La transmission et l'évolution des virus dans un monde de plus en plus connecté

 Pybus OG1, Tatem AJ2, Lemey P3. Virus evolution and transmission in an ever more connected world. Proc Biol Sci. 2015 Dec 22;282(1821). pii: 20142878.

Le contexte

Les conséquences du commerce international et des voyages sur la dynamique des maladies infectieuses intéressent les chercheurs et le grand public. Dans un monde devenu très mobile, avec plus d'un million et demi de voyageurs dans les airs à tous les instants, les virus ont plus que jamais la possibilité de diffuser dans le monde. La croissance régulière de la mobilité des personnes au cours du siècle dernier a permis à divers éléments pathogènes de se "connecter" au sein de nouvelles populations d'hôtes et ainsi de contribuer à l'essor de nouvelles épidémies infectieuses, lesquelles récidivent plus fréquemment.

La connectivité croissante de notre monde favorise la transmission des virus à bien des égards. Une plus grande mobilité, par le biais de voyages d'affaires, de tourisme et de populations ouvrières, conduit à de nombreuses introductions d'agents pathogènes, alors que les changements de comportements sociaux et écologiques dans les localités qui sont la cible de ces agents pathogènes augmentent la probabilité que de telles introductions d'agents pathogènes s'installent dans ces lieux plutôt que de les voir disparaitre. De plus, la mise en place de nouvelles destinations de voyage dans des lieux précédemment "déconnectés" contribue également à cette diffusion et à cet ancrage des agents pathogènes. Par exemple, les transports aériens entre l'Amérique du Sud, l'Afrique et l'Asie du sud-est relient désormais entre elles des régions tropicales continentales, où le poids des maladies infectieuses est  très élevé et où la transmission des agents pathogènes dure toute l'année. En plus, l'augmentation du volume du commerce mondial par le biais du fret maritime et du fret aérien peut répandre des produits commerciaux contaminés ou introduire de nouveaux vecteurs de maladies infectieuses, comme les moustiques par exemple, dans de nouveaux lieux à cause d'un transport accidentel de ce vecteur.

Malgré l'importance de la géographie pour l'épidémiologie des maladies infectieuses, les effets de la mobilité mondiale sur la diversité génétique et l'évolution moléculaire des agents pathogènes sont sous-estimés et commencent seulement à être compris. Les modèles de mobilité de l'hôte peuvent être particulièrement importants pour les virus ARN, infections auxquelles cette revue est consacrée.

Beaucoup de virus ne survivent pas longtemps à l'extérieur de leur environnement car les hôtes habituels ou la proximité de ces hôtes est nécessaire pour leur transmission. En outre, le taux de mutation des virus ARN est fréquente, leurs génomes pouvant entraîner des différences génétiques tout en étant diffusées dans l'espace lors d'une flambée épidémique. La dynamique évolutive et spatiale de ces agents pathogènes est donc liée et s'influencent réciproquement.

Ce principe fondamental a plusieurs conséquences importantes. Tout d'abord, des conséquences génétiques avec de fréquentes différences parmi les virus prélevés dans divers lieux. L'analyse génétique contiendra des informations sur les processus spatiaux qui ont donné lieu à la répartition géographique du virus. Les nombreuses séquences de gènes viraux et les méthodes d'analyse de plus en plus avancées ont augmenté notre capacité à déduire les processus  de mutation et à suivre la propagation virale. En évolution rapide, les virus sont capables de s'adapter rapidement aux nouveaux environnements qu'ils rencontrent, avec la possibilité de modifier, par exemple, la spécificité du vecteur ou la sensibilité aux médicaments ou aux réponses immunitaires.

L'objet de l'étude

Dans cet article, les auteurs examinent chacune des problématiques posées. Tout d'abord comment  les données génétiques et spatiales sont combinées à travers d'études classiques sur la transmission des virus. Ensuite,  ils abordent en détail deux agents pathogènes humains, le virus de l'influenza A (grippe humaine) et le virus chikungunya, dont la dynamique globale de dissémination dépend essentiellement de l'interaction réciproque entre l'évolution du virus, l'écologie spatiale et la mobilité de l'hôte.

