Pourquoi la fibrose kystique si difficile à traiter?

Il n’y a toujours pas de remède contre la fibrose kystique. Malgré l’amélioration des traitements allongeant la durée de vie des patients, un patient atteint de mucoviscidose né entre 2013 et 2017 au Royaume-Uni a une espérance de vie moyenne inférieure à 50 ans. Au Royaume-Uni, environ 10 500 personnes souffrent de fibrose kystique, selon le Cystic Fibrosis Trust. Entre 60 et 80% des personnes atteintes de fibrose kystique souffrent d’infections respiratoires chroniques, généralement causées par des bactéries Pseudomonas aeruginosa ou Staphylococcus aureus., Une fois les poumons infectés, les bactéries se différencient rapidement en sous-souches, développent une résistance aux antibiotiques et deviennent difficiles à traiter. Les stratégies actuelles de traitement antibiotique sont équivalentes à nuquer l’ensemble du site de l’orbite avec une batterie de médicaments, une approche qui provoque des effets secondaires graves, et dans de nombreux cas, les bactéries persistent.

l’infection pulmonaire chronique endommage la surface des cellules épithéliales et entraîne une inflammation, ce qui nuit à la capacité du poumon à fonctionner. On estime que plus de 80% des patients atteints de fibrose kystique sont tués par ce type d’infections pulmonaires chroniques., Il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas sur la façon dont ces bactéries colonisent et se propagent dans les poumons, et comment les interactions bactéries–bactéries affectent leur sensibilité aux antibiotiques.

Source: © Science Photo Library

Les protéines CFTR normales (à gauche) laissent passer les ions chlorure (en vert); celles défectueuses (à droite) ne le font pas et cela provoque une accumulation de mucus

heureusement, les scientifiques trouvent de nouvelles façons de modéliser le comportement bactérien tenir et résister au traitement ., Ces résultats pourraient aider les patients atteints de mucoviscidose à vivre plus longtemps et en meilleure santé.

la fibrose kystique est causée par des mutations du gène régulateur de conductance transmembranaire (CFTR) de la fibrose kystique qui affectent la production de la protéine CFTR. Cette protéine forme des canaux ioniques dans les membranes cellulaires dans tout le corps qui régulent le flux d’ions et de molécules d’eau Dans et hors des cellules. Lorsque la protéine CFTR n’est pas fait correctement sa capacité de transport des ions est compromise, affectant l’équilibre des ions de sel et de l’eau à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule., Ce déséquilibre conduit à un mucus épais et collant dans les poumons, le pancréas et d’autres organes. Le mucus craché des voies respiratoires est appelé expectoration.

le Mucus qui ne se dégage pas est un terreau fertile pour les bactéries et conduit à ces infections pulmonaires chroniques chez les patients atteints de mucoviscidose. Il est également difficile pour les agents thérapeutiques de pénétrer dans le mucus et d’éradiquer les bactéries.

Combien de bogues?

la première étape pour comprendre les infections bactériennes consiste à quantifier ce qui se passe., Le NIH Common Fund Human Microbiome Project (HMP) a été créé en 2008 pour caractériser le microbiote humain sain et étudier leur rôle dans la maladie. La première phase du projet a caractérisé les microbiomes buccaux, intestinaux et cutanés, mais n’a pas étudié les poumons. La culture d’échantillons pulmonaires sur une boîte de pétri – la manière traditionnelle d’identifier les bactéries – n’a rien montré, de sorte que les scientifiques ont conclu que des poumons sains étaient stériles. Des recherches ultérieures avec des techniques de séquençage plus avancées ont montré qu’en fait, plusieurs espèces de bactéries habitent des poumons sains.,

cependant, les différences entre un microbiome pulmonaire sain et malsain sont « un domaine assez controversé en ce moment », explique Ann Field, directrice principale de la découverte de médicaments à la Cystic Fibrosis Foundation, un organisme américain à but non lucratif. Certaines études identifient des listes d’organismes qui semblent être présents dans les poumons où il n’y a pas d’infection, mais d’autres études ont identifié un chevauchement considérable dans les types et les quantités d’organismes dans les poumons sains et infectés. « Le jury ne sait toujours pas s’il existe un” microbiome pulmonaire sain » », explique Field.,

