Physiopathologie de l'infection du système nerveux central par des virus respiratoires

par Marion Ferren

Projet de thèse en Virologie

Sous la direction de Cyrille Mathieu.

Thèses en préparation à Lyon , dans le cadre de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (BMIC) , en partenariat avec Centre international de recherche en infectiologie (equipe de recherche) depuis le 27-11-2018 .


  • Résumé

    Les virus respiratoires aéroportés sont particulièrement préoccupants du fait de la difficulté de contrôler leur transmission. Parmi ces virus, le virus du syndrome respiratoire aigu sévère 2 (SARS-CoV-2), le virus de la rougeole (VR) et les Henipavirus Nipah (NiV) et Hendra (HeV) peuvent infecter également le système nerveux central (SNC) chez l’homme et provoquent alors souvent des encéphalites létales. Par exemple, le SARS-CoV-2, responsable de la pandémie de COVID-19, entraine un syndrome respiratoire aigu sévère et des atteintes neurologiques. De son coté, et malgré un vaccin efficace, la rougeole connait une réémergence inquiétante et cause la mort de plus de 200 000 personnes par an. Le VR peut entrainer des encéphalites rougeoleuses à corps d’inclusion (MIBE) dans un contexte d’immunodéficience ou une panencéphalite sclérosante subaiguë (PESS) parfois des décennies après l’exposition au virus chez des patients immunocompétents. NiV et HeV sont des Paramyxovirus zoonotiques hautement pathogènes du genre Henipavirus. Malgré le faible nombre de cas humains recensés depuis leur émergence à la fin des années 1990, les NiV et HeV sont classés parmi les huit pathogènes prioritaires pour la recherche par l’Organisation Mondiale de la Santé en raison de leur fort potentiel pandémique. Certaines souches sont mortelles dans plus de 70% des cas en moyenne. À ce jour il n’existe pas de traitement efficace commercialisé pour traiter ces infections virales chez l’homme. De plus, les étapes précoces de l’infection du SNC par ces virus restent peu documentées car la majorité des données proviennent d’analyses réalisées post mortem. L’objectif global de cette thèse a été d’identifier des facteurs influençant l’invasion du SNC par ces virus. Le tropisme initial, la dissémination, ainsi que l’implication des glycoprotéines virales de surface et l’évolution génétique virale ont été analysées pour le SARS-CoV-2, le VR et plusieurs souches d’Henipavirus à l’échelle organique, cellulaire et moléculaire. Deux nouveaux modèles de cultures organotypiques de poumons et de tronc cérébral chez le hamster ont été développés et caractérisés. Ces modèles ex vivo sont susceptibles à l’infection par le SARS-CoV-2 et par le NiV. En revanche, un mutant hyperfusogène du VR, pourtant capable de fusionner en l’absence de récepteur connu, n’infecte que les cultures de cerveau. Ces cultures organotypiques ont permis de valider le tropisme initial du SARS-CoV-2 dans les poumons et démontré la permissivité de certains neurones dans le cerveau. Ces modèles ont également permis d’établir que l’infection par le SARS-CoV-2 induit une réponse interféron spécifique et une réponse immunitaire innée, ainsi qu’une mort cellulaire par apoptose, nécroptose et pyroptose dans ces organes. Enfin, ces cultures organotypiques ont montré leur pertinence dans la validation de l’effet d’antiviraux. L’étude de VR portant des mutations dans leur protéine de fusion observées lors d’encéphalites rougeoleuses a montré l’importance du caractère hyperfusogène de ces mutants pour se disséminer dans le SNC pourtant dépourvu de récepteurs connus. Des différences dans la machinerie de fusion de trois souches pathogènes d’Henipavirus ont aussi été identifiées et analysées. Grace aux cultures organotypiques cérébrales de hamster et de souris transgéniques plusieurs candidats antiviraux ont été testés pour bloquer la dissémination du VR sauvage et de variants neuroinvasifs, mais aussi du NiV et du SARS-CoV-2. Ces résultats donnent des perspectives nouvelles d’utilisation de ces modèles ex vivo pour étudier l’infection par des virus émergents et pour évaluer l’efficacité de traitements en amont de validation in vivo. L’étude comparative de l’infection des cultures organotypiques par ces virus respiratoires à pathogénicité variable a illustré comment la machinerie de fusion peut influencer la dissémination virale dans le cerveau.

  • Titre traduit

    Physiopathology of central nervous infection with respiratory viruses


  • Résumé

    Airborne respiratory viruses are of particular concern because of the difficulty in controlling their transmission. Among these viruses, severe acute respiratory syndrome virus 2 (SARS-CoV-2), measles virus (MeV) and Henipavirus Nipah (NiV) and Hendra (HeV) can also infect the central nervous system (CNS) in humans and cause lethal encephalitis. For example, SARS-CoV-2, responsible for the COVID-19 pandemic, causes severe acute respiratory syndrome and neurological syndromes. Despite an effective vaccine, measles is reemerging and still responsible of more than 200 000 deaths per year. MeV can lead to measles inclusion-body encephalitis (MIBE) in immunocompromised patients or sub-acute sclerosing panencephalitis (SSPE) sometimes decades after exposure to the virus in immunocompetent patients. NiV and HeV are highly pathogenic zoonotic Paramyxoviruses that belong to the genus Henipavirus. Despite the low number of human cases recorded since their emergence in the late 1990s, NiV and HeV are classified among the top eight pathogens to prioritize for research and development in public health emergency contexts by the World Health Organization because of their high pandemic potential. Some strains are fatal in more than 70% of cases. To date, there is no effective commercialized treatment to cure these viral infections in human. Moreover, the early stages of the CNS infection by these three viruses remain poorly documented because most of the data come from post-mortem analyzes. The overall objective of this thesis was to identify factors influencing the CNS invasion by these viruses. The initial tropism, the dissemination, as well as the involvement of viral surface glycoproteins and viral genetic evolution were analyzed for SARS-CoV-2, MeV and several Henipavirus strains at the organic, cellular, and molecular levels. Two new models of organotypic cultures from hamster brainstem and lung have been developed and characterized. These ex vivo models are susceptible to the infection with SARS-CoV-2 and NiV. In contrast, a hyperfusogenic MeV mutant able to fuse in absence of known receptor, could only infect brain cultures. In these organotypic cultures the initial tropism of SARS-CoV-2 in the lungs was validated and the permissiveness of certain neurons in the brain was demonstrated. The results also showed that SARS-CoV-2 infection induces specific interferon and innate immune responses, along with cell death by apoptosis, necroptosis, and pyroptosis. Finally, these organotypic cultures have shown their relevance in validating the effect of antiviral treatments. The study of MeV carrying mutations in their fusion protein observed in measles encephalitis cases has shown the importance of the hyperfusogenic property to disseminate within the CNS, which lacks the expression of known receptors. Differences in the fusion machinery of three pathogenic Henipavirus strains were also identified and analyzed. Several antiviral candidates have been tested in organotypic brain cultures from hamsters and transgenic mice to block the dissemination of wild-type MeV and neuroinvasive MeV variants, but also of NiV and SARS-CoV-2. These results pave the way for the use of these ex vivo models to study newly emerged viruses’ pathogenesis and assess the efficacy of candidate antivirals before in vivo validation. The comparative study of the organotypic culture infections by these respiratory viruses with high pathogenicity differences illustrated how the fusion machinery can influence the viral dissemination in the brain.