Nouveau modèle de labo pour étudier les infections meningococciques

Les antibiotiques sont super efficaces pour traiter plein d'infections bactériennes, mais le gros souci aujourd'hui, c'est que certaines bactéries commencent à devenir résistantes à ces médicaments. Cette résistance représente une menace sérieuse pour la santé mondiale. Pour développer de nouvelles façons de traiter les infections, il faut mieux comprendre comment ces maladies fonctionnent et créer des modèles expérimentaux solides pour tester les traitements potentiels.

Dans cette étude, on présente un modèle en lab, en trois dimensions, qui simule l'interaction entre les méningocoques, un type de bactérie, et les vaisseaux sanguins humains. Cette interaction est cruciale pour comprendre des maladies comme la septicémie et la méningite, qui peuvent être causées par cette bactérie spécifique.

#Aperçu de la maladie méningococcique

La maladie méningococcique invasive est une maladie grave qui peut se propager par le sang, entraînant une condition appelée bactériémie. Quand les bactéries circulent dans le sang, elles peuvent déclencher une septicémie, une réponse inflammatoire dangereuse. Traiter les infections systématiques comme la septicémie est souvent compliqué car il n'y a pas assez de modèles en lab qui imitent vraiment comment ces infections fonctionnent. Différents types de bactéries, comme Staphylococcus aureus et E. coli, peuvent provoquer diverses formes de septicémie selon leurs propriétés individuelles.

Neisseria meningitidis est particulièrement connue pour causer la méningite et une forme sévère de septicémie appelée purpura fulminans, qui entraîne des changements cutanés et des problèmes de fonction des vaisseaux sanguins.

#Importance des modèles expérimentaux

La recherche clinique a révélé des infos importantes sur comment N. meningitidis provoque de fortes réactions cutanées qui doivent être reproduites dans des modèles de laboratoire. Des études de tissus provenant de patients décédés de la maladie méningococcique ont montré que les bactéries se trouvent souvent à l'intérieur des vaisseaux sanguins dans des organes importants comme le foie, le cerveau, les reins et la peau. La présence de ces bactéries est liée à des changements sévères dans la fonction des vaisseaux sanguins, y compris des caillots sanguins et des dommages à la paroi des vaisseaux. Donc, un bon modèle de labo devrait représenter fidèlement comment cette bactérie interagit avec les parois des vaisseaux sanguins et les cellules immunitaires tout en imitant les dommages causés pendant l'infection.

Les infections méningococciques sont principalement limitées aux humains, c'est pour ça qu'un modèle utilisant des tissus humains était nécessaire. Ce modèle a utilisé des greffes de peau humaine sur des souris pour recréer des caractéristiques clés de l'infection méningococcique. Il a été utile pour montrer comment certaines structures bactériennes appelées pili de type IV sont essentielles pour que les bactéries se fixent aux vaisseaux sanguins. Bien que ce modèle fournisse le bon environnement tissulaire, il nécessite des tissus humains frais et des techniques chirurgicales complexes.

Une autre approche a consisté à étudier des cellules humaines infectées dans des cultures plates et bidimensionnelles. Bien que ces modèles aient aidé les scientifiques à comprendre les interactions entre les bactéries et les cellules, ils sont limités car ils ne peuvent pas reproduire la structure complexe des vaisseaux sanguins dans des organismes vivants.

Les efforts récents se sont concentrés sur la création de vaisseaux sanguins synthétiques pour les expériences. Les chercheurs ont inclus des Cellules endothéliales humaines dans des hydrogels pour former des tubes. Bien que cette technique produise des vaisseaux sanguins fonctionnels, elle ne permet pas beaucoup de contrôle sur les formes créées. D'autres méthodes ont inclus le moulage des cellules en formes, mais elles ne correspondent souvent pas aux formes complexes et sinueuses des vrais vaisseaux sanguins.

Les techniques de photoablation ont émergé comme une solution intéressante, permettant aux scientifiques de créer des formes de vaisseaux sanguins hautement contrôlées qui reflètent aussi leur apparence dans le corps.

