Relation hôte pathogène : immunopathologie de la leptospirose

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Situation dans la zone Sud- Ouest de l’Océan Indien et à La Réunion

En France métropolitaine l’incidence moyenne en 2014 était de 0.9 pour 100 000 habitants tandis que dans les Département d’Outre-Mer français (DOM), la leptospirose est une affection endémique et son incidence est nettement supérieure à celle de la métropole pour des raisons climatiques essentiellement (CNR de la Leptospirose 2014). L’incidence est ainsi de 10 fois (La Réunion, Nouvelle-Calédonie) à plus de 30 fois (Polynésie Française, Mayotte, Guyane, Guadeloupe, Martinique) plus élevée dans les DOM par rapport à la Métropole. On retrouve le caractère saisonnier de la leptospirose avec l’apparition de pics épidémiques lors de la saison des pluies ou de phénomènes climatiques inhabituels tels que les ouragans.
Ces éléments font de la leptospirose une maladie à déclaration obligatoire auprès des autorités de santé dans les DOM, avec une mise en œuvre depuis 2004 à la Réunion. Les données colligées par l’Agence Régionale de Santé (ARS) sont analysées par la Cellule de l’Institut de Veille Sanitaire en Région Océan Indien (CIRE-OI) avec un rapport transmis annuellement. Le nombre de cas notifiés évolue entre 40 et 80 par an soit une incidence variant de 5 à 10 pour 100 000. Près de 90% des cas confirmés ont été hospitalisés et plus d’un tiers des patients ont séjourné en réanimation (CIRE Océan Indien 2016a; Frédéric Pagès et al. 2014). Une étude en population générale à la Réunion réalisée en 2006 rapporte une séroprévalence de la leptospirose de 0,66% +/- 0.34 d’après une détermination par le test MAT (microscopic agglutination test) (Amélie Desvars, Gigan, et al. 2011). La mortalité à la Réunion sur les dernières années est globalement stable à 4-5% des cas diagnostiqués/déclarés.
Les données issues des autres territoires de la zone Sud-Ouest de l’Océan Indien confirment une incidence plus forte dans les pays plus proches de l’équateur, tels Mayotte et les Seychelles (Yersin et al. 1998). Néanmoins, nous ne disposons pas de données publiées sur les taux d’incidence pour Madagascar, l’Ile Maurice et les Comores (Amélie Desvars, Michault, et Bourhy 2013). Le défaut de moyens diagnostiques et/ou de système de surveillance systématique de la maladie sont probablement responsables de ce biais d’information, puisque la maladie y est présente car décrite dans des études de séroprévalence pour les Comores (Gomard et al. 2014) et Madagascar (Ratsitorahina et al. 2015), ainsi que chez des voyageurs en retour de ces zones (Simon et al. 2012; Frédéric Pagès et al. 2015).
L’ensemble de ces données indique une importance relative de la leptospirose en termes d’épidémiologie dans la zone Sud-Ouest de l’Océan Indien. Afin de mieux situer la place de la leptospirose parmi les maladies infectieuses tropicales rencontrées à la Réunion, voici quelques données sur les autres maladies rencontrées localement. Les maladies telles que le paludisme, les bilharzioses, la fièvre jaune, sont absentes de la Réunion. Les principales maladies tropicales rencontrées sont les arboviroses, évoluant en général sur un mode épidémique ou bien par micro-foyers. Cela concerne en particulier le virus du Chikungunya et les virus de la dengue. Le chikungunya a été responsable d’une épidémie de grande ampleur avec plus de 240 000 cas rapportés, soit plus d’un tiers des réunionnais touchés en 2005-2006 (Renault et al. 2007; Balleydier, D’Ortenzio, et Renault 2008; Gérardin et al. 2008). Depuis, cette infection a été nettement contrôlée et aucun cas autochtone n’a été diagnostiqué à partir de 2010. Concernant la dengue, on recense une trentaine de cas par an, en général autour de foyers bien localisés, et avec une extension limitée grâce aux mesures sanitaires préventives appliquées sur les vecteurs (moustiques). En 2016, une épidémie de 213 cas de dengue autochtones ont été dénombrés (CIRE Océan Indien 2016b). Le virus zika responsable d’une épidémie mondiale depuis 2013 n’a pas affecté la Réunion en dehors de quelques cas importés.
La leptospirose, bien que peu fréquente à la Réunion (moins de 100 cas diagnostiqués par an), reste une maladie préoccupant localement les acteurs de santé publique (ARS, CIRE-OI) de par son caractère endémique, sa potentielle gravité et l’existence de moyens de prévention. Cette préoccupation est aussi celle des cliniciens en établissements de soins qui sont régulièrement confrontés à cette maladie dont près de 90% des cas diagnostiqués sont hospitalisés. Ces éléments expliquent la place de la leptospirose dans les thématiques de recherche locales, au sein du CHU comme de l’UMR PIMIT qui œuvrent pour mieux apprécier les déterminants de la physiopathologie de l’infection de manière transversale : réservoirs et biodiversité, pouvoir de virulence de la bactérie et les relations hôte-pathogène. C’est dans la continuité de cet effort collectif que s’inscrit mon travail de recherche.

