Intérêt d'une approche multicritère pour la caractérisation et la typologie de la santé chez la vache laitière

Interest of a multicriteria approach for the characterization and typology of health in dairy cows

• Auteur / Autrice : Jérémy Lesueur
• Direction : Gilles Foucras, Fabien Corbière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie, Physipoathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions Hôtes - Agents Pathogènes (Toulouse ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicole Hagen-Picard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Foucras, Fabien Corbière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Fourichon, Simon Dufour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Production laitière

Immunité

Santé animale

Mots clés libres

Vache laitière

Approche multicritère

Typologie

Santé

Immunologie

Cytokine

Apprentissage automatique

Dairy cow

Multicriteria approach

Typology

Health

Immunology

Cytokine

Machine learning

Résumé

En réponse à la demande croissante en produits laitiers, les programmes de sélection génétique se sont principalement attachés à l'amélioration des caractères de production. Cependant, celle-ci s'est accompagnée d'une détérioration de la santé des vaches laitières, en particulier de la santé mammaire. Face à ce constat, la prise en compte de la compétence immunitaire serait un atout pour une amélioration plus englobante de la santé. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre en proposant une investigation de la diversité de la réponse immunitaire des vaches laitières en lien avec leur parcours de vie, leurs performances et leur fond génétique. À cette fin, une méthode de criblage de la réponse immunitaire a été développée. Elle repose sur le dosage simultané par multiplexage de quinze cytokines impliquées dans les voies innée et adaptative de la réponse immunitaire après stimulation ex vivo d'échantillons de sang total. Les agents de stimulation comprenaient trois agents responsables de mammites (Escherichia coli, Staphylococcus aureus et Streptococcus uberis) et trois ligands des récepteurs Toll-like (LPS, FSL-1 et Gardiquimod). Dans une première étude, nous montrons que chaque stimulus bactérien induit un profil de sécrétion caractéristique, et que seulement trois cytokines (IFN-, IL-1 et TNF-) sont suffisantes pour discriminer les différents stimuli étudiés entre eux. Les résultats indiquent par ailleurs des similitudes entre les réponses aux stimuli bactériens et aux ligands des récepteurs Toll-like auxquels ils sont classiquement associés. Dans une seconde étude, nous nous sommes intéressés aux liens potentiels entre différents index génétiques et indicateurs physiologiques, et la variabilité interindividuelle de la réponse cytokinique au LPS. Ces investigations ont ensuite été étendues aux réponses associées à l'ensemble des six stimuli utilisés. Les résultats suggèrent l'existence d'un phénomène d'immunosénescence précoce observable dès la deuxième lactation. Le niveau inflammatoire basal et différents indicateurs du déficit énergétique en début de lactation sont corrélés ce qui soutient l'existence d'un lien entre métabolisme énergétique et régulation de la réponse immunitaire. La corrélation négative entre l'index génétique pour les cellules somatiques et le niveau de réponse immune est en faveur d'une investigation approfondie des déterminismes génétiques et des mécanismes physiopathologiques liant la sélection génétique pour la résistance aux mammites et la réponse immunitaire. Une analyse de la typologie de la réponse immunitaire montre des corrélations fortes entre intensité de la réponse, d'une part, aux trois stimuli bactériens et, d'autre part, aux trois ligands des récepteurs Toll-like. Ces résultats suggèrent que la compétence immunitaire, à l'échelle d'une vache, est similaire, sans être totalement identique, pour les différents stimuli étudiés malgré leurs natures assez diverses. Enfin, l'analyse de la variabilité interindividuelle de la réponse immunitaire a conduit, pour certains stimuli, à l'identification de groupes de vaches de faible effectif présentant des réponses de très forte intensité. Ces résultats méritent des investigations complémentaires afin d'identifier les déterminants génétiques et physiopathologiques de ces différences, et des liens avec une éventuelle expression clinique. Finalement, nos travaux ont permis le développement d'une méthode d'évaluation de la compétence immunitaire performante et simple à mettre en œuvre. Les résultats obtenus représentent un premier pas vers le développement de biomarqueurs de l'immunocompétence des bovins. Néanmoins, l'analyse de ce type de données complexes représente un réel défi nécessitant des développements méthodologiques avant que des interventions ciblées ou que de nouvelles stratégies de sélection génétique fondées sur ces indicateurs permettent d'améliorer la durabilité et la rentabilité des exploitations laitières bovines.

In response to the growing demand for bovine-origin dairy products, genetic selection programs have primarily focused on improving production traits. As these traits are negatively correlated with various functional traits, genetic selection has been accompanied by a deterioration in the health of dairy cows, particularly udder health. While the recent integration of functional traits into selection programs has allowed for some improvements, considering immune competence would be an asset for an overall health improvement. Such an approach is an opportunity for a better understanding of the underlying mechanisms. This thesis fits into this framework by proposing an investigation into the diversity of the immune response of dairy cows in relation to their life path, performances, and genetic background. For this purpose, a screening method for the immune response has been developed. It consists in simultaneously measuring fifteen cytokines involved in the innate and adaptive pathways of the immune response after *ex vivo* whole blood stimulation assays. Stimulation agents included three mastitis agents (*Escherichia coli*, *Staphylococcus aureus*, and *Streptococcus uberis*) and three Toll-like receptor ligands (LPS, FSL-1, or Gardiquimod). This protocol was applied approximately three months after calving to 107 cows from a divergent selection for mastitis resistance. In a first study, we show that each bacterial *stimulus* induces a specific cytokine signature, and only three cytokines (IFN-, IL-1, and TNF-) are sufficient to discriminate between the different *stimuli* studied. The results also indicate similarities, without complete overlap, between responses to bacterial *stimuli* and Toll-like receptor ligands they are classically associated with. In a second study, we investigated potential links between different breeding values, physiological indicators, and the inter-individual variability of cytokine response to LPS. These investigations were then extended to responses associated with all six *stimuli* used. The results suggest the existence of an early immunosenescence phenomenon observable from the second lactation. Basal inflammatory levels and various indicators of energy deficit at the beginning of lactation were correlated, supporting a link between energy metabolism and immune response regulation. The negative correlation between the breeding values for somatic cells and the level of immune response, observed for several *stimuli*, advocates for an in-depth investigation of genetic determinants and pathophysiological mechanisms linking genetic selection for mastitis resistance and immune response. An analysis of the typology of immune response shows strong correlations between the intensity of response, on one hand, to the three bacterial *stimuli* and, on the other hand, to the three Toll-like receptor ligands. These results suggest that immune competence, on a cow scale, is similar, though not entirely identical, for the different *stimuli* studied, even though they are of quite diverse natures. Finally, the analysis of inter-individual variability in immune response has led, for some *stimuli*, to the identification of small groups of cows with very intense responses. These results warrant further investigation to identify the genetic and pathophysiological determinants of these differences and their links to possible clinical expression. Finally, our work has led to the development of an effective method for evaluating immune competence that is simple to implement. The analysis methods employed and the results obtained represent a first step toward the development of biomarkers for bovine immunocompetence. However, the analysis of such complex data represents a real challenge requiring methodological developments before targeted interventions or new genetic selection strategies based on these indicators can improve the sustainability and profitability of bovine dairy farms.