Appel à projets « Objectif Biologie des Systèmes »IHPE – 2021

Toward an INtegrative study of host COMPetence: the role of immune PRIming on disease dynamicS – INCOMPRIS –

 

PORTEUR DE PROJET
Olivier Rey (MIA), Marie-Agnès Travers (TREV), Benjamin Gourbal (2MAP), Caroline Montagnani (MIA)

 

RESUME DU PROJET
Le phénomène de priming immunitaire mis en évidence au laboratoire IHPE a permis d’étendre notre vision sur la complexité des interactions Biomphalaria glabrata / Schistosoma mansoni et Crassostrea gigas / OsHV-1.  Ces mécanismes sont notamment susceptibles de modifier la compétence de l’hôte et les paramètres épidémiologiques à même de modifier la dynamique de transmission des pathogènes. Pour comprendre la contribution du priming immunitaire à cette dynamique au sein des populations d’hôtes, nous proposons (i) de développer des modèles mathématiques pour quantifier l’impact du priming sur la compétence de l’hôte, (ii) de développer des marqueurs du priming immunitaire, (iii) de quantifier/identifier les paramètres requis pour implémenter ces modèles par des approches expérimentales en milieu contrôlé, (iv) pour à terme quantifier le rôle du priming en populations naturelles.

 

CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET OBJECTIFS

• Compétences et travaux antérieurs, objectifs, questions posées et résultats attendus
  La notion de compétence d’hôte a récemment émergé dans la littérature réunissant des concepts issus du domaine de l’épidémiologie et de celui de l’immunologie afin de mieux appréhender la dynamique de transmission des pathogènes (Martin et al., 2016). La compétence d’un hôte peut être définie comme étant sa propension à amplifier des pathogènes à des niveaux transmissibles à d’autres hôtes/vecteurs (Gervasi et al., 2015; Martin et al., 2016). Cette notion fait appel à plusieurs caractéristiques intrinsèques des hôtes bien caractérisées dans les domaines de l’écologie et de l’évolution. Toutefois la compétence d’un hôte peut également être modulée par des facteurs environnementaux (biotiques et abiotiques) extrinsèques (Gervasi et al., 2015). A cet égard, des mécanismes de priming immunitaire ont été mis en évidence au laboratoire IHPE sur deux modèles phares: Biomphalaria glabrata (Portela et al., 2013) et Crassostrea gigas (Lafont et al., 2020). Ces travaux ont montré qu’une première exposition d’un hôte à des pathogènes modifie la susceptibilité de ce même hôte lors d’une seconde exposition. En influant sur certains paramètres épidémiologiques, le priming immunitaire peut donc jouer un rôle dans la dynamique de transmission des maladies sur le terrain qu’il convient aujourd’hui d’évaluer. Le but du projet INCOMPRIS est de quantifier l’effet du priming immunitaire dans la compétence des hôtes par une approche de biologie des systèmes. Ce projet se veut intégratif en étudiant ce phénomène de priming sur deux modèles d’hôtes étant sous la pression parasitaires de deux espèces de pathogènes ayant des dynamiques de transmission différentes (i.e. transmission directe et virale ou indirecte et parasitaire).

 

ORGANISATION DU PROJET ET MOYENS

• Méthodologie, compétences spécifiques requises pour mener à bien le projet ; étapes et calendrier prévisionnels du projet
  Le premier objectif de ce projet est d’établir un modèle conceptuel systémique global du rôle du priming sur la compétence des hôtes. Ce premier volet constituera la base de réflexion centrale autour de laquelle se réuniront les différents partenaires impliqués. Cette première étape nécessitera également l’intervention occasionnelle de partenaires extérieurs à l’unité. Plusieurs personnes ont été contactées pour enrichir les échanges tout au long de ce projet (cf. partenaires du projet). Ce modèle conceptuel permettra dans un deuxième temps d’établir des modèles mathématiques pour quantifier l’effet du priming sur la dynamique de transmission des pathogènes étudiés. Les modèles basés les équations différentielles ordinaires (ODE) seront privilégiés bien que d’autres modèles seront envisagés, tels que les modèles basés sur la prévalence (e.g. Aziz-Alaoui et al., 2021). En particulier, des modèles à compartiments de type SEIR (susceptible-Exposed-Infected-Removed) seront adaptés pour évaluer les conséquences épidémiologiques du priming immunitaire (Tate, 2017 ; Ahmad, 2010). En complément, et une fois les modèles développés, une étape d’exploration de valeurs de chaque paramètre implémenté dans les modèles sera nécessaire. Une approche par « machine learning » pourra être envisagée. Les modèles développés dans le cadre du projet seront valorisés et mis à disposition pour la communauté scientifique. Enfin, parallèlement au développement de ces modèles, des expériences en milieu contrôlé et naturel seront réalisées pour tester/valider les modèles développés. Ce deuxième volet implique des approches différentes en fonction des systèmes et sont décrites ci-dessous :