Caractéristiques microbiologiques

Taxonomie et classifications

La leptospirose est causée par des agents infectieux bactériens du genre Leptospira, famille des Leptospiraceae. Ces bactéries sont de la famille des spirochètes (phylum Spirochaetes) au même titre que les agents de la maladie de Lyme (Borrelia burgdorferi) et de la syphilis (Treponema pallidum). Les spirochètes sont des bactéries hélicoïdales, caractérisées par une paroi bactérienne particulière : elles comportent un filament axial, assemblement de flagelles internes, situé entre la membrane plasmique et la membrane externe. Ce filament axial leur confère une grande mobilité. Le genre Leptospira comporte trois catégories de bactéries : saprophytes, pathogènes et intermédiaires. Les premières ne sont pas responsables de pathologies humaines ou animales contrairement aux secondes, et les dernières n’ont pas été démontrées comme pathogènes expérimentalement. Pour chacune de ces catégories plusieurs espèces ont été identifiées, que ce soit selon les méthodes historiques sérologiques avec des sérogroupes regroupant des sérovars, ou selon les méthodes plus récentes de génomiques. On peut citer pour les plus connues : L. biflexa pour le groupe saprophyte, L interrogans, L. kirschneri et L. borgpetersenii pour le groupe pathogène. Ces deux méthodes de classification, sérologique et génomique, ne sont pas superposables comme détaillé ci-dessous.
La classification sérologique (Tableau 1) repose sur l’identification phénotypique des antigènes bactériens à l’aide d’anticorps issus de sérums selon la technique MAT (Microscopic agglutination test). Les antigènes reconnus sont donc sur la paroi bactérienne et principalement issus du LPS (lipopolysaccharide). Le sérogroupe le plus connu est L. interrogans sérovar Icterohaemorrhagiae, dont le nom illustre bien un tableau clinique répandu de la maladie associant alors ictère et saignements, notamment pulmonaires. Cette classification est complexe car plus de 300 sérovars ont été décrits, et surtout plusieurs espèces peuvent correspondre à un même sérogroupe, tandis que certains sérovars correspondraient à une même espèce selon les données issues de la génomique (Picardeau 2013; P. N. Levett 2001).
La classification génomique ou moléculaire repose sur des analyses issues de gènes bactériens, en particulier l’ARN ribosomal 16S (locus rrs2). Elle est plus récente que la classification sérologique du fait du recours à la biologie moléculaire et son essor dans les années 1980. Elle identifie à l’heure actuelle 22 espèces (ou génomo-espèces) d’après la dernière mise à jour établie (Paul N Levett 2015) et les publications récentes décrivant une autre espèce pathogène identifiée chez l’homme sur l’île de Mayotte : L. mayottensis (Pascale Bourhy et al. 2014). Etant donné les progrès de la génomique il est probable que d’autres espèces seront identifiées à l’avenir, ou bien reclassées en fonction des données issues des analyses de génomique comparative (Fouts et al. 2016).
Il existe de nombreuses discordances entre les méthodes de classification génomiques et sérologiques. Certaines souches classifiées pathogènes selon la première méthode ont été historiquement identifiées comme saprophytes selon la seconde, et inversement (P. N. Levett 2001). La classification génomique devrait être utilisée à l’avenir afin de permettre de faciliter les comparaisons entre études, d’améliorer les connaissances sur l’épidémiologie et la physiopathologie de la maladie (Paul N Levett 2015; Fouts et al. 2016). En effet, au-delà de la classification, les connaissances issues de la génomique permettent à présent d’identifier les gènes qui sont associés à la pathogénicité des souches grâce à la génomique comparative.
A la Réunion, les espèces pathogènes identifiées sont principalement L. interrogans sérogroupe Icterohaemorrhagiae selon la classification sérologique (Frédéric Pagès et al. 2014). Les données plus récentes permettent d’identifier, au sein de la classification génomique, qu’il s’agit de Leptospira interrogans dans plus de 95% des isolats cliniques, sinon de Leptospira borgpetersenii (Naze et al. 2015; Guernier et al. 2016). Cette écologie bactérienne peut être très différente d’une île à l’autre. A Mayotte, il a été identifié une plus grande variété d’espèces : Leptospira interrogans, Leptospira borgpetersenii, Leptospira kirschneri, et Leptospira mayottensis, la dernière espèce décrite de la classification génétique (P. Bourhy et al. 2012; Pascale Bourhy et al. 2014).

