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L’étude des phages dans le microbiome présente un défi important par rapport à leurs homologues bactériens. Plus précisément, les phages ne contiennent pas de marqueur phylogénétique conservé commun à tous les phages apparenté aux sous-unités ribosomales 16S et 18S qui permettent de faciliter le séquençage et l’identification des espèces procaryotes et eucaryotes, respectivement42. Cependant, avec les progrès des approches de séquençage de nouvelle génération, y compris l’augmentation des longueurs de lecture, du débit et la diminution des coûts, vient l’expansion rapide des bases de données génomiques des bactériophages 42,43,44. Avec de nombreux travaux préparatoires sur la découverte de phages bien avancés, la recherche sur les phages est maintenant plus accessible que jamais. En tant que membres clés du microbiome intestinal et organismes les plus diversifiés génétiquement sur Terre, les phages présentent un angle passionnant pour de nouvelles recherches sur la complexité du microbiome. Les protocoles décrits ici se concentrent sur l’étude des espèces de phages connues chez les souris colonisées par leurs bactéries cibles. Il convient de noter que ces protocoles fournissent une ligne directrice pour l’étude des phages in vivo et peuvent être étendus avec la croissance du domaine.
La recherche sur les bactériophages pour le traitement thérapeutique des infections bactériennes est largement passée de mode avec l’avènement des antibiotiques dans les années 1940. Cependant, la surprescription et l’utilisation abusive des antibiotiques ont accéléré l’émergence d’agents pathogènes multirésistants en tant que problème majeur de santé publique3. Les phages présentent une alternative potentielle intéressante aux antibiotiques, en raison de leur haut degré de spécificité de l’hôte3. Il est important de noter que, comme les phages s’installent naturellement en tant que membres du microbiome intestinal humain, il est nécessaire de comprendre d’abord les rôles que jouent les phages dans ces environnements complexes. Bien que de nombreuses études aient examiné la relation entre un phage et sa bactérie cible in vitro, il est important de considérer comment ces relations pourraient se maintenir dans le paysage du tractus gastro-intestinal. Comme dans les études exploratoires portant sur les composants bactériens du microbiote, des modèles murins simplifiés tels que GF et souris monocolonisées permettent d’isoler les effets du phage sur son espèce cible, et comment cette relation contribue à la réponse immunitaire. Il s’agit d’une étape importante vers la phagothérapie, car certains phages peuvent ne pas apporter de bienfaits lorsqu’ils sont introduits dans l’intestin. Par exemple, le phage Pf4 de Pseudomonas aeruginosa exacerbe la maladie causée par son hôte, en inhibant à la fois les réponses immunitaires antibactériennes et la migration des kératinocytes, ce qui entraîne une altération de la cicatrisation des plaies18,45. Les procédures décrites ici visent à normaliser les techniques d’étude des phages en tant que membres du microbiote murin. Faisant écho à des études pionnières sur l’impact du microbiote sur l’hôte métazoaire, la poursuite des recherches sur les phages dans le contexte du microbiote pourrait s’avérer passionnante et significative pour la compréhension plus large du multibiome46.
Limitations
Les protocoles décrits ici ont été optimisés pour étudier la compétition entre le phage T4 et sa bactérie cible, E. coli, lorsque les phages T4 sont administrés par gavage oral à des souris monocolonisées par E. coli. Comme les bactéries, les différentes espèces de phages se comportent différemment les unes des autres, ayant des temps de réplication, des tailles d’éclatement et des gammes de cibles bactériennes variables47. Par conséquent, lors de l’étude d’autres paires phage-bactérie dans des modèles animaux similaires, il faut veiller à optimiser ces protocoles à toutes les étapes. Par exemple, les phages ayant un temps de réplication plus long et/ou une taille d’éclat plus petite peuvent nécessiter une incubation plus longue avec leur cible bactérienne pour la production d’un lysat à titre élevé. De même, il peut être nécessaire de prolonger les temps d’incubation sur plaque pour les tests sur plaque. De plus, les phages ayant un temps de réplication court et/ou une taille d’éclatement élevée peuvent nécessiter des incubations sur plaque plus courtes, car l’incubation d’une nuit peut entraîner une prolifération de plaques. Si les conditions de propagation sont inconnues pour un phage d’intérêt spécifique, les bases pour déterminer les conditions de croissance doivent être établies avant de commencer les travaux in vivo 48.
