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Les fosses nasales sont à la fois la porte d’entrée et le foyer de réplication principal du SARS-CoV-2 dans les premiers jours de l’infection (photo SKM)
Un ensemble de publications récentes vient éclairer plus en détail la manière dont le SARS-CoV-2 s'installe et s'étend dans l'appareil respiratoire. En particulier, ces études précisent les cibles cellulaires du virus, mais aussi la manière dont le SARS-CoV-2 interagit avec le système immunitaire dans les jours suivant la contamination. Ces données sont fragmentaires, mais plusieurs pistes intéressantes semblent néanmoins se dégager de la revue de presse scientifique que nous vous proposons ici.
Ces données renforcent l'idée, proposée dès début avril 2020, que la COVID-19 est une maladie qui se développe selon plusieurs phases successives (nasopharyngienne, pulmonaire, générale) et que, chez certaines personnes, cette infection s'arrête dès la première phase, peut-être même avant l'acquisition d'une immunité humorale sérique.
Mieux comprendre les premiers instants de la COVID-19 pourrait contribuer à améliorer sa prévention (y compris par un éventuel vaccin) et son traitement précoce.
L'infection nasale, une particularité qui rapproche SARS-CoV-2 des coronavirus des rhumes
SARS-CoV-2 est capable de se multiplier de manière massive dans l'épithélium nasal. En cela, il est proche des coronavirus responsables des rhumes. Pour rappel, SARS-CoV-1 est retrouvé dans le nez et la gorge chez seulement un tiers des cas avancés de SRAS (mais pas dans les phases précoces) et MERS-CoV n'est jamais isolé du nasopharynx.
Les résultats d'une étude allemande évoquant la multiplication précoce de SARS-CoV-2 dans le nez, publiée le 1er avril 2020, ont été confirmés et enrichis par une étude récemment publiée dans Cell par une équipe de l'Université de Caroline du Nord – Chapel Hill (UNCCH). Dans cette étude, des échantillons de tissus respiratoires (du nez aux alvéoles) ont été exposés à des souches de SARS-CoV-2 génétiquement modifiées pour exprimer des protéines fluorescentes, rendant ainsi possible sa visualisation in situ (et la mesure de l'intensité de sa réplication locale).
Cette étude particulièrement élégante montre clairement que SARS-CoV-2 se multiplie massivement dans les cellules ciliées de l'épithélium nasal (cellules FOXJ1) et, à un moindre degré, dans celles de l'épithélium des amygdales, des bronches et des bronchioles.
L'ensemble des données de l'étude de l'UNCCH ont été confirmées à l'identique par une autre étude récente, menée chez des macaques cynomolgus infectés par SARS-CoV-2, et mesurant la réplication virale par la technique de la PCR.
Pourquoi SARS-CoV-2 possède-t-il une telle affinité pour les cellules ciliées nasales ?
L'étude allemande citée précédemment avait retrouvé 1 000 fois plus de SARS-CoV-2 dans le nez et la gorge des patients que ce qui avait pu être observé avec SARS-CoV-1. De plus, lors de la COVID-19, le pic nasal de réplication virale est observé au 4e jour après le début de l'infection contre 7 à 10 jours lors de SRAS (où le virus commence par infecter les poumons).
Comment deux virus génétiquement aussi proches que SARS-CoV-1 et SARS-CoV-2 peuvent-ils présenter une telle différence d'affinité pour les cellules ciliées nasales, alors que tous deux se fixent sur le récepteur ACE2 et utilisent le même mécanisme d'entrée intracellulaire ?
La réponse pourrait bien se trouver dans le site de clivage polybasique qui unit les sous-unités S1 et S2 de la protéine virale S du SARS-CoV-2 (mais pas du SARS-CoV-1). Ce type de clivage polybasique est connu pour faciliter l'infection cellulaire en créant une zone plus propice à la séparation des deux sous-unités. De fait, une étude de 2009 avait montré que l'introduction transgénique d'un site de clivage polybasique dans SARS-CoV-1 lui permet d'infecter des cellules exprimant peu ACE2 (et qu'il n'est habituellement pas capable d'infecter).
L'article de Cell montre par ailleurs que le gradient de réplication du SARS-CoV-2 qui existe dans l'arbre respiratoire (élevée dans le nez, plus faible dans les bronchioles et les alvéoles) n'est pas proportionnel à la densité de cellules ciliées le long de cet arbre, mais à la densité des récepteurs ACE2. Cette observation pourrait permettre d'expliquer le fort tropisme nasal de SARS-CoV-2.
