Th.--Méd.--Nancy 1, 1983. N°: 175.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Plus d'un siècle s'est écoulé depuis le premier signalement de la furonculose, une maladie affectant les salmonidés. Au Québec, la furonculose représente environ 25 à 50 % des maladies diagnostiquées chez les salmonidés chaque année. Les options thérapeutiques contre la furonculose se limitent pour la plupart aux vaccins et aux antibiotiques. L'utilisation de vaccins chez les poissons est lourde, coûteuse et peu disponible au Québec. Les antibiotiques constituent le traitement le plus commun. L'utilisation excessive d'antibiotiques augmente le risque de développement de souches résistantes aux antibiotiques. *Aeromonas salmonicida* subsp. *salmonicida*, l'agent causal de la furonculose, a été identifié comme une source importante de gènes de résistance aux antibiotiques, et on sait maintenant que cette bactérie peut transférer ou acquérir des éléments génétiques mobiles même à partir d'autres espèces bactériennes dans les milieux aquatiques. Il est donc impératif d'introduire des traitements alternatifs plus durables. La phagothérapie a retenu l'attention en raison de ses nombreux avantages par rapport aux options thérapeutiques potentielles. L'utilisation de phages individuels, sous forme de cocktail ou même comme adjuvant aux antibiotiques, peut constituer une option thérapeutique prometteuse contre l'infection par la furonculose. Les objectifs de la présente thèse de doctorat étaient: (1) l'étude de la dynamique des cocktails de phages et des interactions bactériennes en milieu liquide; (2) l'isolement de nouveaux phages pour augmenter l'efficacité du futur cocktail qui sera utilisé dans les fermes piscicoles du Québec; (3) le développement d'une métrique fiable pour une interprétation plus facile des courbes de croissance bactérienne traitées avec des phages afin de faciliter la comparaison de plusieurs courbes prenant en compte des profils de croissance de tout type. Avant de réaliser des tests *in vivo*, il était crucial de rationaliser le processus de sélection des phages grâce à des mesures de densité optique de la croissance bactérienne influencée par les phages. Ce travail d'optimisation a confirmé qu'un cocktail de quatre phages à multiplicité d'infection (MOI) de 1 présente la plus grande efficacité lytique contre une bactérie modèle. Cependant, l'utilisation du même cocktail à une MOI identique contre des souches porteuses du Prophage 3 a conduit à un phénomène de résistance qui n'a été observé qu'en milieu liquide. Le phénomène de résistance a été confirmé en testant le même cocktail sur des souches sensibles lysogénéisées par le Prophage 3. Afin de contourner la résistance aux phages observée, et d'augmenter le potentiel lytique du futur cocktail contre la furonculose, une solution consistait à isoler de nouveaux phages en utilisant des souches résistantes comme hôte bactérien. Par conséquent, MQM1, un podophage virulent, a été isolé du mucus de poissons probablement morts à cause de la furonculose. Il a été confirmé que ce phage est dépourvu d'enzymes associées au cycle lysogène et de facteurs de virulence, ce qui indique qu'il pourrait être utilisé en phagothérapie. De plus, en plus de présenter un fort phénotype bactéricide perceptible au moins 24 heures après l'infection chez 87 % des souches porteuses de Prophage 3 trouvées dans la collection *A. salmonicida* subsp. *salmonicida*, MQM1 présentait un taux d'adsorption élevé sur l'hôte bactérien. Dans le cadre de cette thèse, une nouvelle métrique permettant de mesurer quantitativement et de manière fiable l'efficacité lytique des phages contre des hôtes bactériens a été décrite. Cette métrique vise à rationaliser les comparaisons entre les courbes de densité optique non canoniques des bactéries affectées par les phages. Dans le dernier chapitre de cette thèse, les résultats préliminaires des tests *in vivo* menés au LARSEM sont présentés. L'objectif principal de ce premier test *in vivo* était d'évaluer l'impact de la présence de phages sur la santé des poissons et d'évaluer la persistance des phages dans l'eau des poissons en l'absence d'hôte bactérien. Le phage Riv-10 a montré une plus grande persistance dans l'aquarium après 22 jours, mais en général, le titre des phages a considérablement diminué en raison de l'absence d'hôte bactérien. De plus, aucune mortalité ou retard de croissance n'ont été observés chez les poissons suite à l'ajout de phages. Au final, cette thèse de doctorat a montré que pour disposer d'une phagothérapie efficace en aquaculture, il est important d'enrichir constamment le cocktail de phages prêt