- INTRODUCTION
- QUELS SONT LES OBJECTIFS DE LA PALEOMICROBIOLOGIE
- QUELS SONT LES ECHANTILLONS UTILISES EN PALEOMICROBIOLOGIE
- QUELLES SONT LES TECHNIQUES UTILISEES EN PALEOMICROBIOLOGIE
- QUELLES SONT LES PRINCIPALES REALISATIONS EN PALEOMICROBIOLOGIE
- QUELLE EST LA CONTRIBUTION DE L'IFR 48 EN PALEOMICROBIOLOGIE ?
- LISTE DES PUBLICATIONS DE L'IFR 48 SUR LE SUJET
- CONTACTS
INTRODUCTION
La paléomicrobiologie est une branche de la microbiologie qui vise à réaliser le diagnostic microbiologique des maladies infectieuses anciennes par la mise en évidence de microorganismes environnementaux ou pathogènes dans des échantillons humains ou environnementaux anciens. Il n'y a pas de limite de temps précise en matière de paléomicrobiologie, nous avons proposé que l'adjectif ancien correspondait à des échantillons datant d'avant la mise en évidence des microorganismes à la fin du 19ème siècle. Ce champ de recherche est caractérisé par sa transversalité puisqu'il nécessite des collaborations entre la microbiologie médicale, l'anthropologie, l'histoire et les sciences connexes comme l'archéo-zoologie. Il s'agit par ailleurs d'un champ expérimental qui vient compléter les données d'évolution des microorganismes déduites des reconstructions phylogénétiques en permettant d'analyser directement des séquences génétiques datant de plusieurs milliers d'années. Il s'agit d'un champ contributif pour la mise en place de protocoles de recherche originaux, appliqués ensuite au diagnostic des maladies infectieuses contemporaines.
Références
- Drancourt M, Raoult D. Palaeomicrobiology : current issues and perspectives. Nat Rev Microbiol. 2005 ;3:23-35.
- Zink AR, Reischl U, Wolf H, Nerlich AG. Molecular analysis of ancient microbial infections. FEMS Microbiol Lett. 2002 ;213:141-7.
QUELS SONT LES OBJECTIFS DE LA PALEOMICROBIOLOGIE
La paléomicrobiologie a pour objectifs (1) la détection et l'identification de microorganismes : bactéries, virus, champignons unicellulaires et parasites dans des échantillons humains et environnementaux anciens (2) le génotypage des microorganismes ancients (3) l'analyse de l'évolution génétique des microorganismes (4) l'interprétation des données paléomicrobiologiques intégrant les données anthropologiques et historiques dans une perspective évolutive des microorganismes et des maladies infectieuses. La paléomicrobiologie est contributive à la microbiologie : évolution des micro-organismes et co-évolution avec les réservoirs et les vecteurs, à l'étude des maladies infectieuses : ré-émergence ; disparition, et épidémiologie des maladies infectieuses et aux études historiques et anthropologiques, en particulier la nosologie, en fournissant des bases démonstratives de l'étiologie des épidémies anciennes.
Références
- Drancourt M, Raoult D. Palaeomicrobiology : current issues and perspectives. Nat Rev Microbiol. 2005 ;3:23-35.