#Développement d'un nouveau modèle

Dans cette étude, on a utilisé un système laser sur mesure pour créer un système vasculaire sur une puce, ce qui nous a permis d'ajuster la taille et la forme des vaisseaux pour correspondre à la complexité des vaisseaux sanguins vivants. On a optimisé les conditions pour imiter des facteurs clés dans les infections méningococciques, incluant comment les bactéries adhèrent aux vaisseaux, les changements de forme des cellules, les dommages aux vaisseaux sanguins, et les interactions avec les cellules immunitaires.

On a comparé notre nouveau modèle de labo aux modèles animaux existants tout au long de notre recherche. Notre approche offre une alternative solide aux tests sur animaux pour étudier comment les infections affectent le corps et peut servir d'outil important pour de futures recherches.

#Création du modèle Vessel-on-Chip

Pour étudier comment N. meningitidis infecte les vaisseaux sanguins, on a conçu un Vessel-on-Chip (VoC) basé sur la technologie de photoablation. La puce a un canal central rempli d'un gel à base de Collagène et connecté à des canaux plus larges qui transportent des milieux nutritifs et des cellules. Le processus de photoablation sculpte avec précision le gel de collagène pour créer une structure vasculaire, qui est ensuite peuplée de cellules endothéliales pour former des tubes semblables à des vaisseaux sanguins.

La configuration permet un flux constant de nutriments et une introduction facile de bactéries et de cellules immunitaires. Tout au long de cette étude, on a surveillé de près comment ce modèle se compare à des souris vivantes avec des greffes de peau humaine.

#Importance de la matrice extracellulaire

Dans les organismes vivants, la matrice extracellulaire fournit stabilité et soutien aux tissus sanguins. Dans notre VoC, le collagène I joue ce rôle car c'est le principal composant de la matrice extracellulaire. On a étudié comment la concentration de collagène affecte la forme des vaisseaux sanguins en croissance. Après deux jours de croissance, les cellules endothéliales s'étiraient le long des bords des vaisseaux, les remodelant en tubes ronds.

On a aussi remarqué qu'à des concentrations de collagène plus faibles, les cellules formaient plusieurs pousses le long des vaisseaux, tandis que des concentrations plus élevées réduisaient cette pousse. Cela suggère que la quantité et le type de collagène influencent la croissance des cellules endothéliales.

Une fois qu'on a trouvé la bonne concentration de collagène, on a développé des tubes endothéliaux, même si le design initial était carré. La technique de photoablation nous a également permis de recréer des formes complexes observées dans les organismes vivants.

#Évaluation de la perméabilité

Un aspect critique de l'infection méningococcique est la perte de perméabilité des vaisseaux sanguins. Nos modèles expérimentaux doivent permettre aux chercheurs de voir et de mesurer ce changement dans l'intégrité des vaisseaux. Après 48 heures, on a observé que les cellules endothéliales dans notre configuration formaient de fortes connexions, soulignant la stabilité des vaisseaux sanguins construits. On a aussi confirmé que les cellules produisaient du collagène IV, un composant important de la membrane basale qui soutient la signalisation cellulaire.

Pour évaluer à quel point notre modèle imite la perméabilité des vrais vaisseaux sanguins, on a injecté un colorant fluorescent pour mesurer comment il circulait à la fois dans notre VoC et chez des souris vivantes. On a noté que la perte de perméabilité augmentait considérablement avec le nombre de vaisseaux en pousse. Nos résultats ont montré que le VoC pouvait maintenir une barrière solide similaire à celle observée chez les animaux vivants.

#Observation de l'infection bactérienne

Avec un modèle de vaisseau sanguin fonctionnel en place, on a introduit des bactéries N. meningitidis et on a constaté qu'elles s'attachaient facilement aux parois des vaisseaux, formant des microcolonies. Ces colonies variaient en taille et en forme, reflétant ce qui se passe dans de vraies infections. Les bactéries s'adaptaient efficacement aux formes des vaisseaux, ce qui nous a permis d'observer leur comportement dans un environnement tridimensionnel.