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la présence de bactéries Pseudomonas, Staphylococcus et Achromobacter signifie généralement une réduction de la fonction pulmonaire chez les patients atteints de mucoviscidose

la méthode la plus courante pour quantifier les bactéries est le séquençage du gène la PCR amplifie le gène de l’ARNr 16S présent dans l’ADN collecté à partir d’échantillons d’expectorations. Le gène de l’ARNr 16S est présent dans toutes les bactéries et agit comme un code à barres pour différentes espèces.,

Lorsqu’ils ont effectué le séquençage de l’ARNr 16S sur les expectorations de 77 patients atteints de fibrose kystique, des chercheurs de L’Université Emory et du Georgia Institute of Technology, tous deux à Atlanta, aux États-Unis, ont découvert que la présence de Pseudomonas, de staphylocoques et D’Achromobacter en quantités significatives est corrélée à une réduction de la fonction pulmonaire chez les patients atteints de Cependant, ils ont également trouvé des exceptions à ces tendances.

l’utilisation de méthodes basées sur L’ADN pour quantifier les bactéries dans les poumons présente certains inconvénients., Chez les patients atteints de mucoviscidose, beaucoup d’ADN hôte et bactérien est présent dans les échantillons, mais les quantités d’ADN peuvent ne pas représenter la composition réelle des bactéries présentes. « L’ADN bactérien s’accumule à des vitesses différentes avec des stabilités différentes; beaucoup d’insectes dans les voies respiratoires font de très bons DNAases, ils ont donc tendance à dégrader l’ADN qui les entoure. Alors qu’avec des agents pathogènes comme Pseudomonas, l’ADN s’accumule continuellement », explique Michael Surrette, professeur de microbiologie à L’Université McMaster, en Ontario, au Canada.

Surette soutient qu’une façon plus précise de quantifier les bactéries est de rechercher L’ARN bactérien., L’inconvénient des méthodes de séquençage à base D’ARN est bien qu’il donne un instantané plus précis des espèces présentes, L’ARN n’est pas stable et a une demi-vie de minutes. L’extraction de L’ARN des expectorations est également difficile. « Les expectorations sont le pire échantillon possible pour le faire », dit Surette. Son groupe a développé un protocole qui décompose les matrices de salive, stabilise l’ARN avant amplification et séquençage, et prend moins de cinq minutes pour effectuer.,

résistance aux antibiotiques

plus de 50% des adultes atteints de mucoviscidose aux États-Unis sont infectés par Pseudomonas, dont environ un tiers est multirésistant aux médicaments. Pseudomonas est un pathogène opportuniste qui n’infecte que les personnes dont le système immunitaire est affaibli. Il existe de multiples voies mécanistiques par lesquelles Pseudomonas acquiert une résistance aux antibiotiques. L’habitude de Pseudomonas de former des biofilms protecteurs ajoute à la difficulté de l’éradication.,

pour étudier la résistance, L’équipe de Steve Diggle au Georgia Institute of Technology a développé des biofilms de Pseudomonas sur des billes de plastique avec des crachats synthétiques au cours des jours 50. Ils ont constaté qu’en un mois, Pseudomonas avait suffisamment de mutations dans le gène IasR – qui favorise la création de protéines de virulence – pour gagner en tolérance à plusieurs antibiotiques bêta-lactamines, même lorsque les échantillons n’étaient pas traités avec des antibiotiques.

Le Laboratoire de Diggle a également montré que des souches plus agressives de Pseudomonas libèrent des pyocines qui tuent des souches concurrentes de Pseudomonas., Cela garantit que les souches les plus virulentes – et mortelles – viennent dominer les poumons des patients atteints de mucoviscidose.

j’utilise l’exemple de galaxies dans l’univers: il y en a beaucoup, mais la plupart sont trop éloignés les uns des autres pour interagir

un Autre facteur de complication est que la présence de plusieurs microbes dans les poumons peuvent affecter leur capacité à résister aux antibiotiques., Une souche de bactéries qui a été cultivée et purifiée à partir d’un échantillon de patient pourrait montrer une sensibilité à un antibiotique particulier dans la boîte, mais sembler résistante à ce traitement dans le contexte d’une infection polymicrobienne. « L’implication est que ces microbes interagissent d’une manière ou d’une autre, ce qui modifie leur biologie et leur physiologie de telle sorte qu’ils ne sont pas sensibles à l’antibiotique », explique George O’Toole, microbiologiste au Dartmouth College dans le New Hampshire, aux États-Unis.

