rôle du régime alimentaire et du microbiote intestinal sur le statut en fer

role of diet and intestinal microbiota on iron status

• Auteur / Autrice : Yohannes Demissie
• Direction : Christèle Humblot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NUTRIPASS - Nutrition et Alimentation des Populations aux Suds
• Jury : Président / Présidente : Delphine Sicard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christèle Humblot, Annick Bernalier-donadille, Marie-Christine CHAMPOMIER-VERGèS, Christophe Chassard, Philippe Donnen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Chassard, Philippe Donnen

Mots clés

Mots clés libres

Anémie

Fer

Bactérie

Intestin

Microbiote

Anemia

Iron

Bacteria

Intestine

Microbiota

Résumé

L'anémie est un problème majeur de santé publique mondiale qui touche 1,62 milliard de personnes dans le monde. Les causes de l'anémie sont multiples et complexes, mais il est généralement admis que la carence en fer est responsable d'environ la moitié des anémies. L'enrichissement et/ou la supplémentation en fer est la principale stratégie de lutte contre l'anémie nutritionnelle mais du fait de la faible biodisponibilité du fer provenant des fortifiants, moins de 15 % est absorbé dans le duodénum. Le reste atteint le côlon où il module le microbiote intestinal. Certaines études ont montré l'effet de la supplémentation et de la carence en fer sur la composition du microbiote intestinal, mais très peu d'informations sur le rôle du microbiote intestinal sur le métabolisme du fer de l'hôte sont disponibles. Par conséquent, l'objectif général de ce doctorat était d'étudier le rôle du microbiote intestinal sur le métabolisme du fer. Trois approches ont été utilisées. Premièrement, la prévalence de la carence en fer et de l'anémie chez les adolescentes de l'Éthiopie rurale a été étudiée. L’étude transversale réalisée a montré que les régimes alimentaires étaient principalement d'origine végétale, avec une faible consommation d'aliments d'origine animale, de fruits et de légumes. Seulement 4% des adolescentes avaient un score de diversité alimentaire adéquat, et 35% avaient un poids insuffisant. La prévalence de l'anémie et de la carence en fer étaient faibles, mais 41 % des adolescentes avaient des réserves marginales en fer. La faible prévalence de carence en fer, malgré un régime à prédominance végétale, est atypique et nécessite des stratégies dans des contextes similaires. Deuxièmement, nous avons voulu savoir si le microbiote provenant de donneurs humains ayant un statut en fer différent affectait le métabolisme du fer dans un modèle de souris initialement sans de germes. Deux échantillons fécaux prélevés chez des adolescentes éthiopiennes de statut en fer différent ont été inoculés à deux groupes de souris initialement sans germes soumises à un régime alimentaire standard. La composition du microbiote mesurée par PCR en temps réel (C. leptum, C. coccoides, Enterococcus, Bacteroides, Bifidobacteria, et Enterobacteriaceae) était similaire entre les inocula des donneurs, indépendamment de leur statut en fer. La teneur bactérienne totale de l'inoculum humain et du microbiote fécal des souris inoculées étaient similaire, traduisant une implantation réussie chez la souris. La teneur en fer fécale et cæcale, la ferritine plasmatique et la saturation en transferrine étaient semblables entre les deux groupes de souris ainsi que le niveau de protéine de stockage du fer (ferritine) dans le duodénum, le côlon et le foie. Ces résultats montrent que le phénotype de carence en fer n'est pas transmissible par le transfert du microbiote de l'hôte chez des souris réceptrices initialement sans de germes. Enfin, l'effet du fer alimentaire sur le stockage et l'exportation du fer intestinal de l'hôte sans germe et sur son statut en fer systémique a été déterminé. Des souris sans germes ont reçu une alimentation normale (70 mg/kg) ou pauvre en fer (5 mg/kg de fer). Les souris de différents groupes avaient un apport alimentaire et un gain de poids similaires. Les souris recevant le régime alimentaire pauvre en fer présentaient une anémie et une faible saturation de la transferrine caractéristique d’une carence en fer. Leurs stocks de fer étaient réduits dans le duodénum, le colon et le foie, et l’hepcidine plasmatique était inférieure à la limite de détection. Au contraire, les souris recevant un régime normal présentaient un statut en fer normal. Le régime alimentaire avec des teneurs en fer différentes entraîne des modifications du statut en fer et de son absorption chez les souris sans germes. Ce travail contribue à une meilleure compréhension de l'interaction entre le métabolisme du fer chez l'hôte le du rôle du microbiote.