QUELS SONT LES ECHANTILLONS UTILISES EN PALEOMICROBIOLOGIE
Les microorganismes anciens peuvent être mis en évidence dans des échantillons environnementaux : sol, plantes, insectes et animaux. Les échantillons humains anciens peuvent être prélevés à partir de corps congelés (l'homme du Tyrol par exemple) ou momifiés, caractérisés par un grand degré de conservation des tissus et vraisemblablement des microorganismes. Les tissus fixés et inclus pour l'anatomie pathologique sont utilisables en paléomicrobiologie mais leur ancienneté est limitée au 19ème siècle. Les squelettes constituent la source principale de prélèvements. Les corps peuvent être inhumés isolément dans des sépultures individuelles, ou inhumés pêle-mêle dans des charniers de catastrophe, à même les sédiments, dans une fosse commune, en dehors des lieux habituels d'inhumation. Un charnier de catastrophe évoque des faits de guerre (l'examen macroscopique des os révèlent des lésions compatibles avec des blessures par arme), un contexte de famine ou une maladie infectieuse épidémique. Le tissu osseux est le plus souvent utilisé pour la recherche de microorganismes anciens mais nous avons montré que la pulpe dentaire contenue dans la cavité pulpaire des dents constitue un tissu utile pour la détection des microbes anciens septicémiques. En effet, la pulpe dentaire est très richement vascularisée et tout microorganisme septicémique atteint la pulpe dentaire au cours de celle-ci. C'est un tissu protégé des contaminations environnementales par l'émail et l'ADN est facilement extrait en utilisant les protocoles standard contrairement au tissu osseux.
Références
- Drancourt M, Raoult D. Palaeomicrobiology: current issues and perspectives. Nat Rev Microbiol. 2005 ;3:23-35.
Figure 1: Echantillons utilisés pour la recherche de microorganismes en paléomicrobiologie.
QUELLES SONT LES TECHNIQUES UTILISEES EN PALEOMICROBIOLOGIE
L'observation par microscopie électronique a permis de diagnostiquer la présence de parasites dans des coprolites et de particules virales dans des tissus de momie. La culture de microorganismes a été rapportée pour des microorganismes environnementaux sans signification pathologique pour l'homme. Une exception est la culture de Bacillus anthracis, agent du charbon, à partir d'un échantillon de guerre bactériologique datant de 1917. La détection d'antigènes spécifiques a été rapportée pour Rickettsia rickettsii (agent de la Fièvre pourprée des Montagnes Rocheuses), et Tropheryma wipplei (agent la maladie de Whipple) dans les fragments tissulaires du cas nécropsique princeps décrit par Georges Wipple en 1907. La détection d'anticorps spécifiques de Treponema palidum a été réalisée à partir d'un fragment osseux datant de 200 ans. Les acides mycoliques caractéristiques de Mycobacterium tuberculosis, agent de la tuberculose, ont été détectés dans des échantillons osseux. Les méthodes moléculaires reposent sur l'amplification par Polymerase Chain Reaction des cibles moléculaires, puis clonage et séquençage des fragments amplifiés. Ce sont les techniques les plus fréquemment utilisées. La contamination des prélèvements par des microorganismes et des amplifiats des expériences précédentes est la principale limite des techniques moléculaires, elle doit être paliée par le strict respect des protocoles (Figure 3).
Références
- Zink AR, Reischl U, Wolf H, Nerlich AG. Molecular analysis of ancient microbial infections. FEMS Microbiol Lett. 2002 ;213:141-7.
- Drancourt M, Raoult D. Palaeomicrobiology: current issues and perspectives. Nat Rev Microbiol. 2005 ;3:23-35.
- Kolman CJ, Centurion-Lara A, Lukehart SA, Owsley DW, Tuross N. Identification of Treponema pallidum subspecies pallidum in a 200-year-old skeletal specimen. J Infect Dis. 1999 ;180:2060-3.
- Gernaey AM, Minnikin DE, Copley MS, Dixon RA, Middleton JC, Roberts CA. Mycolic acids and ancient DNA confirm an osteological diagnosis of tuberculosis. Tuberculosis (Edinb). 2001;81:259-65.
- Dumler JS, Baisden BL, Yardley JH, Raoult D. Immunodetection of Tropheryma whipplei in intestinal tissues from Dr. Whipple's 1907 patient. N Engl J Med. 2003 ;348:1411-2.
Figure 2: Techniques utilisées pour la recherche de microrganismes anciens en paléomicrobiologie.
Figure 3: Protocoles de prévention de la contamination des échantillons en paléomicrobiologie.
