Une nouvelle étude publiée sur le serveur de préimpression en ligne bioRxiv * en juin 2020 rapporte l'utilisation réussie de trois espèces de primates pour modéliser l'infection, la pathogenèse et les caractéristiques cliniques associées à COVID-19. La recherche fournit des modèles utiles et immédiatement disponibles pour tester de nouveaux vaccins et traitements.
Sommaire
Le coût de la pandémie
Le nouveau coronavirus appelé coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SRAS-CoV-2) qui cause la maladie COVID-19 est apparu pour la première fois à Wuhan, en Chine, mais s'est répandu dans le monde entier. Sa capacité à se propager rapidement et à provoquer des maladies étendues, ainsi que les taux élevés de propagation, le rendent encore plus mortel que le précédent SARS-CoV, malgré l'augmentation du taux de mortalité associé à ce dernier.
Nouveau coronavirus SARS-CoV-2 Micrographie électronique à transmission de particules de virus SARS-CoV-2, isolée d'un patient. Image capturée et rehaussée de couleurs au NIAID Integrated Research Facility (IRF) à Fort Detrick, Maryland. Crédits: NIAID
Les prévisions concernant le coût final de la pandémie varient, certaines estimant une perte de vies humaines de plusieurs millions au cours des prochaines années. En l'absence de thérapies ou de vaccins connus, les scientifiques travaillent frénétiquement pour développer des stratégies efficaces.
Le spectre de la maladie COVID-19
Chez l'homme, COVID-19 produit un spectre de maladies allant d'une maladie pneumonique asymptomatique à fatale. Les pires résultats sont chez les personnes dont l'immunité est affaiblie et d'autres maladies telles que le diabète de type 2.
Les primates non humains (PSN) sont utiles pour modéliser le processus pathologique sous-jacent afin de développer des méthodes efficaces de prévention et de traitement. Ces modèles ont été utilisés dans une certaine mesure, même avec les flambées antérieures de SRAS et de MERS. La présente étude visait à développer un modèle non humain pour recapturer la diversité des réponses humaines à l'infection virale et pour comprendre les événements précoces qui se produisent dans les cellules infectées dans les poumons.
L'étude en phase aiguë
L'étude a porté sur trois espèces de PSN, à savoir les macaques rhésus indiens, les babouins d'origine africaine et les ouistitis communs du Nouveau-Monde. Les chercheurs ont examiné la réponse immunitaire précoce dans les cellules pulmonaires en utilisant l'imagerie haute résolution en raison de sa relation avec l'issue de la maladie.
La première étape a consisté en une étude de 3 jours de l'infection aiguë chez quatre macaques exposés par voie oculaire, intratrachéale et intranasale, développant des signes d'infection tels qu'un doublement de la protéine C réactive (CRP), une réduction des protéines sériques et de l'hémoglobine, et l'augmentation des niveaux de CO2 sérique. Ceux-ci indiquent une inflammation systémique, une anémie due à une infection virale et une insuffisance pulmonaire.
Parallèlement, il y a eu une baisse du nombre et de la proportion relative de neutrophiles, probablement parce que ces cellules immunitaires ont été recrutées dans le tissu pulmonaire par les signaux cellulaires associés à l'infection. Cependant, les monocytes ont envahi la circulation systémique, ce qui suggère que leur production dans la moelle osseuse a été accélérée par l'infection virale. Les monocytes sont essentiels à la réponse immunitaire: leur reconnaissance des schémas moléculaires associés aux agents pathogènes (PAMP) déclenche une cascade de signaux cellulaires pour initier la réponse antivirale médiée par l'interféron.
Les macaques ont donc développé une maladie clinique avec infection aiguë mais sans perte de poids ni fièvre significative. Un lavage broncho-alvéolaire (BAL), des écouvillons nasaux et des écouvillons nasopharyngés, ainsi que des écouvillons oropharyngés, prélevés 1 à 3 jours après l'infection, ont montré la présence d'ARN viral, alors qu'il n'a pas été détecté dans des échantillons de pré-infection similaires. Les écouvillons rectaux n'étaient positifs que dans un petit échantillon et seulement plus tard au cours de l'évolution de la maladie.
Des études radiographiques effectuées chaque jour après l'infection ont montré des anomalies progressives suggérant une pneumonie multilobaire sur la radiographie pulmonaire, telles que des opacités multifocales légères à sévères des tissus mous (considérées comme des opacités en verre dépoli décrites dans les tomodensitogrammes). Des épanchements pleuraux ont également été observés.
L'autopsie a montré que le virus était détectable dans près de 100% des échantillons pulmonaires, à raison de 4 à 6 copies logarithmiques / 100 mg de tissu pulmonaire dans chaque lobe. Cela indique que l'ARN viral augmente de 4 logs de 1 à 2 jours après l'infection, prouvant que le virus subit une réplication précoce et massive chez les macaques.
Les poumons présentaient une pneumonie interstitielle et alvéolaire et étaient les organes les plus gravement touchés par la maladie. Une analyse immunohistochimique par fluorescence a montré que les antigènes viraux étaient présents dans les poumons et les amygdales, avec une expression ACE2 plus élevée chez les animaux exposés au virus par rapport aux animaux naïfs.
