Influence de la flore intestinal sur le fonctionnement du...

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Influence de la flore intestinal sur le fonctionnement du cerveau

Laurent Naudon , Chargé de recherche CNRS

INRA, Institut Micalis78350 Jouy-en-Josas

[email protected]

Amis des sciences et techniques, Université Interâges du Dauphiné12 décembre 2018

http://www.micalis.fr/

mailto:[email protected]

Les micro-organismes sont présents partout dans l'environnement :

- dans l'air-dans le sol -dans l'eau

mais aussi - dans les aliments

- sur les êtres vivants

Relation

menaçante

Relation

pacifique :

Symbiose

SymbioseAssociation intime, durable et à bénéfice mutuel

entre deux organismes appartenant à des espèces différentes

Profitent d’un environnement stable-température-oxygène-pH

Et de l’apport de nutriments

Les micro-organismes

L’hôte humain

Profite de la présence des bactéries qui participent:

- à la défense contre les pathogènes.- à la mise en place du système immunitaire.- à la digestion des aliments

Chaque site corporel correspond à une niche écologique spécialisée et caractérisée par ses propres ensembles microbiens

Ensemble des microorganismes :bactéries, levure & champignons

qui partagent l’espace corporelle de l’hôte.

Petit point de vocabulaire

Flore microbienneMicrobiote =

Microbiote

de la peau

Le microbiote intestinal : une population microbienne considérable

Cent mille milliards de bactéries dans l’intestin (1014)

≈ 23 000 gènes humainvs.

≈ 600 000 gènes microbiens

Le rapport bactéries / cellules humaines est de

10 pour 1

3.8 1013

Le rapport bactéries / cellules humaines est de

3-4 pour 1

Sender R et al. Revised Estimates for the Number of Human

and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 2016 19;14(8)

• La colonisation microbienne du tube digestif commence dans les heures qui suivent lanaissance.

Quand et comment apparaît le microbiote intestinal ?

En cas de césariennemicrobiote de la peau

•Les premiers colonisateurs sont issus des microbiotes fécal et vaginal de la mère.

• Le microbiote se complexifie et se stabilise pour atteindre une composition proche de celle de l’adulte vers l’âge de 3 ans.

• Avant la naissance, le fœtus est stérile.

Avant la naissance Bébé Enfant Adulte Personne âgée

Traitementantibiotiqu

e

Malnutrition

Obèse

> 100 years

nourriture solide

Lozupone et coll., 2012. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature 489:220-30.

Le microbiote intestinal varie en fonction en fonction de l’âge

… de l’individu

de 4 adultes nord-américains

(USA)

Proportions des principaux phyla

présents dans l’intestin

9

DomaineBacteria

PhylumFirmicutes

ClasseBacilli

OrdreLactobacillales

FamilleLactobacilleaceae

GenreLactobacillus

EspèceLactobacillus acidophillus

Les différents rangs taxonomiques de classification des bactéries

DomaineEukarya

PhylumChordata

ClasseMammalia

OrdrePrimate

FamilleHominidae

GenreHomo

EspèceHomo sapiens

Lozupone et coll., Nature 2012

Analyse du microbiote fécal de 531 personnes en bonne santé

Les habitants des USA diffèrent de ceux du Malawi (Afrique australe) et de la région amazonienne du Vénézuela.

Variation du microbiote en fonction de l’environnement

La dysbiose du microbiote intestinal

Qu’est ce que la dysbiose ?C’est une perturbation de l’équilibre de l’écosystème microbienet du bénéfice mutuel entre l’hôte et son microbiote.

Perméabilitéintestinale

OxydationSignal de stress

Diversité du microbiotePauvre

Inflammation

DysbioseBarrière

intestinaleEquilibre

d’oxydoréduction

Diversité du microbioteRiche

Tolérance immunologique

Symbiose

Passage

d’un équilibre

à l’autre

Joel Doré, Micalis, 2017

Sujet en bonne santé

Dysbiose

Sujet malade

Le microbiote intestinal pourrait-il jouer un rôle dans la physiopathologie

des maladies psychiatriques?

