Impact de polyphénols sur les propriétés d'immunomodulation et de colonisation du tractus gastrointestinal par des bactéries probiotiques

par Alissar Al Tarraf (Elissar)

Projet de thèse en Médecine, microbiologie et maladies transmissibles

Sous la direction de Jean Guzzo et de Pierre Lapaquette.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de Environnements Santé , en partenariat avec Procédés Alimentaires et Microbiologiques (laboratoire) depuis le 15-01-2018 .


  • Résumé

    Le microbiote intestinal est composé de plusieurs centaines d'espèces bactériennes,représentant un catalogue de gènes 150 fois plus important que les gènes présents dans le génome humain, ce qui représente un formidable potentiel métabolique (Qin et al., 2010). Ces bactéries participent activement au maintien de l'homeostasie intestinale, par exemple en facilitant l'absorption de nutriments par les enterocytes, en modulant le système immunitaire ou bien encore en limitant la colonisation du tractus gastro-intestinal par des espèces bactériennes pathogènes. Des dysbioses du microbiote intestinal ont pu être observées au cours de nombreuses pathologies humaines, en particulier des maladies inflammatoires chroniques intestinales (MICI), telles que la maladie de Crohn (MC) ou la rectocolite hémorragique (RCH) (Manichanh et al. 2012, Nat. Rev. Gastro. Hepato.). Ces dysbioses pourraient contribuer à l'apparition et la progression des maladies. A titre d'exemple, des expériences de transplantation de microbiote intestinal en modèle murin ont permis de montrer qu'un microbiote dysbiotique est suffisant pour induire une inflammation chronique au niveau du côlon et ainsi conduire au développement d'un syndrome métabolique ou d'une colite (Turnbaugh PJ et al. 2006 Nature ; Elinav E et al. 2011 Cell). Ces études soulignent l'importance de l'équilibre des communautés microbienne au niveau du tractus gastrointestinal de l'hôte afin de maintenir l'homéostasie des différents tissus. Différentes stratégies d'intervention, comprenant la transplantation fécale, l'administration de probiotiques ou bien encore des régimes nutritionnels particuliers, ont été développés afin d'agir sur les communautés microbiennes du tube digestif et restaurer l'homéostasie des tissus de l'hôte. La transplantation fécale, correspondant au transfert du microbiote d'un donneur sain à un patient receveur, à générer des résultats cliniques extrêmement encourageants dans le cadre des infections récurrentes à Clostridium difficile (Van Nood E et al. 2013 NEJM). Le succès de cette méthode représente une preuve de concept importante chez l'Homme du fait qu'agir sur la composition du microbiote intestinal est un levier fort pour résoudre certaines situations physiopathologiques. Toutefois le recours à la transplantation fécale reste encore limité de par les risques sanitaires important de transférer des microorganismes non caractérisés d'un individu à un autre (Sachs R et al. 2015 J. Law Bio.). L'alimentation est une autre méthode importante pour moduler le microbiote intestinal puisqu'elle représente le facteur le plus important influençant la composition du microbiote intestinal (Ley R et al. 2008 Nat. Rev. Microbiol.). En effet les nutriments ingérés peuvent agir de manière directe sur la composition du microbiote en servant de substrats aux microorganismes et de manière indirecte en modulant l'homéostasie intestinal et les composants du système immunitaire associé, eux même contribuant à réguler la composition du microbiote. De plus, le microbiote intestinal représente un véritable filtre métabolique qui peut transformer des nutriments en métabolites variés présentant des activités biologiques d'intérêt. En parallèle de cela, il existe un marché en pleine croissance pour le développement de