Une force contre les champignons
Les infections fongiques sont responsables de plus de 1,5 million de décès dans le monde chaque année ; plus que le paludisme et le cancer du sein. Cependant, les options thérapeutiques sont limitées et la résistance au petit nombre d’antifongiques disponibles augmente. Malgré cela, les infections fongiques restent dans l’ombre des infections bactériennes en tant que contributeur majeur à la résistance aux antimicrobiens (RAM) et les progrès dans le développement de nouveaux traitements ont été lents, en grande partie à cause du financement limité disponible.
Le laboratoire Cowen de Toronto, au Canada, est un laboratoire qui a placé les agents pathogènes fongiques au centre de ses recherches. Créé par Leah Cowen – mycologue – en 2007, le laboratoire est animé par le désir de répondre aux grandes questions entourant la résistance, le développement et la maladie des médicaments fongiques, à savoir comment ces microbes provoquent-ils des maladies et comment développent-ils une résistance ? «Nous avons élaboré en collaboration une stratégie visant à exploiter la génomique pour comprendre les vulnérabilités des agents pathogènes fongiques, ainsi que la biologie chimique pour identifier les molécules que nous pourrions exploiter pour les contrecarrer», explique Cowen.
Au fur et à mesure que Cowen a assumé des responsabilités supplémentaires en dehors du laboratoire, elle a constitué une solide équipe de direction pour l’aider dans ce domaine, comprenant notamment l’associée de recherche principale Nicole Robbins, une ancienne diplômée de Cowen qui joue un rôle important dans l’encadrement des étudiants. «J’ai toujours imaginé travailler dans un laboratoire universitaire, travailler avec des étudiants et les aider dans leur carrière et leur formation», explique Robbins.
Un autre associé de recherche principal est Luke Whitesell, oncologue pédiatrique de formation, qui apporte une expertise substantielle en pharmacologie. « J’ai travaillé dans plusieurs laboratoires au fil des ans (mais) c’est l’environnement le plus stimulant que j’ai jamais vu et par là, je ne veux pas dire doux – il y a un amour dur qui s’y déroule – mais il y a une telle emphase sur le développement de chaque individu.
Le programme de travail du laboratoire s’étend sur six thèmes : la génomique fonctionnelle, la génomique chimique, les mécanismes de résistance aux médicaments et de maladies, le microbiome fongique, la conception de médicaments guidée par la structure et l’évolution de la résistance. «Nous avons de nombreux projets à différentes échelles (y compris) des projets à très grande échelle dans lesquels nous construisons une collection de mutants, par exemple, pour pouvoir contrôler l’expression de chaque gène dans le génome d’un agent pathogène particulier; c’est un énorme travail d’amour », déclare Cowen.
Un nouveau composé antifongique
Le traitement des infections fongiques systémiques est actuellement limité à trois grandes classes d’antifongiques : les azoles, tels que le fluconazole ; les échinocandines, telles que la caspofungine ; et des polyènes, tels que l’amphotéricine B ; dont chacun cible les composants de la membrane cellulaire fongique ou de la paroi cellulaire. Malheureusement, chacune de ces classes d’antifongiques présente des inconvénients importants et leur utilisation excessive en milieu clinique a conduit à une augmentation du nombre d’isolats résistants.1
Une stratégie particulière testée est la thérapie combinée ; la combinaison de composés a le potentiel d’augmenter l’efficacité et de ralentir l’évolution de la résistance aux médicaments.
Pour explorer cette approche, le Cowen Lab s’est associé à un groupe de scientifiques du Riken Center for Sustainable Resource Science, au Japon. Ensemble, ils ont examiné plus de 20 000 produits naturels et petites molécules synthétiques pour leur activité antifongique contre Candida albicans – parmi les espèces fongiques les plus répandues – et trois autres agents pathogènes fongiques ; Aspergillus fumigatus, Cryptococcus néoformans et le pathogène émergent, Candida auris.
