Biotechnologies du diagnostic et de la prévention des maladies animales. Ed. AUPELF-UREF. John Libbey Eurotext. Paris © 1994, pp. 1-5. Biotechnologie des moyens de diagnostic et de prévention des maladies animales J. BLANCOU Office International des Epizooties, Paris, France. Avant de décrire l'apport de la biotechnologie au diagnostic et à la prévention des mala- dies animales, il convient de bien définir le terme "biotechnologie" et ses limites. Si de nombreuses définitions ont été données, selon que l'on accepte le terme au sens large, ou qu'on le restreint aux seules manipulations génétiques, nous nous référerons ici à celles adoptées lors de la 58e Session générale de l'Office International des Epizooties [1] : "L'application pratique de l'ensemble de nos connaissances en biologie, microbiolo- gie ou biologie moléculaire à l'accroissement des potentialités des animaux ou à l'ac- croissement de leur résistance aux agressions du milieu où ils vivent." Car les biotechnologies sont rarement issues d'une seule discipline ou d'une seule découverte mais, au contraire, de l'application simultanée de ces découvertes en vue de résoudre un problème précis. On peut, ensuite, distinguer parmi ces méthodes biotechnologiques celles qui s'appli- quent au diagnostic des maladies animales, à la prévention de ces maladies ou à un trai- tement. J. Blancou Diagnostic des maladies animales Deux méthodes peuvent être employées selon que l'on veut effectuer un diagnostic direct ou indirect. Diagnostic direct Aux méthodes traditionnelles qui mettaient en évidence l'agent pathogène par sa mor- phologie, ses caractères culturaux ou pathogènes, ou sa réaction vis-à-vis des sérums (polyclonaux) d'animaux vaccinés ou convalescents, vont se substituer des méthodes plus précises : Les anticorps monoclonaux Produits à partir d'une seule cellule immunitaire de souris, rendue "immortelle" par fusion avec une cellule cancéreuse, ces anticorps ont l'avantage de n'être dirigés que contre une fraction antigénique très précise (épitope) de l'agent pathogène. Cela permet de recon- naître des variants antigéniques et d'effectuer ainsi des surveillances épidémiologiques très fines, de remonter la trace d'une infection, ou encore de distinguer les souches sau- vages des souches vaccinales, etc. Les tests immuno-enzymatiques Ils permettent de visualiser les réactions antigènes-anticorps, mieux que les anciennes techniques d'agglutination directe ou indirecte, de précipitation, de fixation du complé- ment, etc. Ces divers avantages tiennent à la fixation (spontanée) de l'antigène ou de l'an- ticorps sur un support plastique solide, au déclenchement d'une réaction colorée suite à la dégradation d'un substrat par une enzyme couplée à l'anticorps et à la possibilité de quan- tifier cette réaction par un spectrophotomètre, éventuellement couplé à un ordinateur. Le succès de ces méthodes, et notamment celle du test Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA) ne cessera de se développer car ses variantes sont multiples (ELISA blo- quant, ELISA sandwich, ELISA indirect, etc.), et l'immunocapture de l'antigène lui donne une très grande spécificité. Les tests utilisant la digestion par des enzymes bactériennes puis leur repérage par des anticorps marqués {Western blot) seront aussi très utilisés. Test d'hybridation : les sondes nucléiques Ce test, basé sur la reconnaissance, par un acide nucléique (connu : sonde) d'un acide nucléique complémentaire inconnu, permet de détecter la présence du génome d'un agent pathogène dans un prélèvement suspect. Si le génome est, préalablement, digéré par des enzymes bactériennes, cela permet une identification encore plus précise (Southern blot). Test d'amplification : la polymerase chain reaction Cette technique permet d'amplifier la replication des parties caractéristiques du génome d'un agent pathogène, grâce à l'emploi d'amorces choisies dans ces parties, puis de repé- rer le génome ainsi amplifié à l'aide de sondes nucléiques. Biotechnologie des moyens de diagnostic et de prévention Diagnostic indirect Ce diagnostic est basé, non plus sur la détection de l'agent pathogène lui-même, mais sur celle des traces qu'il a laissées dans l'organisme au