microorganismes probiotiques (bactéries et levures). Il est attendu que l'ingestion de ces microorganismes bénéfiques permettent de stimuler le système immunitaire, favoriser l'homéostasie intestinale et dans une certaine mesure contribuer à l'équilibre du microbiote intestinal. Ce marché est estimé à 46,55 milliards de dollars US à l'horizon 2020 (source :marketsandmarkets.com). L'utilisation de bactéries probiotiques se révèle très efficace pour soigner différentes situations physiopathologiques (colite, cancer, syndrome métabolique)chez les organismes modèles de laboratoire toutefois l'utilisation de ces mêmes bactéries probiotiques chez l'Homme ont donné des résultats cliniques relativement décevants, avec des résultats peu reproductibles entre les cohortes de patients (Meijer BJ and Dieleman LA. 2011,J. Clin Gastro.), à l'exception du traitement des diarrhées liées à la prise d'antibiotiques. Ces résultats mitigés encouragent à mieux caractériser les mécanismes moléculaires permettant aux bactéries probiotiques d'exercer leurs effets bénéfiques et surtout mieux comprendre la relation de ces bactéries probiotiques avec le microbiote résident et l'alimentation. De plus une stratégie pour optimiser les fonctionnalités des probiotiques est de créer des formulations innovantes afin de mieux les cibler dans le tractus digestif, faciliter leur implantation et améliorer leurs effets bénéfiques. Le sujet de thèse que nous proposons s'inscrit dans ce contexte et vise à caractériser l'effet de micronutriments, et plus particulièrement de polyphénols, sur les propriétés bénéfiques des bactéries probiotiques des genres Lactobacillus et Bifidobacterium et sur leur implantation dans le microbiote intestinal. Dans ce projet de thèse, la candidate aura en charge: - dans un premier temps, d'évaluer l'impact d'une collection de polyphénols alimentaires disponibles au laboratoire (comprenant notamment le resveratrol) sur les capacités d'un panel de bactéries probiotiques des genres Lactobacillus et Bifidobacterium à former des biofilms, à adhérer à des cellules, à produire des métabolites d'intérêts (bactériocines, acide gras chaînes courtes, molécules immunomodulatrices) et à exercer une activité immunomodulatrice. Par des approches de génie génétique (création de mutants), de biochimie (fractionnement,western blot) et de biologie moléculaire (RNAseq, RT-qPCR), les mécanismes moléculaires par lesquels les polyphénols agissent sur les fonctionnalités des bactéries probiotiques seront explorés. Ces études seront réalisées in vitro avec la collection de souches probiotiques de notre équipe et avec des lignées de cellules épithéliales intestinales et immunitaires utilisées en routine au laboratoire. - dans un second temps, d'étudier, en fonction des résultats obtenus in vitro, les effets de différents régimes alimentaires (restriction calorique, supplémentation en polyphénols) sur les capacités de bactéries probiotiques (formulation propre au laboratoire): (i) à coloniser le tractus digestif, (ii) à exercer des activités immunomodulatrices ou bien encore (iii) à favoriser l'effet barrière de l'épithélium intestinal. Ces effets seront étudiés dans des modèles in vitro de culture cellulaire ou in vivo avec deux types d'animaux modèles utilisées au laboratoire (souris et poisson zèbre). L'étudiant travaillera dans l'équipe VALMIS – UMR PAM avec Jean Guzzo, Pierre Lapaquette et Aurélie Rieu. La plupart des outils nécessaires à la réalisation ce projet ont déjà été mise au point lors de la thèse de Nabil Aoudia(2007-2010) et Jana Al Azzaz (3ème année en cours). De plus la candidate pourra bénéficier de collaborations déjà établies afin d'élargir son champ de compétence (Equipe Probihôte INRA Micalis, Jouy-en-Josas, Paris ; INRA CSGA, Dijon et Inserm U866, Dijon).