L’encéphalopathie hépatique

Syndrome neuropsychiatrique qui se manifeste par :

1er stadeDiminution de

l’attention

2ème stadeLéthargie et

faible état de confusion

3ème stadeSomnolence et

fort état de confusion4ème stade

Coma

Bajaj et al, Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2012

Mais aussi- de l'anxiété et des troubles de l'humeur- des troubles de la cognition




l’attention





Coma


l'encéphalopathie hépatique est causée parun dysfonctionnement du foie (Cirrhose hépatique)

Mais toutes les cirrhose ne s’accompagne pas d’encéphalopathie hépatique


Sujet sain

Cirrhose Cirrhose avec Encéphalopathie hépatique

Composition

Du microbiote intestinal



l’attention





Coma





l’attention





Coma

La modification de la composition du microbiote intestinal par les antibiotiques, probiotiques et prébiotiques

améliore les performances cognitives.


Microbiote intestinal et cerveau :

un domaine de recherche en plein développement

PubMed : Articles microb* gut brain

No

mb

re p

ar

an

0

50

100

150

200

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Jusqu’au début des années 2000 l’existence d’une influencedes bactéries de l’intestin

sur le fonctionnement du cerveaun’était pas vraiment envisagée.

Etudes de

transplantation fécale

Etudes avec

antibiotiques

Cryan et Dinan, Nature Reviews 2012

Axe microbiote-intestin-cerveau

Etudes avec probiotiques

Etudes avec

des animaux sans germe

Stratégies utilisées pour étudier le rôle

de l'axe microbiote-intestin-cerveau

Modèles chez le Rongeur

1885

Pasteur

20

Etudes avec des souris sans germe = souris axéniques

Qu’est ce qu’un animal axénique ?

C’est un animal exempt de tous germes, et donc dépourvu demicrobiote intestinal.Il est né et élevé en conditions stériles en isolateur.

Etudes avec des souris sans germe = souris axéniques

Un animal axénique est comparé à unanimal conventionnel, qui possède unmicrobiote intestinal complexe.

Absence de bactérie

Les rongeurs axéniques présentent unehyper-réactivité de l’axe du stress

Sudo et al, J Physiol 2004 ; Crumeyrolle-Arias et al, Psychoneuroendocrinology 2014

Souris

Stress de contention

Conventionnel AxéniqueRat

Stress de l’«Open-field »

Etudes avec des souris axéniques

Avant stress

Après stress

Crumeyrolle-Arias et al, Psychoneuroendocrinology 2014

Etudes avec des souris axéniques

Test de l’«open- field »

6 min

Absence de bactérie

Rats conventionnels

Rats axéniques

- Plus longue latence à quitter le coin

- Moins de visites au centre

- Plus de défécations

- Plus longue latence à quitter le coin

- Moins de visites au centre

- Plus de défécations

Les rats axéniques sont plus anxieux que les rats conventionnels

Qu’est-ce qu’un antibiotique ?

C’est une molécule limitant la croissance bactérienne- soit en détruisant les bactéries- soit en limitant leur multiplication.

Etudes avec les antibiotiques

Mélange d’antibiotiques

non absorbables(néomycine,

bacitracine, et pimaricine)

7 jours

Balb/cSouche de souris

émotive, craintive

ContrôleContrôle TraitéTraité

(Bercik et coll., Gastroenterology 141, 599–609, 2011)

Etudes avec les antibiotiques

(Bercik et coll., Gastroenterology 141, 599–609, 2011)

Test de « Step-down»

La dysbiose provoqué par le traitement antibiotiquea un effet anxiolytique

5 min

Les souris mettent 2 fois moinsde temps pour descendre

Les souris mettent 2 fois moinsde temps pour descendre

Traitementantibiotique

Etudes avec les probiotiques

Elie Metchnikoff(1845-1916)

Corrélation en Bulgarie entre Une consommation importante

de produits lactés fermentéset

Une forte proportion d’individus centenaires.

