Metabolism and Nutrition Research Group

« 4ème Journée Liégeoise de Diabétologie » Mars 2016

Le microbiote intestinal : nouvel acteur métabolique ?

N.M. Delzenne

Le microbiote intestinal, un écosystème avec lequel nous vivons en symbiose

30%

10 14 cellules bactériennes 1000 espèces, des centaines de métabolites…. Clé de notre « identité « (microbiome) Ecosystème en constante évolution, influencé par l’hôte l’environnement, l’alimentation…

La fonction « barrière » de l’intestin : la clé d’une symbiose harmonieuse?

Pourquoi parle-t-on de symbiose ?

• Education du système immunitaire de l’hôte

(reconnaissance)

• Récupération des nutriments

non digestibles (énergie…)

• Production de centaines de molécules

“bioactives” certaines bénéfiques

(vitamines K, B12…; acides à chaîne courte

(butyrate), peptides antimicrobiens….),

On offre le gîte et le couvert. En retour….

GLP-2

GLP-1

Insulin secretion/ response

Gut barrier ↕

Endotoxaemia

PYY

Appetite Intestinal transit

GPR43/41 TGR5

Acetate Propionate

Butyrate Indole

Tryptophan

GPR41

Goblet cell Mucus production

L cell

Neuron

Glucose homeostasis

Portal glucose

Butyrate Propionate

Complex carbohydrates

Butyrate

Tau/Gly-1°BA

2°BA

Sulfide

H2S

Gut microbial activity

Propionate

? +

Modified from Diabetologia 2015

Evolution de la composition du microbiote au cours de la vie

La stabilité et la richesse microbienne évolue avec l’âge, sous l’influence de la génétique, de l’environnement,

de l’alimentation, de l’état de santé….

Impact de l’antibiothérapie anarchique…. conséquences au-delà de l’intestin

Modifié d’après Lozupone et coll. 2012, et Vrieze et coll. J Hepatol 2014

Situation initiale

Dévastation par les antibiotiques

« Evolution Spontanée »

Diminution de la diversité bactérienne

Diminution des bactéries productrices de butyrate

Diminution des bactéries impliquées dans le métabolisme des acides biliaires

Changement du type d’acides biliaires

Création d’une résistance à l’insuline

Vancomycine

DYSBIOSE

Dysbiose et comportement alimentaire

« Délétère»

« Bénéfique »

Microbiote intestinal

Rôle de la dysbiose dans les altérations de la fonction

barrière de l’intestin : conséquences à

« distance »?

Plus de 45 revues et de 40 articles originaux

rapportent la dysbiose associée à l’obésité, et

aux pathologies associées (diabète, NASH…)

La dysbiose caractérise aussi des individus en état de

dénutrition (enfants, personnes âgées, infections sévères,

pathologies rénales…)

Perturbation de la fonction barrière, inflammation et conséquences à distance : l’exemple de la consommation d’alcool

La dysbiose est associée à l’obésité et au diabète • Plus de 35 publications décrivent les

changements de composition, fonction bactériennes associées à l’obésité ou au risque de développer un diabète dans des cohortes.

• Tentative de rechercher « le bon, la bête, et le

truand » Bifidobacteria, F prausnitzii, Akkermansia, Roseburia Staphylococcus aureus, S. mutans • Nombreuses controverses (Lactobacilles, Firmicutes/Bacteroidetes…) • Deux sous populations d’individus obèses : « low

gene count » et « high gene count ». Plus de gènes bactériens confère un moindre état inflammatoire, et une meilleure réponse à l’approche diététique (Cotillard et al Nature 2013).

For reviews, Delzenne et al Ann Rev Nutr 2012; Qin et la Nature 2012, Karlsson et al Nature 2012, Delzenne et al Diabetologia (2015) James Ensor

Dysbiose associée aux altérations métaboliques

Bifidobacteria Akkermansia muciniphila

Adapté de Cani et al Gut Microbes 2012

ND T2DM0

1

2

3

4

5

6 *

Endo

toxin

(EU/

ml)

Endotoxémie chez les diabétiques

Mucus

L’augmentation de la zonuline chez les T2D, corrèle avec l’inflammation

Zhang et al Diabetes Res Clin Pract 2014

Certaines bactéries sont impliquées dans le contrôle de la fonction barrière de l’intestin

Akkermansia Muciniphila

2x108cfu/jour

Everard et al PNAS 2013

Diminution du LPS sérique Diminution de l’inflammation, Amélioration de l’intolérance

au glucose…

Metagenomic analysis revealed that 29 genera differed in abundance between groups, but Akkermansia (representing

l 0 3 2 9%) l l t ib t t th diff

Gut 2013

Le microbiote intestinal au cœur de la santé ?