Caractéristiques morphologiques et métaboliques

Les leptospires sont des bactéries allongées de 6 à 20 µm de long et fines de 0,1-0,15 µm de large. Elles ont un aspect hélicoïdal, ou spiralé, et peuvent avoir un aspect recourbé aux deux extrémités leur conférant un aspect de crochet ou de point d’interrogation ayant valu le nom de genre L. interrogans (Figure 4). Tout comme les bactéries à Gram négatif, les leptospires ont deux membranes : interne (ou cytoplasmique) à laquelle est accolée le peptidoglycane, et externe qui comporte le LPS et les protéines de membrane. Entre ces deux membranes se trouvent 2 flagelles périplasmiques (ou endoflagelles) indépendants qui assurent la mobilité de la bactérie. Celle-ci est ainsi capable de se mouvoir dans des milieux visqueux, ou encore sur le sol en milieu humide par des mouvements de type reptation (Cameron 2015). La composition de la membrane externe, les particularités des flagelles internes font des leptospires des bactéries uniques en comparaison aux bactéries à Gram négatif en général, mais aussi des autres spirochètes. Par exemple le LPS des leptospires a une composition particulière qui le distingue des LPS des autres genres bactériens (Haake et Zückert 2015; Catherine Werts 2010). Cette singularité a possiblement des conséquences en termes de physiopathologie pour le pouvoir pathogène (virulence, fonction d’endotoxine) et la reconnaissance du microorganisme par l’hôte (Kelesidis 2014). Ceci sera développé plus avant dans la seconde partie de l’introduction.
La bactérie est aérobie obligatoire avec une croissance optimale à 28-30°C. Cette température est celle utilisée pour cultiver la bactérie in vitro sur milieux spéciaux à des fins de diagnostic ou de recherche, mais la bactérie peut survivre à des températures plus extrêmes : 37°C pour les pathogènes et 10-13°C pour les saprophytes de l’environnement (Cameron 2015). Cette température optimale de pousse explique que la bactérie soit plus fréquemment responsable d’infections dans les milieux tropicaux et donc la répartition décrite au paragraphe 1.1. Certaines souches pathogènes peuvent de plus survivre plusieurs semaines ou mois dans l’environnement et ainsi maintenir des cycles de réinfestation d’hôtes plus facilement.
Le génome bactérien code pour tous les gènes de synthèse des acides aminés, de la machinerie de synthèse des acides nucléiques, ainsi que différentes vitamines utiles au métabolisme protéique. Bien que la bactérie soit capable de réaliser un métabolisme complet des glucides, elle tire sa principale source d’énergie de la beta-oxydation des acides gras à longues chaînes issus de l’environnement.

