Transition nutritionnelle vers la végétalisation protéique : caractérisation et compréhension des réorientations métaboliques induites et de leurs effets sur la santé cardiométabolique

The dietary transition to more plant protein and less animal protein : characterizing and understanding the induced metabolic reorientations and their effects on cardiometabolic health

• Auteur / Autrice : Gaïa Lépine
• Direction : Sergio Polakof
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• 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 : Physiologie de la Nutrition et du Comportement Alimentaire (PNCA)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Walrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Morio, Hélène Fouillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie-Anne Nazare, Jean-Charles Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies cardiométaboliques

Alimentation -- Recherche

Protéines dans l'alimentation

Protéines végétales dans l'alimentation humaine

Mots clés libres

Essai clinique

Risque cardiométabolique

Biomarqueurs

Métabolomique

Traçage isotopique en abondances naturelles ou enrichies

Régimes végétalisés

Clinical trial

Cardiometabolic risk

Biomarkers

Metabolomics

Isotope labeling in natural or enriched abundances

Plant-Based diet

Résumé

Dans le cadre d'une transition vers une alimentation plus durable, la moindre consommation des sources de protéines animales au profit des sources de protéines végétales (i.e. végétalisation protéique) est encouragée afin de limiter l'impact environnemental des systèmes alimentaires, mais aussi pour améliorer la santé humaine. En effet, la végétalisation protéique est associée à une diminution du risque cardiométabolique à l'échelle populationnelle. Cependant, les données issues des études interventionnelles sont moins tranchées, et peu d'entre elles ont été conçues pour évaluer les effets d'une végétalisation protéique diversifiée et conduite de façon contrôlée. Par ailleurs, les mécanismes sous-tendant ces effets sont encore largement méconnus.Dans ce contexte, cette thèse visait à caractériser et mieux comprendre les réorientations métaboliques induites par la végétalisation protéique, afin d'apporter des éléments mécanistiques explicatifs des effets attendus de cette transition nutritionnelle sur la santé cardiométabolique. Pour ce faire, nous avons adopté une stratégie de recherche translationnelle combinant : 1) une étude préclinique sur rongeurs, testant les effets d'une exposition prolongée (4 mois) à des isolats protéiques d'origine purement animale (100% lait) ou végétale (50% blé - 50% pois), dans le cadre de régimes normo- ou hyper-lipidiques mimant les effets des régimes de type occidentaux ; 2) une étude clinique dans une population à risque cardiométabolique, testant les effets d'une exposition modérée (1 mois) mais fortement contrôlée à un régime flexitarien caractérisé par une végétalisation protéique notable (2/3 de protéines végétales) et diversifiée dans ses sources, comparativement à un régime contrôle prédominant en protéines animales, proche de la situation moyenne observée actuellement dans les pays occidentaux (1/3 de protéines végétales). Dans ces études, nous avons combiné différentes approches méthodologiques apportant des informations complémentaires aux échelles anatomiques (plasma, organes, corps entier), des processus considérés (molécules, voies métaboliques, fonctions) et de l'état physiopathologique (état post-absorptif ou postprandial, en santé ou à risque), avec un focus spécifique sur les approches « omiques » et isotopiques en abondances enrichies ou naturelles.La substitution des protéines animales par des protéines végétales dans l'étude préclinique a eu des effets bénéfiques marqués sur l'homéostasie glucidique et le métabolisme lipidique (moindre accumulation de lipides hépatiques par lipogenèse). A contrario, la végétalisation protéique plus modérée et courte conduite dans le cadre de régimes complets et équilibrés chez l'Homme n'a induit que de faibles changements dans le phénotype clinique des individus. La synthèse protéique était maintenue quel que soit le niveau de végétalisation protéique, grâce à des remaniements du métabolisme des acides aminés avec davantage de transaminations et une plus grande contribution de l'oxydation des glucides et des lipides à la synthèse d'acides aminés non indispensables. L'investigation détaillée du métabolome plasmatique chez l'homme a en outre permis de mettre en évidence d'autres adaptations métaboliques associées à la végétalisation protéique, liées notamment aux métabolismes des acides aminés et des lipides et à l'activité du microbiote intestinal. Dans l'ensemble, grâce à la combinaison des approches utilisées, ces travaux de thèse ont permis de mettre en évidence de nombreuses réorientations métaboliques associées à la végétalisation protéique, dont certaines pourraient contribuer à une diminution du risque cardiométabolique. Les réorientations métaboliques identifiées ici devront être vérifiées lors d'études ultérieures, et leur association avec le risque cardiométabolique reste encore à confirmer.

As part of the transition to more sustainable diets, reducing the consumption of animal protein sources in favor of plant protein sources has been encouraged to limit the environmental impact of food systems, but also to improve human health. This not only limits the environmental impact of food systems but also improves human health. In fact, consuming higher levels of plant protein sources is associated with a reduction in cardiometabolic risk at the population level. However, data from interventional studies are less clear-cut, and few studies have investigated the impact of increasing plant protein intake under controlled settings and with diverse protein sources. Furthermore, the mechanisms behind these effects remain largely unknown.In this context, this thesis aimed to characterize and better understand the metabolic reorientations induced by a shift from animal to plant protein sources, in order to provide explanatory mechanistic elements for the expected effects of this dietary transition on cardiometabolic health. To this end, we have adopted a translational research strategy combining: 1) a preclinical study on rodents, testing the effects of prolonged exposure (4 months) to protein isolates of animal (100% milk) or plant (50% wheat - 50% peas) origin, in the context of normo- or hyper-lipidic diets mimicking the effects of Western-type diets; 2) a clinical study in a population at cardiometabolic risk, testing the effects of a short term (1 month) but tightly controlled exposure to a flexitarian diet characterized by high plant protein intake (2/3 plant proteins) from diversified sources, compared with a control diet with a predominance of animal proteins, close to the average situation currently observed in Western countries (1/3 plant proteins). In these studies, we have combined different methodological approaches that provided complementary information at anatomical scales (plasma, organs, whole body), processes considered (molecules, metabolic pathways, functions) and physiopathological states (post-absorptive or postprandial state, healthy or at risk), with a special focus on “omic” and isotopic approaches using enriched or natural abundances.Substitution of animal proteins by plant proteins in the preclinical study had beneficial effects on carbohydrate homeostasis and lipid metabolism (less accumulation of hepatic lipids through lipogenesis). In contrast, the more moderate and shorter exposure to higher intake of plant protein sources, conducted as part of a whole and balanced diets in humans, induced only minor changes in the clinical phenotype of individuals. Protein synthesis was maintained regardless of the level of plant protein intake, thanks to changes in amino acid metabolism, including more transaminations and a greater contribution of carbohydrate and lipid oxidation to the synthesis of non-essential amino acids. Detailed investigations of the human plasma metabolome have also revealed other metabolic adaptations associated with a shift within protein sources, specifically involving amino acid and lipid metabolism, as well as gut microbiota activity. Thanks to the combination of approaches used, this work has highlighted numerous metabolic reorientations associated with higher intakes of plant protein sources, some of which may contribute to a reduction in cardiometabolic risk. The metabolic reorientations identified here will need to be verified in subsequent studies, and their association with cardiometabolic risk remains to be confirmed.