Un poumon sur puce pour étudier la primo-infection tuberculeuse

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Avec le développement d’un modèle de « poumon sur puce », l’EPFL a mis au jour de nouvelles informations sur la réponse de l’organisme à la primo-infection tuberculeuse. Les conclusions servent de modèle pour les prochaines recherches sur les infections, notamment respiratoires.

Des scientifiques ont développé un modèle de « poumon sur puce » pour étudier la réponse de l’organisme à la primo-infection tuberculeuse, selon les conclusions publiées récemmentdans eLife.

La tuberculose est une maladie causée par la bactérie Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) et atteint le plus souvent les poumons. Le modèle révèle que les cellules du système respiratoire, appelées cellules épithéliales alvéolaires, jouent un rôle essentiel dans le contrôle de la primo-infection tuberculeuse. En effet, ces cellules produisent une substance appelée « surfactant », un mélange de molécules (lipides et protéines) qui réduisent la tension superficielle où l’air et le liquide se rencontrent dans les poumons.

Ces conclusions permettent de mieux comprendre ce qui se passe au cours de la primo-infection tuberculeuse. Elles peuvent expliquer en partie pourquoi les personnes qui fument ou qui ont un surfactant défaillant présentent un risque plus élevé de contracter une infection primaire ou récurrente.

La tuberculose est l’une des principales causes de mortalité infectieuse au monde et touche des personnes de tous âges. Elle affecte principalement les adultes, or il n’existe actuellement aucun vaccin efficace disponible pour ce groupe. Cela s’explique en partie par les difficultés liées à l’étude des premiers stades de l’infection, qui se produisent quand une ou deux bactéries M. tuberculosis se nichent dans les poumons.

« Nous avons créé le modèle de "poumon sur puce" pour étudier certaines de ces premières manifestations », explique l’auteur principal Vivek Thacker, chercheur postdoctoral au McKinney Lab de l’EPFL. « Des études précédentes ont montré que les composants du surfactant produits par les cellules épithéliales alvéolaires peuvent entraver la croissance bactérienne, mais que ces cellules elles-mêmes peuvent favoriser la croissance bactérienne intracellulaire. Les rôles de ces cellules dans la primo-infection ne sont donc pas complètement compris. Nous avons utilisé notre modèle pour observer où se trouvent les sites de premier contact, comment la bactérie M. tuberculosis se développe dans les cellules épithéliales alvéolaires par rapport aux cellules tuant les bactéries appelées "macrophages", et comment la production de surfactant affecte la croissance, tout en maintenant ces cellules au niveau de l’interface air-liquide dans les poumons. »

L’équipe a utilisé son modèle de « poumon sur puce » pour recréer une carence en surfactant produit par les cellules épithéliales alvéolaires, puis voir comment les cellules pulmonaires réagissent à la primo-infection tuberculeuse. La technologie est optiquement transparente, ce qui signifie que l’équipe pourrait utiliser une technique d’imagerie appelée « microscopie temporelle » pour suivre la croissance d’une seule bactérie M. tuberculosis dans des macrophages ou des cellules épithéliales alvéolaires sur plusieurs jours.

Ses études ont révélé qu’une carence en surfactant entraîne une croissance bactérienne incontrôlée et rapide dans les macrophages et les cellules épithéliales alvéolaires. Par contre, la présence de surfactant réduit considérablement la croissance dans les deux types de cellules et, dans certains cas, l’empêche totalement.

« Notre travail fait la lumière sur les premières manifestations de l’infection tuberculeuse et sert de modèle sur lequel les scientifiques peuvent s’appuyer pour de futures recherches sur d’autres infections respiratoires », déclare l’auteur principal John McKinney, directeur du laboratoire de microbiologie et de microtechnique à l’EPFL. « Cela ouvre également la voie à des expériences qui augmentent la complexité de notre modèle pour aider à comprendre pourquoi certaines lésions tuberculeuses progressent tandis que d’autres guérissent, ce qui peut survenir en même temps chez le même patient. Ces connaissances pourraient un jour être mises à profit pour développer de nouvelles interventions efficaces contre la tuberculose et d’autres maladies. »

Les auteurs ajoutent qu’ils utilisent actuellement un modèle de « poumon sur puce humain » pour étudier la réponse de nos poumons à une infection à faible dose et à l’inoculation du SRAS-CoV-2, le virus responsable du COVID-19.

(Le texte ci-dessus est un version édité d’un communiqué de presse de eLife

Références

Vivek V. Thacker, Neeraj Dhar, Kunal Sharma, Riccardo Barrile, Katia Karalis, John D. McKinney. A lung-on-chip model of early M. tuberculosis infection reveals an essential role for alveolar epithelial cells in controlling bacterial growth. eLife 2020;9:e59961. DOI:  10.7554/eLife.59961