Utilisation de bactéries du microbiote pulmonaire pour moduler le système immunitaire local à l’état basal et pendant l’infection par Mycobacterium tuberculosis chez la souris

Human mucosal sites (such as the gut) are colonized from birth by trillions of microorganisms that form the microbiota (or commensal flora), living in symbiosis with our organism. Survival of the host and of its microbiota is dependent on the activation status of our immune system. While poor immune activation results in sensitivity to infections, its uncontrolled activation or inflammation compromises host tissue integrity. Bacteria from the gut microbiota naturally interact with cells of our immune system to preserve an equilibrium. Administration of such commensals as probiotics improve many disease outcomes and is currently studied to improve respiratory infection treatment. The primary infectious cause of death, tuberculosis, a respiratory disease caused by Mycobacterium tuberculosis, involves an over-activation of the immune system causing lung damages. In this thesis project, I investigated whether bacterial strains from the microbiota influence the immune response in tuberculosis to assess the potential of probiotics to improve tuberculosis treatment. In particular, we hypothesized that pulmonary commensal bacteria modify the local immune response to tuberculosis, as recently demonstrated in an asthma murine model. Through intranasal administration in mice, I first identified different lung commensal bacterial strains with a strong ability to modulate the lung CD4+ T cell compartment at steady state. Indeed, these strains induced T-helper (Th) cells involved in pro-inflammatory immunity, such as Th1 and Th17, and regulatory T cells (Treg) involved in anti-inflammatory responses. In particular, they increase proliferation of a specific Treg subtype, expressing RORt (a transcription factor characteristic of Th17). These RORt+ Treg were recently described in the gut, where they are induced by the microbiota and are able to decrease inflammation occurring in the mouse model of colitis. We show for the first time that these cells are induced in the lungs of mice treated with pulmonary bacterial strains from the Lactobacillus, Staphylococcus and Neisseria genera, and characterize their phenotype. As in the gut, these cells seem to have a strong anti-inflammatory profile, supported by their high expression of the inhibitory molecules CTLA-4 and PD-1, activation marker ICOS, and suppressive cytokine TGF- associated to a poor production of pro-inflammatory cytokines such as TNF-. Interestingly, I demonstrate that pulmonary Lactobacillus strains induced the same lung leukocyte populations in the mouse model of M. tuberculosis infection as in naïve mice, including RORt+ Treg. While none of the tested strains reduced M. tuberculosis burden in lung or spleen, the Lactobacillus murinus (CNCM I-5314) strain, which induce a high number of Th17 and RORt+ Treg accompanied by a reduced leukocyte infiltration in the lung, suggesting a capacity to reduce lung inflammation associated with M. tuberculosis infection. The role of Th17 and RORt+ Treg in this phenotype remains to be elucidated. Nevertheless, our results clearly indicate that the administration of pulmonary commensal bacteria strongly modulate the local immunity, even during chronic infections such as tuberculosis. Therefore, a better characterization of the lung microbiota components and of the mechanisms by which they interact with our immune system to maintain health in the respiratory system, might lead to the emergence of a new generation of probiotics, of lung origin, to better prevent and treat pulmonary diseases.Les muqueuses du corps humain (notamment l’intestin) sont colonisées dès la naissance par des milliards de microorganismes formant le microbiote (ou flore commensale) et qui vivent en symbiose avec lui. La survie de notre organisme (l’hôte) et de son microbiote dépend de l’état d’activation de notre système immunitaire. Alors qu’une trop faible activation nous rend susceptibles aux infections, une trop forte activation ou inflammation altère nos tissus. Certaines bactéries du microbiote intestinal, interagissent avec les cellules du système immunitaire pour moduler cette balance. Leur administration en tant que probiotique améliore de nombreuses pathologies et est envisagée pour le traitement d’infections respiratoires. L’infection causant le plus de décès dans le monde est la tuberculose, une maladie respiratoire causée par Mycobacterium tuberculosis et dans laquelle une hyper-activation du système immunitaire détruit les tissus pulmonaires. Dans ce projet de thèse, j’ai cherché à savoir si des bactéries du microbiote peuvent influencer la réponse du système immunitaire à la tuberculose, évaluant ainsi le potentiel d’une stratégie probiotique pour améliorer les traitements de cette maladie. En particulier, j’ai fait l’hypothèse que des bactéries commensales isolées du microbiote pulmonaire (récemment décrit) pourraient, par un effet local, fortement modifier cette réponse comme c’est le cas dans l’asthme, chez la souris. Dans un premier temps, j’ai montré que certaines bactéries du microbiote pulmonaire, administrées à des souris saines par voie intranasale, ont une forte capacité à moduler les lymphocytes T CD4+ des poumons tels que les Th1 ou Th17, impliqués dans l’immunité pro-inflammatoire, et les T régulateurs (Treg) réduisant l’activation immunitaire. En particulier, elles induisent la prolifération d’un sous type de Treg exprimant RORt (facteur de transcription caractéristique des Th17), nommé RORt+ Treg, récemment identifié dans l’intestin où l’activation de ces cellules par le microbiote limite les maladies inflammatoires de l’intestin comme la colite. Nous avons montré pour la première fois que ces cellules sont induites dans les poumons de souris traitées avec des bactéries isolées du microbiote pulmonaire appartenant aux genres bactériens Lactobacillus, Staphylococcus et Neisseria et avons caractérisé leur phénotype. Comme dans l’intestin, ces cellules semblent avoir un fort potentiel anti-inflammatoire, soutenu par leur forte expression des molécules inhibitrices CTLA-4, ou PD-1, du marqueur d’activation ICOS et de la cytokine anti-inflammatoire TGF-associée à une faible sécrétion de cytokines pro-inflammatoires telles que le TNF-. De façon intéressante, j’ai observé que des souches de Lactobacillus pulmonaires induisent les mêmes populations leucocytaires dans le modèle murin de tuberculose que dans des souris naïves, et notamment les RORt+ Treg. Tandis qu’aucune des souches testées ne diminuent la charge bactérienne de M. tuberculosis dans les poumons ou la rate des souris infectées, une souche de Lactobacillus murinus (CNCM I-5314) qui augmente fortement les Th17 et les RORt+ Treg, réduit l’infiltration leucocytaire pulmonaire, suggérant sa capacité à réduire l’inflammation associée à cette infection. Bien que la détermination du rôle des Th17 et des RORt+ Treg dans ce phénotype reste à élucider, nos résultats démontrent d’ores et déjà que l’administration de bactéries commensales pulmonaires peut fortement moduler l’immunité locale même au cours d’infections comme la tuberculose. Une meilleure caractérisation des composants du microbiote pulmonaire et des mécanismes par lesquels ils interagissent avec notre système immunitaire pour maintenir la santé respiratoire devrait donc permettre l’émergence d’une nouvelle génération de probiotiques, d’origine pulmonaire, pour prévenir et améliorer le traitement des maladies respiratoires