QUELLES SONT LES PRINCIPALES REALISATIONS EN PALEOMICROBIOLOGIE
C'est le diagnostic de tuberculose ancienne qui a donné lieu au plus grand nombre de travaux publiés, de nombreuses cibles moléculaires ont été utilisées le diagnostic de tuberculose et le spoligotypage de Mycobacterium tuberculosis. Les données paléomicrobiologiques convergent pour affirmer que la tuberculose humaine ne résulte pas d'une contamination par Mycobacterium bovis au moment de la domestication des bovidés comme l'hypothèse en avait été émise. Les souches humaines anciennes sont plus proches des souches modernes de M. tuberculosis que celles de M. bovis. La lèpre est une seconde mycobactériose qui a suscité de nombreux travaux moléculaires dans la littérature. Le laboratoire a été contributif au diagnostic des épidémies historiques de peste, à l'étude des bartonelloses anciennes et celui des infections vectorisées par les ectoparasites humains lors de la retraite de Russie en 1812. Des méthodes moléculaires ont également été appliquées au diagnostic des spirochétoses anciennes, syphilis ancienne par biologie moléculaire et maladie de Lyme. Borrelia burgdoferi a été détectée à la fois dans des animaux anciens et dans des tiques datant du 19ème siècle, conservées dans l'alcool. Très peu de travaux concernant les virus, en dehors de remarquables travaux sur le virus de la grippe espagnole.
Références
- Drancourt M, Raoult D. Palaeomicrobiology: current issues and perspectives. Nat Rev Microbiol. 2005 ;3:23-35.
- Donoghue HD, Spigelman M, Greenblatt CL, Lev-Maor G, Bar-Gal GK, Matheson C, Vernon K, Nerlich AG, Zink AR. Tuberculosis: from prehistory to Robert Koch, as revealed by ancient DNA. Lancet Infect Dis. 2004 ;4:584-92.
- Spigelman M, Lemma E. The use of the polymerase chain reaction to detect Mycobacterium tuberculosis in ancient skeletons. Int. J. Ostearchaeol. 1993 ;3:143.
- Salo WL, Aufderheide AC, Buikstra J, Holcomb TA. Identification of Mycobacterium tuberculosis DNA in a pre-Columbian Peruvian mummy. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994 ;91:2091-4.
- Baron H, Hummel S, Hermann B. Mycobacterium tuberculosis complex DNA in ancient human bones. J. Archaeol. Sci. 1996 ; 23:667-671.
- Raoult D, Dutour O, Houhamdi L, Jankauskas R, Fournier PE, Ardagna Y, Drancourt M, Signoli M, La VD, Macia Y, Aboudharam G. Evidence for louse transmitted diseases in soldiers of Napoleon's grand army in Vilnius. J. Infection Diseases 2005.
Tableau 1: Réalisations actuelles en paléomicrobiologie.
| Microorganisme | Origine | Echantillon | Datation | Méthode |
|---|---|---|---|---|
| Bacteria | ||||
| M. tuberculosis | Bison | Os | 17,000 BP | Biologie moléculaire / Spoligotyping |
| Homme | Os | Médiéval | Biologie moléculaire | |
| Homme | Os | Médiéval | Biologie moléculaire | |
| Homme | Os | 19th - 20th | Biologie moléculaire | |
| Homme | Os | 140-1,200 AD | Biologie moléculaire | |
| Homme | Poumon | 1,500 AC | Biologie moléculaire | |
| Homme | Poumon | 1,000 BP | Biologie moléculaire | |
| Homme | Os | 5,400 BP | Biologie moléculaire / Spoligotyping | |
