Évolution de la virulence des parasites

Dans l’étude de l’évolution des maladies infectieuses, l’hypothèse du compromis (trade-off) a été développée par Anderson en May en 1982. Cette hypothèse suggère que si la virulence d’un pathogène peut éventuellement favoriser sa transmission, elle peut aussi réduire la durée de l’infection chez l’hôte en le tuant ou en l’immobilisant. Cette hypothèse très séduisante affirme donc qu’il existe un compromis entre la transmission du parasite, sa virulence et la durée de l’infection qui dépend à la fois de la mortalité et de la guérison.

Cet article montre que cette théorie reste pertinente, mais n’est pas aussi simple qu’il parait. Il convient d’inclure d’autres paramètres plus complexes tels que l'immunité, les co-infections, les mécanismes de transmission, la structure spatiale des populations et les processus évolutifs à l'intérieur de l'hôte.

Hypothèse historique de l’avirulence

Il évoque l’ancienne hypothèse de l’avirulence qui stipule que les parasites évoluent progressivement vars une plus faible virulence jusqu’à une relation proche du mutualisme avec l’hôte. Elle se base sur l’idée que si un parasite tue ou handicape son hôte, il empêche sa transmission, donc la sélection naturelle devrait favoriser les parasites moins agressifs. Cette théorie reste largement acceptée aujourd’hui, mais elle a été remise partiellement en cause, par des travaux d’écologie montrant que les parasites ne sont pas sélectionnés pour assurer la survie de leur espèce, mais pour maximiser leur propre succès reproductif.

Ainsi la virulence peut être sélectionnée si elle augmente indirectement la transmission. Un niveau intermédiaire de virulence peut être optimal lorsque virulence, transmission et guérison sont liées. Le mode de transmission joue un rôle très important.

Modèle du compromis transmission–virulence

Un pathogène doit maximiser sa valeur sélective représentée par le nombre de nouvelles infections qu'un individu infecté peut produire.

Schématiquement, cette valeur est le produit : taux de transmission × durée de l'infection

Un pathogène est extrêmement virulent peut donc être désavantagé s'il tue ou immobilise son hôte non transmissible avant d'avoir pu infecter suffisamment d'autres hôtes.

Pour le parasite, si l'augmentation de la transmission finit par produire des gains de plus en plus faibles, alors que le coût en termes de durée d'infection continue à augmenter, la sélection naturelle peut conduire à un niveau intermédiaire de virulence. C’est le cœur de l’hypothèse du trade-off.

Qu’en est-il en pratique ?

Cette théorie du trade-off est séduisante parce qu'elle est simple et générale, cependant les premières les données expérimentales pour le démontrer sont longtemps restées insuffisantes.

Puis à partir des années 2010, quelques observations ont permis de conforter ce modèle. Par exemple le VIH chez l'humain, le Plasmodium chez certains hôtes, le virus de la myxomatose chez le lapin, certains parasites de Daphnia ainsi que d’autres parasites et virus d'invertébrés.

Le problème est qu’il est très difficile de mesurer simultanément et correctement virulence et transmission, et surtout de déterminer la forme exacte de leur relation. Par ailleurs, de petites différences immunitaires entre les hôtes suffisent à brouiller l’observation

La première difficulté est de bien définir la « virulence »

En termes d’évolution c’est simplement mortalité induite par l'infection. Mais en pratique médicale c’est aussi la perte de poids, l’anémie, l’infertilité, la diminution de la fécondité, les dommages tissulaires, le développement d’une maladie chronique, etc.

Les études utilisant des indicateurs très différents obtiennent ainsi des résultats difficilement comparables.

L'immunopathologie est un point très important :

Les dommages subis par l'hôte ne sont pas toujours directement provoqués par le pathogène, ils peuvent provenir de la réponse immunitaire de l'hôte lui-même. En tentant d'éliminer le parasite, l’organisme peut provoquer des lésions. La virulence observée est donc le produit de :

pathogène × système immunitaire × environnement de l'hôte et pas simplement de l’ agressivité » intrinsèque du parasite.