« Deux de nos fantastiques étudiants diplômés ont voyagé jusqu’au Japon pour réaliser cette première projection », explique Robbins. «Ils ont recherché non seulement des composés ayant une activité en eux-mêmes, mais également des composés renforçant l’activité du fluconazole dans ces criblages primaires.» Puis, une fois de retour, il y a eu toute une série d’étapes de tri ; à la recherche d’une puissance et d’une cytotoxicité assez minime pour les mammifères.
Finalement, l’équipe s’est concentrée sur un composé imidazopyrazoindole particulièrement puissant, le NPD827, qui a considérablement augmenté l’activité du fluconazole contre les souches sensibles aux azoles et les souches résistantes aux azoles. C. albicans.2 Cependant, cerner le mécanisme d’action jusqu’alors non décrit représentait un défi de taille et nécessitait à peu près tous les outils de l’arsenal du laboratoire.
Mécanisme d’action
« C’était un voyage, cela a pris très longtemps », explique Robbins. «Nous avons essayé d’utiliser un grand nombre de nos méthodes chimico-génétiques – sélection de mutants résistants, recherche d’hypersensibilité dans les collections de délétions génomiques – nous obtenions ici et là de petites indications selon lesquelles cela avait probablement quelque chose à voir avec la membrane, mais c’était De plus en plus évident, plus nous essayions, qu’il ne s’agissait pas d’une cible protéique unique.
Après de nombreuses réflexions et collaborations, l’équipe a découvert que le NPD827 se liait directement aux bicouches lipidiques contenant des stérols de la membrane fongique et, en quelques minutes, induisait un effet profond sur l’homéostasie et la fluidité de la membrane, en particulier en présence de substances perturbant la biosynthèse des stérols. agents, tels que le fluconazole.
Cette perturbation a déclenché toute une série de ramifications en aval en activant des réponses de stress clés associées aux membranes pour faire face au déséquilibre, telles que l’accumulation d’organites de stockage des lipides, connues sous le nom de gouttelettes lipidiques, l’induction de la réponse protéique dépliée et l’activation de la calcineurine. réponses dépendantes au stress. «C’est ce qui rend (l’agent pathogène) hypersensible aux azoles», explique Robbins. «Il s’agissait d’un mode d’action vraiment délicat, mais vraiment unique, que nous avons fini par découvrir grâce à divers tests génétiques, biophysiques et biochimiques», ajoute-t-elle.
Ils ont également découvert que le NPD827 était à l’origine des pompes à efflux de drogue situées dans le C. albicans la membrane plasmique devient non fonctionnelle. « (NPD827) n’obstrue pas la pompe – il n’agit pas comme un inhibiteur compétitif – il provoque en fait l’une des principales pompes à efflux dans C. albicans – Cdr1 – à accumuler», explique Whitesell. « Donc, vous voyez davantage la pompe au niveau de la membrane plasmique, mais cela ne fonctionne pas. La conséquence est qu’en même temps que vous provoquez beaucoup de stress sur l’organisme, vous rendez l’azole plus efficace car il s’accumule mieux dans la cellule.
Suite à cette découverte passionnante, l’équipe s’est associée à d’autres collaborateurs pour explorer le potentiel thérapeutique de l’utilisation du NPD827 comme moyen d’inverser la résistance aux azoles chez C. albicans et inhibent les principaux traits de virulence, notamment la filamentation et la formation de biofilm.
‘C. albicans peuvent se développer dans un état circulaire semblable à celui d’une levure, ainsi que dans des projections ou des filaments polarisés», explique Robbins. « Mais in vitro, nous avons remarqué que NPD827 était capable de bloquer cette transition en réponse à quelques signaux induisant des filaments. » L’une des choses pour lesquelles la filamentation est vraiment importante est la formation d’un biofilm : « la levure a tendance à adhérer à une surface – chez les patients, cela peut être un cathéter – et le biofilm se développe ensuite en C. albicans formant à la fois de la levure et des filaments, afin de former une communauté complexe.
Bien que le NPD827 ne possède pas les propriétés pharmacologiques nécessaires pour une utilisation systémique (ils sont encore en train de définir les problèmes spécifiques), l’équipe a pu démontrer qu’en l’associant au fluconazole, il agissait de manière fongique-sélective de manière co -modèle de culture avec des cellules humaines. Et de même, dans un Caenorhabditis elegans modèle, il a amélioré la survie lorsque les vers étaient infectés par des isolats cliniques tolérants et résistants aux azoles.