Les domaines de type Ig trouvés dans les protéines de capside Hoc du phage T4 facilitent l’adhésion au mucus intestinal11. Selon la capacité de liaison au mucus du phage choisi, la cinétique des concentrations de phages dans les échantillons fécaux peut différer des résultats présentés à la figure 2B-E. Par exemple, il a été démontré dans des systèmes intestin-sur-puce que les phages contenant des protéines Hoc intactes avaient une capacité de destruction accrue d’E. coli par rapport au phage11 déficient en Hoc. Bien que l’on soupçonne que les phages T4 sont retenus par liaison au mucus in vivo 11,12,13, l’impact de la réinoculation par le comportement coprophagique des souris ne peut être exclu. Ces effets pourraient être réduits en utilisant des fonds de cage métallique ou en changeant fréquemment de cage. Étant donné que les domaines de type Ig n’ont pas été identifiés dans les phages d’ADNsb ou d’ARN49, il sera intéressant de démêler les autres stratégies utilisées par les phages pour conserver leur résidence dans la muqueuse intestinale.
Enfin, ces études exploratoires ont examiné les interactions phage-bactérie-hôte à l’homéostasie uniquement. Dans les modèles animaux de maladies humaines, on ne sait pas comment les changements dans l’intégrité de la barrière intestinale, comme dans les MII, pourraient avoir un impact sur ces interactions. Des études récentes ont montré que les phages Caudovirales ont augmenté la richesse et la diversité chez les patients atteints de MICI 7,8. Dans des modèles murins, il a été démontré que le traitement continu par phage exacerbait la colite expérimentale induite par le sulfate de sodium de dextran (DSS)8. Il reste à déterminer comment les interactions phage-bactéries-hôte se déroulent dans les environnements inflammatoires, et si l’intégrité altérée de la barrière facilite l’inflammation induite par les phages.
Dépannage et méthodes alternatives
Modèles murins
Les modèles murins monocolonisés permettent d’interroger une seule espèce de bactérie sur la physiologie de l’hôte16. La recherche impliquant des souris monocolonisées a joué un rôle crucial dans l’élucidation de l’influence du microbiote sur le système immunitaire22. En tant que système modèle, les souris monocolonisées ne récapitulent pas la physiologie de leurs homologues du microbiote conventionnel. Plus semblables aux souris GF, les souris monocolonisées par E. coli ont une production de mucus réduite (similaire aux souris GF50) et un système immunitaire immature23. Cependant, les souris monocolonisées ont été inestimables pour démêler les effets spécifiques des microbes d’espèces individuelles sur le tractus gastro-intestinal et le développement immunitaire. Un exemple classique est la découverte que les bactéries filamenteuses segmentées (SFB) sont de puissants inducteurs des cellules T auxiliaires CD4+ 17 chez la souris24. En ce qui concerne le mucus, il existe des effets spécifiques aux microbes sur la transcription du gène du mucus51et l’épaisseur du mucus50. Bien que limitées, les souris monocolonisées offrent des possibilités d’étudier l’impact d’une paire phage-bactérie sur l’hôte mammifère dans un modèle contrôlé. Il est important de noter que les phages peuvent et doivent être étudiés dans le contexte d’un microbiote complexe. Au moment de la rédaction de cet article, peu d’études ont abordé les impacts de la prédation par les phages des espèces bactériennes commensales au sein d’un microbiome conventionnel. Il s’agit d’une application future des protocoles présentés dans cet article, qui pourrait être adaptée pour faciliter ces études.