#Étude des conditions d'écoulement et des réponses cellulaires

Le stress de cisaillement induit par l'écoulement est un facteur important dans le comportement des cellules endothéliales et l'adhésion des bactéries. Pour comprendre comment le flux sanguin affecte notre configuration, on a mesuré le stress moyen de cisaillement dans des vaisseaux vivants et on a ajusté notre modèle pour reproduire ces conditions.

On a trouvé que les cellules endothéliales alignaient leurs noyaux dans la direction du flux lorsqu'elles étaient soumises à des conditions normales, imitant leur comportement dans de vrais vaisseaux sanguins. En mesurant les changements de forme et d'orientation nucléaires, on a confirmé que les conditions d'écoulement influençaient le comportement cellulaire dans notre modèle.

#Examen de la morphologie des colonies bactériennes

On a noté qu'en conditions d'écoulement, la forme des colonies de N. meningitidis changeait significativement. Les bactéries formaient des colonies allongées qui s'alignaient dans la direction du flux, à la différence des formes circulaires typiquement vues dans des cultures plates. Ce changement est probablement dû aux forces mécaniques en jeu.

On a suivi la croissance de ces colonies dans le temps et on a découvert qu'elles s'étendaient à un rythme similaire à celui observé dans de vraies infections. Cette information est cruciale pour comprendre comment les bactéries se propagent pendant les infections.

#Investigation de la réponse du cytosquelette d'actine

Dans les modèles bidimensionnels, les chercheurs ont documenté comment les colonies bactériennes peuvent changer le cytosquelette d'actine dans les cellules endothéliales. Notre étude avait pour but de déterminer si ces effets étaient aussi présents dans un environnement tridimensionnel.

Les cellules endothéliales dans notre configuration montraient des fibres d'actine aléatoires sans écoulement, mais devenaient alignées sous des conditions d'écoulement. Cet alignement se produisait rapidement, indiquant que les cellules s'adaptent à leur environnement en réponse au stress mécanique du flux sanguin.

En plus, on a observé des structures appelées plaques corticales se formant sous les colonies bactériennes. Ces réorganisations d'actine étaient évidentes malgré la présence d'un réseau d'actine bien organisé, soulignant l'impact de N. meningitidis sur les cellules endothéliales même dans des conditions stressantes.

#Recrutement des Neutrophiles et réponse immunitaire

La présence de neutrophiles, un type de cellule immunitaire, est une caractéristique clé des infections méningococciques. Dans des études précédentes, les chercheurs ont noté que les neutrophiles sont recrutés vers les zones infectées. Notre modèle a réussi à reproduire cette réponse de recrutement.

On a d'abord établi que les cellules endothéliales n'exprimaient pas de sélection-E dans des conditions normales, mais les niveaux de cette molécule importante augmentaient pendant le traitement par TNFα et l'infection par N. meningitidis.

En faisant circuler des neutrophiles humains purifiés à travers notre modèle, on a pu observer comment ils adhèrent à l'endothélium enflammé. On a mesuré le nombre de neutrophiles adhérant aux parois des vaisseaux en réponse au TNFα et à l'infection bactérienne, et on a trouvé que les deux stimuli entraînaient des niveaux d'adhésion similaires.

#Conclusion

Le modèle qu'on a développé offre un outil unique et puissant pour étudier comment N. meningitidis interagit avec les vaisseaux sanguins pendant l'infection. Il simule efficacement les conditions trouvées dans des organismes vivants, permettant une exploration approfondie du comportement bactérien et de la réponse immunitaire.

Notre approche répond aussi aux lacunes des modèles existants en fournissant un environnement complexe pour étudier les infections bactériennes. Ce travail ouvre la voie à de futures recherches sur divers pathogènes responsables d'infections systémiques, permettant aux scientifiques d'examiner comment les bactéries interagissent avec le système vasculaire dans des contextes détaillés et réalistes.

À travers cette recherche, on propose une plateforme polyvalente qui peut s'adapter pour étudier différents organismes et conditions vasculaires, favorisant une compréhension plus approfondie des infections et soutenant le développement de traitements innovants.