| Homme | Os | Médiéval | Biologie moléculaire / spoligotyping | |
| Homme | Os | Médiéval | Biologie moléculaire | |
| Homme | Os | 3,500 - 500 BC | Biologie moléculaire | |
| M. leprae | Homme | Os | 12th siècle | Biologie moléculaire |
| Homme | Os | 600 AD + 50 | Biologie moléculaire | |
| Homme | Os | Médiéval | Biologie moléculaire | |
| Enteric bacteria | Mastodon | Intestin | 12,000 BP | Culture |
| Homme | Os | 1 400 BC | Biologie moléculaire | |
| T. pallidum | Homme | Os | 200 BP | Immunodetection / Biologie moléculaire |
| Homme | Peau | 16th siècle | Immunodetection | |
| B. burgdorferi | Tiques | - | 1940 | Biologie moléculaire |
| Tiques | - | 1884 | Biologie moléculaire | |
| Rongeurs | 19th century | Biologie moléculaire | ||
| Spirochetes | Termite | Intestin | Miocen | Microscopie |
| Y. pestis | Homme | Pulpe dentaire | 1590-1722 | Biologie moléculaire |
| Homme | Pulpe dentaire | 1348 | Biologie moléculaire | |
| Homme | Pulpe dentaire | 8th siècle- 9ème siècle | Biologie moléculaire | |
| Bartonella quintana | Homme | Pulpe dentaire | 4000 BP | Biologie moléculaire |
| Homme | Pulpe dentaire | 1812 | Biologie moléculaire | |
| Bartonella henselae | Chat | Pulpe dentaire | 13-18ème siècle | Biologie moléculaire |
| Bacillus spp. | Insect | Abdomen | 25-40 M | Culture / Biologie moléculaire |
| Crystal | Abdomen | 250 M | Culture / Biologie moléculaire | |
| B. anthracis | Environment | Poudre | 1917 | Culture |
| Homme | 1979 | Biologie moléculaire | ||
| E. chaffeensis | Deer | Moëlle osseuse | ||
| Ganglion | 1985 | Biologie moléculaire | ||
| R. rickettsii | Homme | Peau | 1901 | Immunodetection |
| R. prowazekii | Homme | Pulpe dentaire | 1812 | Biologie moleculaire |
| T. whipplei | Homme | Tissue instestinal | 1907 | Immunodetection |
| Virus | ||||
| Smallpox | Homme | Peau | 16th century | Microscopie |
| Homme | Peau | 16th century | Immunodetection | |
| HTLV1 | Homme | Bone Marrow | 1,500 BP | Biologie moléculaire |
| HIV1 | Homme | Plasma | 1959 | Biologie moléculaire |
| Homme | Plasma | 1970 | Biologie moléculaire | |
| Papillomavirus | Homme | Peau | 400 BP | Biologie moléculaire |
| Influenza | Homme | Poumon | 1918 | Biologie moléculaire |
| Homme | Poumon | 1918 | Biologie moléculaire | |
| Homme | Poumon | 1918 | Biologie moléculaire | |
| Homme | 1918 | Biologie moléculaire | ||
| Homme | Poumon | 1918 | Structural biology | |
| Parasites | ||||
| P. falciparum | Homme | Os | 1500 BP | Biologie moléculaire |
| Homme | Os | 700 BC | Immunodection Molecular biology | |
| T. cruzi | Homme | Tissus | 4000 BP 9000 BP | Biologie moléculaire |
| Shistosoma sp. | Homme | 1000 BP | Microscopie | |
| 1000 BP | Immunology | |||
| Capillariasis | Homme | Coprolites | 3 000 BC | Microscopie |
| P. humanus humanus | Textile | 76 - 77 | Microscopie | |
| Homme | Peau | Prehistoric | Microscopie | |
| Homme | Peau | 9 000 BP | Microscopie | |
| Homme | Peau | Prehistoric | Microscopie | |
| Homme | Peau | 2 000 BP | Microscopie | |
| Peigne à cheveux | 2 000 bp | Microscopie |
QUELLE EST LA CONTRIBUTION DE L'IFR 48 EN PALEOMICROBIOLOGIE ?
