Modulation par les fibres alimentaires et le mucus intestinal de la pathogénicité des Escherichia coli entérotoxinogènes (ETEC)

Modulatory properties of dietary fiber and role of intestinal mucus on Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) pathogenicity

• Auteur / Autrice : Thomas Sauvaitre
• Direction : Stéphanie Blanquet, Tom Van de Wiele, Lucie Etienne-Mesmin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie - Santé
• Date : Soutenance le 03/06/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Universiteit Gent
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Barnich, Benoit Chassaing
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Rolhion, Véronique Delcenserie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres dans l'alimentation humaine

Escherichia coli entérotoxinogène

Mots clés libres

Escherichia coli entérotoxinogène

ETEC

Pathogènes intestinaux

Mucus

Fibres alimentaires

Modèles in vitro

Enterotoxigenic Escherichia coli

ETEC

Intestinal pathogens

Mucus

Dietary fiber

In vitro models

Résumé

Le tube digestif humain est un acteur clé à la frontière entre l'environnement externe et l'hôte. À l'interface entre la lumière digestive et l'épithélium intestinal, la couche de mucus, une sécrétion viscoélastique complexe et adhérente, agit comme un modulateur majeur de la santé humaine. Afin d'atteindre les cellules intestinales et/ou de les coloniser, plusieurs agents pathogènes entériques doivent interagir avec cette ligne de défense physique, chimique et biologique et la traverser. L’Escherichia coli entérotoxinogène (ETEC), principal agent pathogène de la diarrhée du voyageur, n'échappe pas à cette règle. Pour accomplir son cycle infectieux, l’ETEC est équipé d'un arsenal d'adhésines et de mucinases permettant respectivement d’adhérer à et de dégrader le mucus. Ces mécanismes de colonisation facilitent la production et la libération des entérotoxines thermolabile (LT) et/ou thermostable (ST), responsables in fine de la diarrhée aqueuse de type cholérique. À ce jour, le traitement des infections à ETEC reste principalement symptomatique avec un recours fréquent aux antibiotiques. Compte tenu du poids mondial de la résistance aux antibiotiques et de son impact négatif sur la santé humaine, il est urgent de trouver de nouvelles stratégies préventives. Parmi les candidats, les fibres alimentaires ont été récemment étudiées pour leurs propriétés antagonistes contre des agents pathogènes entériques. Des études ont suggéré qu'elles peuvent agir par différents moyens : (i) antagonisme direct (effet bactériostatique, inhibition de l'adhésion cellulaire et de la production de toxines) ou (ii) antagonisme indirect notamment via la modulation de la composition/activité du microbiote intestinal ou l’inhibition de la dégradation du mucus par les microorganismes résidents. Dans ce contexte, ce travail de recherche doctorale conjoint entre l'Université de Gand (Belgique) et l'Université Clermont Auvergne (France) visait à (1) élucider comment le compartiment du mucus peut moduler la survie et la virulence de la souche prototypique ETEC H10407, et (2) étudier si des produits contenant des fibres alimentaires pourraient présenter des propriétés anti-infectieuses pour ETEC, notamment en empêchant les interactions ETEC-mucus. Dans le premier axe, nous avons confirmé la propension à l'adhésion de la souche prototypique d’ETEC H10407 pour le mucus intestinal en utilisant différentes approches simples in vitro. L'introduction d’une sécrétion de mucine et d’une matrice de mucus solide dans le modèle digestif dynamique TIM-1 a montré que le mucus pouvait favoriser la survie des ETEC lors du passage gastro-intestinal sans affecter significativement leur virulence. En revanche, lorsque la souche H10407 adhère sur des cellules intestinales de l'hôte simulées par la co-culture Caco-2/HT29-MTX sécrétant du mucus, l'expression des gènes de virulence est significativement induite. Ceci confirme que l'hôte est un facteur clé de la virulence du pathogène. Lors d’expériences de batch fermentaire simulant les interactions pathogènes-microbiote, l'ajout de mucine n'a pas eu d'impact significatif sur la survie de ETEC, mais nous avons montré que le compartiment muqueux était colonisé par un microbiote spécifique particulièrement affecté par l’infection. Dans le deuxième axe, un programme de criblage a d'abord été réalisé pour sélectionner parmi 8 produit contenant des fibres les deux plus à même d’exercer des propriétés anti-infectieuses contre la souche ETEC H10407. Ont été sélectionnés un extrait de fibre de lentilles et un extrait de parois de levure Saccharomyces cerevisiae. Des études approfondies ont indiqué que l'extrait de lentilles réduisait la concentration de toxine LT tandis que les parois de levure diminuaient l'adhésion des ETEC au modèle de co-culture sécrétant du mucus. (...)

