Introduction : Il est graduellement accepté que le microbiote des voies aériennes pulmonaires basses a un impact sur la santé du poumon. Le lien qui unit la composition bactérienne et l’homéostase pulmonaire est encore peu compris. L’étude du microbiote pulmonaire chez le patient transplanté est propice car elle permet l’observation du microbiote dans différentes situations cliniques distinctes, à travers l’analyse transversale et longitudinale des lavages bronchoalvéolaires (LBA), obtenus tant lors d’examens de routine que lors d’événements cliniques particuliers.
Méthode : Pour cette étude prospective longitudinale nous avons analysé des séquencages d’amplicons (16s ARN ou marqueurs géniques spécifiques) et des cultures de bactéries de 234 LBA (n = 1-12 par patient transplanté, moyenne 3.7) de 64 patients transplantés pulmonaires, collectés entre 2 semaines et 49 mois post transplantation, entre octobre 2012 et mai 2018, durant des check-up de routine ou lors de bronchoscopies sur indication clinique, afin de caractériser des communautés de bactéries et d’établir des liens à des charges virales de 3 genres d’Anellovirus, à l’expression génique de 31 gènes de l’hôte impliqués dans plusieurs mécanismes (inflammation, immunorégulation, remodeling tissulaire et détection de bactéries et de virus), aux fonctions pulmonaires et à l’état de santé du patient lui-même. L’abondance des bactéries a été mesurée par qPCR, et normalisée par chaque unité taxonomique opérationnelle (OTU). Nous avons utilisé un algorithme de « machine learning » basé sur l’indice de dissimilarité de Bray-Curtis pour identifier quatre pneumotypes de composition distincte basée sur des variables écologiques. Enfin nous avons établi une biobanque open access appelée « Lung Microbiota culture Collection (LuMiCol) », basée sur les cultures de 21 LBA de 18 patients randomisés dans 26 conditions in vitro différentes.
Résultats : Nous avons identifié 7164 OTU et montré que les phyla les plus abondants après une transplantation pulmonaire sont les Bacteroidetes, les Firmicutes, les Proteobacteries et les Acinetobactéries. Les communautés bactériennes étaient très variables, avec seulement 22 OTU prédominantes et retrouvées dans plus de 50% des échantillons, et faisant parties des genres de bactéries retrouvés également dans le poumon sain du patient non transplanté. L’algorithme par machine learning nous a permis de décrire quatre compositions ou états distincts du microbiote pulmonaire, les « pneumotypes ». Le pneumotype prédominant et « équilibré », caractérisé par une communauté bactrienne diverse, avec des charges d’Anellovirus modérées et une expression génétique de l’hôte suggérant une tolérance immunitaire. Les trois autres pneumotypes sont caractérisés par un apauvrissement du microbiote ou une domination part des pathogènes potentiels, et liés à une activité immunité réduite, des fonctions pulmonaires diminuées, et un risque augmenté de rejet ou d’infection.
Discussion : Nos résultats ont montré que le microbiote pulmonaire post-transplantation est très variable tant en termes de charge bactérienne que de composition bactérienne, avec de nombreux taxa bactériens transitoires et peu abondants. Quelques membres des communautés bactériennes ont montré une haute prévalence et/ou une abondance suggérant qu’ils font partie d’importants colonisants pulmonaires chez l’humain. Nous avons pu démontrer que le microbiote pulmonaire post-transplantation évolue de manière très dynamique mais comptant un nombre réduit de communauté bactérienne prédominante, pouvant être cultivées. Nous avons pu décrire quatre « pneumotypes », mettant en évidence un lien entre l’écosystème pulmonaire microbien, les profils d’expression des gènes de l’hôte, les charges virales d’Anellovirus, les fonctions pulmonaires et la stabilité clinique du patient transplanté.
Conclusion : Cette étude permet d’établir une base à la compréhension de la nécessité d’un microbiote équilibré notamment entre les communautés bactériennes, l’hôte et les virus environnants pour préserver les fonctions et la santé des poumons. Les quatre pneumotypes définis semblent suivre le principe d’Anna Karenina, où les communautés saines varient peu autour d’un état d’équilibre, et où les communautés perturbées varient beaucoup lors d’états de déséquilibre. Nos résultats permettent d’établir un lien entre l’écosystème pulmonaire bactérien, les fonctions pulmonaires et la stabilité clinique post-transplantation. Enfin nous espérons que notre collection LuMiCol pourra servir de fondation pour de futures études expérimentales à modèles cellulaires ou animaux.