à l'emploi, par une enquête perpétuelle de l'interaction phage-bactérie, et d'adapter les procédures nécessaires en conséquence. / Over a century has passed since the initial report of the disease "furunculosis" affecting brown trout. Yet, it remains a significant challenge in ensuring the sustainability of the aquaculture industry. In Quebec, furunculosis accounts for approximately 25% to 50% of diagnosed diseases in salmonids. The treatment options for furunculosis are mostly limited to vaccines and antibiotics. The use of vaccines in fish is cumbersome, expensive, and not quite being used in Quebec, and the antibiotics are the prominent treatment currently available. The excessive antibiotics utilization increases the risk of development of antibiotic resistant strains. *Aeromonas salmonicida* subsp. *salmonicida*, the causal agent of furunculosis, has been identified as a significant source of antibiotic-resistant genes, and it is now known that it could transfer/acquire mobile genetic elements both between species and within the same species in aquatic environments. Therefore, it is imperative to introduce alternative treatments that are more sustainable. Phage therapy has garnered attention due to its numerous advantages over potential treatment options. Thus, using phages individually, in a form of cocktail, or even as adjuvant to antibiotics may provide a promising treatment opportunity against furunculosis infection. The objectives of the present doctoral thesis were as follows: (1) to investigate the dynamics of phage cocktails and bacteria interaction in liquid assay; (2) to isolate new phages to increase the efficiency of the future « prêt-à-porter » phage cocktail which will be used in Quebec fish farms; (3) to develop a trustable quantitative metric for easier interpretation of phage-treated bacterial growth curves to facilitate the comparison of multiple curves taking into account growth profiles of all types. To adhere to the 3R rule (Replacement, Reduction, & Refinement) before conducting *in vivo* tests involving various combinations of phages, it was crucial to streamline the selection process through optical density measurements of bacterial growth when mixed with phages Additionally, the optical density measurements could help to better understand the dynamics of phage-bacteria interactions. A four-phage cocktail at multiplicity of infection (MOI) of 1 was confirmed to provide the highest lytic efficiency against a model bacterium. However, using the same cocktail at the same MOI against strains bearing Prophage 3 led to a resistance phenomenon which was only observed in liquid media. The resistance phenomenon was confirmed by testing the same cocktail on sensitive strains which were lysogenized by Prophage 3. In order to bypass the observed phage resistance, and to increase the lytic potential of the future phage cocktail against furunculosis, one solution was to isolate new phages by using resistant strains as the bacterial host. Consequently, MQM1, a virulent podophage, was isolated from the mucus of deceased fish suspected of having furunculosis. This phage was confirmed to lack enzymes associated with the lysogenic cycle and virulence, indicating that it may be useful in phage therapy. Additionally, apart from displaying a strong bactericidal phenotype that was noticeable at least 24 hours after infection in 87% of the Prophage 3-bearing strains found in the *Aeromonas* collection, MQM1 exhibited a high adsorption rate on the bacterial host. As part of this thesis, the development of a novel metric for quantitatively and reliably measuring the lytic efficiency of phages against bacterial hosts was introduced. This metric aims to streamline comparisons among non-canonical optical density curves of bacteria challenged with phages. In the final chapter of this thesis, the preliminary results of *in vivo* tests conducted at the LARSEM facility are presented. The primary objective of this initial *in vivo* test was to assess the impact of phages on fish health and to evaluate the persistence of phages in fish water in the absence of a bacterial host. Phage Riv-10 displayed greater persistence in the fish tank after 22 days, but in general, phage titers dramatically decreased due to the absence of a bacterial host. Also, no mortality was seen in fish as a result of phage addition. At the end, this doctoral thesis showed that to have an efficient phage therapy strategy in aquaculture, it is important to constantly enrich the ready-to-use phage cocktail, by perpetual investigation of phage-bacteria interactions, and adapt the necessary procedures accordingly.

Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida est une bactérie à Gram négatif causant la furonculose, une infection opportuniste des salmonidés d'élevage. Les méthodes actuelles de traitement contre la furonculose reposent fortement sur l'antibiothérapie. Cependant, une proportion importante des souches de cet agent pathogène opportuniste des poissons possède des gènes de résistance aux principaux antibiotiques utilisés pour guérir la furonculose. La présente thèse discute en détail de l'importance des interactions hôte-microbiote chez les salmonidés d'élevage et des mesures pouvant améliorer la résistance aux infections chez les salmonidés. Ces mesures peuvent être à large échelle (p. ex. la mise à place d'un système de recirculation de l'eau) ou à petite échelle (p. ex. l'administration de bactéries mutualistes aux poissons). Il y est également illustré comment des symbiontes endogènes de l'Omble de fontaine (ML11A et TM18) et une bactérie à acide lactique exogène (Bactocell) peuvent être mis à profit pour inhiber A. salmonicida subsp. salmonicida, augmenter la croissance et l'immunité innée d'Omble de fontaine et rétablir l'interaction fonctionnelle hôte-microbiote chez l'Omble de fontaine infecté à la furonculose. Lorsqu'ils sont administrés quotidiennement à des alevins vivants d'omble de fontaine, ML11A, TM18 et Bactocell ont contribué à améliorer plusieurs paramètres de leur état physiologique tels que le poids corporel moyen, le facteur de condition de Fulton et l'activité du lysozyme plasmatique (un indicateur de l'activité immunitaire innée). En contexte d'infection expérimentale de furonculose, les Ombles qui ont reçu des doses quotidiennes de TM18 et de Bactocell avaient deux fois moins de mortalité que le groupe témoin « infecté-non traité », mais seulement dans de l'eau à 13,6 °C. Dans l'eau à 15,6 °C, il n'y a pas eu de réduction significative de la mortalité. ML11A n'a pas réduit de manière significative la mortalité à l'une ou l'autre de ces deux températures. L'Omble de fontaine infecté traité avec Bactocell avait un transcriptome microbien intestinal extrêmement différent des poissons non infectés et infectés. Bactocell semble favoriser la restauration de l'expression génique nominale de l'hôte, mais en remodelant le transcriptome microbien intestinal dans un état d'eubiose différent de celui des ombles sains (non infectés). ML11A et TM18 semblent agir selon un mécanisme opposé à celui du Bactocell, c'est-à-dire en modulant l'expression des gènes de l'hôte impliqués dans la réponse à l'infection, sans altérer le transcriptome du microbiote (tous tissus confondus). Des perspectives intéressantes aux travaux de la présente thèse, par exemple combiner des souches probiotiques en un ou plusieurs traitements, vérifier la réactivité croisée de ces derniers avec d'autres traitements (conventionnels ou expérimentaux), considérer l'apport de différentes conditions environnementales sur le système Omble de fontaine - microbiote, sont également explorées. / Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida is a gram-negative bacterium that causes furunculosis, an opportunistic infection of farmed salmonids. Current treatment methods for furunculosis rely heavily on antibiotic therapy. However, a large proportion of strains of this opportunistic pathogen possesses genes for resistance to the main antibiotics used to cure furunculosis. This thesis discusses in detail the importance of host-microbiota interactions in farmed salmonids and discusses measures that can improve resistance to infections in salmonids. These measures can be large-scale (e.g. setting up a water recirculation system) or small-scale (e.g. administering mutualistic bacteria to fish). It is also illustrated how endogenous brook trout symbionts (ML11Aand TM18) and an exogenous lactic acid bacterium (Bactocell) can be used to inhibit A. salmonicida