La tuberculose (TB), causée par Mycobacterium tuberculosis, demeure l’une des principales causes de mortalité par maladie infectieuse dans le monde. Malgré l’induction d’une réponse immunitaire adaptative robuste, l’organisme est souvent incapable d’éliminer complètement le pathogène, conduisant à une infection chronique. Les lymphocytes T CD4 jouent un rôle essentiel dans le contrôle de l’infection en activant les macrophages infectés, principaux réservoirs bactériens. Toutefois, les mécanismes limitant leur efficacité au sein des lésions pulmonaires restent mal compris. En particulier, la capacité des lymphocytes T à accéder aux cellules infectées et à établir des interactions effectrices productives dans le tissu pulmonaire n’avait jusqu’à présent jamais pu être étudiée directement in vivo.
L’objectif de cette thèse était de caractériser le comportement spatio-temporel des lymphocytes T CD4 au sein des lésions tuberculeuses et d’identifier les facteurs limitant leur activité effectrice. Pour cela, nous avons développé LiveLung-TB, une plateforme d’imagerie intravitale biphotonique compatible avec le confinement biologique de niveau 3. Cette approche permet l’observation en temps réel et à haute résolution des cellules immunitaires directement dans le poumon infecté.
À l’aide de modèles murins d’infection et de lymphocytes T CD4 spécifiques de l’antigène, nous avons analysé leur localisation, leur migration et leurs interactions cellulaires dans le tissu pulmonaire infecté. Nos résultats montrent que la majorité des lymphocytes T infiltrent efficacement le parenchyme pulmonaire infecté. Cependant, contrairement au modèle classique selon lequel ils établiraient fréquemment des contacts prolongés avec les macrophages infectés, ces interactions sont rares. Environ 11 % des lymphocytes forment des contacts transitoires avec les macrophages infectés et seulement 5 % établissent des interactions stables.
De manière inattendue, la majorité des lymphocytes T demeurent immobilisés ou présentent une migration intermittente, caractérisée par des alternances de déplacement et d’arrêt. Ces comportements sont principalement observés dans des régions non infectées riches en collagène ou à la périphérie des amas de macrophages infectés. Cette distribution spatiale est observée indépendamment de la spécificité antigénique des lymphocytes, suggérant que d’autres mécanismes contrôlent leur comportement dans le tissu infecté.
L’analyse de la microarchitecture pulmonaire révèle l’existence de contraintes physiques et microenvironnementales sous-estimées. L’accumulation de matrice extracellulaire ainsi que l’organisation des amas de macrophages infectés semblent constituer des barrières limitant la mobilité des lymphocytes et leur accès aux cellules cibles. Ces observations indiquent que l’efficacité limitée des lymphocytes T dans la tuberculose ne résulte pas uniquement d’une altération fonctionnelle intrinsèque, mais également de restrictions spatiales imposées par le tissu.
Ces travaux mettent en évidence un rôle majeur du microenvironnement pulmonaire dans la régulation de l’immunité anti-tuberculeuse et révèlent des barrières tissulaires limitant l’établissement d’interactions effectrices productives. Au-delà des découvertes biologiques, cette thèse a permis de développer une plateforme technologique unique pour l’étude dynamique des interactions hôte-pathogène dans le poumon infecté. LiveLung-TB constitue ainsi un outil puissant pour explorer les mécanismes limitant l’efficacité des réponses immunitaires dans la tuberculose et d’autres infections pulmonaires. |
Tuberculosis (TB), caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), remains one of the leading causes of death from infectious disease worldwide. Despite the development of a robust adaptive immune response, the host often fails to completely eliminate the pathogen, resulting in chronic infection. CD4 T cells play a central role in controlling infection by activating infected macrophages, the primary cellular reservoir of Mtb. However, the mechanisms limiting their effectiveness within pulmonary lesions remain poorly understood. In particular, the ability of T cells to access infected cells and establish productive effector interactions within the lung tissue has never been directly investigated in vivo.
The aim of this thesis was to characterize the spatiotemporal behavior of CD4 T cells within tuberculous lung lesions and to identify the factors limiting their effector activity. To address this question, we developed LiveLung-TB, a two-photon intravital imaging platform compatible with biosafety level 3 (BSL-3) containment. This approach enables real-time, high-resolution visualization of immune cells directly within Mtb-infected lungs.
Using murine models of infection and antigen-specific CD4 T cells, we analyzed T-cell localization, migration, and cellular interactions within infected pulmonary tissue. Our results demonstrate that most CD4 T cells efficiently infiltrate the infected lung parenchyma. However, contrary to the prevailing model in which T cells frequently establish prolonged contacts with infected macrophages, such interactions were found to be rare. Approximately 11% of T cells formed transient contacts with infected macrophages, whereas only 5% established stable interactions.
Unexpectedly, the majority of CD4 T cells remained immobile or displayed intermittent migration characterized by alternating periods of movement and arrest. These behaviors were predominantly observed in collagen-rich, uninfected regions or at the periphery of infected macrophage clusters. Importantly, this spatial distribution was observed independently of antigen specificity, suggesting that factors other than antigen recognition govern T-cell behavior within infected tissues.
Analysis of lung lesion architecture revealed the existence of previously underappreciated physical and microenvironmental constraints. Extracellular matrix accumulation, together with the organization of infected macrophage clusters, appeared to constitute barriers limiting T-cell motility and access to target cells. These findings indicate that the limited efficacy of CD4 T cells during TB is not solely due to intrinsic functional impairments, but also to tissue-imposed spatial restrictions.
Overall, this work highlights a critical role for the pulmonary microenvironment in regulating anti-tuberculous immunity and identifies tissue barriers that restrict productive interactions between effector T cells and infected macrophages. Beyond these biological insights, this thesis established a unique technological platform for the dynamic study of host–pathogen interactions within infected lungs. LiveLung-TB therefore provides a powerful framework for investigating the mechanisms limiting immune efficacy in tuberculosis and other pulmonary infections. |