La méthodologie suivie par cette revue

Plusieurs solutions technologiques sont apparues au cours de la dernière décennie et ont stimulé l'innocention dans ce domaine. Il y a eu d'abord l'avènement des systèmes de géolocalisation, de moins en moins couteux, mobiles et pouvant s'adapter à des enquêtes épidémiologiques  permettant d'évaluer l'incidence des maladies infectieuses et leur prévalence dans la population, surtout lorsqu'ils sont combinés aux systèmes d'information géographique et de la communication électronique. En outre, un large éventail de données (par exemple les images satellites à haute résolution) qui représentent des variables environnementales, infrastructurelles et socio-économiques et qui peuvent déterminer la dynamique de la maladie est maintenant disponible. Les modèles statistiques ont été développées pour exploiter les relations entre ces variables et les données géo-localisées de maladie et de prédire ainsi la distribution spatiale des maladies infectieuses. Une importance particulière est donnée aux nouvelles perspectives de la mobilité humaine, générées par l'analyse des ensembles de données qui décrivent le contexte global du voyage et le nombre de passagers, les mouvements de billets, les appels anonymisés par les téléphones mobiles . Ces derniers ont la capacité de  mieux analyser et comprendre la mobilité humaine. Ils ont été utilisés pour suivre la mobilité des populations suite à des catastrophes, de prévoir ainsi la dynamique des maladies infectieuses et de planifier des stratégies d'élimination de la maladie. En même temps que ces progrès de géolocalisation des maladies, les séquences de gènes viraux ont considérablement progressé.  Ainsi les génomes pathogènes signalés sont désormais plus susceptibles d'être annotés avec les lieux et dates de prélèvement d'échantillons. Pour les virus les plus étudiés, tels que le VIH-1 et l'Influenza A de la grippe humaine, plus de 100 000 séquences du virus sont accessibles au public.

Résultats

Les auteurs ont choisi d'illustrer leur travail sur quelques virus. Prenons l'exemple du virus de la grippe humaine (Influenza A). 

En plus de générer des informations essentielles pour la mise au point, chaque année, des vaccins, la surveillance mondiale du virus de l'influenza A (IAVs) a entraîné une collection unique de séquences de génomes de virus prélevées dans l'espace et le temps, offrant ainsi la possibilité de découvrir les processus qui sous-tendent la dynamique globale de cet agent pathogène très important en santé publique. La grippe humaine est principalement transmise en famille et dans des milieux communautaires (écoles, usines, transports, etc.). Survenant dans les climats tempérés, les épidémies de IAVs sont saisonnieres avec des effets d'étranglement génétique forts, ce qui signifie que la transmission n'est généralement pas maintenue dans les zones tempérées et que les épidémies sont rétablis dans ces zones par l'importation de lignées virales nouvelles sévissant dans des populations où la transmission et la mutation sont persistantes. Ce modèle de ce qu'on appelle "« source – puits »" de circulation du virus IAV  a été étudié en détail pour le sous-type H3N2, souche dominante chez l'homme depuis son apparition en 1968. 

Diverses études ont utilisées des méthodes génétiques "phylogéographiques" pour déduire l'emplacement dans le temps de la population « source » de la grippe H3N2, et la plupart des études ont conclu que le virus résidait principalement dans l'est ou l'Asie du sud-est. Cependant, des régions tempérées, particulièrement aux Etats-Unis, peuvent également contribuer en tant que source, et notamment pour les flux de gènes viraux vers l'Asie, ce qui suggère que la dynamique de la migration de la grippe H3N2 est plus complexe que ce qui est représenté par le simple modèle "source – puits".

Il existe quelques différences entre les études, ce qui conduit à rester prudent sur l'"interprétation finale. Toutefois, toutes les études considèrent que la mobilité mondiale est un facteur de dispersion des virus de la grippe humaine dans le monde entier. Le  flux de passagers aériens est de beaucoup le meilleur prédicteur de la circulation des lignées IAV entre les pays. Ainsi, la génétique spatiale des virus humains et probablement d'autres agents pathogènes, est plus en faveur de la notion de « proximité par mobilité » que de celle, plus traditionnelle, de « l'isolement par la distance ».

Commentaires

Voici un bel exemple des progrès scientifiques médicaux apportés par l'usage du numérique et en particulier des Big Data. Une épidémiologie numérique est en train de naître, s'appuyant sur les données de la santé connectée. Le lecteur curieux pourra retrouver dans cette excellente revue comment l'usage des outils numériques a permis de mieux connaître et controler l'épidémie d'Ebola, de mieux comprendre l'évolution des épidémies lièes au Chikungunya ou celle de  l'épidémie HIV1.