Utilisation des commandes appropriées du véhicule
Des contrôles appropriés sont essentiels dans toute expérience. Ici, un véhicule approprié pour l’administration orale aux souris a été défini qui contrôle le nettoyage et la purification en plusieurs étapes des lysats de phages T4. Une exigence importante est que le témoin du véhicule contienne un niveau égal d’endotoxines bactériennes que le lysat de phage, pour contrôler toute réponse immunitaire médiée par les endotoxines. Le chloroforme et le 1-octanol sont ajoutés au lysat dans le cadre du processus de purification et éliminés par la suite. Pour contrôler les réponses immunitaires potentielles qui peuvent être générées à l’état de traces de ces produits chimiques, un lysat bactérien sans phages peut être produit comme véhicule de contrôle. Les lysats de phages et de véhicules T4 contenaient une très faible concentration d’endotoxines bactériennes, bien en deçà des niveaux autorisés dans l’eau potable25 (figure 1B). D’autres contrôles peuvent être utilisés et peuvent être modifiés en fonction de la question de recherche prévue. Plus simplement, un tampon de phage contenant une quantité équivalente d’endotoxine peut être utilisé, bien que cela ne tienne pas compte des processus de nettoyage et de purification en plusieurs étapes. Gogokhia et al.8ont rapporté l’utilisation d’un phage inactivé par la chaleur comme contrôle pour déterminer si la protéine de phage sans ADN était suffisante pour provoquer une réponse immunitaire. Entre nos mains, le phage inactivé par la chaleur avait des niveaux d’endotoxines inférieurs à ceux du lysat de phage T4 (Figure 1B), et n’a donc pas été utilisé pour contrôler les niveaux d’endotoxines dans cette étude. Cependant, nous encourageons la mise à l’essai des deux protocoles afin de déterminer quelle méthode est la plus appropriée à des fins expérimentales individuelles. Si le véhicule et les lysats de phages T4 diffèrent significativement dans la quantité d’endotoxine présente, le lysat contenant les niveaux les plus faibles peut être complété par de l’endotoxine purifiée. Le 1-octanol est ajouté aux lysats pendant le processus de purification mais inactive le test du kit de quantification des endotoxines chromogènes. Il est important de tester l’inhibition du produit par des substances potentiellement interférentes dans l’échantillon pour s’assurer que les mesures d’endotoxines sont exactes. Si l’on soupçonne une inhibition du produit, il est possible que l’échantillon n’ait pas été aspiré assez longtemps. Si les problèmes persistent, la dialyse peut être utilisée pour éliminer le 1-octanol25 restant.
Voie d’administration et dose
En raison de la capacité de liaison au mucus du phage T4, des modèles murins ont été inoculés en une seule dose orale par gavage. L’objectif était de surveiller la durée de la cohabitation des phages et d’E. coli dans le tractus gastro-intestinal ; cependant, d’autres approches pour étudier les phages dans des modèles in vivo ont été rapportées. Par exemple, l’eau potable enrichie en phages a été utilisée pour fournir un apport continu de phages aux souris 8,20. L’avantage de cette méthode d’administration est que les phages sont continuellement reconstitués, même en l’absence d’un hôte bactérien, comme l’ont démontré Gogokhia et al.8. Ce plan expérimental a permis d’évaluer la réponse immunitaire aux phages en l’absence de bactéries et a fourni une stimulation immunitaire continue au cours de l’expérience. Physiologiquement, cette méthode ne représente pas une évolution naturelle de l’infection par les phages ou de la colonisation par les phages d’un environnement intestinal, mais elle fournit des informations importantes sur la façon dont l’exposition répétée aux phages peut amorcer le système immunitaire. Cela a une importance dans le contexte du développement de la phagothérapie, car les cocktails de phages peuvent être administrés comme traitement pour traiter les infections bactériennes intestinales, similaire aux régimes antibiotiques. Dans le contexte de la paire phage-E. coli T4, il a été déterminé que la diminution de la dose de phage T4 appliquée par voie orale aux souris monocolonisées ne modifiait pas les concentrations fécales de phages ou de bactéries (figures 2D, E). Par conséquent, dans ce cas, la dose d’inoculation du phage T4 n’est pas cruciale pour le maintien d’une colonisation stable par le phage T4-E. coli dans l’intestin des souris bicolonisées. Il est à noter que la dose la plus faible administrée était de 200 ufp/souris et que la dose la plus élevée était de 2 x 106 ufp/souris (selon Hsu et coll.) 2. Par conséquent, les données à l’appui de la cinétique des phages-E. coli T4 en dehors de cette plage ne sont pas disponibles dans cette étude.