Le laboratoire D’O’Toole recherche les relations d’alimentation croisée au sein des communautés polymicrobiennes., Le métabolite déchet d’une espèce bactérienne peut être un aliment pour une autre. En utilisant des simulations informatiques avec une sélection connue de bactéries et de nutriments préexistants, son équipe peut modéliser l’échange et l’accumulation de métabolites dans les communautés polymicrobiennes. Ils ont constaté que Pseudomonas grandissait souvent pour devenir les bactéries dominantes, mais la présence d’agents pathogènes plus rares qui consommaient également les mêmes métabolites alimentaires que Pseudomonas pourrait entraver sa croissance. La façon dont ces types d’interactions microbiennes influencent la sensibilité aux antibiotiques n’est pas encore connue.,

Tous les scientifiques ne sont pas d’accord pour dire qu’il existe un microbiome pulmonaire où plusieurs microbes interagissent les uns avec les autres. ‘J’utilise l’exemple des galaxies dans l’univers: il y en a beaucoup, mais la plupart sont trop éloignées les unes des autres pour interagir », explique Diggle, qui pense qu’il en va de même pour les colonies bactériennes dans les poumons. Il soutient que voir des interactions entre deux espèces de bactéries dans un plat ne signifie pas qu’elles interagissent normalement les unes avec les autres dans le poumon.,

« essentiellement, chaque programme de découverte de médicaments est exécuté en examinant la capacité d’un antibiotique à traiter un seul microbe dans une culture », explique O’Toole, qui ne voit pas cela comme une approche efficace dans la mucoviscidose alors que presque tous les patients ont des infections polymicrobiennes. « Nous devons penser à un pipeline de découverte de médicaments où vous cherchez réellement des médicaments qui seront efficaces dans le contexte d’une infection mixte.’

modélisation des poumons de la mucoviscidose

un autre défi en matière de fibrose kystique est de modéliser efficacement la maladie et le microenvironnement dans les poumons malsains., Les poumons sont difficiles à visualiser et à analyser lorsqu’ils sont encore utilisés. Lorsque les expectorations sont crachées pour analyse, les cliniciens ne savent pas de quelle partie des poumons provient l’échantillon, ni s’il s’agit d’un mélange de colonies bactériennes provenant de plusieurs endroits. Sans modèles efficaces, les scientifiques ne peuvent pas étudier efficacement la maladie et développer de meilleurs traitements.

‘Contrairement aux patients humains atteints de mucoviscidose, les souris atteintes de mucoviscidose ne développent pas de maladie pulmonaire spontanée ou d’infections bactériennes chroniques., Les modèles de culture cellulaire 2D n’englobent pas non plus de nombreux mécanismes et réponses au traitement des maladies respiratoires », explique Sean Murphy, bio-ingénieur au Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en Caroline du Sud, aux États-Unis.

Source: © Wyss Institute / Harvard University

le « poumon sur puce » permet aux chercheurs du Wyss Institute de modéliser des cellules pulmonaires anormales

effectuer des expériences en temps réel sur des poumons vivants est presque impossible, de sorte que certains chercheurs ont créé des organes miniaturisés à étudier., Des chercheurs de L’Université Harvard dans le Massachusetts, aux États-Unis, ont passé de nombreuses années à construire des dispositifs organes sur puce qui imitent les conditions physiologiques. Leurs puces d’organes sont des dispositifs de culture microfluidique qui ont deux canaux parallèles creux de moins d’un millimètre de large. Ils sont séparés par une membrane poreuse revêtue d’une matrice extracellulaire pour médier l’adhésion cellulaire dans le corps et les actions in vitro. « Ils ont la taille d’une clé USB, Une petite clé USB », explique Donald Ingber, directeur fondateur du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering à Harvard., Les résultats sont des coupes transversales 3D vivantes des principales unités fonctionnelles des organes. Ils ont des puces pulmonaires individuelles qui remplacent les alvéoles, les sacs aériens et les voies respiratoires.