  • Titre traduit

    Impact of polyphenols on immunomodulation and colonization properties of the gastrointestinal tract by probiotic bacteria


  • Résumé

    The intestinal microbiota is composed of several hundred bacterial species, representing a catalog of genes 150 times larger than the genes present in the human genome, which represents a formidable metabolic potential (Qin et al., 2010). These bacteria actively participate in the maintenance of intestinal homeostasis, for example by facilitating the absorption of nutrients by the enterocytes, modulating the immune system or by limiting the colonization of the gastrointestinal tract by pathogenic bacterial species. Dysbiosis of the intestinal microbiota has been observed in many human diseases, particularly inflammatory bowel diseases (IBD), such as Crohn's disease (CD) or ulcerative colitis (UC) (Manichanh et al., 2012). Nat Rev. Gastro Hepato). These dysbiosis may contribute to the onset and progression of diseases. For example, gut microbiota transplantation experiments have shown that a dysbiotic microbiota is sufficient to induce chronic inflammation in the colon and thus lead to the development of a metabolic syndrome or colitis (Turnbaugh PJ et al 2006 Nature, Elinav E et al 2011 Cell). These studies highlight the importance of microbial community balance at the level of the gastrointestinal host to maintain homeostasis of different tissues. Different intervention strategies, including fecal transplantation, the administration of probiotics or even special nutritional diets, have been developed to act on the microbial communities of the digestive tract and restore homeostasis of host tissues. Fecal transplantation, corresponding to the transfer of the microbiota from a healthy donor to a recipient patient, generates extremely encouraging clinical results in the context of recurrent Clostridium difficile infections (Van Nood E et al., 2013 NEJM). The success of this method represents an important proof of concept in humans because acting on the composition of the gut microbiota is a strong lever to resolve certain physiopathological situations. However, the use of fecal transplantation is still limited by the significant health risks of transferring uncharacterized microorganisms from one individual to another (Sachs R et al., 2015 J. Law Bio.). Diet is another important method for modulating intestinal microbiota since it is the most important factor influencing the composition of the gut microbiota (Ley R et al., 2008 Nat Rev Microbiol.). In fact, the nutrients ingested can act directly on the composition of the microbiota by serving as substrates for the microorganisms and indirectly by modulating the intestinal homeostasis and the components of the associated immune system, themselves contributing to regulate the composition of the microbiota. In addition, the intestinal microbiota represents a true metabolic filter that can transform nutrients into various metabolites with biological activities of interest. At the same time, there is a growing market for the development of probiotic microorganisms (bacteria and yeasts). It is expected that the ingestion of these beneficial microorganisms will stimulate the immune system, promote intestinal homeostasis and to some extent contribute to the balance of the intestinal microbiota. This market is estimated at 46.55 billion US dollars by 2020 (source: marketsandmarkets.com). The use of probiotic bacteria proves to be very effective in treating various physiopathological situations (colitis, cancer, metabolic syndrome) in laboratory model organisms; however, the use of these same probiotic bacteria in humans has given relatively disappointing clinical results. with poorly reproducible results between cohorts of patients (Meijer BJ and Dieleman LA, 2011, J. Clin Gastro.), except for the treatment of antibiotic-related diarrhea. These mixed results encourage a better characterization of the molecular mechanisms allowing the probiotic bacteria to exert their beneficial effects and especially to better understand the relation of these probiotic bacteria with the resident microbiota and the food. In addition, a strategy to optimize the functionalities of probiotics is to create innovative formulations to better target them in the digestive tract, facilitate their implantation and improve their beneficial effects. The thesis subject that we propose fits into this context and aims to characterize the effect of micronutrients, and more particularly polyphenols, on the beneficial properties of probiotic bacteria of the genera Lactobacillus and Bifidobacterium and their implantation in the intestinal microbiota. In this thesis project, the candidate will be in charge of: - first, to evaluate the impact of a collection of food polyphenols available in the laboratory (including resveratrol) on the ability of a panel of probiotic bacteria of the genera Lactobacillus and Bifidobacterium to form biofilms, to adhere to cells, to produce metabolites of interest (bacteriocins, fatty acid short chains, immunomodulatory molecules) and to exert an immunomodulatory activity. Through genetic engineering (mutant creation), biochemistry (fractionation, western blotting) and molecular biology (RNAseq, RT-qPCR) approaches, the molecular mechanisms by which polyphenols act on the functionalities of probiotic bacteria will be explored. These studies will be conducted in vitro with the collection of probiotic strains from our team and with intestinal and immune epithelial cell lines used routinely in the laboratory. - in a second step, to study, according to the results obtained in vitro, the effects of different diets (calorie restriction, polyphenol supplementation) on the probiotic bacteria capacities (laboratory specific formulation): (i) to colonize the digestive tract; (ii) to exercise immunomodulatory activities; or (iii) to promote the barrier effect of the intestinal epithelium. These effects will be studied in in vitro cell culture or in vivo models with two types of model animals used in the laboratory (mouse and zebrafish). The student will work in the VALMIS - UMR PAM team with Jean Guzzo, Pierre Lapaquette and Aurélie Rieu. Most of the tools needed to complete this project have already been developed during the thesis of Nabil Aoudia (2007-2010) and Jana Al Azzaz (3rd year in progress). In addition, the candidate will be able to benefit from collaborations already established to broaden her field of expertise (Probihôte Team INRA Micalis, Jouy-en-Josas, Paris, INRA CSGA, Dijon and Inserm U866, Dijon).