Titres de phages en tache et en plaque entière
Pour mesurer les niveaux de phages T4 dans les matières fécales et les tissus, les protocoles décrits ici reposent sur des techniques de placage localisé plutôt que sur des tests de plaques entières, ce qui peut contribuer à la variabilité des niveaux de phages entre les souris (Figure 2B). Dans les techniques de plaque entière, les plaques sont comptées sur une plus grande surface, ce qui permet une quantification plus précise. Cependant, une dilution appropriée de chaque échantillon doit généralement être prédéterminée par placage ponctuel. Comme les échantillons ont été analysés le jour du prélèvement, le placage par points a été jugé comme la méthode la plus appropriée pour une approche à plus haut débit. Par conséquent, la résolution de ces données est représentée avec plus de précision par l’ordre de grandeur du phage dans chaque échantillon. Pour des mesures précises des phages, il y a des considérations supplémentaires pour chaque phage. Des mesures plus précises peuvent être obtenues par des tests sur plaque entière ou en utilisant des plages de dilution en série plus petites pour chaque échantillon. Si ces méthodes entraînent toujours des numérations variables de phages ou de bactéries cibles, il serait prudent d’évaluer si des interactions uniques entre le phage et les bactéries pourraient expliquer les différences entre les souris individuelles via le séquençage métagénomique ou d’autres méthodes pour évaluer expérimentalement la coévolution et la résistance. Selon Bonilla et al.25, lors de la préparation de la gélose molle pour les essais sur plaque, il est important d’être cohérent avec la quantité d’hôte bactérien ajoutée25. Comme le montre la figure 3, même des changements relativement faibles dans les temps de culture des bactéries (figure 3A) et la densité (figure 3B) peuvent affecter la précision des tests sur plaque. Ces résultats peuvent être différents pour d’autres paires phage-bactérie, et des expériences similaires sont recommandées lorsque l’on commence avec de nouveaux organismes. De plus, pour les nouvelles paires phage-bactérie, des expériences exploratoires doivent être effectuées pour déterminer les caractéristiques de croissance de chacune. Par exemple, des courbes de croissance peuvent être effectuées pour déterminer le décalage, les phases exponentielles et stationnaires et le taux de croissance des bactéries. L’expérience de croissance en une étape peut être utilisée pour déterminer la période de latence (temps de lyse) et la taille de l’éclatement (nombre de phages libérés lors de la lyse bactérienne) des phages52,53.
Mesure alternative des phages T4 par qPCR
La quantification des phages peut être effectuée par des tests sur plaque, comme indiqué ci-dessus, ou par réaction en chaîne par polymérase quantitative (qPCR). Ces deux approches présentent une distinction importante : les tests sur plaque déterminent le nombre de phages viables capables d’infecter et de tuer leurs hôtes bactériens, tandis que la qPCR quantifie le matériel génétique spécifique au phage (en tant qu’indicateur du nombre de phages présents) mais ne fournit pas d’informations sur la viabilité et l’infectiosité du phage. Des qPCR ont été effectuées pour comparer la quantification des copies de gènes de phages avec des plaques formées dans des tests de plaques à l’aide d’amorces décrites par Hsu et al.2 (Figure 4). L’ADN du phage T4 a été extrait et amplifié du contenu cæcal de souris bicolonisées par le phage/E. coli T4. Chez la plupart des souris, la qPCR et les tests sur plaque ont détecté des niveaux similaires de phage T4 dans le contenu cæcal (Figure 4A, B). Bien qu’une certaine amplification ait été détectée dans le contenu cæcal inoculé par véhicule, les copies de gènes/g calculées étaient inférieures à la limite de détection (LD) (figure 4A). L’absence de phage quantifiable dans ces échantillons a été confirmée par électrophorèse sur gel. Les produits du gène du phage T4 (96 pb) ont été facilement visualisés dans l’ADN isolé du contenu cæcal de souris inoculées à la T4, mais étaient absents des témoins du véhicule (Figure 4C).
