Interactions entre EHEC O157∶H7 et le microbiote intestinal en relation avec le jeune âge et le régime alimentaire occidental : simulation colique in vitro

Interactions between EHEC O157∶H7 and gut microbiota in relation to young age and Western Diet : in vitro colonic simulation

• Auteur / Autrice : Deborah O'Sullivan
• Direction : Stéphanie Blanquet, Cormac Gahan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 07/03/2025
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie Environnement Digestif et Santé
• Jury : Président / Présidente : Herbert Schmidt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Miquel, Romain Villeger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Herbert Schmidt, Christel Béra-Maillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flore intestinale

Escherichia coli entérohémorragique

Mots clés libres

Ehec

Microbiote intestinal

Mucus

Ehec

Gut Microbiota

Mucus

Résumé

Escherichia coli entérohémorragique (EHEC), un sous-ensemble d'Escherichia coli producteur de Shiga-toxines (STEC), est un pathogène alimentaire majeur qui provoque des maladies graves allant de la diarrhée au syndrome hémolytique et urémique (SHU), en particulier chez les jeunes enfants. La pathogénicité des EHEC repose sur la production de la toxine de Shiga, des facteurs spécifiques à l'hôte tels que l'âge, le régime alimentaire et la composition du microbiote intestinal influençant la colonisation et la virulence. Alors que le régime alimentaire occidental a augmenté la sensibilité aux infections entériques chez la souris, son effet sur le microbiote intestinal humain et l'impact sur la colonisation des EHEC chez l'homme ne sont pas encore clairs.Dans le cadre des actions Marie Skłodowska-Curie - ITN, COL_RES : Colonization Resistance, qui vise à examiner comment le microbiote intestinal protège contre les pathogènes d'origine alimentaire, cette recherche étudie le rôle du microbiote intestinal humain dans la résistance à EHEC, en approfondissant spécifiquement les perturbations du microbiote intestinal. Les recherches menées au laboratoire MEDIS de l'Université Clermont Auvergne ont utilisé des modèles intestinaux in vitro qui intègrent les paramètres physio-chimiques, nutritionnels et microbiologiques du côlon humain, adaptés aux conditions pédiatriques ou adultes, afin d'étudier le rôle du microbiote intestinal humain dans la résistance aux EHEC. Le projet a été divisé en deux axes : l'axe I, axé sur les perturbations du microbiote intestinal dues à l'immaturité chez les enfants, et l'axe II, axé sur le régime alimentaire occidental chez les adultes.L'axe I a examiné les modifications du microbiote et de la composition du métabolome chez les jeunes enfants en utilisant le modèle Toddler ARtificial COLon (T-ARCOL) infecté par la souche EDL 933 de EHEC O157:H7. Des échantillons de selles d'enfants souffrant de diarrhée à STEC positive et après guérison ont été utilisés pour inoculer le T-ARCOL. Les résultats ont montré une réduction progressive de la colonisation par les STEC, avec des différences significatives dans la composition du microbiote entre les états diarrhéiques et les états de récupération. Les états diarrhéiques présentaient une diversité α plus faible et des niveaux plus élevés de pathobiontes potentiels, tels que les Clostridiaceae, ainsi qu'une augmentation des métabolites tels que l'acétate, le succinate et l'acide N-acétylneuraminique.L'axe II a étudié les effets d'un régime standard par rapport à un régime occidental sur la composition et les activités du microbiote intestinal de l'adulte et sur la colonisation par les EHEC en utilisant le Mucosal ARtificial COLon (M-ARCOL). Deux bioréacteurs M-ARCOL ont été inoculés avec des échantillons de matières fécales d'adultes et ont fonctionné en parallèle, recevant soit un régime standard soit un régime occidental et infectés par la souche EDL933 de EHEC O157:H7. La colonisation par EHEC a varié en fonction du donneur et du régime alimentaire dans les échantillons luminaux, mais a persisté dans le compartiment muqueux, ce qui suggère une niche favorable. Le régime alimentaire occidental a eu un impact sur les profils bactériens d'acides gras à chaîne courte et d'acides biliaires, avec des niveaux élevés de butyrate potentiellement liés à une colonisation EHEC prolongée.Ces résultats fournissent de nouvelles informations sur la dynamique du microbiote intestinal humain et du métabolome ainsi que sur la colonisation et/ou la virulence de EHEC dans des modèles intestinaux in vitro, tout en démontrant l'influence de l'immaturité, de l'alimentation et de la variabilité individuelle du microbiote. Ce travail démontre l'application de modèles in vitro complexes pour étudier le microbiote et les interactions pathogènes dans l'intestin humain et offre des perspectives prometteuses pour l'étude et l'évaluation futures des stratégies contre l'infection par EHEC.

Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC), a subset of Shiga-toxin-producing Escherichia coli (STEC), is a major foodborne pathogen that causes severe diseases ranging from bloody diarrhea to hemolytic uremic syndrome (HUS), particularly in young children. EHEC pathogenicity is driven by Shiga toxin production, with host-specific factors such as age, diet, and gut microbiota composition also influencing colonization and virulence. The gut microbiota can protect against pathogens by mechanisms of colonization resistance. Perturbations of the gut microbiota, influenced by risk factors including immaturity and dietary patterns, such as the Western diet, increase susceptibility to enteric infections in mice. However, the effect of these risk factors on the human gut microbiota and the subsequent impact on EHEC colonization and virulence in the human gut remains unclear.As part of the Marie Skłodowska-Curie Actions - Innovative Training Network, COL_RES: Colonization Resistance, which aims to examine how the gut microbiota protects against foodborne pathogens, this research aims to investigate the role of the human intestinal microbiota in resistance to EHEC, specifically delving into potential perturbations of the gut microbiota in at-risk situations related to young age and diet. Research at the MEDIS laboratory, Université Clermont Auvergne, utilized in vitro gut models that integrate the physio-chemical, nutritional, and microbiological parameters of the human colon, adapted to pediatric or adult conditions, to investigate the role of human intestinal microbiota in resistance to EHEC. The project has been divided into two research axes: focusing on EHEC infection in at-risk situations in the gut microbiota due to immaturity in children (axis I) and the Western diet in adults (axis II).Axis I examined the microbiota and metabolome composition changes in young children using the Toddler ARtificial COLon (T-ARCOL) model infected with EHEC O157:H7 strain EDL 933. Stool samples from children with STEC-positive diarrhea and post-recovery were used to inoculate the T-ARCOL. Results showed a progressive reduction in STEC colonization, with significant differences in microbiota composition between diarrheal and recovery states. Diarrheal conditions exhibited lower α diversity and higher levels of potential pathobionts, such as Clostridiaceae, and increased metabolites like acetate, succinate, and N-acetylneuraminic acid.Axis II investigated the effects of a Standard versus a Western diet on adult gut microbiota composition and activities and EHEC colonization using the Mucosal ARtificial COLon (M-ARCOL) model. Two M-ARCOL bioreactors were inoculated with adult fecal samples and run in parallel, receiving either a Standard or Western diet and infected with EHEC O157:H7 strain EDL933. EHEC colonization varied with donor and diet in luminal samples but persisted in the mucosal compartment, suggesting a favorable niche. The Western diet impacted bacterial short-chain fatty acid and bile acid profiles, with high butyrate levels potentially linked to prolonged EHEC colonization.These findings provide novel insights into human gut microbiota and metabolome dynamics, and EHEC colonization and/or virulence within in vitro gut models. They also demonstrate the influence of immaturity, diet, and individual microbiota variability. These studies demonstrate the application of complex in vitro models to study diet, microbiota, and pathogen interactions in the human gut of infants or adults. This work offers promising perspectives for future investigation and evaluation of anti-infectious strategies against EHEC.