Contributions techniques et conceptuelles
Nous avons proposé la pulpe dentaire comme un échantillon sur lequel baser la détection moléculaire des pathogènes septicémiques anciens. Cette proposition conjoncturelle s'est révélée fructueuse, basée sur le fait que la pulpe dentaire est un tissu conjonctif spécialisé très vascularisé. Nous avons émis l'hypothèse que les pathogènes bactériémiques pouvaient coloniser la pulpe dentaire, voire s'y multiplier. La pulpe dentaire est un tissu conjonctif naturellement préservé du milieu extérieur par l'émail, plus encore pour les dents incluses dans la mandibule parfaitement protégées du milieu extérieur, ce qui limite les contaminations naturelles de ce tissu par les sédiments ou les autres tissus humains au contact. La pulpe dentaire est le seul tissu conjonctif qui persiste lors de la décomposition taphonomique des corps (PCR suicide).
La deuxième contribution technique du laboratoire est la mise en place d'un procédé de PCR qui permet de s'affranchir des contaminations verticales liées aux expérimentations précédentes. Elle consiste à cibler une zone caractéristique du pathogène différente à chaque nouvelle expérimentation. Elle repose sur l'absence de témoin positif et l'utilisation de jeux d'amorces d'amplification PCR différents pour chaque nouvelle expérimentation. La mise à disposition des génomes complets des bactéries constitue une source pour le design des amorces pour la PCR suicide.
La troisième innovation est en la mise au point d'une nouvelle technique de génotypage que nous avons appelé le Multispacer Sequence Typing, basée sur le séquençage de plusieurs spacers intergéniques plus variables que les zones codantes. Le design des spacers intergéniques repose sur l'alignement des génomes entiers et est un résultat de la génomique microbienne.
Etude des pestes anciennes
L'application de ces trois concepts originaux nous a permis de démontrer que Yersinia pestis était responsable des deux épidémies historiques de peste, la peste médiévale ou peste noire et la première pandémie ou peste justinienne. Nous avons montré que les souches historiques sont proches du biotype Orientalis. Ces observations viennent d'être confirmées par une équipe allemande et closent la controverse quant à l'étiologie des pestes anciennes. Nous avons confirmé l'absence de Rickettsia provazekii (agent du typhus épidémique) et de B. anthracis (agent du charbon) dans ces échantillons.
Etude des bartonelloses anciennes
Une deuxième contribution du laboratoire concerne le diagnostic des bartonelloses anciennes. Nous avons mis en évidence la présence de Bartonella quintana, bactérie strictement humaine transmise d'homme à homme par les poux de corps, responsable de la fièvre des tranchées, dans deux pulpes dentaires humaines d'individus du néolithique supérieur datés de 4000 ans. Nous avons également démontré la présence de séquences spécifiques d'ADN de Bartonella henselae, espèce commensale du chat contemporain chez lequel elle est responsable de bactériémie chronique asymptomatique, dans des restes de chats datant des 13-18ème siècles.
Etude des infections vectorisées par les ectoparasites humains
Nous avons analysé par les techniques de biologie moléculaire les restes d'ectoparasites et de pulpe dentaire d'individus de la Grande Armée inhumés dans une fosse commune à Vilnius (Lituanie) lors de la retraite de Russie en 1812 et démontré la présence d'ADN de Bartonella quintana et de Rickettsia prowazekii (agent du typhus épidémique) dans ces échantillons.
Références
- Drancourt M, Aboudharam G, Signoli M, Dutour O, Raoult D. Detection of 400-year-old Yersinia pestis DNA in human dental pulp: an approach to the diagnosis of ancient septicemia. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 ;95:12637-40.
- Raoult D, Aboudharam G, Crubezy E, Larrouy G, Ludes B, Drancourt M. Molecular identification by "suicide PCR" of Yersinia pestis as the agent of medieval black death. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 ;97:12800-3.
- Wiechmann I, Grupe G. Detection of Yersinia pestis DNA in two early medieval skeletal finds from Aschheim (Upper Bavaria, 6th century A.D.). Am J Phys Anthropol. 2005 ;126:48-55.
- Devignat R. Variétés de l'espèce Pasteurella pestis. Nouvelle hypothèse. Bull. Org. Mond. Santé 1951 ; 4:247-63.