 

Biomphalaria glabrata – S. mansoni :
1- Quantification de l’effet du priming en milieu contrôlé : Cette expérience consistera à exposer des souches de B. glabrata à des souches parasitaires compatibles (dont la compatibilité est connue) ayant été préalablement exposées (ou non) à des souches de S. mansoni non compatible. L’objectif est de vérifier l’implication du « matching phenotype » et l’induction du priming suite à des expositions répétées non infectieuses (comme cela est attendu en milieu naturel). Suite à ces expositions, la compatibilité ainsi que la quantité de cercaires produites entre lots de B. glabrata « primés » et naïfs seront comparées.
2- Développement de marqueurs épigénétiques du priming : Des gènes candidats seront choisis sur la base des données transcriptomiques et épigénétiques (Méthylation, ATACSeq) acquises lors de projets précédents. Ces marqueurs seront validés en quantifiant le niveau de méthylation de ces gènes sur des individus primés et naïfs (Hémohymphe + individus).
3- Quantification du priming en milieu naturel : Dépendamment du maintien de missions en Afrique prévues dans le cadre d’autres projets, une étude de screening de populations naturelles de B. pfeifferi pourra être envisagée en combinant i. une étude de l’émission cercarienne (prévalence d’infection par S. mansoni), ii. un diagnostic PCR de la présence de trématodes intra-molluscal (PCR point final) et iii. une étude des patrons de méthylation des marqueurs du priming développés chez les mollusques collectés (Traitement bisulfite + Séquençage Sanger). Ce dernier point comporte plusieurs risques identifiés (e.g. conservation non assurée de marqueurs entre B. glabrata et B. pfeifferi; faisabilité de la mission). L’approche terrain pourra toutefois être assurée plus tard et selon la situation sanitaire et géopolitique des pays, dans le cadre de projets en cours à plus long terme.

 

Crassostrea gigas – OsHV-1 :
1- Prise en main du modèle épidémiologique SWEID
Pour évaluer les conséquences épidémiologiques du priming immunitaire sur les populations d’huîtres, nous adapterons un modèle épidémiologique compartimenté de type SEIR précédemment développé par Coralie Lupo et al. (Ifremer-LGPMM) afin de simuler la dynamique de transmission des maladies causées par la bactérie V. aestuarianus (Lupo et al. 2019) ou par le virus OsHV-1 et renommé SWEID (Susceptible-Water-Latent(Exposed)-Infected-Dead). M.A. Travers suivra une formation pour prendre en main R et/ou des logiciels libres (Scilab ; Jupyter Notebooks), et finir sa paramétrisation. Ce modèle sera adapté pour inclure les états liés au priming immunitaire dans la dynamique de la maladie.
2- Quantification de l’effet du priming sur la dynamique en milieu contrôlé :
Les paramètres requis pour le modèle seront obtenus à partir des expériences de laboratoire dédiées qui contribueront à la construction et à la conceptualisation du modèle en identifiant les états pertinents et les flux qui seront modélisés (états susceptibles, infectieux, asymptomatiques, résistants, …). Des huîtres naïves ou préalablement ‘primées’ (par le poly (I :C), ou par du virus inactivé), seront exposées par balnéation ou injection d’OsHV-1. Nous chercherons tout d’abord à identifier les trajectoires et processus pertinents à modéliser. Puis nous quantifierons expérimentalement les paramètres du modèle (périodes de latence, de persistance et d’excrétion, taux d’excrétion, dose de priming minimale, DL50 sur des animaux primés ou non. L’impact du priming sur la transmissibilité de la maladie dans les populations sera estimé à travers le calcul des taux de reproduction de base (R0, ou nombre moyen de cas secondaires d’infections liés à l’introduction d’un individu dans une population constituée d’individus susceptibles) et permettra d’anticiper l’impact des stratégies d’intervention (de type vaccination via le priming) sur les populations d’huîtres.
3- Développement de marqueurs moléculaires du priming et part jouée par le priming sur la résistance en milieu naturel :
Dans un premier temps, des gènes candidats seront identifiés sur la base des données transcriptomiques acquises lors de projets précédents ou en cours (Provigas, STAR). Ces marqueurs seront validés sur des individus primés et naïfs en milieu contrôlé. D’autres marqueurs (épigénétiques, métabolomiques) pourront être mis en évidence dans le cadre du projet ANR PrimOyster (Coordination C. Montagnani), s’il est accepté. Ces marqueurs pourraient être utilisés pour quantifié le priming en milieu naturel et comprendre son rôle dans la résistance des populations d’huîtres (expérimentations 2022 du projet PrimOyster, collaboration sur échantillonnage projet GEM- J. Vidal-Dupiol).