Anemia, low concentrations of hemoglobin, is a major global public health problem affecting 1.62 billion people globally. The causes of anemia are multi-faceted and often complex, but iron deficiency (ID) was assumed to cause about half of the burden of anemia. Iron fortification and/or supplementation is the major intervention strategy to reduce anemia. However, due to the low bioavailability of iron from fortificants, only 5 – 15 % is absorbed in the duodenum and the rest goes to the colon where it becomes bioavailable to the human gut microbiota and modulates its composition and metabolic activities. It has been shown previously that iron status influenced gut microbiota composition using different models (in vitro and in vivo). However, only few information is available on the role of gut microbiota on host iron metabolism. Therefore, the general objective of this PhD was to investigate the role of gut microbiota on iron metabolism. Three approaches were used in this regard. First, the prevalence of iron deficiency and anemia in non-pregnant adolescent girls in rural Ethiopia were investigated. A cross-sectional study was implemented and showed that diets were predominantly plant-based, with low consumption of animal source foods, fruits, and dark-green leafy vegetables. Only 4% of the adolescent girls had adequate dietary diversity score (WDDS ≥ 5), and 35% were underweight. The prevalence of anemia (hemoglobin (Hb) < 11 g/dL, 8.7%) and clinical ID (serum ferritin (SF) < 12 µg/L, 8.7%) was low, but 41% had marginal iron stores (SF < 50 µg/L). The low prevalence of ID, despite a predominantly plant-based diet is atypical and calls for adapted strategies to address low iron stores in this and other similar settings of Ethiopia. Second, we investigated if microbiota coming from human donors with different iron status affects iron metabolism in a model of initially germfree mice. Two fecal samples were collected from adolescent girls with different iron status in Ethiopia. They were inoculated to two groups of initially germfree mice (C3H/HeN, female, 4 wks old) fed a standard chow diet. There were no difference of microbiota composition measured using real-time PCR (Clostridium leptum, C. coccoides, Enterococcus, Bacteroides, Bifidobacteria, and Enterobacteriaceae) between donor’s inocula regardless of the iron status. The total bacterial content of human inocula and fecal microbiota transplanted (FMT)-mice feces were similar, which showed a successful implantation into mice. Cecal and fecal iron contents, plasma ferritin and transferrin saturation were similar between the two groups of mice. Iron storage protein (ferritin) level measured in the duodenum, colon, and liver was also similar. This shows that iron deficiency phenotype failed to replicate through the transfer of host microbiota into initially germfree recipient mice. Finally, the effect of dietary iron on germfree host’s intestinal iron storage and export, and systemic iron status was determined. Germfree mice (C3H/HeN, female 3, weeks) were fed an iron deficient (5 mg/kg iron) or normal iron (70 mg/kg) diets. Mice in different groups had similar food intake and weight gain (%). Germfree mice on an iron deficient diet developed anemia as characterized by low Hb (< 12 g/dL) and mean corpuscular volume (MCV, < 50 fL). They also had transferrin saturation < 30 %, showing iron deficiency. They had depleted irons storage in the duodenum, the colon and the liver and plasma hepcidin was below detection limit (2.0 ng/L). On the contrary, germfree mice fed a normal iron diet had normal iron status. Furthermore, ferroportin was more expressed in the duodenum and colon. Plasma hepcidin was within 3.7 and 112 ng/L and more expressed at transcript level. The diet with different iron content induce changes in iron status and absorption in germfree mice. This work contributes to a better understanding of the interaction of iron metabolism in host and the role of microbiota.