La charge infectieuse semble influencer la réponse immunitaire innée
Pour le SRAS, comme pour le MERS, il a été décrit une particularité dans les interactions entre ces coronavirus et le système immunitaire inné, le premier à être mobilisé de manière non spécifique.
Alors que, lors d'infection grippale à Influenza A, ce système se met en branle dès la contamination, l'infection par SARS-CoV-1 ou MERS-CoV semble le bloquer pendant une durée allant de 24 à 48 heures. Pendant cette période d'inhibition active dont les mécanismes ont été décrits en détail, ces coronavirus se multiplient sans déclencher la production d'interférons de type 1 ou de type 3 (IFN alpha 5, bêta 1, gamma 1, entre autres). La production de ces interférons ne se met en route qu'une fois le pic de réplication atteint localement par les deux virus, ce qui leur permet de s'installer dans l'appareil respiratoire sans rencontrer de résistance.
Une étude récente également publiée dans Cell vient d'affiner cette observation dans le contexte de la COVID-19. En effet, il semble que, dans cette maladie, la réaction immunitaire innée varie selon la charge infectieuse (plus exactement MOI pour Multiplicity Of Infection, soit le ratio "particules infectantes/cellules cibles"). Dans cette étude, il est apparue qu'une forte MOI de SARS-CoV-2 stimule fortement et rapidement la production d'interférons de type 1 et 3 par l'épithélium nasal. Par contre, une faible MOI déclenche une inhibition de cette réponse (sans pour autant bloquer complètement la réaction immunitaire). Cette observation a été retrouvée en culture cellulaire, chez le furet et chez l'homme. Cette découverte apporte de l'eau au moulin de ceux qui, dans la communauté médicale, pensent que le pronostic d'un épisode de COVID-19 est, en partie au moins, dépendant de la charge infectieuse.
Au sein des poumons, d'autres types de cellules sont infectés par SARS-CoV-2
L'article récemment publié dans Cell rapporte également que, dans les bronchioles, outre les cellules ciliées, certaines cellules de Clara (ou cellules en dôme, exocrines) sont également infectées par SARS-CoV-2. Au sein des alvéoles, comme pour SARS-CoV-1 et MERS-CoV, ce sont essentiellement les pneumocytes de type 2 (cellules AT2) qui sont infectés. Toutes ces cellules sont porteuses d'ACE2.
Dans les alvéoles, l'infection des pneumocytes de type 2 a pour conséquence une rupture du cycle sécrétion/recyclage du surfactant, dont ces cellules sont responsables. Parce que le surfactant fluidifie le mucus pulmonaire et facilite les échanges gazeux en réduisant la tension de surface du mucus, cette perturbation pourrait diminuer les capacités d'échange gazeux des pneumocytes de type 1 et contribuer à la diminution de l'élasticité du parenchyme. À plus long-terme, la destruction des pneumocytes de type 2 pourrait également nuire au renouvellement des pneumocytes de type 1, dont ils sont les cellules souches.
Une forte variabilité de la vulnérabilité des voies respiratoires profondes
Les auteurs de l'UNCCH ont, de plus, observé une forte variabilité individuelle (entre les différents donneurs de tissus) en termes de susceptibilité des cellules ciliées présentes dans les bronches et bronchioles. Cette variabilité ne se retrouve pas entre les différents épithéliums nasaux testés qui étaient tous extrêmement réceptifs à SARS-CoV-2.
Les auteurs ont essayé d'expliquer cette variation individuelle par la densité des cellules ciliées présentes dans les échantillons, voire celle des récepteurs ACE2 ou de TMPRSS2 (la protéase cellulaire qui clive la protéine S pour lui permettre d'infecter la cellule), mais sans résultat probant. Comprendre les facteurs de la vulnérabilité individuelle des voies respiratoires profondes pourrait révéler des pistes thérapeutiques pour éviter les formes sévères de COVID-19.
L'importance des micro-aspirations dans l'extension pulmonaire de la COVID-19
Par ailleurs, l'étude de l'UNCCH publiée dans Cell donne des éléments pour comprendre comment SARS-CoV-2 envahit le parenchyme pulmonaire. En effet, les auteurs de cette étude ont cherché à localiser les cellules infectées par SARS-CoV-2 au sein de poumons de patients décédés de la COVID-19 (sans avoir été intubés).
