Impact des peptides antimicrobiens et des fibres alimentaires purifiées sur le microbiote intestinal humain : du dépistage au potentiel thérapeutique et à la médecine personnalisée basée sur le microbiote

Impact of antimicrobial peptides and purified dietary fibres on human intestinal microbiota modulation : from screening to therapeutic potential and microbiota-based personalized medicine

• Auteur / Autrice : Erica Bonazzi
• Direction : Benoit Chassaing
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie (ed 562)
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : ED 562 Bio Sorbonne Paris Cité
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Carbonnel, Nathalie Delzenne, Benjamin Jensen, Mahesh Desai, Nathalie Rolhion, Benoit Chassaing
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mahesh Desai, Nathalie Rolhion

Mots clés

Mots clés libres

Microbiote intestinal

Peptides anitmicriobiens

Fibres alimentaires

Inflammation intestinale

Médecine/nutrition personnalisée

Variabilité interindividuelle

Intestinal microbiota

Antimicrobial peptides

Dietary fibre

Intestinal inflammation

Microbiota-based personalized medicine/nutrition

Inter-individual variability

Résumé

Le tractus gastro-intestinal est colonisé par une communauté de micro-organismes, appelée microbiote intestinal. La relation entre l'hôte et son microbiote est symbiotique: l'hôte fournit aux bactéries des nutriments pour se développer, tandis que les bactéries assurent le développement immunitaire, la protection contre les pathogènes et la production de nutriments et de vitamines essentiels. La composition et la fonction du microbiote intestinal peuvent être influencées par plusieurs facteurs, dont l' alimentation et la génétique. Des changements délétères dans sa composition et/ou sa fonction sont associés à des maladies, telles que les maladies inflammatoires de l'intestin (MICI). Le fait que la transplantation fécal de patients atteints de MICI à des animaux sans microbiote (axéniques) soit suffisante pour transférer la susceptibilité à la colite suggère un rôle causal joué par le microbiote intestinal dans la promotion de ces pathologies chroniques. Pour contrôler la communauté microbienne intestinale, l'hôte a plusieurs mécanismes de défense: la présence d'une couche de mucus, la sécrétion d'immunoglobulines et de peptides antimicrobiens (AMP). Les AMP sont des peptides cationiques qui neutralisent les bactéries en perméabilisant leur membrane ou en limitant leur agrégation. Chez l'homme, les principales familles sont les défensines et les cathélicidines et leur importance dans la défense de l'épithélium et des muqueuses a déjà été rapporté mais le rôle joué par le microbiote reste controversé. Au cours de ce projet de thèse, à l'aide d'un modèle in vitro du microbiote (MBRA), j'ai criblé des AMP afin de caractériser leur impact sur la composition et la fonction de divers microbiotes humains sains. J'ai ensuite étudié la capacité d'un AMP (fragment HD51-9) identifié comme étant un modulateur du potentiel pro-inflammatoire du microbiote à protéger contre la colite induite chez la souris. Les résultats obtenus soutiennent l'hypothèse selon laquelle les AMP peuvent moduler directement le microbiote en protégeant contre l'inflammation intestinale. Les fibres alimentaires sont aussi un important modulateur du microbiote. Si l'alimentation du microbiote par les fibres alimentaires fermentescibles est connue pour être un facteur de bonne santé, leur impact sur l'inflammation intestinale chronique est plus complexe. Bien que des études épidémiologiques rapportent que la consommation de régimes riches en fibres est associée à une incidence réduite des MICI, d'autres suggèrent qu'une fois la maladie établie, certains patients présentent une intolérance à ces régimes. Il a été démontré, chez la souris, qu'une supplémentation en inuline et en psyllium exacerbe ou atténue, respectivement, la colite induite, dépendamment du microbiote. Au cours de ce projet de thèse, l'impact d' inuline et psyllium sur des microbiotes humains sains a été déterminé in vitro et après transplantation dans des souris axénique. La composition et le potentiel pro-inflammatoire de certains microbiotes ont été fortement affectés (appelés ''fibres sensibles''), tandis que d'autres ont été peu altérés (appelés ''fibres résistants''). Uniquement la colites des souris transplantées avec des microbiotes fibres sensibles était exacerbée lorsque les souris été nourries avec un régime enrichi en inuline, et atténuée lorsqu'elles été nourries avec un régime enrichi en psyllium. Cette étude révèle l'efficacité du MBRA à identifier les microbiotes sensibles et résistants à la modulation par les fibres alimentaires, et souligne que la mesure dans laquelle ces fibres modifient la prédisposition à la colite et/ou la gravité de celle-ci est influencée par la composition du microbiote d'un individu. D'autres études sont nécessaires pour comprendre de manière mécanistique ces variabilité interindividuelle en terme de réactivité du microbiote à une exposition donnée, dans le but ultime de développer une médecine et une nutrition personnalisées basées sur le microbiote.