contact des cellules immunitaires sécrétant des anticorps (immunité humorale) ou non (immunité cellulaire). Ce diagnostic utilise l'outil biotechnologique pour repérer, soit les anticorps naturels (par capture ou compétition avec des anticorps monoclonaux), le plus souvent par des tests immuno-enzymatiques ou par recombinaison génétique avec l'antigène, soit les cel- lules sensibilisées par l'antigène. Prévention des maladies animales Deux stratégies sont possibles pour prévenir la maladie chez les animaux, qui toutes deux peuvent tirer profit des progrès de la biotechnologie : immuniser activement les animaux en les vaccinant, ou sélectionner leur capacité de résistance naturelle (génétique) à la maladie. Immunisation active des animaux Elle peut être assurée par l'administration de vaccins rendus plus purs et plus efficaces par les méthodes de la biotechnologie. Parmi ces vaccins, on peut citer : Les vaccins vivants Ils utilisent des souches de microbes modifiées non plus empiriquement comme par le passé (par passages sur animaux ou cellules) mais par mutations génétiques induites puis sélectionnées. L'induction peut être assurée par des produits chimiques, par la températu- re (mutants froids ou chauds), par des anticorps monoclonaux, etc. Certains de ces vac- cins, obtenus par deletion des gènes les plus dangereux, ont l'avantage d'être bien connus et de permettre la distinction entre anticorps post-vaccinaux et post-infectieux. Le plus uti- lisé de ces vaccins est celui de la maladie d'Aujeszky, obtenu par deletion des glycopro- téines gx et gl. Les vaccins recombinants Ils sont obtenus par introduction des acides nucléiques codant pour la fraction immuno- gène d'un agent pathogène dans le génome d'un "vecteur" vivant (cellules, levures, bac- téries, virus...). Ce dernier, en se multipliant chez l'animal vacciné, entraîne la production d'anticorps contre lui, mais aussi contre la fraction immunogène qu'il exprime. Le plus utilisé de ces vaccins est celui de la rage, produit par le virus de la vaccine. On peut aussi utiliser le recombinant après inactivation, ce qui permet d'obtenir de grandes quantités d'antigènes, pur, in vitro. C'est la production de ces antigènes dans les bactéries Escherichia coli, les levures ou les bacculovirus qui est la plus étudiée, quoique encore peu utilisée. J. Blancou Les vaccins sous-unitaires Ils consistent en une (des) simple(s) fraction(s) antigénique(s) colorée(s) de l'agent patho- gène, ce qui assure une innocuité totale. Souvent peu immunogène(s), cette (ou ces) frac- tion^) est (sont) additionnée(s) d'adjuvants de l'immunité, soit chimiques, soit biochimiques (liposomes, ISCOM). Les vaccins synthétiques Les déterminants antigéniques choisis sont obtenus par synthèse in vitro, généralement celle de peptides couplés à des protéines "porteuses" et additionnés d'adjuvant de l'im- munité. C'est le vaccin chimique purifié idéal, déjà rêvé par Louis Pasteur il y a un siècle, mais encore loin de pouvoir concurrencer les vaccins produits par des cellules vivantes. Les vaccins anti-idiotypes L'anticorps étant l'image interne de l'antigène, les anti-corps devraient pouvoir se com- porter comme des antigènes d'une innocuité parfaite. Malheureusement, leur pouvoir immunogène reste très faible, surtout lors de la primo-vaccination. Les vaccins génétiques L'insertion, dans le génome d'un animal, de l'acide nucléique codant pour un agent patho- gène devrait permettre à cet animal de résister, ultérieurement, à cet agent. Augmentation de la résistance naturelle La nature, aidée par les éleveurs, a depuis longtemps avantagé la survie des animaux géné- tiquement plus résistant aux maladies. Certains des gènes de ces résistances ayant pu être identifiés, il est théoriquement possible de les transférer à des animaux pour les rendre résistants. Selon que le gène est transféré dans les cellules somatiques ou germinales de cet ani- mal, la résistance sera individuelle ou transmissible (heritable) d'une génération à l'autre. C'est surtout dans le domaine de la résistance aux parasites (contre lesquels il est très difficile de vacciner) que cette recherche est actuellement développée, mais aussi pour développer la résistance à certaines