Genetic determinants and evolution of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis in Vietnam : toward new diagnostic tools

par Quang Huy Nguyen

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Anne-Laure Bañuls et de Thi Van Anh Nguyen.

Le président du jury était Michel Lebrun.

Le jury était composé de Anne-Laure Bañuls, Thi Van Anh Nguyen, Michel Lebrun, Maria-Laura Boschiroli, Rogier Van Doorn, Quang Hoa Le.

Les rapporteurs étaient Maria-Laura Boschiroli, Rogier Van Doorn.

  • Titre traduit

    Déterminants génétiques et évolution de la résistance aux médicaments chez Mycobacterium tuberculosis au Vietnam : vers de nouveaux outils de diagnostic


  • Résumé

    La tuberculose (TB), provoquée par Mycobacterium tuberculosis, est une des trois maladies prioritaires dans le monde. Les TB multi-résistantes (MDR) et ultra-résistantes (XDR-TB) représentent des obstacles majeurs pour la lutte antituberculeuse. Dans les pays à MDR-TB élevée, comme le Vietnam, la détection insuffisante de la résistance aux antibiotiques est un des facteurs principaux qui favorisent la transmission des souches résistantes. De plus, dans ces pays, encore très peu de choses sont connues sur la résistance à la pyrazinamide et aux antibiotiques de seconde ligne et sur les déterminants génétiques liés à ces résistances. Dans ce contexte, ce travail vise donc à acquérir des connaissances sur la résistance aux antibiotiques au Vietnam et à étudier comment M. tuberculosis évolue de l’état sensible à l’état ultra-résistant.260 isolats cliniques collectés au Vietnam entre 2005 et 2009 ont été inclus. Diverses techniques et analyses ont été utilisées: tests de sensibilité aux médicaments (développement d'un test à temps réduit), spoligotypage et MIRU-VNTR (24 loci) et séquençage de gènes. Les données ont été analysées par des analyses statistiques et phylogénétiques. Ce travail s’est d’abord focalisé sur la caractérisation d’isolats hautement résistants et sur la résistance à la pyrazinamide. Une forte proportion d'isolats quadruple résistants aux antibiotiques de première ligne a été identifiée comme pré-XDR et XDR et en majorité appartenant à la famille Beijing. L'analyse moléculaire a également révélé une forte proportion d'isolats, en particulier MDR, quadruple résistants et de la famille Beijing, portant des mutations associées à la résistance à la pyrazinamide.L'analyse génétique et phylogénétique globale a ensuite montré une grande diversité de profils de mutations dans chaque famille et chaque cluster MIRU-VNTR. Ces données suggèrent que M. tuberculosis peut suivre des chemins évolutifs variés pour devenir ultra-résistant. La prédominance de mutations et de combinaisons de mutations associées à un haut niveau de résistance et à un faible coût en termes de fitness suggère un effet cumulatif des mutations et un rôle de l’épistasie dans l'acquisition de la résistance multiple. De plus, une fréquence élevée de mutations compensatoires associées à la résistance à la rifampicine a été détectée chez les isolats très résistants. Ces processus semblent donc influencer fortement l'évolution de la résistance dans notre échantillon. Il est à noter que les mutations liées à des niveaux de résistance élevée et à de faibles coûts en termes de fitness, ainsi que les mutations compensatoires étaient plus particulièrement associées à la famille Beijing.En conclusion, ce travail fournit des connaissances uniques sur la résistance aux antibiotiques chez M. tuberculosis au Vietnam. En particulier, ces données prédisent une évolution de la résistance vers une situation de plus en plus préoccupante. Premièrement, la famille Beijing, en cours d’invasion au Vietnam, apparaît associée à de hauts niveaux de résistance, de faible coût en termes de fitness et aux mutations compensatoires. Deuxièmement, le risque élevé de résistance à la pyrazinamide remet en question son efficacité et son utilisation dans les traitements contre la MDR et la XDR-TB. Troisièmement, les données suggèrent une évolution de M. tuberculosis vers un potentiel de résistance plus élevé par effet cumulatif des mutations associés à la résistance et l’existence de phénomènes d’épistasie. Comme les échantillons étudiés dans ce travail ont été collectés, l’étape suivante est de valider nos hypothèses sur des données actualisées.Enfin, ce travail avec les données déjà publiées a permis d’établir, pour la première fois, un inventaire des mutations associées à la résistance aux antibiotiques chez M. tuberculosis au Vietnam. Cette base de données sera utilisée pour le développement d'une puce à ADN pour la détection rapide de la résistance aux antibiotiques au Vietnam.


  • Résumé

    Tuberculosis (TB) is one of the deadliest infectious diseases worldwide, mainly caused by Mycobacterium tuberculosis. Multidrug resistant (MDR) and extensively drug resistant (XDR) TB are currently main challenges for TB control. In high MDR-TB burden countries like Vietnam, one of the main factors of drug resistant strain spread is the insufficient capacity of drug resistance detection. Besides, still little is known in these countries about the resistance to second line and pyrazinamide drugs (key drugs in the MDR-TB treatment) and the genetic determinants linked to these resistances. In this context, this work aimed to acquire knowledge on drug resistance in Vietnam and to understand how M. tuberculosis evolved from sensitive to highly drug resistance form by molecular analysis.260 clinical isolates collected in Vietnam between 2005 and 2009 were included. Various techniques and analyses were used: drug susceptibility testing (development of a test with a reduced turn-around time), spoligotyping and 24-MIRU-VNTR typing and gene sequencing. The data were analyzed by statistical and phylogenetic analyses.First, this work was focused on highly drug resistant M. tuberculosis clinical isolates and pyrazinamide resistance. A high proportion of quadruple first-line drug resistant isolates (resistant to isoniazid, rifampicin, streptomycin and ethambutol) have been characterized as pre-XDR and XDR isolates, belonging especially to Beijing family. The molecular analysis revealed also high proportion of drug resistant isolates carrying highly confident pyrazinamide resistance-associated mutations, particularly in MDR and quadruple resistant isolates and in Beijing family.Second, the genetic and phylogenetic analyses showed high diversity of mutation patterns within each family and each MIRU-VNTR cluster suggesting various evolutionary trajectories towards first and second-line drug resistance. The predominance of specific mutations and combinations of mutations associated with high level of resistance and low fitness cost suggests a cumulative effect of mutations and a role for epistasis in multiple-drug resistance acquisition. In addition, high frequency of fitness-compensatory mutations associated with rifampicin resistant mutations was detected in highly drug resistant isolates. These processes may drive the evolution of drug resistance in this sample and lead to a successful spread of highly drug resistant strains. It is worth noting that Beijing family was specifically linked to high-level drug resistance and low fitness cost mutations and to compensatory mutations.In conclusion, this work provides knowledge on the resistance to the first and second-line anti-TB drugs in clinical M. tuberculosis samples collected in Vietnam between 2005 and 2009. These data predict an evolution towards a more problematic situation in terms of drug resistance. First, because the Beijing family, which is currently invading Vietnam, is associated with highly drug resistance, mutations linked to high-level drug resistance and low fitness cost and compensatory mutations. Second, the high risk of pyrazinamide resistance in our sample challenges the efficacy and the use of this drug in MDR-TB treatment. Third, our data suggest an evolution of M. tuberculosis towards a higher potential of drug resistance because of a probable cumulative effect of drug resistant mutations and epistatic interactions. Since the samples under study were collected between 2005-2009, the next step is to test our hypotheses on a recent sampling. Finally, this study together with published data allowed making, for the first time, an inventory of the drug resistance associated mutations in M. tuberculosis isolates from Vietnam.


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