Comme observé chez les macaques cynomolgus dans l'étude de Rockx et al., les poumons examinés par l'équipe de l'UNCCH étaient le siège de foyers d'infection localisés à certaines zones du parenchyme. Pour les auteurs, ces résultats montrent que la contamination des poumons ne se fait pas principalement par voie aéroportée (ce qui produirait une atteinte diffuse des poumons), mais par micro-aspiration de sécrétions salivaires et nasopharyngiennes. Ce type de diffusion a été décrit, en particulier pour l'ensemencement du microbiote pulmonaire chez les nourrissons, mais aussi dans l'extension pulmonaire de l'infection nasale par le virus Influenza A chez le furet.
Les auteurs de l'étude de l'UNCCH évoquent ce mode de propagation pour expliquer, au moins en partie, la plus grande vulnérabilité aux formes sévères de COVID-19 des personnes chez qui ces micro-aspirations de sécrétions nasopharyngiennes et orales sont plus fréquentes : personnes âgées, personnes obèses ou diabétiques, par exemple. Selon eux, tout facteur de risque de reflux gastro-œsophagien pourrait constituer un facteur de risque d'extension pulmonaire de la COVID-19.
Présence d'une immunité locale sans immunité générale : confusion dans la mesure de l'immunité de groupe ?
Dans le domaine de l'immunologie, une étude suisse publiée en préprint le 21 mai 2020 objective pour la première fois une hypothèse qui a beaucoup circulé pour expliquer la faible prévalence de la séropositivité au SARS-CoV-2 dans des régions pourtant fortement touchées par la pandémie.
Cette étude a mesuré les taux d'IgA et d'IgG chez 56 patients atteints de formes modérées et sévères de COVID-19 (confirmées virologiquement) et chez 109 professionnels de santé exposés au virus, avec ou sans symptômes, avec ou sans diagnostic virologique. Chez une portion de ces derniers, les IgA et IgG ont non seulement été recherchées dans le sérum, mais également dans les sécrétions nasales et les larmes.
De manière inattendue pour les chercheurs, chez 15 à 20 % des professionnels de santé durablement séronégatifs (IgA et IgG) pour le SARS-CoV-2, des taux significatifs d'IgA ont été retrouvés dans les sécrétions nasales et les larmes. Ces taux d'IgA dans les sécrétions nasales et lacrymales étaient inversement proportionnels à l'âge de la personne.
Les auteurs proposent l'hypothèse que, chez certains sujets jeunes ou paucisymptomatiques, la réaction immunitaire nasale face au SARS-CoV-2 (immunité innée et production locale d'IgA) suffise pour éliminer le virus sans solliciter l'immunité humorale générale. Si cette hypothèse se vérifie, cela rendrait compliquée la mesure de l'immunité de groupe, les tests sérologiques pouvant dès lors sous-estimer le pourcentage de population immunisée, en particulier chez les personnes jeunes.
Ce type de discordance entre exposition au virus et absence d'immunité générale chez les patients les plus jeunes n'est pas une nouveauté pour les coronavirus humains. Par exemple, en 2009, une étude portant sur l'immunité vis-à-vis du coronavirus du rhume HKU1 a montré que les enfants âgés de moins de 10 ans ne présentent jamais de séropositivité envers ce virus (en dépit d'une exposition à ce virus identique à celles des autres classes d'âge). De plus, pour HKU1, la prévalence de la séropositivité augmente avec l'âge, plafonne à l'âge adulte, puis diminue chez les personnes âgées de plus de 60 ans.
En conclusion, ces nouvelles données, si elles sont confirmées, sont riches en conséquences pratiques. Par exemple, puisqu'il semble clair que les fosses nasales sont à la fois la porte d'entrée et le foyer de réplication principal du SARS-CoV-2 dans les premiers jours de l'infection, il semble important que, dans la recherche d'un vaccin contre la COVID-19, la priorité soit mise sur la constitution d'une immunité locale au niveau de l'épithélium nasal. Une vaccination intranasale, telle que celle testée avec succès dans le contexte du MERS, semble une voie de recherche prometteuse.