subsp. salmonicida, stimulate the growth and innate immunity of brook trout, and re-establishing the host-microbiota functional interaction in brook trout infected with furunculosis. When administered daily to live brook trout fry, ML11A, TM18 and Bactocell helped improve several parameters of their physiological state such as mean body weight, Fulton condition factor and plasma lysozyme activity (an indicator of innate immune activity). In the context of an experimental furunculosis infection, brook charr that received daily doses of TM18 and Bactocell had twice less mortality than the "infected-untreated" control group, but only in 13.6 °C water. In water at 15.6 °C, there was no significant reduction in mortality. ML11A did not significantly reduce mortality at either of these two temperatures. Infected brook trout treated with Bactocell had an extremely different gut microbial transcriptome from uninfected and infected fish. Bactocell appears to promote the restoration of nominal host gene expression, but by remodeling the gut microbial transcriptome into a different eubiotic state from that of healthy (uninfected) charr. The brook trout probionts ML11A and TM18 appear to act according to a mechanism opposite to that of Bactocell, i.e. by modulating the expression of the host genes involved in the response to infection, without altering the microbiota transcriptome (for all tissues combined). Interesting perspectives for the work of this thesis are also explored like combining probiotic strains in one or more treatments, assessing the cross-reactivity of these with other treatments (conventional or experimental), or considering the contribution of different environmental conditions to the brook charr-microbiota system.

Aeromonas salmonicida sous-espèce salmonicida, une bactérie pathogène infectant les poissons, cause une maladie nommée la furonculose qui est traitée par antibiotique. À cause des résistances aux antibiotiques, ceux-ci ne sont plus aussi efficaces. Comme les tests d'antibiogrammes nécessitent sept jours, une PCR multiplex ciblant les gènes de résistance aux antibiotiques homologués (sulfonamides et triméthoprime, tétracyclines, chloramphénicols) permettrait de détecter rapidement ces résistances. Suite à la caractérisation de séquences génomiques et l'optimisation de PCR multiplex, plusieurs souches d’A. salmonicida sous-espèce salmonicida ont été testées et leurs résultats ont été comparés avec ceux obtenus par les tests d'antibiogrammes. Il en ressort que la trousse développée est très performante voire plus que les tests d'antibiogrammes pour détecter les résistances aux sulfonamides, tétracyclines et chloramphénicols tout en étant plus rapide. Une connaissance plus approfondie sur les résistances aux sulfonamides et triméthoprime demeure d’actualité puis l'amélioration de la trousse diagnostique est à envisager. / Aeromonas salmonicida subspecies salmonicida, a pathogenic bacterium that infects fish, causes a disease named furunculosis, which is treated with antibiotics. The latters are not as effective because of antibiotic resistances. As the susceptibility tests require seven days, a multiplex PCR targeting the genes coding resistances against homologated antibiotics (sulfonamides and trimethoprim, tetracyclines, chloramphenicols) would detect resistance rapidly. Following the characterization of genomic sequences and optimization of multiplex PCR, several strains of A. salmonicida subspecies salmonicida were tested and the results were compared with those obtained by the susceptibility tests. It shows that the kit is highly efficient even more rapidly than the susceptibility tests to detect resistance to sulfonamides, tetracyclines and chloramphenicols while being faster. A deeper knowledge about sulfonamides and trimethoprim resistance and the improvement of the diagnostic kit should be considered.