Génomique bactérienne

La taille du génome varie entre 3,9 et 4,6 Mb selon les espèces. La bactérie comporte deux chromosomes circulaires, l’un de grande taille, l’autre nettement plus réduit : 4,3 Mb et 350 kb respectivement pour L. interrogans. Pour les souches saprophytes il existe un troisième réplicon circulaire supplémentaire de 74 kb (Picardeau 2015a).
Les génomes de plusieurs bactéries ont été séquencés, au sein des 3 classes de leptospires : pathogéniques (L. borgpetersenii, L. interrogans, L. santarosai) intermédiaires (L. licerasiae) et saprophytes (L. biflexa) (Picardeau 2015a). L’analyse comparative permet de mettre en évidence les gènes communs aux 3 groupes, mais aussi ceux qui diffèrent et indiquent d’éventuels facteurs de virulence, de métabolisme entre autres. Ainsi L. borgpetersenii a un génome amputé de 700 kb par rapport à L. interrogans : les gènes concernés seraient ceux participant au métabolisme des nutriments pour l’aide à la survie prolongée dans l’environnement. Il en résulterait que la génomo-espèce L. borgpetersenii aurait un désavantage de maintien en dehors des hôtes habituels et nécessiterait un cycle de transmission hôte-hôte plus direct (Bulach et al. 2006).
L’approche génétique constitue un tournant dans la compréhension de la maladie. Les outils génétiques accessibles à présent ont permis de faire avancer rapidement les connaissances sur la physiologie des leptospires, leurs potentiels facteurs de virulence, ainsi que les mécanismes de phylogénie à l’échelle de larges territoires et d’adaptation à un ou plusieurs hôtes (Lehmann et al. 2014; Fouts et al. 2016). Parmi les outils utilisés ces 2 dernières décennies, on peut citer ceux de la mutagénèse aléatoire et dirigée associés à l’étude de la virulence in vitro et sur des modèles animaux. La perte de fonction des gènes mutés est corrélée à la modification du phénotype au sens large, incluant les fonctions bactériennes telles que motilité, métabolisme, adhésion et infiltration au sein des tissus de l’hôte. Néanmoins ces travaux sont complexes et peu rentables sur le genre Leptospira contrairement aux bactéries plus « conventionnelles » notamment à cause des conditions de culture fastidieuses (Picardeau 2015a).
Du fait d’un nombre croissant de génomo-espèces séquencées et des capacités d’analyse actuelles de ces métadonnées, les chercheurs ont pu commencer à procéder à des analyses comparatives (Lehmann et al. 2014). L’étude récente de (Fouts et al. 2016) illustre très bien cette mise à profit pour Leptospira. Dans ce travail de large ampleur, les auteurs ont repris les génomes des bactéries complètement ou partiellement séquencées et les ont analysés en catégorisant les gènes selon l’appartenance à des groupes pathogéniques ou saprophytes. Les principaux enseignements issus de cette étude remarquable sont :
– Les Leptospira pathogènes possèdent une meilleure expression du système CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats ou courtes répétitions palindromiques regroupées et régulièrement espacées), suggérant que ce système de réparation de l’ADN leur confère un atout pour la virulence et explique potentiellement les difficultés à générer des mutations dirigées.
– La confirmation de certains éléments associés à la pathogénicité des leptospires, tels que des systèmes de sécrétion protéiques, des molécules d’adhésion, des facteurs de mobilité et chimiotactisme. Le travail a aussi permis la découverte de nouveaux éléments prometteurs : nouveau gène de virulence VM (pour virulence modifying), mécanismes spécifiques de modifications et sécrétions de protéines et lipoprotéines.
– D’un point de vue phylogénique : d’après les prédictions basées sur les gènes concernant le métabolisme bactérien, les leptospires pathogènes ont pu s’adapter à certains hôtes mammifères et à l’environnement grâce à la présence de gènes concernant le métabolisme des porphyrines, de la vitamine B12 et de l’acide sialique.
Ce travail vient renforcer la classification génomique des bactéries du genre Leptospira telle que décrite au Tableau 2, page 22.

