L’imagerie avancée révèle comment un « baiser » parasitaire altère le métabolisme cellulaire

Toxoplasma gondii est un parasite responsable de la toxoplasmose, une infection chronique à vie qui touche environ 30 % de la population humaine. Elle est peu dangereuse pour les personnes en bonne santé, mais peut avoir de graves conséquences pour les personnes immunodéprimées. Si l’infection survient pendant la grossesse, le parasite peut traverser le placenta et provoquer des problèmes rétiniens ou neurologiques chez le fœtus en développement, voire la mort dans les cas graves.

Il n’existe actuellement aucun vaccin contre l’infection à Toxoplasma, et le mécanisme biologique par lequel le parasite affecte le métabolisme des cellules hôtes est encore sous-étudié.

Dans une nouvelle recherche publiée dans la revue mBioLes chercheurs de Morgridge décrivent comment l’infection à Toxoplasma modifie le métabolisme des cellules hôtes au cours de l’infection en utilisant pour la première fois la puissance de l’imagerie métabolique optique (OMI).

Gina Gallego-Lopez, chercheuse adjointe, ancienne élève du programme de bourses postdoctorales de Morgridge et première auteure de l’étude, a dirigé cette collaboration entre ses codirecteurs, Melissa Skala, chercheuse en imagerie biomédicale de Morgridge, et Laura Knoll, professeure de microbiologie médicale et d’immunologie à l’UW-Madison.

Le laboratoire Knoll se concentre sur l’étude de T. gondii et d’autres parasites apparentés tels qu’Entamoeba, tandis que le laboratoire Skala développe des outils d’imagerie biomédicale comme OMI pour surveiller l’activité cellulaire.

« J’ai de l’expérience avec les parasites, mais le domaine de l’optique était nouveau pour moi », explique Gallego-Lopez. « Je voulais essayer d’imager Toxoplasma gondii pour voir comment il affecte le métabolisme de la cellule hôte, et la meilleure option était d’utiliser l’OMI, car c’est non invasif. »

L’approche non invasive est importante pour pouvoir observer les changements en temps réel. L’OMI permet aux chercheurs de surveiller le métabolisme des cellules vivantes en détectant l’activité fluorescente déjà présente dans les cellules. Cela se fait sans avoir à fixer ou à colorer des échantillons qui finissent par tuer les cellules.

Dans cette étude, les chercheurs ont observé des changements dans la biologie redox, mesurés par l’activité chimique des métabolites NAD(P)H et FAD. Ils ont constaté qu’au cours d’une infection de 48 heures, les cellules hôtes infectées devenaient plus oxydées et que la durée de vie moyenne du NAD(P)H augmentait. Ce résultat montre que le parasite peut modifier fondamentalement le métabolisme de la cellule hôte.

De plus, ils ont confirmé des changements métaboliques dans les niveaux de glucose, de lactate et de production de ROS, tous des facteurs associés à des changements dans la biologie redox dans les cellules infectées.

« Le parasite a besoin d’énergie pour pouvoir se répliquer. Nous observons que ces changements sont différents au début de l’infection, avec l’augmentation du glucose qui diminue avec le temps ainsi que le rapport redox à un stade avancé de l’infection », explique Gallego-Lopez. « Nous avons donc un scénario de première main de ce qui se passe au niveau de la biologie redox dans les cellules infectées par Toxoplasma gondii. »

Gallego-Lopez s’intéressait également aux changements métaboliques associés au mécanisme connu sous le nom de « baiser et crachat », où T. gondii interagit avec la surface des cellules hôtes avant l’invasion complète.

« Une cellule peut être infectée alors que les cellules qui l’entourent ne le sont pas. On dirait que le parasite « embrasse » ces cellules puis injecte des protéines – un baiser et un crachat », explique-t-elle. « À notre grande surprise, nous avons pu observer des changements similaires à ceux de l’infection complète. Il semble donc qu’un simple « baiser » du parasite suffise à induire des changements dans la cellule hôte. »

Bien qu’il reste encore de nombreuses questions sans réponse, Gallego-Lopez affirme que l’OMI est un outil parfait à utiliser dans ce scénario car il peut mesurer avec précision de très petits changements. Après avoir corrélé les données OMI et les données métabolomiques avec l’analyse de l’expression génétique, les prochaines étapes incluent une étude plus approfondie des cibles génétiques impliquées dans ces voies.

« Nous devons aller dans les détails – quel gène spécifique ou quelle protéine spécifique – pour pouvoir concevoir de meilleures cibles pour le développement de vaccins ou de traitements médicamenteux, mais nous devons d’abord connaître les changements associés à l’infection chez l’hôte », explique Gallego-Lopez.

À terme, Gallego-Lopez espère créer son propre laboratoire pour continuer à étudier les parasites apicomplexes comme Toxoplasma et Cryptosporidium, ce dernier étant associé au cancer colorectal.

« Je veux comprendre comment il est possible que ces parasites induisent des changements chez l’hôte qui peuvent induire un cancer au fil du temps », explique-t-elle. « J’utilise Toxoplasma comme modèle pour comprendre les changements afin de pouvoir ensuite les appliquer au Cryptosporidium. C’est mon objectif. »