La tuberculose, les maladies infectieuses les plus meurtrières du monde, est estimée à une infecture environ 10 millions de personnes chaque année et tue plus d'un million par an. Une fois établi dans les poumons, la paroi cellulaire épaisse de la bactérie l'aide à combattre le système immunitaire de l'hôte.
Une grande partie de cette paroi cellulaire est fabriquée à partir de molécules de sucre complexes appelées glycanes, mais il n'est pas bien compris comment ces glycanes aident à défendre les bactéries. L'une des raisons en est qu'il n'y a pas eu de moyen facile de les étiqueter à l'intérieur des cellules.
Les chimistes du MIT ont maintenant surmonté cet obstacle, démontrant qu'ils peuvent étiqueter un glycan appelé Manlam en utilisant une molécule organique qui réagit avec des sucres contenant du soufre spécifiques. Ces sucres se trouvent dans seulement trois espèces bactériennes, dont la plus notoire et la plus répandue est Mycobacterium tuberculosis, le microbe qui provoque la tuberculose.
Les résultats sont publiés dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.
Après avoir étiqueté le glycane, les chercheurs ont pu visualiser où il se trouve dans la paroi cellulaire bactérienne et étudier ce qui lui arrive tout au long des premiers jours de l'infection à la tuberculose des cellules immunitaires de l'hôte.
Les chercheurs espèrent désormais utiliser cette approche pour développer un diagnostic qui pourrait détecter les glycanes associés à la TB, soit en culture ou dans un échantillon d'urine, qui pourrait offrir une alternative moins chère et plus rapide aux diagnostics existants. Les rayons X thoraciques et les diagnostics moléculaires sont très précis mais ne sont pas toujours disponibles dans les pays en développement où les taux de tuberculose sont élevés.
Dans ces pays, la tuberculose est souvent diagnostiquée en cultivant des microbes à partir d'un échantillon d'expectorations, mais ce test a un taux de faux négatifs élevé, et il peut être difficile pour certains patients, en particulier les enfants, de fournir un échantillon d'expectorations. Ce test nécessite également plusieurs semaines pour que les bactéries se développent, retardant le diagnostic.
« Il n'y a pas beaucoup de bonnes options de diagnostic, et il y a des populations de patients, y compris des enfants, qui ont du mal à donner des échantillons qui peuvent être analysés. Il y a beaucoup d'élan pour développer des tests très simples et rapides », explique Laura Kiessling, professeur de chimie Novartis au MIT et auteur principal de l'étude.
L'étudiante diplômée du MIT, Stephanie Smelyansky, est l'auteur principal du journal. Les autres auteurs incluent Chi-Wang MA, un MIT Postdoc; Victoria Marando, Ph.D.; Gregory Babunovic, un post-doctorant à la Harvard Th Chan School of Public Health; So Young Lee, un étudiant diplômé du MIT; et Bryan Bryson, professeur agrégé de génie biologique au MIT.
Étiquetage des glycanes
Les glycanes se trouvent sur les surfaces de la plupart des cellules, où elles remplissent des fonctions critiques telles que la médiation de la communication entre les cellules. Dans les bactéries, les glycanes aident les microbes à entrer dans les cellules hôtes, et ils semblent également communiquer avec le système immunitaire hôte, dans certains cas bloquant la réponse immunitaire.
« Mycobacterium tuberculosis a une enveloppe cellulaire vraiment élaborée par rapport à d'autres bactéries, et c'est une structure riche qui est composée de nombreux glycanes différents », explique Smelyansky.
« Quelque chose qui est souvent sous-estimé est le fait que ces glycanes peuvent également interagir avec nos cellules hôtes. Lorsque nos cellules immunitaires reconnaissent ces glycanes, au lieu d'envoyer un signal de danger, il peut envoyer le message opposé, qu'il n'y a pas de danger. »
Les glycanes sont notoirement difficiles à étiqueter avec toute sorte de sonde, car, contrairement aux protéines ou à l'ADN, ils n'ont pas de séquences distinctives ou de réactivités chimiques qui peuvent être ciblées. Et contrairement aux protéines, ils ne sont pas génétiquement codés, donc les cellules ne peuvent pas être génétiquement modifiées pour produire des sucres marqués avec des étiquettes fluorescentes telles que la protéine fluorescente verte.
L'un des glycanes clés de M. tuberculosis, connu sous le nom de Manlam, contient un sucre rare connu sous le nom de MTX, qui est inhabituel en ce qu'il a un thioether – un atome de soufre pris en sandwich entre deux atomes de carbone. Ce groupe chimique a présenté l'occasion d'utiliser une étiquette à petite molécule qui avait été développée auparavant pour marquer de la méthionine, un acide aminé qui contient un groupe similaire.
Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser cette étiquette, connue sous le nom d'oxaziridine, pour étiqueter le manlam dans M. tuberculosis. Les chercheurs ont lié l'oxaziridine à une sonde fluorescente et ont montré que dans M. tuberculosis, cette étiquette s'est présentée dans la couche externe de la paroi cellulaire.
Lorsque les chercheurs ont exposé l'étiquette à Mycobacterium smegmatis, une bactérie connexe qui ne provoque pas de maladie et n'a pas le sucre MTX, ils n'ont vu aucun signal fluorescent.
« Il s'agit de la première approche qui nous permet vraiment de visualiser un glycane en particulier », explique Smelyansky.
Mieux diagnostics
Les chercheurs ont également montré qu'après avoir marqué le manlam dans les cellules de M. tuberculosis, ils pouvaient suivre les cellules car elles infectent les cellules immunitaires appelées macrophages.
Certains chercheurs de la tuberculose avaient émis l'hypothèse que les cellules bactériennes perdaient le manlam une fois à l'intérieur d'une cellule hôte, et que ces glycanes libres interagissent ensuite avec le système immunitaire hôte. Cependant, l'équipe du MIT a constaté que le glycane semble rester dans les parois des cellules bactériennes pendant au moins les premiers jours d'infection.
« Les bactéries ont toujours leurs parois cellulaires qui leur sont attachées. Il se peut donc que certains glycanes soient libérés, mais la majorité de celle-ci est conservée sur la surface des cellules bactériennes, qui n'a jamais été montrée auparavant », explique Smelyansky.
Les chercheurs prévoient désormais d'utiliser cette approche pour étudier ce qui arrive aux bactéries après un traitement avec différents antibiotiques ou une stimulation immunitaire des macrophages. Il pourrait également être utilisé pour étudier plus en détail comment la paroi cellulaire bactérienne est assemblée et comment le manlam aide les bactéries à se lancer dans les macrophages et autres cellules.
« Avoir une poignée pour suivre les bactéries est vraiment utile, et cela vous permettra de visualiser les processus, à la fois dans les cellules et dans les modèles animaux, qui étaient auparavant invisibles », explique Kiessling.
Elle espère également utiliser cette approche pour créer de nouveaux diagnostics pour la tuberculose. Il existe actuellement un diagnostic de développement qui utilise des anticorps pour détecter le manlam dans un échantillon d'urine. Cependant, ce test ne fonctionne bien que chez les patients présentant des cas de tuberculose très actifs, en particulier les personnes immunodéprimées en raison du VIH ou d'autres conditions.
En utilisant leur capteur à petite molécule au lieu des anticorps, l'équipe du MIT espère développer un test plus sensible qui pourrait détecter le manlam dans l'urine même lorsque seules de petites quantités sont présentes.