Corrélation en Bulgarie entre Une consommation importante

de produits lactés fermentéset

Une forte proportion d’individus centenaires.

Relation causale entre bactéries et bonne santé de l’hôte

Début du XXème siècle

Auto-intoxication = Processus par lequel des toxines

produites par les bactéries intestinales pourraient

influer sur la santé de l’hôte (ex. les maladies

mentales).Le vieillissement serait causé par la

prolifération progressive de bactéries

toxiques dans l’intestin.

Les Bactéries lactiques pourraient s’opposer au

processus d’auto-intoxication et ainsi prolonger la

vie.

Les probiotiques sont des microorganismes vivants qui,

lorsqu’ils sont administres en quantité adéquates, confèrent unbénéfice pour la sante de l’hôte.

Définition par l’Organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO)

et l’Organisation Mondiale de la Sante (OMS)

Yaourts et

laits fermentés

90%

Préparations

infantiles

4%

Fromages

3 %

Aliments : Majoritairement les produits laitiers

J. Aires Université Paris Descartes

Administration de souches probiotiquesEtudes avec les probiotiques

Les prébiotiques sont des molécules résistantes aux

étapes de la digestion favorisant le développement demicro-organismes bénéfiques pour l’Homme.

Retrouvés dans :

-Les fibres solubles non digestibles

-les fruits et légumes (Inuline, fructo-oligo-

saccharides)

-le lait maternelle (Oligosaccharides)

Les probiotiques peuvent être aussi fabriqués

En association avec des probiotiques

Pour une stimulation sélectives de leur croissance

et/ou de leur activité


Administration de souches probiotiques

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Revendication des produits

Majoritairement : Action bénéfique sur le système

digestif et l’équilibre du microbiote intestinal

Nouvelles revendication :

-Stimulation du système immunitaire/

Allergie

-Santé du système cardiovasculaire

-Santé bucco-dentaire

-Système nerveux et cerveau


RéserveAucune allégation de santé relative aux

probiotiques déposée par les industriels n’a été reconnue comme valide


Administration de souches probiotiques

les probiotiques constituent un moyen direct, et les prébiotiques un moyen indirectde moduler le microbiote intestinal.

Principal inconvénient de ce type de modèles :Les probiotiques et les prébiotiques n'agissent que de façon transitoire

- les probiotiques ne s’implantent pas dans le tube digestif -les prébiotiques sont dégrades parleurs bactéries cibles.

L’expérimentateur est donc obligé de les administrer quotidiennementpour maintenir les modifications recherchées.


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La combinaison de probiotiquediminue l’anxiété

en réponse à un stress

14 jours

Lactobacillus helveticus R0052

Bifidobacterium longum R0175

Rat Wistar

(Messaoudi et coll., British Journal of Nutrition, 2011)

test d'enfouissement défensif

Paramètre mesuré :

durée d’enfouissement de la sonde

Résultat équivalent à une injection de Valium (3 mg/kg)

Effet sur l’anxiété


Le rat met moinsde temps pour enfouir la sonde

Le rat met moinsde temps pour enfouir la sonde

Traitementantibiotique


Souris C57BL/6gestantes

immunostimulant poly (I:C) (utilisé pour simuler des infections virales)

- Stéréotypies

- Déficit de communication

- Perturbation du comportement social

Modèle d’autisme

(Hsiao et coll. Cell 155, 1451–1463, 2013)

Bacteroides fragilis

Au moment du sevrage

7 jours


Ce test reflète un comportement répétitif et de persévération

30 min

L’administration de B. fragilis corrige le comportement stéréotypé induit dans le modèle.

Souris du modèle

enfouissent 50% de billes de plus

que les souris contrôles

enfouissent 50% de billes de plus


Souris du modèle

+ probiotique

enfouissent le même nombrede billes que les souris contrôles

enfouissent le même nombrede billes que les souris contrôles

Souris

contrôles

Test d’enfouissement de billes


20 min

L’administration de B. fragilis corrige le déficit de communication induit dans le modèle.