maladies à virus (ex : maladie de Marek). Traitement des maladies animales Si l'une des premières applications de la biotechnologie a été la production, par culture in vitro, de champignons producteurs d'antibiotiques, les recherches ultérieures de traite- ments plus efficaces et plus sûrs des maladies animales ont été nombreuses. Les premiers ont concerné l'emploi des anticorps monoclonaux, qui ont l'avantage sur les anciens sérums thérapeutiques d'être purs et spécifiques. Leur production, longtemps obligatoire sur souris, peut maintenant être assurée in vitro ou à partir de cellules de l'espèce cible Biotechnologie des moyens de diagnostic et de prévention (bovins, porcs, etc.)- Le coût de ces produits reste, toutefois, un facteur limitant leur usage courant. Parmi les autres productions d'avenir, on doit signaler celles des immunostimulants ou des immunomodulateurs, notamment les lymphokines (interférons, interleukines, etc.) qui peuvent être produits in vitro par des cellules. Ces molécules et certaines autres protéines de valeur thérapeutique pourraient même être sécrétées directement dans le lait par des animaux transgéniques (Transgenie farming). Conclusion L'ensemble des techniques issues de l'essor récent de la biotechnologie concourt à amé- liorer sans cesse les productions des animaux, directement ou en protégeant leur santé. Si certaines de ces techniques ouvrent des perspectives qui pourraient être inquiétantes quant à leur impact sur l'environnement, les équilibres démographiques ou la santé des consom- mateurs, la plupart apportent, au contraire, une amélioration incontestable par rapport à certaines techniques empiriques de la biologie. Mais un tri s'effectuera sans doute au cours du temps entre ces techniques, soit du fait du rejet spontané par le milieu naturel de certains organismes ou micro-organismes artificiellement manipulés par l'Homme, soit du fait de l'Homme lui-même, pour des raisons socio-économiques évidentes. Bibliographie 1. Office international des Epizooties (1990). Numéro spécial : "Biotechnologie et Science vété- rinaire". Rev Sci Tech Off Int Epiz ; 9(3) : 615 - 915. 2 . McCullough (1992). The application of biotechnology to the diagnosis and control animal diseases. Rev Sci Tech Offlnt Epiz ; 12(1) : 325 - 353. 3 . Desmettre Ph. (1992). Biotechnologie et santé animale. Rev Sci Tech Off Int Epiz ; 12(1) : 355 - 368. 4 . Animal Pharm (1991). Future prospects for veterinary biotehnology. PJ3/Publication, Rich- mond. Biotechnologies du diagnostic et de la prévention des maladies animales. Ed. AUPELF-UREF. John Libbey Eurotext. Paris © 1994, pp. 7-17. Apports de la biotechnologie au diagnostic des maladies animales A. BENKIRANE, M.M. RWEYEMANU, K.J. WOJCIECHOWSKI, Y. CHENEAU Service de la Santé Animale, Division de la Production et de la Santé Animales, FAO, Rome, Italie. Résumé Depuis environ deux décennies, un certain nombre de techniques nouvelles ont vu le jour, contribuant ci une amélioration sensible de la sensibilité et de la spécificité des tests de diagnostic des maladies humaines et animales. Ces techniques sont le résultat d'un cer- tain nombre de progrès déterminants, parmi lesquels il convient de citer : la maîtrise des techniques de cultures cellulaires, l'avènement des tests immuno-enzymatiques, la tech- nologie de production des anticorps monoclonaux et les différentes étapes d'exploration du code génétique. Les outils de diagnostic dont on dispose aujourd'hui permettent de poser un diagnostic individuel plus précis, et surtout, de conduire des programmes rationnels de suivi et de surveillance de nombreuses maladies infectieuses et parasitaires. Sans vouloir renier les précieux services rendus à la médecine par les méthodes conventionnelles de diagnostic direct (isolement et identification de l'agent pathogène) et indirect (mise en évidence des témoins de l'infection à l'aide d'antigènes bruts et d'anticorps polyclonaux), tout porte à croire qu 'elles seront progressivement supplantées par des manipulations issues de la biotechnologie, ces dernières promettant d'être plus précises, plus rapides et plus facile- A. Benkirane et al. ment standardisâmes. En outre, elles présentent moins de risques