Le profil des cytokines a montré une réponse massive précoce à l'infection virale, avec une augmentation de l'IL-12p4, de l'IL-18, du TNF et de l'IL-1Ra au fil du temps. L'augmentation de l'IFN-a et de l'IL-6 de type I pourrait provoquer la soi-disant «tempête de cytokines» qui est étroitement liée au syndrome de détresse respiratoire aiguë (SDRA) si elle se produit de manière non réglementée.
En bref, une infection aiguë survient après l'exposition au SRAS-CoV-2 chez les macaques, provoquant une pneumonie et une réponse antivirale précoce.
L'étude de progression
L'étape suivante consistait à comprendre comment l'infection progresse au fil du temps et avec l'âge. Les chercheurs ont utilisé six jeunes et six vieux macaques, et les ont suivis pendant 14 à 17 jours, ainsi que 4 macaques témoins. Pour comparer la progression de l'infection dans d'autres PSN, ils ont également infecté 6 babouins et 6 ouistitis.
Les chercheurs ont constaté que les signes aigus d'infection et de maladie se sont améliorés au fil du temps, sans variation en fonction de l'âge. 3/12 animaux ont montré une augmentation persistante de la CRP sérique après le troisième jour d'infection, et tous ont présenté une altération métabolique au cours des deux semaines de la période d'étude. Les globules rouges sont tombés et sont revenus à la normale le 9e jour, tandis que les neutrophiles dans le sang périphérique sont restés inchangés pendant les jours 3-14. Une perte de poids a été observée chez les animaux âgés et jeunes.
La plupart des macaques avaient de l'ARN viral détectable dans BAL, mais à un nombre de copies très faible. Les écouvillons nasaux ont été testés positifs pour l'ARN viral dans la moitié des macaques à 3 jours, chez 10/12 animaux au 9e jour et demi à la fin de la période d'étude, ce qui indique une persistance virale dans les voies respiratoires pendant deux semaines ou plus chez les animaux cliniquement convalescents.
Les niveaux d'ARN viral ont chuté par rapport à l'étude de phase précoce, à la fin de la période d'étude. La plupart des animaux avaient un ARN viral détectable dans le tissu pulmonaire. Ces résultats indiquent qu'une récupération clinique se produit mais pas une immunité stérilisante.
Comparaisons entre espèces
Chez les babouins, le schéma de détection précoce était similaire à celui des macaques, mais l'ARN viral persistait plus longtemps chez les babouins qu'avec les macaques. Ici aussi, les poumons étaient les plus gravement et communément touchés, avec une inflammation mononucléaire importante chez tous les animaux.
L'infection est apparue plus bénigne chez les ouistitis, avec moins de 4 journaux d'ARN viral détectables dans des écouvillons nasaux le 3rd jour, mais aucun au ou après le 6e journée. Les changements pneumoniques étaient également moins fréquents chez ces animaux.
La tomodensitométrie a montré une pneumonie progressive modérée chez tous les macaques, mais plus chez les animaux âgés que chez les jeunes,e jour, avec une faible charge virale pulmonaire et nasale. Les poumons des babouins sont les plus gravement touchés, avec une excrétion virale plus importante ainsi qu'un virus persistant dans le compartiment respiratoire.
Implications pour le développement thérapeutique futur
En bref, les études montrent que «trois genres de PSN développent différents degrés de COVID-19 après une infection par le SRAS-CoV-2 lorsqu'ils sont évalués côte à côte, avec des babouins présentant une pathologie modérée à sévère, des macaques présentant une pathologie modérée et des ouistitis présentant une pathologie légère. Les niveaux d'ARN viral dans BAL, NS et les poumons sont cohérents avec les niveaux de pathologie. » Cela fournit une métrique quantifiable pour l'évaluation précise des vaccins et des thérapies.
L'étude a également démontré que la tomodensitométrie à faisceau conique pouvait être utilisée aux côtés d'algorithmes innovants pour quantifier le degré d'implication pulmonaire.
Deuxièmement, ils démontrent le recrutement de séries myéloïdes spécifiques dans le tissu pulmonaire, en particulier des séries de cellules monocytes, neutrophiles et dendritiques, toutes contenant des protéines virales détectables. Le stimulus de ces migrations est probablement l'accélération virale induite par la production de moelle osseuse de ces cellules. Le niveau élevé d'expression de la réponse IFN de type 1 ainsi que d'autres cytokines pro-inflammatoires peuvent expliquer pourquoi la pneumonie se développe d'abord et est ensuite contrôlée par la réponse immunitaire chez la plupart des hôtes animaux.
Enfin, l'absence de disparité liée à l'âge dans la gravité de l'infection peut suggérer que la maladie coexistante plutôt que l'âge en soi est responsable du taux d'infection et de la mortalité plus élevés chez les humains plus âgés et plus malades. Encore une fois, la sensibilité relative des babouins à la maladie COVID-19 peut aider à explorer ce domaine chez les humains présentant des comorbidités comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et les personnes âgées.
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
