Prevention of pathogenic Escherichia coli diseases : immune response to a broad spectrum E. coli antigen, and role of nitric oxide in enterohemorrhagic E. coli virulence

Abstract

Les Escherichia coli (E. coli) pathogènes sont une source de préoccupation grandissante pour la santé publique dans le monde, en raison de leur morbidité et de leur incidence sur la mortalité, en particulier chez les jeunes enfants. En fonction du variant d’E. coli, ou pathotype, les maladies vont de la diarrhée aiguë à la septicémie, la méningite ou le syndrome hémolytique et urémique. Les traitements actuels sont insuffisants en raison de l'émergence croissante de la résistance aux antibiotiques, et aucun vaccin n'est encore disponible sur le marché; par conséquent, des efforts sont nécessaires afin d’offrir de futures solutions préventives ou thérapeutiques contre les infections provoquées par E. coli. Dans ce contexte, ma thèse de doctorat a eu pour objectif de contribuer à cet effort collectif en développant deux approches différentes. Nous avons d'abord établi un modèle murin d'immunisation avec un antigène à large spectre d’E. coli, et montré que ce modèle générait une réponse humorale et cellulaire robuste à la fois dans l'intestin et de façon systémique, sans perturber le microbiote intestinal résident. Un tel modèle d'immunisation pourrait donc potentiellement protéger contre les maladies intestinales et extra-intestinales provoquées par E. coli, et apporterait des indications précieuses quant au développement d'un vaccin à large spectre contre ces pathogènes. Dans une seconde approche, nous avons travaillé spécifiquement avec les E. coli entérohémorragiques (EHEC) dans le but de déterminer un effet potentiel du monoxyde d’azote (NO) sur la virulence des EHEC. En utilisant des modèles murins d'infection, nous avons montré que la détection de NO par les EHEC est essentielle pour une colonisation efficace du tractus digestif par le pathogène. De plus, l'inhibition de la production de NO par l'hôte diminue l'activité de la Shiga toxine, le principal facteur de virulence des EHEC, alors qu’elle augmente l’adhésion des EHEC au colon. Nos résultats indiquent que le NO, un acteur important de la réponse immunitaire de l'hôte, peut jouer un rôle déterminant lors d’une infection par les EHEC, et pourrait donc faire l’objet de nouvelles stratégies visant à lutter contre ces infections chez l'Homme.

Pathogenic Escherichia coli are a source of growing public health concern worldwide, due to their morbidity and mortality incidence, particularly in young children. Depending on the particular variant, or pathotype, diseases range from acute diarrhea to sepsis, meningitis and hemorrhagic uremic syndrome. Treatments are falling short due to the increasing emergence of antibiotic resistance, and no vaccine is yet on the market; hence, efforts are needed to support future preventive or therapeutic solutions against E. coli-mediated diseases. In this PhD thesis project, we joined these efforts, and tackled this challenge by taking two different approaches. We first established a mouse model of immunization with a broad spectrum antigen of E. coli, and showed that this model generated a robust humoral and cellular response both in the intestine and systemically, while not disturbing the resident gut microbiota. Such model of immunization could thus potentially be protective against both intestinal and extraintestinal diseases of E. coli, and brings valuable insights for the definition and development of a broad vaccine against pathogenic E. coli. In a second approach, we worked specifically with the enterohemorrhagic E. coli (EHEC) and explored whether nitric oxide (NO) had a particular role in EHEC virulence. Using a mouse model of infection, we showed that detection of NO is critical for the pathogen to efficiently colonize the gastrointestinal tract, Moreover, inhibiting NO production by the host decreased the activity of Shiga toxin, the main virulence factor of EHEC, while increasing colonic adherence of EHEC. Our results indicate that NO, an important actor of the host immune response, can play a determinant role on the outcome of an EHEC infection, and may influence future strategies aimed against EHEC infection in humans.