Cycle de transmission et réservoirs

En tant que zoonose la leptospirose est transmise soit directement entre deux animaux, soit indirectement par le biais de l’environnement : eau ou sols contaminés. Classiquement on distinguait 2 modèles d’infection : certains animaux peuvent présenter une infestation chronique, avec portage de leptospires qui persistent au sein des tubules rénaux (hôtes réservoirs); d’autres sont considérés comme des hôtes accidentels et présentent généralement des signes d’infection aiguë sans portage chronique. Les animaux porteurs sains sont d’excellents vecteurs de la bactérie car elle s’y réplique et elle est disséminée régulièrement dans l’environnement au travers des urines excrétées. Ceci est particulièrement vrai pour les rats qui sont l’hôte emblématique de la leptospirose, parfois appelée « maladie des rats ». Néanmoins de nombreux autres réservoirs ont été démontrés parmi les animaux domestiques et sauvages : chiens, bétail, chauve-souris, rongeurs terrestres, etc. ceci explique la présence de la bactérie sur tous les continents et quasiment toutes les latitudes (Bharti et al. 2003). Néanmoins cette distinction d’hôtes accidentels et réservoirs asymptomatiques n’est pas toujours si claire et le paradigme a évolué. En effet certains modèles animaux classés comme réservoirs peuvent être infectés de manière bruyante et succomber à l’infection, tel les hamsters (Matsui et al. 2016). A contrario il a été retrouvé un portage rénal (excrétion urinaire en fait) chez l’être humain à distance dde toute infection aiguë (Ganoza et al. 2010).
Le cycle d’infection comporte ainsi : une excrétion urinaire avec persistance de la bactérie dans l’environnement, une infection d’un nouvel hôte via la peau ou les muqueuses, une dissémination de la bactérie par voie hématogène vers les organes cibles, et enfin une atteinte des reins avec la présence de bactéries à plus ou moins long terme selon l’hôte. Ce cycle est schématisé dans la Figure 5. Ces éléments expliquent les facteurs d’exposition à risque reconnus : contacts avec des rongeurs, des eaux usées, de l’eau douce, des zones inondées ou à forte pluviométrie/humidité (cf. paragraphe 1.1). L’ensemble de ces facteurs (environnement, réservoirs) et le type de bactérie déterminent l’épidémiologie de la leptospirose en fonction des pays.
Figure 5 : cycle d’infection de la leptospirose issu de (Albert I. Ko, Goarant, et Picardeau 2009).