De plus, ces nouvelles données viennent soutenir l'usage des masques, y compris grand public, dans la prévention de la transmission de SARS-CoV-2. L'infection massive des fosses nasales, chez des sujets a- ou présymptomatiques, renforce l'importance de porter systématiquement un masque lors d'interactions sociales, en particulier dans les lieux à risque plus élevé de transmission. De plus, l'hypothèse, de plus en plus probable, d'un lien entre charge infectieuse et sévérité de la maladie plaide pour un port systématique de masque par les personnes plus vulnérables aux formes sévères de COVID-19.
Enfin, l'existence d'une immunité locale (larmes et sécrétions nasales) sans séropositivité jette une ombre sur les stratégies sérologiques de mesure de l'immunité de groupe, en particulier chez les enfants et les adolescents.
©vidal.fr
Pour aller plus loin
L'étude allemande sur la localisation de SARS-CoV-2 (évaluée par PCR)
Wölfel R, Corman VM, Guggemos W et al. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature, volume 581, pages 465–469 (2020)
L'étude de l'équipe de l'Université de Caroline du Nord – Chapel Hill
Hou YJ, Okuda K, Edwards CE et al. SARS-CoV-2 Reverse Genetics Reveals a Variable Infection Gradient in the Respiratory Tract. Cell, 27 mai 2020, Preprint.
Sur les effets du site de clivage polybasique
"La clé parfaite du pangolin, un voyage aux origines du SARS-CoV-2", VIDAL News, 3 avril 2020
L'étude modifiant SARS-CoV-1 en y intégrant un site de clivage polybasique
Belouzard S, Chu VC & Whittaker GR. Activation of the SARS coronavirus spike protein via sequential proteolytic cleavage at two distinct sites. PNAS April 7, 2009 106 (14) 5871-5876
L'étude sur la réaction immunitaire innée dans le SRAS
Menachery VD, Eisfeld AJ, Schäfer A et al. Pathogenic Influenza Viruses and Coronaviruses Utilize Similar and Contrasting Approaches To Control Interferon-Stimulated Gene Responses. MBio, May/June 2014 Volume 5 Issue 3 e01174-14
L'étude sur la réaction immunitaire innée dans la COVID-19
Blanco-Melo D, Nilsson-Payant BE, Liu WC et al. Imbalanced Host Response to SARS-CoV-2 Drives Development of COVID-19. Cell. 2020 May 28; 181(5): 1036–1045.
Les études sur la replication des coronavirus dans les cellules alvéolaires
Kuiken T, Fouchier RAM, Schutten M et al. Newly discovered coronavirus as the primary cause of severe acute respiratory syndrome. Lancet. 2003 Jul 26; 362(9380): 263–270.
Mossel EC, Wang J, Jeffers S et al. SARS-CoV replicates in primary human alveolar type II cell cultures but not in type I-like cells. Virology, Volume 372, Issue 1, 1 March 2008, Pages 127-135
L'étude sur la localisation de SARS-CoV-2 chez les macaques (par PCR)
Rockx B, Kuiken T, Herfst S et al. Comparative pathogenesis of COVID-19, MERS, and SARS in a nonhuman primate model. Science 29 May 2020:Vol. 368, Issue 6494, pp. 1012-1015
Une revue sur le microbiote pulmonaire
Dickson RP, Erb JR, Martinez FJ & Huffnagle GB. The Microbiome and the Respiratory Tract. Annu. Rev. Physiol. 2016. 78:481–504
L'étude sur l'extension pulmonaire de l'infection à Influenza A chez le furet
Richard M, van den Brand JMA, Bestebroer TM at al. Influenza A viruses are transmitted via the air from the nasal respiratory epithelium of ferrets. Nature Communications volume 11, Article number: 766 (2020)
L'étude suisse sur la présence d'immunité locale sans immunité générale
Cervia C, Nilsson J, Zurbuchen Y et al. Systemic and mucosal antibody secretion specific to SARS-CoV-2 during mild versus severe COVID-19. biorxiv, 21 mai 2020
L'étude sur l'absence de séropositivité au coronavirus HKU1 chez les enfants
Chan CM, Tse H, Wong SS et al. Examination of seroprevalence of coronavirus HKU1 infection with S protein-based ELISA and neutralization assay against viral spike pseudotyped virus. J Clin Virol 2009; 45(1): 54-60.
L'article sur la vaccination intranasale contre le MERS
Zhao J, Zhao J, Mangalam AK et al. Airway Memory CD4+ T Cells Mediate Protective Immunity against Emerging Respiratory Coronaviruses. Immunity, Volume 44, Issue 6, 21 June 2016, Pages 1379-1391
Sources
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