- Drancourt M, Tran-Hung L, Courtin J, Lumley H, Raoult D. Bartonella quintana in a 4000-year-old human tooth. J Infect Dis. 2005 ;191:607-11.
- La VD, Tram-Hung L, Aboudharam G, Raoult D, Drancourt M. Bartonella quintana in Domestic cat. Emerging Infectious Diseases 2005 ; 11:1287-1289.
- Raoult D, Dutour O, Houhamdi L, Jankauskas R, Fournier PE, Ardagna Y, Drancourt M, Signoli M, La VD, Macia Y, Aboudharam G. Evidence for louse transmitted diseases in soldiers of Napoleon's grand army in Vilnius. J. Infection Diseases 2005.
LISTE DES PUBLICATIONS DE L'IFR 48 SUR LE SUJET
- Raoult D, Dutour O, Houhamdi L, Jankauskas R, Fournier PE, Ardagna Y, Drancourt M, Signoli M, La VD, Macia Y, Aboudharam G. Evidence for louse transmitted diseases in soldiers of Napoleon's grand army in Vilnius. J. Infection Diseases 2005.
- Drancourt M, Tran-Hung L, Courtin J, Lumley H, Raoult D. Bartonella quintana in a 4000-year-old human tooth. J Infect Dis. 2005 ;191:607-11.
- Drancourt M, Raoult D. Palaeomicrobiology: current issues and perspectives. Nat Rev Microbiol. 2005 ;3:23-35.
- Drancourt M, Roux V, Dang LV, Tran-Hung L, Castex D, Chenal-Francisque V, Ogata H, Fournier PE, Crubezy E, Raoult D. Genotyping, Orientalis-like Yersinia pestis, and plague pandemics. Emerg Infect Dis. 2004 ;10:1585-92.
- La VD, Clavel B, Lepetz S, Aboudharam G, Raoult D, Drancourt M. Molecular detection of Bartonella henselae DNA in the dental pulp of 800-year-old French cats. Clin Infect Dis. 2004 ;39:1391-4.
- Drancourt M, Raoult D. Molecular detection of Yersinia pestis in dental pulp. Microbiology. 2004 ;150:263-4.
- Raoult D, Drancourt M. Cause of Black Death. Lancet Infect Dis. 2002 ;2:459.
- Drancourt M, Raoult D. Molecular insights into the history of plague. Microbes Infect. 2002 ;4:105-9.
- Raoult D, Aboudharam G, Crubezy E, Larrouy G, Ludes B, Drancourt M. Molecular identification by "suicide PCR" of Yersinia pestis as the agent of medieval black death. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 ;97:12800-3.
- Drancourt M, Aboudharam G, Signoli M, Dutour O, Raoult D. Detection of 400-year-old Yersinia pestis DNA in human dental pulp: an approach to the diagnosis of ancient septicemia. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 ;95:12637-40. CORRESPONDANTS AU SEIN DE L'IFR 48
CONTACTS
- Professeur Michel Drancourt
- Unité des Rickettsies - Faculté de médecine
- 27, Boulevard Jean Moulin - 13005 MARSEILLE
- Tél. : 04.91.38.55.17 - Fax : 04.91.38.77.72
- E-mail : Michel.Drancourt@medecine.univ-mrs.fr
- Professeur Didier Raoult
- Unité des Rickettsies - Faculté de médecine
- 27, Boulevard Jean Moulin - 13005 MARSEILLE
- Tél. : 04.91.38.55.17 - Fax : 04.91.38.77.72
- E-mail : Didier.Raoult@medecine.univ-mrs.fr
- Docteur Gérard Aboudharam
- Unité des Rickettsies - Faculté de médecine
- 27, Boulevard Jean Moulin - 13005 MARSEILLE
- Tél. : 04.91.38.55.17 - Fax : 04.91.38.77
- E-mail : gerard.Aboudharam@wanadoo.fr