Cellular models for investigation of Francisella tularensis epidemiology and pathogenicity
Modèles cellulaires appliqués à la compréhension de l'épidémiologie et de la pathogénicité de Francisella tularensis
Résumé
Francisella tularensis is the bacterium responsible for tularemia. Human contamination can occur through contact with an infected animal, arthropod bite, after contact with the hydro-telluric environment or after ingestion of contaminated water or food. However, the ways of human contamination from hydro-telluric environment as well as the mechanisms of survival in this environment are poorly characterised. Thus, it is mandatory to improve knowledge about these topics, especially because F. tularensis is classified as a potential agent for bioterrorism.The first part of this work was to performed a literature review about F. tularensis and aquatic environment. This allowed to highlight that water-born tularemia can occur after consumption or use of contaminated water, after bite of in infected mosquito, or after recreational aquatic activities. The mechanisms of F. tularensis survival in water may include survival in a planktonic form in water with the possible transition to a viable but nonculturable (VBNC) state, the formation of biofilms, infection of mosquito larvae, and interaction with free-living amoebae. However, few studies about these mechanisms are available and some of them present conflicting results.Indeed, the second part of this work aimed to deeply investigate the interactions between F. tularensis and amoebae, in comparison to F. novicida and F. philomiragia which are aquatic bacteria of low virulence. In amoeba plate screening tests (APT), all the Francisella species tested resisted the attack by amoebae. In infection model in poor culture medium, all the Francisella species tested did not displayed intra-amoebic growth. In co-culture models, the amoebae favoured survival of the three Francisella species over 16 days. This enhanced survival was likely dependent on amoeba-excreted compounds for F. novicida and for F. tularensis and on direct contact between bacteria and amoebae for F. novicida. Overall, our results demonstrate that amoebae likely promote Francisella survival in aquatic environments, including F. tularensis.A third step of this work aimed to assess prevalence of F. tularensis DNA in the natural aquatic environment in a French region where tularemia indigence increased. In this aim, 87 water samples were collected during two sampling campaigns and were analysed using a combination of real-time PCR assays. Among 57 water samples of the first campaign, 15 (26.3%) were positive for Francisella sp., nine (15.8%) for F. tularensis and/or F. novicida, and four (7.0%) for F. tularensis subsp. holarctica. The ratios were 25/30 (83.3%), 24/30 (80.0%), and 4/30 (13.3%) for the second campaign. Thus, these results revealed a high prevalence of F. tularensis DNA in the studied aquatic environment. This aquatic environment could therefore be involved in the maintenance of F. tularensis and possibly in the endemicity of tularemia in this region.Altogether, these works have shown that the aquatic environment is central to the ecology of F. tularensis.Finally, two more applied works were performed. One described the first human case of F. salimarina infection, a species initially isolated from the aquatic environment. Another evaluated the performances of the Biotoxis kit, a commercial qPCR kit for the detection of F. tularensis in clinical and environmental samples.
Francisella tularensis est la bactérie responsable de la tularémie. La contamination humaine peut survenir par contact avec un animal infecté, par piqûre d’un arthropode, par contact avec le réservoir environnemental hydro-tellurique ou par ingestion d’eau ou d’aliments contaminés. Les sources de contamination à partir de l’environnement hydro-tellurique ainsi que les mécanismes de survie dans cet environnement sont peu caractérisés. Ainsi, il est nécessaire de développer les connaissances à ce sujet, d’autant plus que F. tularensis est considéré comme un agent potentiel de bioterrorisme.La première partie de ce travail a consisté en la réalisation d’une revue de la littérature sur le lien entre F. tularensis et l’environnement aquatique. Ceci a permis de mettre en évidence que la contamination de l’Homme par cette bactérie à partir du réservoir aquatique pouvait survenir par ingestion ou utilisation d’eau contaminée, par piqûre de moustique ou suite à des activités récréatives en milieu aquatique. Concernant les modes de survie dans l’environnement aquatique, il apparait que F. tularensis puisse survivre dans l’eau de plusieurs façons : sous forme planctonique avec possible évolution vers une forme viable mais non cultivable (VBNC), par l’intermédiaire de la production de biofilm, par infection de larves de moustiques et par interaction avec les amibes. Cependant peu de travaux ont porté sur l’étude de ces mécanismes et leurs résultats sont parfois contradictoires.Ainsi, la deuxième partie de ce travail a visé à préciser les interactions entre les amibes et F. tularensis en comparaison à F. novicida et F. philomiragia, deux bactéries du genre Francisella de réservoir aquatique et de pathogénicité faible. Dans un modèle de screening Amoeba Plate Test (APT), toutes les espèces de Francisella testées résistaient à la lyse par les amibes. Dans des modèles d’infection en milieu pauvre l’ensemble des Francisella testées ne présentaient pas de multiplication intra-amibienne. Enfin, dans un modèle de co-culture, les amibes favorisaient la survie des trois espèces de Francisella sur une période de 16 jours. Les mécanismes impliqués dans cette survie favorisée en présence d’amibes pourraient être la production par les amibes de composés favorisant la croissance bactérienne pour F. tularensis et F. novicida mais aussi des interactions de contact pour F. novicida. Ces travaux démontrent que les amibes participent probablement à la survie des bactéries du genre Francisella dans l’environnement aquatique, y compris F. tularensis.Un troisième volet de ce travail de thèse a évalué la prévalence de la contamination par F. tularensis de l’environnement aquatique dans une région française présentant une augmentation de l’incidence de la tularémie. Pour ce faire, 87 échantillons d’eau ont été prélevés, au cours de deux campagnes de prélèvements, et ont été analysés par PCR en temps réel. Parmi les 57 échantillons de la première campagne, 15 (26,3 %) étaient positifs pour Francisella sp., neuf (15,8 %) pour F. tularensis et/ou F. novicida et quatre (7,0 %) pour F. tularensis subsp. holarctica. Ces proportions étaient de 25/30 (83,3 %), 24/30 (80,0 %) et 4/30 (13,3 %) pour la seconde campagne. Ces travaux indiquent que la contamination de l’environnement aquatique par l’ADN de F. tularensis est relativement fréquente et que l’environnement aquatique pourrait participer au maintien de F. tularensis et éventuellement à l’augmentation de l’incidence de la tularémie dans cette région.Enfin, deux travaux plus appliqués ont permis de décrire le premier cas humain d’infection à F. salimarina, espèce initialement isolée de l’environnement aquatique et d’évaluer les performances du kit Biotoxis, un kit de qPCR commercial permettant la détection de F. tularensis sur échantillons cliniques et environnementaux.Ces travaux ont permis de mettre en évidence que l’environnement aquatique occupe une place centrale dans l’écologie de F. tularensis.
Origine : Version validée par le jury (STAR)