The gastrointestinal tract is colonized by a community of microorganisms, named the intestinal microbiota. The relationship between the host and its microbiota is symbiotic: the host provides a place for bacteria to grow and nutrients, while bacteria ensure immune development of the intestine, protection against pathogens and production of nutrients and vitamins. Composition and function of gut microbiota can be affected by several factors including diet and genetics. Deleterious changes in its composition and/or function are associated with diseases states, such as inflammatory bowel disease (IBD). Importantly, the fact that fecal microbiota transplantation from IBD patients to animals without an endogenous microbiota (germfree) is sufficient to transfer colitis susceptibility support the causal role played by the intestinal microbiota in the promotion of such chronic disorders. To control the intestinal microbial community, the host has evolved several defence mechanisms: the presence of a thick mucus layer, the secretion of immunoglobulin, and the production of antimicrobial peptides (AMP). AMP are cationic peptides that prevent bacteria from reaching the host intestinal epithelium by permeabilizing their membrane or by limiting their aggregation. In humans, the two main AMP families are defensins and cathelicidins, and to date, several studies have reported their importance in epithelium and mucosal defence, but the exact role played by the intestinal microbiota remains controversial. During this thesis project, using an in vitro model of the gut microbiota (MBRA), I conducted a screening of select AMP for their direct impact on various human microbiotas composition and function. I then investigated the ability of one AMP (fragment HD51-9), identified as being a potent modulator of microbiota pro-inflammatory potential, to protect against DSS-induced colitis in mice. The obtained results support the hypothesis that purified AMP hold the potential to directly modulate the intestinal microbiota in a way that protects against intestinal inflammation. In addition to AMPs, dietary fibres are another important modulator of microbiota composition and function. While microbiota nourishment through dietary fibre is known to be health promoter, the impact of fermentable fibres consumption on chronic intestinal inflammation is more complex. Although epidemiological studies reported that consumption of fibre-rich diets associates with a reduced incidence of IBD, others suggest that once the disease is established, select IBD patients experience intolerance to fermentable fibre-rich foods. It has also been shown that enriching diets with inulin and psyllium remodels microbiota composition and exacerbates and alleviates, respectively, colitis in murine models. During this thesis project, the impact of inulin and psyllium on individual human microbiotas was determined in vitro as well as following transplant into germfree mice. Composition and pro-inflammatory potential of various in vitro microbiotas were highly impacted (termed ''fibres-sensitive''), while others were minimally altered (termed ''fibre-resistant''). Mice transplanted with fibres-sensitive microbiota harboured exacerbated and ameliorated DSS-induced colitis when fed with inulin- and psyllium-enriched diets, respectively, while the severity of colitis in mice colonized with fibres-resistant microbiota was not modulated by fibre source. This study revealed the suitability of the MBRA model in identifying fibres-sensitive and fibres-resistant microbiotas. Moroever, it highlights that the extent to which fibres alter proneness to and/or severity of colitis is influenced by individual's microbiota composition. Further studies appear warranted to mechanistically understand the inter-individual variability of microbiota responsiveness to a given exposure, with the ultimate goal to develop microbiota-based personalized medicine and nutrition.