pour le manipulateur et nécessitent un degré de technicité moindre, ainsi que du matériel et des installations moins coûteux. L'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, avec la collabo- ration des autres organisations internationales et le soutien actif de certains laboratoires, pôles d'excellence en biotechnologie, poursuit l'objectif d'opérer un transfert de ces tech- nologies vers les pays en développement. Au sens large, le tenne biotechnologie s'applique à l'utilisation des systèmes biologiques ou de leurs constituants pour la production de biens ou de services. Au sens strict (bio- technologie nouvelle), ce terme est réservé à l'utilisation de l'ADN recombinant et des technologies associées. Comme toute technologie, cette "technologie du vivant" est destinée à être exploitée, notamment à des fins commerciales; c'est ainsi qu'à titre d'exemple, pour le seul Japon, on estimait en 1992 le marché des produits issus de la biotechnologie (sens large) à 40 milliards d'ECU, tandis que les prévisions pour l'an 2000 du marché mondial de la nou- velle biotechnologie représenteraient un chiffre d'affaires de 80 milliards d'ECU. En tant que moyen de production, la biotechnologie fait coopérer en harmonie de nom- breuses disciplines scientifiques : de la chimie à la biologie moléculaire, de la génétique à la virologie et à l'immunologie, etc. Les domaines d'application de la biotechnologie couvrent tous les secteurs de l'écono- mie : a) Agriculture : productions animales et végétales brutes, produits alimentaires. b) Médecine (humaine et vétérinaire) : diagnostic et produits médicamenteux (hormones, produits thérapeutiques, vaccins). c) Industrie : produits chimiques et agro-industriels. d) Environnement : traitement des déchets résiduels et/ou toxiques. En santé animale, la biotechnologie trouve des applications dans : - le diagnostic des maladies, la pathogénie, l'epidemiologie et le contrôle de qualité des vaccins; - la mise au point des vaccins de type nouveau, d'utilisation plus commode; - la thérapeutique et l'hormonologie; - la résistance génétique aux maladies. Avant d'aborder l'application de la biotechnologie au diagnostic, il convient de don- ner, en préambule, quelques rappels sur la notion de diagnostic en médecine vétérinaire : 1) Diagnostic vétérinaire (animaux de rente) et diagnostic en médecine humaine Le premier est le plus souvent collectif, il vise à diagnostiquer une maladie pour prévenir de nouveaux cas; en revanche, le second est généralement individuel, visant à diagnosti- quer une maladie en vue de la traiter. Cette distinction se reflète sur les qualités exigées d'un test de diagnostic. 2) Diagnostic, dépistage (screening), suivi (monitoring) et surveillance - Diagnostic : le point de départ est un (ou des) individu(s) malade(s). Apports de la biotechnologie au diagnostic des maladies animales - Dépistage : le point de départ est constitué par des individus présumés sains, il est conduit dans les opérations de : • suivi : il vise alors à s'assurer, selon les cas, que les individus sont toujours sains, ou qu'ils bénéficient toujours d'un état de grâce (exemple : protection contre une maladie infectieuse conférée par la vaccination); • surveillance : cette méthode de screening consiste à instaurer une vigilance vis à vis d'infections menaçant une population, en s'assurant que les unités de cette population sont toujours à l'abri du risque (surveillance clinique et/ou microbiologique, sérologique, aller- gique...). 3) Qualité des test de diagnostic Elle est est mesurée par leur sensibilité (capacité de détection des cas), leur spécificité (capacité de distinction entre les cas et les non-cas), ainsi que leurs valeurs prédictives positive et négative, celles-ci étant variables en fonction de la prévalence de la maladie dans une population. L'efficacité d'un test exprime la somme de ses performances glo- bales et permet de le situer par rapport à l'"étalon or". L'étalon or se définit comme un outil de contrôle de qualité qui fournit la base de déter- mination de la valeur d'un test de diagnostic. C'est le test de référence par rapport auquel la sensibilité et la spécificité des autres test sont évaluées. Le Tableau I