 

• Description et répartition attendue entre les types de dépenses, date de démarrage souhaité du projet
  Nous prévoyons que ce projet se déroulera entre Juin 2021 et fin Mai 2022

Conceptualisation des modèles – Interventions extérieurs / réunions / déplacements 2000 € – Formation MAT pour maîtrise du modèle SEIR-SWEID 2000 €	4000 €
Système B. glabrata – S. mansoni  – Expériences en milieu controllé  0 € – Développement de marqueurs 1000 € (Kit Bisulfite  ~ 500 € + Sanger ~ 500 €) – Screening populations naturelles 1000 € (Kit Bisulfite ~ 500 € + Sanger ~ 500 €)	2000 €
Système C. gigas – OsHV-1 – Expériences en milieu contrôlé 1000 € (commande huîtres, kit extraction (eau et huîtres), qPCR) – Développement de marqueurs (validation de marqueurs trancriptomiques en qPCR sur échantillons déjà disponible 1000 €	2000 €
TOTAL	8000 €

 

• Description des partenaires / personnels impliqués dans le projet
  Ce projet réuni des membres permanents des trois équipes du laboratoire : MIA (Olivier Rey, Caroline Montagnani) ; TREV  (Marie-Agnès Travers)  et 2MAP (Benjamin Gourbal).
  En ce qui concerne le modèle Biomphalaria-schistosome, Philippe Douchet (PhD MIA) sera impliqué notamment dans le cadre des réflexions et autour de la conceptualisation des modèles ainsi que sur le screening des populations naturelles des systèmes B. pfeifferi – S. mansoni. D’autre part, des spécialistes en modélisation ont d’ores et déjà été identifiés et contactés afin d’apporter des compétences spécifiques au projet. Ainsi, le Professeur Aziz-Alaoui de l’Université du Havre participera aux réflexions et plus particulièrement concernant le système B. glabrata – S. mansoni (Aziz-Alaoui et al., 2021).
  Pour le modèle huître/virus OsHV-1, nous interagirons avec Pauline Ezanno (UMR BIOEPAR Nantes, équipe DYNAMO : “modélisation en dynamique de populations et épidémiologie animale”) et C. Lupo qui a déjà contribué avec M.A. Travers au développement du modèle huître-V. aestuarianus et huître-OsHV-1. Nous avons également contacté Frédéric Hamelin (UMR IGEPP Rennes, équipe “Dynamics, Evolution, Modelling, Ecology”) qui développe des travaux afin d’implémenter le priming dans des modèles mathématiques (interaction plante-pathogène). Le projet sera également réalisé en interaction avec B. Morga (laboratoire Ifremer LGPMM, La Tremblade), co-responsable du projet STAR portant sur la mise au point d’une méthode de vaccination via l’utilisation de virus OsHV-1 inactivé chez l’huître. Nous interagirons également avec J. Vidal-Dupiol sur l’échantillonnage réalisé sur des populations d’huîtres sauvages de résistances variables dans le cadre du projet GEM.

 

REFERENCES

Ahmad, S., R. Gordon-Weeks, et al. (2010). Natural variation in priming of basal resistance: from evolutionary origin to agricultural exploitation. Mol. Plant Pathol.11 (6): 817-827.

Aziz-Alaoui, M.A., Lubuma, J.M.-S., Tsanou, B., 2021. Prevalence-based modeling approach of schistosomiasis: global stability analysis and integrated control assessment. Comp. Appl. Math. 40, 24. https://doi.org/10.1007/s40314-021-01414-9

Gervasi, S.S., Civitello, D.J., Kilvitis, H.J., Martin, L.B., 2015. The context of host competence: a role for plasticity in host–parasite dynamics. Trends Parasitol. 31, 419–425.

Lafont, M., Vergnes, et al.. (2020). A Sustained Immune Response Supports Long-Term Antiviral Immune Priming in the Pacific Oyster, Crassostrea gigas. mBio 11, e02777-19,

Lupo, C., B. L. Dutta, et al. (2020). Spatial epidemiological modelling of infection by Vibrio aestuarianus shows that connectivity and temperature control oyster mortality. Aquaculture Environment Interactions12: 511-527.

Lupo, C., M. A. Travers, et al. (2019). Modeling the Transmission of Vibrio aestuarianus in Pacific Oysters Using Experimental Infection Data. Front Vet Sci 6: 142.

Martin, L.B., Burgan, S.C., Adelman, J.S., Gervasi, S.S., 2016. Host Competence: An Organismal Trait to Integrate Immunology and Epidemiology. Integr. Comp. Biol. 56, 1225–1237.

Portela, J., Duval, D. et al. (2013). Evidence for Specific Genotype-Dependent Immune Priming in the Lophotrochozoan Biomphalaria glabrata Snail. J Innate Immun 5, 261–276.

Tate, A. T. (2017). A general model for the influence of immune priming on disease prevalence. Oikos 126: 350-360.