La bactérie Aeromonas salmonicida utilise le système de sécrétion de type trois (SSTT) pour injecter des effecteurs à l'intérieur des cellules de l'hôte lors de l'infection. L'étude du génome d'A. salmonicida a révélé l'existence d'Ati2, un nouvel effecteur du SSTT. Ce projet avait pour but d'étudier la relation structure-fonction d'Ati2 afin de déterminer son rôle dans la virulence d'A. salmonicida. Des analyses biochimiques et en modélisation moléculaire ont permis de démontrer qu'Ati2 est une inositol polyphosphate 5-phosphatase qui hydrolyse les PtdIns(4,5)P₂ et les PtdIns(3,4,5)P₃. Divers mutants d'Ati2 ont été produits et clones dans des vecteurs d'expression chez l'amibe Dictyostelium discoideum. Les tests d'expression ont démontré qu'Ati2 est toxique pour l'amibe et que cela est lié à son activité catalytique. Ce projet de recherche a ainsi permis de démontrer l'existence d'un nouvel effecteur du SSTT et d'en spécifier la fonction dans la pathogénicité d'A. salmonicida.

*Aeromonas salmonicida* sous-espèce *salmonicida*, agent étiologique de la furonculose, impacte négativement les piscicultures chaque année au Québec. Dans les dernières années, une hausse de résistance aux antibiotiques chez cette bactérie a été remarquée. De la résistance contre la tétracycline chez les poissons est fréquemment observée, bien que cet antibiotique ne soit que peu utilisé par l'industrie aquacole. C'est toutefois le cas de l'industrie porcine, où la tétracycline est abondamment utilisée. En s'intéressant à l'environnement autour des piscicultures, ce présent projet établit l'hypothèse qu'il est envisageable d'observer des liens reliant la furonculose, les gènes de résistance aux antibiotiques chez *A. salmonicida* sous-espèce *salmonicida* et la contribution potentielle de l'environnement. À l'aide de méthodes de séquençage génomique et de bio-informatique, de nouveaux plasmides ont été caractérisés. Les plasmides, pAsa-2358, pAsa-2900 et pAsa-2900b, font maintenant partie du répertoire de plasmides de résistance retrouvés au Québec chez la sous-espèce *salmonicida*. Des échantillons provenant de piscicultures et de leur environnement limitrophe ont été récoltés et testés par biologie moléculaire dans le but de détecter les plasmides connus au Québec pour cette bactérie incluant les trois nouveaux plasmides. Un portrait global des plasmides retrouvés a été dressé, confirmant la présence potentielle de la bactérie sans éclosion active de furonculose. Effectivement, plusieurs plasmides problématiques de la sous-espèce, soit pSN254b et ceux de la famille des pRAS3 ont été détectés. Plus particulièrement, pSN254b confère une résistance à plusieurs antibiotiques, donnant une résistance à tous les antibiotiques autorisés au Canada pour traiter la furonculose. Sachant qu'ils sont détectés autant dans les sédiments que dans l'eau, il est possible d'envisager qu'à ces moments, une grande concentration de cet ADN était disponible dans l'environnement. Cette étude permet un premier pas vers l'analyse environnementale des milieux piscicoles au Québec. / *Aeromonas salmonicida* subspecies *salmonicida*, etiological agent of furunculosis, negatively impacts the fish farming industry every year in the province of Quebec. In the last years, a dramatic increase in the presence of antibiotic resistance genes within the bacterial strains of interest was observed. Tetracycline resistance in fish farms in Quebec is frequently observed, even though this antibiotic is rarely used against furunculosis in the industry. Moreover, it is quite overused in the swine industry. Looking more closely at the surrounding environments of fish farms, the present study establishes the hypothesis that it is possible to potentially establish links in between furunculosis, resistance genes in *A. salmonicida* subspecies *salmonicida* and the potential contribution of the environment. Working with genomic sequencing and bioinformatics, new plasmids were characterized. Plasmids pAsa-2358, pAsa-2900 and pAsa-2900b are now part of the list of known resistance-bearing plasmids in the province of Quebec for the subspecies *salmonicida*. Environmental samples were also collected and tested by molecular biology in the goal of detecting known plasmids found in Quebec in this bacterium, including the three new plasmids mentioned. A global portrait of plasmids found in them is discussed, confirming the potential presence of *Aeromonas salmonicida* subspecies *salmonicida* in the fishponds without active outbreaks of furunculosis. Problematic plasmids from the subspecies, pSN254b and those from the pRAS3 family were detected. More specifically, pSN254b confers resistance to multiple antibiotics, providing resistance to all antibiotics authorized for treatment in Canada. Knowing that these plasmids were detected both in sediment and water samples, it is possible to think that this DNA was available at a high concentration in the environment at this time. This study allows the debuts of the analysis of the environment of fish farms in Quebec.

Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida est une bactérie à Gram négatif responsable de la furonculose, une infection opportuniste des salmonidés d'élevage représentant en moyenne de 30 à 60 % des diagnostics annuels posés au Québec chez l'Omble de fontaine aquicole (Salvelinus fontinalis). Les méthodes de traitement actuelles contre la furonculose reposent essentiellement sur l'antibiothérapie et l'immunoprophylaxie. Cependant, l'usage intensif d'antibiotiques en aquaculture contribue à l'émergence de souches pathogènes d'A. salmonicida antibiorésistantes (certaines résistant à jusqu'à 8 antibiotiques). De plus, les effets secondaires associés à l'antibiothérapie et la vaccination peuvent causer des altérations maladaptives des interactions hôte-microbiote, en défaveur des bactéries résidentes de l'hôte qui contribuent à la résistance aux infections. C'est pourquoi l'administration de symbiontes bactériens endogènes à des hôtes sensibles en tant que traitement probiotique semble être une solution prometteuse. L'objectif de ce projet de maîtrise était d'initier la recherche et le développement d'un traitement à base de probiotiques endogènes pour prévenir et traiter la furonculose chez l'Omble de fontaine. Dans le cadre de ce projet, des souches de Pseudomonas spp. endogènes de l'Omble de fontaine ont été découvertes sur la base de leur effet d'antagonisme marqué et inductible vis-à-vis A. salmonicida. L'analyse bio-informatique du génome de ces souches a permis de prédire qu'elles appartiennent à l'espèce P. fluorescens, qu'elles sont a priori non pathogènes et qu'elles ne portent aucun gène horizontalement transférable de résistance à des antibiotiques homologués au Canada pour usage en aquaculture. Ces souches seraient donc des candidats probiotiques prometteurs pour prévenir et traiter la furonculose chez l'Omble de fontaine. / Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida is a Gram-negative bacterium causing furunculosis, an opportunistic disease of farmed salmonids that accounts for 30 to 60% of yearly diagnoses emitted for the brook charr (Salvelinus fontinalis) in the Quebec province, Canada. Current treatment methods against furunculosis include antibiotherapy and immunoprophylaxis. However, the intensive use of antimicrobials in aquaculture contributes to the emergence of resistant A. salmonicida strains (some of which can resist up to 8 antimicrobials). Moreover, the adverse effects of antibiotherapy and vaccination may cause maladaptive changes in host-microbiota interactions, in disfavour of resident bacteria that contribute to enhance disease resistance. Therefore, using bacterial symbionts as a probiotic treatment appears to be a promising solution to treat furunculosis. The purpose of this Master's project was to pioneer research and development of an endogenous probiotic-based treatment strategy for brook charr against furunculosis. In this project, endogenous Pseudomonas spp. strains from brook charr were identified on the basis of their strong and inducible in vitro antagonistic effect against A. salmonicida. Bioinformatic analyses of those strains' genome sequence predicted that: (i) they belong to the P. fluorescens species group, (ii) they are non-pathogenic a priori, and (iii) they harbor no horizontally-transferable genes that confer resistance to antibiotics approved for use in aquaculture in Canada. These P. fluorescens strains therefore are promising probiotic candidates for in vivo trials on live brook charr.