques à un stade précoce en raison de leur petite taille, de leur reproduction rapide et de leurs outils génétiques avancés, mais ils sont anatomiquement et physiologiquement différents des humains et ne sont Mycobacterium marinum infection³. Les modèles animaux qui ressemblent le plus étroitement à l’infection humaine de Mtb sont les primates non humains (par exemple, le macaque), mais ils sont chers et ont des considérations éthiques et pratiques importantes qui limitent considérablement leur utilisation⁸.

La larve d’insecte de la plus grande teigne de cire ou papillon de nuit nid d’abeilles,Galleria mellonella, sont devenus de plus en plus populaires comme modèle d’infection pour une variété d’agents pathogènes bactériens et fongiques⁹, et comme un écran pour les nouveaux candidats aux médicaments antimicrobiens ¹⁰. G. mellonella est un modèle d’invertébré réussi en raison de son système immunitaire inné sophistiqué (composé de défenses cellulaires et humoristiques) qui partage un degré élevé de similitude structurale et fonctionnelle à celle des vertébrés¹¹ . Cela comprend les mécanismes immunitaires tels que la phagocytose des agents pathogènes par les hémocytes (fonctionnellement similaires aux macrophages et aux neutrophiles des mammifères)^12,13, la production et la circulation de peptides antimicrobiens (AMP) et protéines de type complément dans l’hémolymphe (analogue au sang de mammifères) de G. mellonella¹¹. D’autres avantages^9,14,15 de larves de G. mellonella comme modèle comprennent 1) leur grande taille (20-30 mm) qui permet une manipulation facile et l’infection, ainsi que la collecte de tissus et hémolymphe pour les analyses, 2) entretien facile à 37 oC, compatible pour l’étude des agents pathogènes humains, 3) infection précise par injection sans besoin d’anesthésie, 4) l’efficacité des agents antimicrobiens peut être évaluée en utilisant moins de médicament pour l’évaluation, 5) l’absence de contraintes éthiques par rapport à l’utilisation des mammifères, 6) grandes tailles de groupe peuvent être utilisés par rapport aux modèles animaux permettant une plus grande reproductibilité, et 7) des temps plus courts pour les expériences d’infection sont nécessaires.

Dans une étude récente, nous avons démontré que G. mellonella peut être utilisé comme un nouveau modèle d’infection pour étudier la pathogénie de l’infection par bioluminescent M. bovis BCG lux, une version génétiquement modifiée de la souche vaccinale et membre du complexe Mtb (MTBC)¹⁶. Alors que G. mellonella a déjà été utilisé comme modèle d’infection pour les mycobactéries non tuberculeuses (NTM), principalement M. marinum et Mycobacterium abcès^17,18, les études utilisant MTBC sont limitées à celle de Li et coll.¹⁶. Les souches mycobactériennes bioluminescentes non pathogènes, qui peuvent être utilisées au niveau de confinement (CL) 2 comme substitut pour Mtb, offrent les avantages de la sécurité et de la praticité par rapport aux mycobactéries pathogènes. Après l’infection par le BCG lux, les larves commencent à développer des structures précoces ressemblant à des granulomes, ce qui pourrait fournir un aperçu précieux du rôle de l’immunité innée dans l’établissement de l’infection tuberculeuse¹⁶. En outre, ce modèle simple d’infection des invertébrés a le potentiel de fournir une évaluation rapide, peu coûteuse et fiable de la pathogénie de tb(e) incorporant le défi contrôlé et les répétitions multiples pour la reproductibilité. En outre, le modèle a le potentiel d’être utilisé pour dépister les nouveaux médicaments antituberculeux et les candidats vaccins dans le développement précoce, réduisant le nombre global d’animaux dans l’expérimentation. La capacité de mesurer les changements dans la structure de l’hôte et des agents pathogènes, le transcriptome et le protéome pour déterminer les cibles des médicaments et évaluer les mécanismes d’action des nouveaux médicaments et des vaccins thérapeutiques, sont également avantageuses.

Nous décrivons ici les protocoles expérimentaux pour la préparation d’un bioluminescent M. bovis BCG lux inoculum et les larves de G. mellonella pour l’infection mycobactérienne, ainsi que la détermination des larves et mycobactériennes survie en réponse à l’infection.