Pour que le parasite du paludisme atteigne le sang de son hôte humain, il doit d'abord pénétrer dans le foie, où seul un petit nombre de parasites se différencient et se répliquent pendant plus de sept jours, ce qui en fait un goulot d'étranglement dans le cycle de vie du parasite. Ce goulot d'étranglement fait du stade hépatique une cible optimale pour des vaccins efficaces et durables contre la maladie. En utilisant la transcriptomique spatiale et les technologies de séquençage d'ARN à cellule unique, des chercheurs de l'Université de Stockholm ont pour la première fois réussi à créer une carte spatio-temporelle de l'infection paludique dans le foie de la souris. Une étude qui a été récemment publiée dans Nature Communications.
« La possibilité d’identifier l’emplacement exact des gènes exprimés différemment dans les différentes sections de tissu hépatique en réponse à une infection parasitaire a un grand potentiel pour faire avancer la recherche sur le paludisme. Elle offre une toute nouvelle plateforme pour étudier les interactions hôte-pathogène dans le contexte tissulaire réel. Cela peut éventuellement aider les chercheurs à identifier de nouvelles cibles pour le développement de médicaments et de stratégies vaccinales contre le paludisme, mais aussi pour une plus grande variété de pathogènes qui infectent les tissus humains », explique Johan Ankarklev, professeur associé au département de biosciences moléculaires de l’Institut Wenner Gren (MBW), et responsable de l’étude.
L'étude, menée au Département de biosciences moléculaires de l'Institut Wenner-Gren (MBW) de l'Université de Stockholm, a été réalisée en collaboration avec les groupes de recherche du professeur Joakim Lundeberg, de l'Institut royal de technologie (KTH) de Stockholm, du professeur associé Emma R. Andersson, de l'Institut Karolinska de Stockholm, du professeur associé Joel Vega-Rodriguez, des National Institutes of Health (NIH) du Maryland, aux États-Unis, et du professeur Charlotte Scott du VIB de Gand, en Belgique.
La combinaison de la technologie de transcriptomique spatiale, initialement développée dans le groupe du professeur Lundeberg au KTH de SciLifeLab, et du séquençage d'ARN à cellule unique, a permis aux chercheurs de cartographier pour la première fois l'expression globale des gènes de l'hôte et du parasite dans les tissus hépatiques de souris infectées par Plasmodium berghei. La méthode de transcriptomique spatiale permet d'une part aux chercheurs de générer une image d'une section de tissu entière et, d'autre part, grâce à un ensemble de milliers de points, qui contiennent tous des millions de sondes à code-barres, de capturer l'expression globale des gènes de petites régions à l'échelle micrométrique sur toute la section de tissu et, finalement, de relier le profil d'expression à des emplacements spécifiques dans les données d'imagerie. De plus, la fusion des données à cellule unique à haute résolution avec les données spatiales permet la déconvolution de types de cellules spécifiques dans les points de tissu.
Faits sur le paludisme
Le paludisme reste l’une des maladies les plus meurtrières au monde, avec environ 230 millions d’infections et plus de 600 000 décès chaque année, principalement chez les jeunes enfants. Les symptômes n’apparaissent qu’une fois que le parasite responsable du paludisme, Plasmodium spp, se réplique dans le sang. Cependant, avant que les parasites n’atteignent le stade sanguin symptomatique, ils passent d’abord par une étape de développement obligatoire et cliniquement silencieuse dans le foie. Chaque parasite qui pénètre dans le foie donne naissance à des dizaines de milliers de parasites, qui sont finalement libérés dans la circulation sanguine. Là, ils infectent spécifiquement les globules rouges et se répliquent en milliards.
Paludisme au stade hépatique : une cible prometteuse
Le stade hépatique essentiel représente un obstacle majeur dans le cycle de vie du parasite, car très peu de parasites atteignent cet organe et se développent avec succès. Par conséquent, ce stade du cycle de vie est considéré comme une cible optimale pour la production de vaccins efficaces et durables contre le paludisme. Cet objectif n'est toujours pas atteint malgré la mise sur le marché récente et révolutionnaire de deux candidats vaccins, qui ont malheureusement montré une faible efficacité et un manque de protection durable.
En comparaison avec la phase sanguine symptomatique, la phase hépatique du cycle de vie du paludisme est très peu étudiée et le développement d'un vaccin efficace est entravé par le manque actuel de connaissances. La génération d'une carte spatiale de l'infection hépatique par Plasmodium dans le contexte tissulaire réel constitue une avancée majeure pour combler ce manque de connaissances.
Johan Ankarklev, professeur associé, département de biosciences moléculaires, Institut Wenner Gren
De nouvelles connaissances importantes pour la communauté de la biologie des infections
Les chercheurs ont découvert que le parasite provoque des changements dans l'expression génétique des cellules hôtes à proximité, de manière dépendante du temps. Au début de l'infection hépatique, ils trouvent des programmes génétiques pro-inflammatoires dans des zones tissulaires à proximité des positions du parasite. En revanche, au cours des stades tardifs de l'infection hépatique, ils trouvent des programmes génétiques liés aux réponses immunitaires sous-régulés dans les quartiers du parasite. Au lieu de cela, ils ont découvert une régulation positive des programmes génétiques liés au métabolisme des acides gras dans les cellules hôtes à proximité des parasites à un stade tardif. Les acides gras sont essentiels pendant la réplication massive du parasite qui se produit à la fin du stade hépatique et seraient en outre impliqués dans les réponses anti-inflammatoires.
• Par conséquent, les chercheurs suggèrent que le parasite fait d’une pierre deux coups, car il échappe probablement aux réponses immunitaires de l’hôte et s’approvisionne en nutriments essentiels en détournant la régulation de la transcription des gènes codant le métabolisme des acides gras dans les cellules hôtes.
• De plus, ils constatent que les réponses immunitaires globales dans les tissus hépatiques des souris témoins non infectées, injectées avec un lysat de glandes salivaires de moustique (où résident les parasites Plasmodium avant d'être injectés dans la peau d'un hôte vertébré) sont également régulées à la hausse mais présentent un retard significatif de plus de 12 heures, ce qui fournit des implications importantes pour la conception d'études futures d'études similaires.
• Le groupe de recherche a également découvert de nouveaux composants spatiaux dans le contexte de l'infection, caractérisés par une densité cellulaire élevée et exprimant des signatures génétiques pro-inflammatoires et d'activation immunitaire. Ils ont appelé ces structures « points chauds inflammatoires », qui sont similaires aux structures précédemment observées dans le contexte d'infections virales dans les tissus, y compris le foie.
« Des études antérieures ont montré que certains parasites se développent avec succès dans le foie pour atteindre le sang tandis que d'autres sont ciblés avec succès par le système immunitaire de l'hôte et éliminés. Par conséquent, nous pensons que ces structures peuvent représenter des positions d'élimination réussie des parasites », explique Franziska Hildebrandt, ancienne doctorante au AnkarklevLab et auteure principale de l'étude.