Dans ces tests, des copies du gène du phage T4 ont été détectées dans le contenu cæcal d’une souris colonisée par un phage T4 par qPCR (Figure 4A, flèche) malgré l’incapacité de détecter la T4 dans les tests sur plaque du même échantillon (Figure 4B, flèche). Ces résultats suggèrent que des particules virales qui ne forment pas de plaques peuvent apparaître in vivo, soit en raison de la production de particules virales défectueuses, soit de la coévolution des phages et/ou des bactéries. Les techniques de placage bactérien sur gélose dure peuvent être utilisées pour déterminer la sensibilité des bactéries fécales au phage14. Nous suggérons que la détection médiée par la qPCR peut être un ajout précieux aux flux de travail des phages in vivo , car elle peut être plus robuste à l’évolution des phages dans l’environnement intestinal étant donné qu’elle cible des séquences génétiques courtes et conservées. Les approches non biaisées telles que la métagénomique sont utiles pour examiner la coévolution phage-bactérie et les abondances relatives, mais peuvent finalement être plus coûteuses.

Figure 4 : Détection du phage T 4 par qPCR. (A,B) Les charges de phages en T4 ont été mesurées par (A) qPCR absolue ou (B) test de plaque dans le contenu cæcal de souris C57BL/6 colonisées par E. coli au jour 29 après l’inoculation avec le phage ou le véhicule T4. La flèche indique les résultats d’une souris individuelle qui avait des copies détectables du génome T4 mais pas de virus plaquable dans le contenu cæcal. (C) Électrophorèse sur gel de produits PCR montrant la présence de la bande de 96 pb dans les échantillons cæcaux inoculés par phage T4, mais pas dans les échantillons inoculés par véhicule. Une échelle d’ADN de 100 pb a été utilisée. LOD = limite de détection. Les barres d’erreur représentent la moyenne et le SEM. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Applications
Les bactériophages représentent plus de 90 % des particules pseudo-virales présentes dans le microbiome44 ; Cependant, l’impact des phages sur le microbiome intestinal est mal compris. Les premières études portant sur la composante bactérienne du microbiome l’ont fait en isolant des espèces particulières et en étudiant leur impact sur la maturation immunitaire22,24. Des interrogations similaires sur le phageome présentent une tâche ardue mais nécessaire, et une exigence pour acquérir une compréhension globale du multibiome46. Bien que le développement de la phagothérapie ait tendance à être axé sur la guérison des infections bactériennes septiques, il est important de comprendre comment l’ajout d’un cocktail de phages au tractus gastro-intestinal peut modifier l’écosystème intestinal. De plus, l’innocuité des cocktails thérapeutiques de phages doit être évaluée en générant un profil immunitaire. Les phages ont été étudiés comme traitements potentiels pour les infections bactériennes intestinales telles que C. difficile5 et le sérovar Typhimurium54 de Salmonella enterica. Des études récentes ont également démontré que les FFT sont tout aussi efficaces ou plus efficaces dans le traitement de l’entérocolite nécrosante chez les porcs prématurés9, ce qui suggère que la composante virale des greffes de microbiote fécal (FMT) peut jouer un rôle actif dans la réduction de la maladie. Des études continues sur le rôle des phages dans le microbiome sont justifiées pour faire avancer le développement de thérapies par phages contre les agents pathogènes intestinaux, mais aussi pour mieux informer les TMF comme traitement des maladies. En normalisant les méthodes d’étude des phages in vivo, la transparence et la reproductibilité de la recherche sur les phages seront accrues, ainsi que des conseils pour ceux qui étendent leurs travaux à des modèles murins.