le projet lung on-a-chip du Wyss Institute a débuté en 2018 grâce à une subvention de la fondation de la fibrose kystique. Lorsque les chercheurs ont placé des cellules endothéliales pulmonaires de patients atteints de mucosités sur des copeaux, les mini-organes ont produit des mucosités plus épaisses, un mouvement capillaire anormal et une réponse inflammatoire plus importante. Ingber dit qu’ils utiliseront ces puces pour inverser le processus de la maladie en changeant les variables physiologiques.,

on espère que les poumons sur une puce peuvent aider à expliquer le mécanisme de L’inflammation des poumons de la FC. « Il existe des preuves que les réponses inflammatoires de la mucoviscidose sont exagérées ou supprimées indépendamment de la maladie pulmonaire de la mucoviscidose », note Murphy, même si les infections bactériennes chroniques et les dommages ont également un impact significatif sur la réponse inflammatoire. Son équipe a construit son propre système lungs-on-a-chip qui peut utiliser différentes combinaisons de cellules immunitaires et d’épithélium pour mieux comprendre les mécanismes de l’inflammation dans le poumon et le système immunitaire de la FC.,

modulateurs

malgré de nombreuses questions sans réponse sur la biologie sous-jacente de la maladie et les infections chroniques qui l’accompagnent, le traitement et la prise en charge de la fibrose kystique subissent un changement de paradigme massif avec l’introduction récente de médicaments modulateurs CFTR. Ils sont appelés modulateurs parce qu’ils modulent la fonction de la protéine CFTR afin qu’elle puisse remplir sa fonction principale: créer un canal pour que les ions chlorure circulent à travers la surface cellulaire.

lorsque le flux de chlorure est rétabli, le mucus se réhydrate à l’intérieur des poumons et d’autres organes., Bien que les médicaments modulateurs actuels ne rétablissent pas complètement le flux de chlorure approprié, ils peuvent améliorer le flux suffisamment pour soulager les symptômes des personnes atteintes de mucoviscidose. Symkevi-un médicament de Vertex Pharmaceuticals-est une combinaison de médicaments modulateurs ivacaftor et tezacaftor a été approuvé en décembre 2018 pour une utilisation dans l’UE. Vertex a suivi avec Trikafta – un traitement avec un troisième modulateur médicaments elexacaftor-qui a été approuvé par la FDA en octobre 2019. L’Agence européenne des médicaments examine toujours la demande d’autorisation et prendra une décision fin 2020.,

Nous ne pouvons pas nous permettre de baisser la garde

Trikafta est approuvé pour les patients âgés de 12 ans et plus qui ont au moins une mutation F508del dans le gène CFTR, qui représente environ 90% des patients atteints de fibrose kystique. Dans les essais cliniques, les personnes avec deux copies de la mutation F508del ont eu une augmentation de 3,4% de la fonction pulmonaire après avoir pris Symkevi par rapport au traitement avec le groupe placebo. Les personnes qui ont pris Trifkafa ont eu une augmentation supplémentaire de 10% de la fonction pulmonaire par rapport aux patients prenant Symkevi.,

en plus des modulateurs, il existe plusieurs classes de thérapies ciblant différents aspects de la protéine CFTR, bien que celles-ci n’aient pas encore été approuvées pour une utilisation généralisée. Les potentiomètres sont des modulateurs CFTR qui maintiennent la porte ouverte afin que le chlorure puisse circuler à travers la membrane cellulaire. Les correcteurs aident la protéine CFTR à former la bonne forme 3D afin qu’elle puisse acheminer les ions vers la surface de la cellule. Enfin, les amplificateurs CFTR augmentent le nombre de protéines CFTR à la surface de la cellule. Si la cellule produit plus de protéines CFTR, elle augmente le flux d’ions chlorure à travers la membrane cellulaire., Les amplificateurs, qui sont en cours de développement et de test, ne sont pas encore disponibles dans le commerce.

malgré l’optimisme entourant l’amélioration des résultats pour les patients atteints de mucoviscidose avec l’arrivée de médicaments modulateurs, Surette a averti que les modulateurs peuvent entraîner un nouvel ensemble de problèmes d’infection. Même lorsque ces modulateurs éliminent le mucus dans les poumons des patients adultes atteints de mucoviscidose, des cicatrices dues aux infections et exacerbations passées resteront, ce qui signifie que les poumons des patients atteints de mucoviscidose ne ressembleront jamais à des poumons sains., Les chercheurs ne savent pas si les patients sous modulateurs CFTR obtiendront un microbiome pulmonaire en santé permanente ou si les agents pathogènes reviendront éventuellement. « Ce sera un environnement pour de nouveaux agents pathogènes potentiels que nous n’avons jamais vu auparavant. Nous ne pouvons pas nous permettre de baisser la garde », dit Surette.

Claire Jarvis est une écrivaine scientifique basée à Atlanta, aux États-Unis

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