présente les paramètres permettant de juger la qualité d'un test de diagnos- tic et leurs méthodes de mesure. Tableau I. Méthodes d'évaluation des tests de diagnostic. Paramètre Méthode de mesure Expression Valeur table de contingence sensibilité, spécificité, valeurs prédictives (2x2) positive et négative, efficacité Seuil optimum courbe d'étalonnage valeur optimale positive/négative Comparaison des tests courbe de Bayes probabilité post./ probabilité ant. Intérêt clinique taux de vraie positivité/ ratio probable pour la positivité ou taux de fausse positivité la négativité d'un test taux de fausse négativité/ taux de vraie négativité Les tests hautement sensibles sont plus utiles quand leurs résultats sont négatifs; ils sont recommandés lorsqu'on atteint la phase d'éradication d'une maladie. Au contraire, les tests ayant une bonne spécificité sont souhaitables lorsque leurs résultats sont positifs; ils sont recommandés en phase de démarrage d'un programme de prophylaxie. La distribution des fréquences des résultats d'un test dans des populations animales normales et malades oblige à faire un choix entre un test doué d'une très bonne sensibili- A. Benkirane et al. té et un test doué d'une très bonne spécificité, car très peu de tests réunissent ces deux qua- lités. L'un des objectifs de la biotechnologie est de tendre vers cet idéal. 4) Niveaux de diagnostic II existe au moins cinq échelles de niveau de diagnostic d'une maladie animale : - Centres de Référence Internationaux : leur rôle est dans l'innovation et la recherche d'approches fondamentales et/ou appliquées visant la conception de nouvelles technolo- gies ou méthodes de diagnostic, ainsi que dans le diagnostic de référence officiel des épi- zooties majeures et l'epidemiologie moléculaire, pour la caractérisation et la classification des souches responsables des foyers d'épizooties. - Laboratoire National Central : dans chaque pays, il devrait exister une structure pour l'adaptation des techniques nouvelles aux conditions du pays, leur expérimentation et éventuellement la confection de trousses de diagnostic (kits). - Laboratoire Provincial/de District : sa mission est d'appliquer les techniques de labora- toire proposées et standardisées par le Laboratoire National Central. - Vétérinaire praticien/technicien de terrain : il doit pouvoir disposer des trousses de dia- gnostic de terrain et les utiliser dans le respect de la législation en vigueur. - Eleveur : l'utilisation par l'éleveur de certaines trousses ne doit être envisagée que si aucune formation n'est nécesssaire (dip stick) et si le diagnostic de la maladie recherchée ne requiert pas la mise en place de mesures sanitaires légales. Considérations techniques Technologies de base Anticorps monoclonaux Un lymphocyte B produit des molécules d'anticorps toutes douées d'une même spécifici- té antigénique (réactivité vis à vis d'un seul épi tope). En faisant fusionner ce lymphocyte avec une cellule myélomateuse, à croissance rapide et indéfinie, on obtient une cellule de type hybride (hybridome) possédant les propriétés génétiques des deux cellules paren- tales : croissance rapide et production d'un seul clone de molécules d'anticorps. Les anti- corps monoclonaux sont actuellement exploités dans le diagnostic et dans la caractérisation des antigènes; ils ont en outre des applications thérapeutiques potentielles. Le Tableau II présente les principaux avantages et inconvénients de ces réactifs Des performances notoires ont été accomplies grâce à ces molécules; il est actuelle- ment possible de produire de très grandes quantités d'immunoglobulines avec une utilisa- tion minimale des animaux de laboratoire, comme il est possible de fabriquer des anticorps monoclonaux à partir de lymphocytes provenant d'animaux autres que la sou- ris. Cependant il paraît encore prématuré de se passer des anticorps polyclonaux. Les deux types d'anticorps sont comparés dans le Tableau III. Génie génétique ou technologie de l'ADN recombinant Trois découvertes majeures ont rendu son avènement possible : - possibilité d'introduction d'un brin d'ADN dans E. coli (transformation); - purification de petits plasmides (10 kb; ex. Col El) par centrifugation en gradient de 10