Les co-infections présentent une deuxième difficulté

Le modèle classique considère un seul pathogène isolé dans un hôte. Or, dans la nature, les hôtes peuvent être infectés simultanément par plusieurs espèces ou plusieurs souches de la même espèce. Cela introduit une compétition entre pathogènes. Un parasite à réplication rapide peut avoir un avantage à l'intérieur de l'hôte, même si cela lui est coûteux ou désavantageux par ailleurs. C'est ce que Levin et Bull ont nommé évolution à courte-vue (short-sighted evolution) qui peut favoriser des parasites plus agressifs, même si cela peut compromettre la transmission à long terme.

Le paludisme expérimental chez les rongeurs montre que certaines souches plus virulentes peuvent avoir un avantage compétitif lors des infections multiples et être ensuite davantage transmises.

La virulence est donc déterminée à deux niveaux de sélection : à l'intérieur de l'hôte et entre les hôtes, ce qui induit des stratégies évolutives différentes.

Le rôle de l'immunité est le principal défi théorique et expérimental.

L'immunité influence simultanément la multiplication du pathogène, la durée de l'infection, la transmission, la guérison et les dommages corporels.

Elle influence donc la forme même du trade-off. Par exemple, un pathogène qui investit dans l'évasion du système immunitaire peut rester plus longtemps chez l'hôte, ces mécanismes d'évasion peuvent aussi modifier sa virulence.

Il faut donc passer du modèle simple transmission ↔ virulence à un modèle plus complexe et plus réaliste : transmission ↔ virulence ↔ réplication ↔ immunité ↔ guérison

Autre difficulté : le mode de transmission

Le compromis dépend fortement de la façon dont le pathogène passe d'un hôte à l'autre. Par exemple, si la transmission nécessite que l'hôte soit mobile et rencontre d'autres individus, une virulence très forte qui immobilise rapidement l'hôte peut être fortement désavantageuse. À l'inverse, lorsque la transmission est assurée par un vecteur, il peut provoquer beaucoup de dommages qui n’empêcheront pas transmission. Le mode de transmission peut donc modifier l'optimum évolutif de virulence.

La dernière difficulté est la structure spatiale et sociale

Les populations d'hôtes ne sont pas homogènes. Les individus vivent dans des groupes, des territoires ou des réseaux sociaux.

Une virulence très élevée peut alors conduire à une sorte de « burn-out » local : le pathogène infecte et élimine rapidement les hôtes d'un groupe avant de pouvoir atteindre d'autres groupes.

Ainsi, même sans un trade-off classique, la structure sociale peut contribuer à favoriser une virulence intermédiaire.

La virulence et la transmission dépendent donc aussi de l'écologie de l'hôte.

Propositions des auteurs de l’article

La théorie du trade-off n’est pas fausse, mais elle est trop simpliste et doit être enrichie. Il faut y intégrer progressivement la dynamique de l'immunité, la guérison, les infections multiples, la compétition entre souches, les processus évolutifs à l'intérieur de l'hôte, la structure spatiale et sociale, les différents modes de transmission, les effets non létaux de la maladie, les dynamiques épidémiologiques transitoires et le phénomène d'immunopathologie.

Comment prévoir l’évolution d’une maladie particulière et lutter contre elle

Il faut évidemment ajouter le modèle spécifique du couple hôte-pathogène au modèle général du trade-off.

Les interventions médicales et sanitaires modifient les contraintes de transmission, de guérison ou de mortalité, mais elles peuvent aussi modifier la sélection naturelle exercée sur le pathogène.

Une stratégie de contrôle ne doit pas seulement être évaluée en fonction de son efficacité immédiate : il faut aussi se demander comment elle modifie l'évolution du pathogène. Le cadre général du trade-off doit permettre de réfléchir plus avant à une gestion évolutive de la virulence pour chaque maladie.

Conclusion

Entre une virulence et maximale, les pathogènes évoluent en fonction d’un compromis complexe entre les bénéfices de la transmission et les coûts associés aux dommages, à la guérison et à la survie de l'hôte.

Le modèle du trade-off fournit seulement un cadre conceptuel qui permet de mieux comprendre les différentes caractéristiques biologiques susceptibles de modifier l'évolution des pathogènes.

Il ne faut pas défendre naïvement l'hypothèse du trade-off, mais la réhabiliter et la rendre biologiquement plus réaliste en insistant particulièrement sur le système immunitaire dans toute sa complexité.