Exploration du potentiel santé des souches de Lactococcus lactis productrices de GABA : vers de nouvelles stratégies thérapeutiques dans la gestion de l'hypersensibilité viscérale

Health potential of GABA-producing Lactococcus lactis strains : towards novel therapeutic strategies in visceral hypersensitivity management

• Auteur / Autrice : Pedro Gomes
• Direction : Hélène Eutamène, Muriel Cocaign-Bousquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie, Physiopathologie, Toxicologie, Génétique et Nutrition
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Toxalim (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Bonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Eutamène, Muriel Cocaign-Bousquet, Muriel Bonin, Philippe Langella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Moïse Coëffier, Vincent Juillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Syndrome du côlon irritable

Lactobacillales

Lactococcus lactis

Mots clés libres

GRAS

Bactéries lactiques

Lactococcus lactis

GAD

GABA,

Syndrome de l’intestin irritable

Hypersensibilité viscérale

GRAS

Lactic acid bacteria

Lactococcus lactis

GAD

GABA

Irritable bowel syndrome

Visceral hypersensitivity

Résumé

Le syndrome de l’intestin irritable (SII) est une maladie chronique invalidante, récemment classée dans le nouvel intitulé des désordres des interactions de l’axe cerveau-intestin », anciennement appelés troubles fonctionnels intestinaux . Sur le plan clinique selon les critères de ROME IV, le SII se caractérise par une sensibilité accrue et une perception renforcée de la douleur dans l'intestin, phénomène appelé hypersensibilité viscérale, associée à des troubles du transit sans cause organique identifiable. Les symptômes du SII ont de fortes répercussions en termes de coûts et de qualité de vie des patients et entraînent et/ou aggravent le stress et l’anxiété. La physiopathologie du SII reste aujourd’hui mal comprise et les traitements prescrits se font en fonction des symptômes prédominants et de la gravité des plaintes. Dans ce cadre, certaines souches probiotiques sont capables d’influencer la communication entre le microbiote intestinal, l'intestin et le cerveau et de ce fait de moduler la sensibilité viscérale à travers la libération de neuromédiateurs spécifiques issus de ces bactéries. Parmi ces médiateurs, l’acide - aminobutyrique (GABA) est un neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central qui joue un rôle clé dans la perception et allègement de la douleur chez les mammifères. Chez plusieurs bactéries, un système de résistance au stress acide, les permet de produire du GABA après la décarboxylation de l'acide L-glutamique par l'enzyme glutamate décarboxylase (GAD). Ce système est notamment observé chez les bactéries lactiques (LAB) comme Lactococcus lactis (L. lactis), largement utilisé dans l’industrie agro-alimentaire pour son profil reconnue comme sûre pour la santé humaine (du therme « generally recognized as safe » en anglais). Bien qu'il ait été observé que la bactérie commensale Bifidobacterium dentium soit capable de réduire la HV induite par stress chez le rat via la production de GABA, la capacité des LAB à moduler la sensibilité viscérale via leur capacité à produire du GABA reste à définir. En conditions identiques de culture en bioréacteur, nous avons caractérisé trois souches de Lactococcus lactis productrices de GABA à des niveaux différents (de faiblement à fortement productrices) en relation avec leur activité GAD, et nous avons évalué leurs capacités à réduire la HV en réponse à un stress aigu chez le rat, dans un modèle mimant la symptomatologie du SII. Nous avons ainsi qualifié la souche CNCM I-5388 comme hyper-productrice de GABA vis-à-vis de la souche de référence NCDO2118 et montré que ses propriétés antinociceptives apparaissent dès le 1er jour de traitement par voie orale pour être significative après 5 jours de traitements contre 10 jours pour NCDO2118. Nous avons également établi que ces propriétés, pour les deux souches, sont GAD/GABA-dépendantes, agissant sur les récepteurs GABAB de l'hôte indépendamment des modifications de l'alpha et de la bêta-diversité du microbiote fécal. De plus, nous montrons que cet effet ne dépend pas de la viabilité cellulaire de L. lactis pour la souche CNCM I-5388. En effet, sous sa forme postbiotique (non viable, mais pour laquelle l’enzyme GAD est toujours active) nous observons un effet similaire à celui de la souche sous sa forme probiotique après 5 et 10 jours de traitement. Finalement, via des analyses des contenus gastrointestinaux des rats et des modèles statique ou dynamique qui miment le compartiment gastrique humain, Nos résultats suggèrent qu'un pH similaire à celui de l'estomac pourrait jouer un rôle majeur dans l'activation de la GAD bactérienne et la production de GABA pour exercer des propriétés antinociceptives in vivo. Nos conclusions indiquent que les souches de L. lactis productrices de GABA pourraient être utilisées à des fins thérapeutiques dans le traitement symptomatologique de la douleur viscérale invalidante dans la pathologie du SII et d’autres pathologies.

Irritable bowel syndrome (IBS) is a disabling chronic disease, recently classified under the new term "disorders of the gut-brain axis," formerly known as "functional gastrointestinal disorders." Clinically, according to the ROME IV criteria, IBS is characterized by heightened sensitivity and amplified pain perception in the gut, a phenomenon referred to as visceral hypersensitivity (VH), associated with bowel disturbances without identifiable organic causes. IBS symptoms have significant implications in terms of patient quality of life and costs, and they can trigger or exacerbate stress and anxiety. The pathophysiology of IBS remains poorly understood, and prescribed treatments are based on predominant symptoms and the severity of complaints. In this context, certain probiotic strains have the capacity to influence communication between the gut microbiota, the intestine, and the brain, thereby modulating visceral sensitivity through the release of specific neuromodulators produced by these bacteria. Among these modulators, -aminobutyric acid (GABA) is an inhibitory neurotransmitter of the central nervous system that plays a key role in pain perception and relief in mammals. In several bacteria, an acid stress resistance system allows them to produce GABA after the decarboxylation of L-glutamic acid by the enzyme glutamate decarboxylase (GAD). This system is notably observed in lactic acid bacteria (LAB) like Lactococcus lactis (L. lactis), widely used in the food industry for its generally recognized as safe (GRAS) status. Although it has been observed that the commensal bacterium Bifidobacterium dentium is capable of reducing stress-induced VH in rats through GABA production, the ability of LAB to modulate visceral sensitivity via their capacity to produce GABA remains to be defined. Under identical culture conditions in a bioreactor, we characterized three strains of L. lactis with varying levels of GABA production (from low to high production) in relation to their GAD activity. We evaluated their abilities to reduce VH in response to acute stress in a rat model that mimics IBS symptoms. We qualified the L. lactis strain CNCM I-5388 as a hyperproducer of GABA compared to the reference strain NCDO2118 and we demonstrated that its antinociceptive properties become significant after only 5 days of oral treatment, compared to 10 days for NCDO2118. We also established that these properties, for both strains, are GAD/GABAdependent, acting on the host's GABAB receptors independently of changes in fecal microbiota alpha and beta diversities. Furthermore, we show that this effect does not depend on the cellular viability of L. lactis for strain CNCM I-5388. Indeed, in its postbiotic form (non-viable but with active GAD enzyme), we observe a similar effect to that of the strain in its probiotic form after 5 and 10 days of treatment. Finally, through analyses of rats’ gastrointestinal contents and static or dynamic models that mimic the human gastric compartment, our results suggest that a stomach-like pH might be the major player in bacterial GAD activation and GABA production to exert antinociceptive properties in vivo. Our conclusions indicate that GABA-producing L. lactis strains could be used therapeutically for the symptomatic treatment of disabling visceral pain in IBS and other pathologies.