La souris moyenne, comme l’homme moyen, abrite des trillions de bactéries et de virus. La souris moyenne dans une installation gnotobiotique, cependant, n’en héberge aucun. Aucun germe ne vit sur sa peau, dans ses narines ou dans son intestin. Sa nourriture et son eau – et même sa literie – sont chauffées à plus de 100 °C pour tuer les bactéries et les virus avant d’être acheminées vers sa cage par un système stérile et sûr de doubles portes. C’est la gnotobiotique ; l’étude des organismes dont chaque germe est soigneusement contrôlé.
Des enclos sans germes hébergent des souris pour la recherche gnotobiotique. Image reproduite avec l’aimable autorisation du National Institute of Allergy and Infectious Diseases.
En biologie, une façon courante d’étudier une partie d’un système est de la supprimer – les scientifiques comparent fréquemment des variantes knockout à des animaux de type sauvage pour étudier les effets de la suppression de gènes spécifiques. Pour les scientifiques qui étudient les effets des bactéries sur la santé et les maladies, il était logique, il y a plus d’un demi-siècle, de se demander ce qui se passerait si un animal vivait toute sa vie sans être exposé aux micro-organismes. En 1959, les chercheurs élevaient des souris, des rats, des cobayes et des poussins exempts de germes à l’intérieur de boîtiers stériles en acier inoxydable et en plastique (1).
Dans la plupart des cas, les méthodes actuelles d’élevage d’animaux gnotobiotiques n’ont pas beaucoup changé depuis les années 1950. Pour démarrer une colonie sans germes, il faut retirer un jeune animal du ventre de sa mère par une procédure chirurgicale minutieuse pour éviter de l’exposer aux micro-organismes présents dans le vagin et la peau de la mère. Ensuite, l’animal est élevé dans une cage stérile et n’est exposé qu’à de la nourriture, de l’eau et d’autres équipements qui ont également été stérilisés. Chaque semaine – ou plus souvent – un technicien procède à un écouvillonnage des cages et des excréments de l’animal pour s’assurer qu’aucune bactérie n’a contaminé le logement stérile. Une fois la colonie créée, il devient plus facile d’élever de nouveaux animaux sans germes ; une mère sans germes peut mettre bas naturellement sans exposer ses nouveau-nés à une quelconque bactérie.
Avoir des animaux gnotobiotiques ne donne pas seulement aux chercheurs la possibilité de comparer des individus sans germes avec des individus élevés normalement. Les animaux gnotobiotiques donnent également à un laboratoire la possibilité d’introduire un – ou quelques – micro-organismes à la fois et de les étudier dans un environnement plus simple que la métropole animée du microbiome. Au milieu des années 1960, Russell Schaedler, de l’Université Rockefeller, a commencé à entreprendre ces expériences, en créant différents mélanges de bactéries, en étudiant comment chacune d’entre elles colonisait l’intestin de souris préalablement exemptes de germes (2), et en distribuant la « flore de Schaedler » à des laboratoires du monde entier.
Aujourd’hui, les chercheurs ont réalisé – en partie grâce aux nombreuses premières études sur les animaux gnotobiotiques – que le microbiome d’un organisme ne l’aide pas seulement à digérer les aliments. Les souris élevées sans microbes ont un système immunitaire, un cœur, des poumons, des ganglions lymphatiques, un métabolisme et même des capacités de reproduction modifiés. En 2011, une étude a révélé que les souris sans germes présentaient des schémas altérés de développement cérébral et de comportement : si les souris étaient exposées à un mélange de bactéries, les changements revenaient à la normale (3). En 2013, une équipe de chercheurs a découvert que si un échantillon du microbiote intestinal d’un humain obèse était introduit dans une souris sans germe – sans modification du régime alimentaire de la souris – celle-ci prenait du poids. Si l’échantillon de microbiote provenait plutôt d’un humain maigre, la prise de poids ne se produisait pas (4).
Alors que l’importance des bactéries et des virus commensaux – ceux qui ne nuisent pas à leur hôte – devient de plus en plus claire, les animaux gnotobiotiques restent un outil clé pour étudier les interactions entre le microbiote et l’organisme. Bien qu’il soit impossible d’élever des humains sans germes, des échantillons de microbiomes intestinaux humains peuvent être transférés à des souris afin de créer des conditions intestinales semblables à celles des humains (5). Les chercheurs disposent désormais d’une pléthore de technologies qui les aident à comprendre les fondements moléculaires des liens entre microbiome et physiologie. Ils peuvent utiliser des techniques de criblage génétique et moléculaire à haut débit pour comparer des souris exemptes de germes à celles dont l’intestin ne contient que des bactéries particulières introduites ou à celles qui possèdent une ménagerie complète de microbiote (6). De plus, les souris avec n’importe quel gène ou mutation de gène désiré peuvent être élevées sans germe pour tester comment un gène peut être impliqué dans l’établissement ou le contrôle du microbiome.
Les plus grandes questions dans l’étude du microbiome – comment les colonies de micro-organismes sont établies et maintenues, comment elles affectent leur hôte, et comment l’hôte façonne les populations de germes – s’appuient toutes sur les animaux gnotobiotiques comme outil pour faire avancer le domaine.