L’équipe a également contacté un collaborateur qui a pu tester ce qu’elle avait vu dans un modèle de cathéter de rat. C. albicans infection par biofilm pour savoir si le NPD827 était également capable de bloquer la formation de biofilm dans un cathéter veineux central similaire à ceux utilisés chez les patients humains, et ce fut le cas. «Nous avons constaté une réduction significative des unités formant colonies de C. albicans qui a été cultivé à l’intérieur du cathéter », ajoute Robbins. « De plus, lorsque nous avons examiné la robustesse du biofilm, nous avons remarqué qu’il n’était pas très résistant ; dès que nous avons essayé de prendre une image du cathéter, il semblait complètement stérile. Cela suggère que le NPD827 possède un grand potentiel thérapeutique en termes d’abrogation de la formation de biofilm dans ce modèle de mammifère particulier.
Potentiel de nouvelles thérapies
Les travaux réalisés par le Cowen Lab dans ce domaine mettent en évidence qu’il existe toute une série de composés chimiques qui pourraient avoir une grande efficacité contre les agents pathogènes fongiques, mais qui restent encore à explorer. «Le fait que nous ayons découvert tant de composés qui non seulement fonctionnaient seuls, mais également en combinaison avec les azoles, (cela montre) qu’il y a beaucoup de promesses pour le développement de nouveaux traitements», explique Robbins.
« L’idée de pouvoir utiliser la classe d’antifongiques la plus largement déployée, les azoles, et de restaurer leur efficacité, est une idée vraiment intéressante », ajoute Whitesell. « Nous avons consacré beaucoup de temps et d’efforts au développement d’azoles au cours des dernières décennies, et si nous parvenons à restaurer leur efficacité, cela pourrait avoir un impact très large et immédiat sur les applications cliniques. »
C’est incroyablement collaboratif
Bien sûr, il reste encore des problèmes à surmonter ; par exemple, trouver un moyen de traduire les résultats précliniques du NPD827 en un produit thérapeutique utilisable, mais Whitesell est optimiste : « Il y a beaucoup d’astuces chimiques à essayer ; une approche promédicament pourrait être très efficace», dit-il.
Au laboratoire Cowen, un accent important est mis sur le mentorat et sur la formation de la prochaine génération de scientifiques afin de garantir qu’ils puissent étendre et développer ce travail important. Actuellement, le laboratoire compte plus de 20 stagiaires, parmi lesquels des postdoctorants, des associés de recherche, des étudiants diplômés et des étudiants de premier cycle, mais malgré sa taille, le laboratoire est resté un environnement stimulant.
« La vision de Leah, qui consiste à s’assurer que tout le monde bénéficie d’un mentorat personnalisé et à s’assurer qu’elle dispose d’une équipe de direction très solide, donne un peu l’impression d’un petit laboratoire », explique Robbins. « Non seulement les étudiants bénéficient d’un grand soutien de la part des membres seniors de l’équipe, mais c’est aussi un processus incroyablement collaboratif. » Whitesell ajoute : « ce qui distingue le laboratoire, c’est l’accent mis sur le mentorat plutôt que sur l’exploitation des personnes pour faire avancer les choses. C’est vraiment un processus de développement ; ça a été une joie pour moi d’être associé à cet effort.
Une collaboration approfondie a également lieu en dehors du laboratoire, comme le démontrent les travaux sur NPD827, pour garantir que les meilleurs esprits soient réunis pour fournir des réponses aux questions les plus critiques concernant la résistance aux antimicrobiens. Mais pour continuer à progresser, davantage de ressources et de financements sont nécessaires de toute urgence, estime Cowen. « Nous sommes vraiment forts dans notre domaine avec le pipeline de découvertes à un stade précoce ; nous avons beaucoup de cibles vraiment intéressantes et beaucoup de molécules intéressantes, mais des investissements et des ressources supplémentaires sont nécessaires pour pouvoir passer aux prochaines étapes à mesure que vous faites progresser les molécules dans un pipeline vers la stratégie de développement.