Souris

du modèle

3 fois moins d’appels


3 fois moins d’appels


Souris

du modèle

+ probiotique

Même nombre d’appels


Même nombre d’appels


Vocalisations ultrasoniquesSouris mâle en présence d’une souris femelle inconnue


10 min

Un traitement précoce avec Bacteroides fragilis, n’améliore que certains traits comportementaux

associés à l’autisme.

Souris

du modèle

25% du temps

dans le compartiment « souris »

25% du temps


Souris

du modèle

+ probiotique

25% du temps


25% du temps


Interaction sociale

Ce test reflète la sociabilité

Souris

contrôles

45% du temps


45% du temps


(Messaoudi et coll. Gut Microbes 2:4, 256-261; 2011)

Chez des volontaires humains en bonne santéconsommation durant 30 jours d'une formule probiotique

(Lactobacillus helveticus R0052 et Bifidobacterium longum R0175)

Perceived Stress Scale Hospital Anxiety and Depression Scale

Questionnaires permettant la mesure de l'auto-perception de l’humeur et du niveau d’anxiété

PlaceboProbiotiques

Effets psychologiques

bénéfiques

Qu’en est-il chez l’Homme ?

(Sandler et coll. J child neurol 2000)37

VancomycineAntibiotique non absorbable, 3 fois par jour / 8 semaines

L’échelle de comportementévaluant : l'humeur, le contact visuel, l’attention, le niveau d'activité et le niveau de gravité des comportements stéréotypés.

L’échelle de communicationévaluant les capacités d'expression et de compréhension

Autisme régressif forme d'autisme

apparaissant vers 2 ans

Amélioration des performances par un traitement antibiotique

Bémol : le risque potentiel de résistance à la vancomycine limite son utilisation

Score basal

2,2 5,0

Score post traitement

1,7

Score basal

4,6

Score post traitement

Les maladies du spectre de l’autisme

Dysbiose du microbiote intestinal dans les pathologies

développementales et psychiatriques?

Diminution générale de la diversité du microbiote intestinal

Krajmalnik-Brown et al. Microb Ecol Health Dis. 2015; Jiang et al. Brain Behav Immun. 2015; Naseribafrouei et al. Neurogastroenterol Motil. 2014

DépressionDifférences dans la composition du microbiote

variables selon les études

Etudes de transplantation fécale

Qu’est ce qu’ une transplantation fécale chez le rongeur ?

Gavage avec une suspension de fèces soit : - de rongeurs préalablement traités aux antibiotiques - De rongeurs axéniques en isolateur

Souris axéniques

Test de nage forcée

Test de suspension par la queue

Echantillons de fèces poolés

5 patientsdépressifs

Vs.5 contrôles

Les souris colonisées présentent un comportement de type dépressif par rapport aux témoins.


contrôlesPatientsdéprimés

Durée d’immobilité

plus longueDurée d’immobilité

plus longue

Durée d’immobilité

plus longueDurée d’immobilité

plus longue

Dépression : Etudes de transplantation fécale

3 patientsdépressifs

Vs.3 contrôles

Les rats colonisés par des fèces de patients dépressifs présentent un comportement

de type dépressif par rapport aux témoins.

Rats traités 28 j aux antibiotiques

Sucrose Water

Test de préférencedu sucrose

Echantillons de fèces poolés

contrôlesPatients dépressifs

MoindrePréférence pour

le sucrose

MoindrePréférence pour

le sucrose


Philippe FossatiJean-Yves Rotgé

Echantillonde fèces

Souris axéniques

Naudon, Rotgé et al, manuscript in prep

1 patientdépressifs

Vs.1 contrôles

SucroseWater

Test de préférence du sucrose

« Step-down » test

Test de nouveauté


contrôlePatient déprimé

Pas de différence de préférence

Pas de différence de préférence

Latence

plus longueLatence

plus longue

Latence

plus longueLatence

plus longue

microbiote oropharyngé

Castro-Nallar et al . PeerJ 2015; Dickerson F et al., Brain Behav Immun. 2017

Dysbiose et schizophrénie ?