The human digestive tract is a key player at the boundary between the external environment and the host. At the interface between the digestive lumen and the intestinal epithelium, the mucus layer, a complex viscoelastic adherent secretion, acts as a major modulator of human health. In order to reach the intestinal cells and/or colonize, several enteric pathogens have to interact with and get through this physical, chemical and biological line of defense. Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC), the main pathogenic agent of travelers’ diarrhea, does not escape this rule. To fulfil its infection cycle, ETEC is equipped with an arsenal of adhesins and mucinases allowing cellular adhesion and mucus degradation, respectively. These colonization mechanisms facilitate the production and release of heat labile (LT) and/or heat-stable (ST) enterotoxins, ultimately responsible for cholera-like watery diarrhea. To date the treatment of ETEC infection remains mainly symptomatic with a frequent use of antibiotics. Given the global burden of antibiotic resistance and its negative impact on human health, it is urgent to find new preventive strategies against these infections. Among the candidates, dietary fibers have been recently investigated for their antagonistic properties against enteric pathogens. A low number of studies has suggested that they may act through various means: (i) direct antagonism (bacteriostatic effect, inhibition of cell adhesion and toxin production) or (ii) indirect antagonism via modulation of gut microbiota composition/activity or decoy of resident gut microbes from mucus layer consumption. In this context, this joint doctoral research work between Ghent University (Belgium) and Université Clermont Auvergne (France) aimed to (1) unravel how the mucus compartment can modulate the prototypical ETEC strain H10407 survival and virulence, and (2) decipher if dietary fiber-containing products could present ETEC anti-infectious properties, notably by preventing ETEC-mucus interactions. In the first axis, we confirmed the prototypical ETEC strain H10407 adhesion propensity for the intestinal mucus by using different simple in vitro approaches. The introduction of mucin secretion and physical surface in the dynamic TIM-1 digestive model showed that mucus could favor ETEC survival during gastrointestinal passage without significantly affecting its virulence. However, when reaching the host intestinal cells simulated by mucus-secreting Caco-2/HT29-MTX co-culture, ETEC virulence gene expression was significantly induced confirming that the host is a key driver of pathogen’s virulence. When simulating the complex microbial background of the human gut, mucin addition did not impact significantly ETEC survival, but we showed that the mucosal compartment was colonized by a specific microbiota particularly affected by ETEC. In the second axis, a screening program was first performed to select among 8 fiber candidates from cereals, legumes or microbes the two most relevant based on their anti-infectious properties against ETEC strain H10407, namely a lentil fiber extract and specific yeast cell walls from Saccharomyces cerevisiae. In-depth investigations indicated that the lentil extract reduced LT toxin concentration while the yeast product decreased ETEC adhesion to the mucus secreting co-culture model. Also, in cell assays, both lentils and yeast fiber products were able to modulate ETEC virulence gene expression and innate immune response induction. Mainly yeast cell walls were able to strengthen intestinal barrier function. Finally, in batch experiments with fecal microbiota, we reported that the yeast product supported the prevalence of some phylogroups as Parabacteroides or commensal E. coli, which could be of interest in traveler’s diarrhea prevention. (...)