Particularités de la zone Sud Ouest de l’Océan Indien SOOI

L’écologie de la leptospirose au sein de la zone SSOI comporte quelques singularités liées à la géographie, notamment îles éparses avec réservoirs parfois distincts et évolution d’espèces bactériennes différentes selon les localisations.
Les réservoirs potentiels ont été assez bien étudiés dans la plupart des zones du SSOI où la pathologie humaine a été analysée (cf. paragraphe 1.2). A la Réunion, les réservoirs classiques que sont les rongeurs sont prédominants et les autres mammifères démontrés sont classiquement, les chiens, chats, caprins, bovins comme cela a été signalé dans l’étude de séroprévalence et de portage rénal réalisée sur ces animaux à la Réunion (A. Desvars et al. 2013). On peut citer certains réservoirs originaux tels que le tangue (tenrec en anglais), petit rongeur ressemblant à un hérisson, qui est présent à la Réunion, Mayotte, Madagascar, l’Ile Maurice et aux Comores. Les chauves-souris sont aussi un réservoir potentiel avec des animaux retrouvés dans tous ces territoires et différentes espèces présentes à Madagascar qui est une île de forte biodiversité (Lagadec et al. 2012; Dietrich et al. 2014). Malgré cette forte biodiversité malgache, le réservoir principal à Madagascar reste probablement le rat (Rahelinirina et al. 2010). Il n’existe pas ou peu de données pour les Seychelles et l’Ile Maurice (Amélie Desvars, Michault, et Bourhy 2013).
Bien que de nombreux animaux semblent pouvoir être porteurs chroniques de leptospires, la transmission à l’homme ne semble pas pouvoir se faire pour toutes les espèces identifiées chez ces animaux vecteurs. Par exemple, une étude réalisée à la Réunion entre les correspondances d’espèces identifiées au niveau génomique pour les cas humains et les réservoirs potentiels met en évidence que les humains s’infectent principalement par le biais de leptospires retrouvées chez les rats, et dans une moindre mesure, chez les chiens. Les autres animaux réservoirs n’apparaissent pas comme une source de contamination (Guernier et al. 2016). Des résultats similaires ont été observés dans une étude réalisée à Mayotte avec une prédominance de la concordance pour les leptospires issues des rats (Amélie Desvars et al. 2012).

Table des matières

INTRODUCTION
I. Généralités sur la leptospirose
1- Epidémiologie
1.1- Situation dans le monde
1.2- Situation dans la zone Sud-Ouest de l’Océan Indien et à La Réunion
2- Caractéristiques microbiologiques
2.1- Taxonomie et classifications
2.2- Caractéristiques morphologiques et métaboliques
2.3- Génomique bactérienne
2.4- Cycle de transmission et réservoirs
2.5- Particularités de la zone Sud Ouest de l’Océan Indien SOOI
3- Clinique
3.1- Présentations cliniques de la leptospirose humaine
3.2- Leptospirose : clinique à la Réunion
3.3- Facteurs pronostiques de mortalité et de leptospirose grave
4- Diagnostic
5- Traitement
5.1- Traitement curatif
5.2- Traitement préventif
6- Formes chroniques et complications à moyen terme
II. Relation hôte pathogène : immunopathologie de la leptospirose
1- Modèles d’étude
2- Mécanismes d’entrée et de diffusion du pathogène
2.1- Voies d’entrée et barrières naturelles
2.2- Diffusion hématogène
2.3- Echappement au complément
2.4- Atteintes d’organes
3- Réponse immunitaire
3.1- Facteurs de susceptibilité en lien avec le système immunitaire de l’hôte
3.2- Réponse immunitaire innée
3.3- Réponse immunitaire adaptative
HYPOTHESE et OBJECTIFS
RÉSULTATS
I. Etude des lymphocytes Tγδ
1- Contexte
2- Hypothèse et objectifs
3- Article 1
4- Résultats principaux
II. Etude des polynucléaires neutrophiles (PNN)
1- Contexte
2- Hypothèse et objectifs
3- Article 2
4- Résultats principaux
III. Etude des marqueurs d’activité des cellules endothéliales
1- Contexte
2- Hypothèse et objectifs
3- Article 3
4- Résultats principaux
DISCUSSION
I. Discussions spécifiques de chaque article
1- Taux des lymphocytes Tγδ
2- Phénotype des polynucléaires neutrophiles :
3- Marqueurs d’adhésion solubles issus des cellules endothéliales
II. Discussion : éléments de réflexion générale
1- Points forts:
2- Limites du modèle d’étude :
CONCLUSION et PERSPECTIVES
REFERENCES