La révolution des organoïdes pour étudier et cibler les infections pulmonaires médiées par les mycobactéries

Respiratory infections including tuberculosis (TB) and nontuberculous mycobacterial pulmonary diseases (NTM-PD) are a major global health concern. Chronic respiratory infections due to mycobacteria are causing high rates of morbidity and mortality worldwide. According to the World Health Organization Global Tuberculosis Report 2021, Mycobacterium tuberculosis (Mtb) affected 10 million people globally with an estimated 1.5 million deaths. On the other hand, the incidence and prevalence of non-tuberculous mycobacteria (NTM) infections, such as Mycobacterium abscessus (Mabs), are increasing owing to a growing population of immunocompromised and vulnerable individuals such as cystic fibrosis (CF) patients. Nonetheless, our understanding and models to address the very early steps of Mtb infection and the host and bacterial determinants driving Mabs pathology in CF patients are at the best, rudimentary. Recent advances in stem cell biology have allowed the growth of human tissues in vitro that resemble organs in vivo. Organoids enables the generation and maintenance of complex epithelia in vitro derived from human adult stem cells. Of most importance, organoids recapitulate the general architecture and functional aspects of the original epithelium while remaining genetically stable for years. Bridging the gap between in vitro and in vivo models, the organoid system is far more representative than single-cell disease models and has more predictive value than animal models. Here, we evaluated whether the human airway organoid (AO) technology from healthy tissue (from donors with lung cancer) and CF patients is appropriate for modelling Mtb and Mabs infection and treatment efficacy. We show in healthy AOs that Mtb and Mabs reside primarily as extracellular bacteria and infect epithelial cells with relatively low efficiency. While the AOs microenvironment was able to control, but not eliminate Mtb, Mabs thrives. We demonstrate that AOs responded to infection by modulating the expression of cytokines, antimicrobial peptides, mucin and antioxidant genes. Our findings indicate that organoids derived from CF patients have a thicker epithelium, accumulate mucus, and undergo oxidative stress and increased lipid peroxidation, and cell death, key features of CF. Mabs rough (R) and smooth (S) morphotypes replicate more efficiently in CF patient organoids and CF-induced organoids (Healthy organoids + CFTR inhibithors) compared to healthy organoids, while S Mabs forms biofilms, R Mabs forms cords and display a higher virulence, further validating the relevance of CF organoids as a model for the study of Mabs pathogenesis. Finally, we prove that Mabs take advantage of the oxidative microenvironment in the CF airways to thrive, and pharmacological activation of antioxidant pathways resulted in better control of Mabs growth. In conclusion, we have established AOs as a suitable human system to decipher very early events of mycobacteria infection and the mechanisms of CF-enhanced respiratory infection by Mabs, thus offering new avenues for fundamental and therapeutic research.Les infections respiratoires, y compris la tuberculose (TB) et les maladies pulmonaires à mycobactéries non tuberculeuses (NTM-PD), constituent un problème majeur de santé mondiale. Les infections respiratoires chroniques dues aux mycobactéries entraînent des taux élevés de morbidité et de mortalité dans le monde. Selon le Rapport mondial sur la tuberculose 2021 de l'Organisation mondiale de la santé, Mycobacterium tuberculosis (Mtb) a touché 10 millions de personnes dans le monde, avec un nombre de décès estimé à 1,5 million. D'autre part, l'incidence et la prévalence des infections à mycobactéries non tuberculeuses (NTM), telles que Mycobacterium abscessus (Mabs), augmentent en raison de l'accroissement de la population des personnes immunodéprimées et vulnerables, tels que les patients atteints de mucoviscidose. Cependant, notre compréhension et les modèles permettant d'aborder les premières étapes de l'infection par Mtb et les déterminants de l'hôte et de la bactérie à l'origine de la pathologie de Mabs chez les patients atteints de la mucovisidose (CF) sont, au mieux, rudimentaires. Les récentes avancées dans le domaine de la biologie des cellules souches ont permis la croissance de tissus humains in vitro qui ressemblent aux organes in vivo. Les organoids permettent de générer et de maintenir in vitro des épithéliums complexes dérivés de cellules souches adultes humaines. Le plus important est que les organoïdes récapitulent l'architecture générale et les aspects fonctionnels de l'épithélium d'origine tout en restant génétiquement stables pendant des années. Faisant le lien entre les modèles in vitro et in vivo, le système organoïde est beaucoup plus représentatif que les modèles unicellulaires et a une meilleure valeur prédictive que les modèles animaux. Nous avons évalué ici si la technologie des organoïdes des voies respiratoires (AO) provenant de tissus sains (adjacents à la tumeur de donneurs atteints de cancer du poumon) et de patients atteints de CF est appropriée pour modéliser l'infection par Mtb et Mabs et l'efficacité du traitement. Nous montrons dans des AOs sains que Mtb et Mabs résident principalement en tant que bactéries extracellulaires et infectent les cellules épithéliales avec une efficacité relativement faible. Alors que le microenvironnement de l'AO est capable de contrôler, mais pas d'éliminer Mtb, Mabs prospère. Nous démontrons que les AOs répondent à l'infection en modulant l'expression des cytokines, des peptides antimicrobiens, des mucines et des gènes antioxydants. Nos résultats indiquent que les organoïdes dérivés de patients atteints de CF ont un épithélium plus épais, accumulent du mucus et subissent un stress oxydatif, une peroxydation lipidique accrue et une mort cellulaire, caractéristiques clés de la CF. Les morphotypes rugueux (R) et lisses (S) de Mabs se répliquent plus efficacement dans les organoïdes de patients atteints de CF par rapport aux organoïdes sains, tandis que les Mabs S forment des biofilms, les Mabs R forment des cordons et affichent une virulence plus élevée, ce qui valide davantage la pertinence des organoïdes de CF comme modèle pour l'étude de la pathogenèse de Mabs. Enfin, nous prouvons que Mabs profite du microenvironnement oxydatif des voies respiratoires des patients atteints de CF pour se développer, et que l'activation pharmacologique des voies antioxydantes permet de mieux contrôler la croissance bactérienne. En conclusion, nous avons établi que les AO constituent un système humain approprié pour déchiffrer les événements précoces de l'infection par les mycobactéries et les mécanismes de l'infection respiratoire aggravés par la CF, offrant ainsi de nouvelles voies pour la recherche fondamentale et thérapeutique