Schizophrènes Témoins

16 adultesschizophrènes

16 adultestémoins

Différences dans la composition

du microbiote oropharyngé

28 adultesschizophrènes

16 adultestémoins

Une altération du microbiotepourrait être impliquée dans la schizophrénie.

Schwarz et al. Schizophr Res. 2017.

Dysbiose et schizophrénie ?

Schizophrènes Témoins

Corrélation entre la quantité de bactéries du groupe Lactobacillus et la sévérité des symptômes

Dans le sous-groupe de patients qui avait les différences de microbiote les plus fortes Réponse plus faible après 12 mois de traitement.

bacterial 16S ribosomal RNA

gene

72 patients parkinsoniens

72 sujets contrôles

Scheperjans et coll. 2014

L'abondance de bactéries de la famille des Prevotellaceae

dans les fèces des patients parkinsoniens est réduite de 78 % par rapport aux contrôles.

Corrélation entre la quantité de microbes de la famille Enterobacteriaceae

dans l’intestin des patients et le degré de gravité

des problèmes d'équilibre et de marche.

Dysbiose et maladie de Parkinson ?

Le microbiote intestinal régule l’axe du stress et la réponse au stress.

La modification du microbiote intestinal peut altérer le comportement de

type anxieux.

Les voies de communication entre l’intestin-cerveau restent à identifier.

Actuellement, recherches pour savoir si les résultats observés chez l’animal

peuvent être retrouvés chez l’homme.

Nouvelles hypothèses en psychiatrie

Conclusion

Des dysbioses du microbiote intestinal pourraient contribuer à la physio-

pathologie des troubles psychiatriques.

Cibler les microbiote intestinale pourrait être une nouvelle voie thérapeutique

pour ces maladies.

Aurélia BruneauSébastien BurzValérie DaugéFabienne DevimmeVéronique DouardNa FeiPhilippe GérardChristine HeberdenElise MaximinHayatte MirMagali MonnoyeLaurent NaudonCatherine PhilippeAline PotironSylvie RabotXufei Zhang

MathildeJaglin

Equipe Mia

Emmanuelle MaguinMoez RhimiSamira Bouddebouze

Animalerie AnaxemAurélie BalvayDeborah BelletAnne FoussierFatima JolyClaire MaudetAmanda MorgaSylvie Rabot

Sylvie VancasselNathalie Castanon

Philippe FossatiJean-Yves Rotgé

Myriam BalderasChadi CalargeRuth Ann LunaBillie Tyler

Catalin ChimerelFiona GribbleFrank Reimann

Didier DupontGwénaële Henry

Paule Latino-MartelPilar GalanFabien Szabo

ERE

NNathalie Guérineau

Equipe Amipem

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Etudes avec des animaux axéniques

Axénisation d'une lignée de rongeur

Juste avant la fin du terme, une hystérectomie aseptique est

pratiquée sur une femelle gravide conventionnelle.

L'uterus est isolé puis transféré dans un isolateur stérile.

Une fois dans l'isolateur, les petits sont sortis de l'utérus

puis sont:

- soit adoptés par une mère d’une lignée ayant déjà été

mise en axénie

- soit, dans le cas de la toute première axénisation de

l'espèce,

nourris au biberon avec du lait stérilisé.

La dysbiose du microbiote intestinal

Qu’est ce que la dysbiose ?C’est une perturbation de l’équilibre de l’écosystème microbienet du bénéfice mutuel entre l’hôte et son microbiote.

Un déclin des espèces de bactéries bénéfique

pour la santé

Une augmentationdes bactéries pathogènes

Une diminution de la diversité des espèces de

bactéries

Une dysbiose peut

se manifester par

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