• Par son importance, sa diversité (bactéries, virus, phages, parasites…) et son potentiel de métabolisation, le microbiote intestinal est un partenaire de l’hôte

• La dysbiose : 1.Cause ou conséquences de la pathologie ? 2. Peut-on la « contrer »?

Dysbiose et altération de l’état de santé : qui de la poule ou de l’œuf….. ? Approche expérimentale

Souris « axénique » receveuse

Donneur malade Donneur sain

« Transfert » de la pathologie Absence d’altérations

Turnbaugh et al. Nature 2006; Turnbaugh et al. Cell Host Microbes 2008

La dysbiosis inclut aussi des changements de production de métabolites « actifs » qui peuvent jouer un rôle causal dans les pathologies

Exemple 1 : la production « endogène » d’éthanol favoriserait les pathologies hépatiques (NASH)…

Zhu et al Hepatology 2013

Exemple 2 : la production de métabolites bactériens de la choline favoriserait les maladies cardiovasculaires…

Modifié d’après Wang et al Nature 2011, Koeth et al Nature Med. 2013

Prevotella…

or Carnitine

Traiter la dysbiose : innovation et créativité

Lozupone et al , Nature 2012

Situation initiale

Dysbiose Évolution

« spontanée »

Des solutions ? Transfert de microbiote Approches probiotiques prébiotiques

Innovation thérapeutique en 2014*

(infection à C Difficile, diabète ?)

*A i i Chi (4 iè l C)

Effect of gut microbiota transplantation in human diabetic patients (Fatlose trial, De Vrieze, 2013)

Eubiose

Dysbiose

Approche probiotique administration de bactéries vivantes

Approche prébiotique « nourrir l’écosystème »

Interventions probiotiques chez les individus en surpoids

BW: body weight; BWG: body weight gain; BMI: body mass index; NEFA: non-esterified fatty acid

Druart et al. Advances in Nutrition 2014

Eubiose

Dysbiose

Approche probiotique administration de bactéries vivantes

Approche prébiotique « nourrir l’écosystème »

Prébiotiques : naissance d’un concept via la valorisation des fructanes de type inuline (ITF)

Gaz

Acides à chaine courte Acétate Propionate Butyrate Lactate…

• ITF aussi présents dans les oignons, poireaux, salsifis… • Effets « bifidogènes » aussi démontrés pour d’autres fibres alimentaires arabinoxylanes, galactanes, glucanes…

Effet prébiotique ++ bactéries exprimant une activité β-fructosidase, telles que les Bifidobactéries

Gibson et Roberfroid 1995

Renforcement de la barrière intestinale

CT Ob-CT Ob-Cell Ob-OFS

1

2

3

Occlu

din +

levels

(posit

ive re

lative

scor

e)

LPS

L’analyse du microbiote par microarray révèle plus de 100 séquences bactériennes modifiées par les prébiotiques… (Cani et al Gut 2009, Everard et al Diabetes 2011, PNAS 2014)

Les prébiotiques augmentent de plus de 100x Akkermansia muciniphila (3-5% de la communauté bactérienne), impliquée dans

la production de mucus Everard et al. PNAS 2013

Les effets bénéfiques des prébiotiques dans les modèles expérimentaux d’obésité

• amélioration de la fonction barrière

• diminution de l’ endotoxémie (LPS) et de l’inflammation

• effet satiétogène • amélioration de la stéatose hépatique • diminution de l’adiposité • diminution de la glycémie • amélioration de la fonction vasculaire (E Catry, non publié) (

« Local »

Systémiq u e

Effets démontrés dans des études d’intervention chez des volontaires sains ou en surpoids Approbation de l’allégation relative à la glycémie par l’EFSA janvier 2014

For reviews, Roberfroid et al Br J Nutr, 2010, Delzenne et al Nature Rev Endocrinol 2011, Ann Rev Nutr. 2011, Br J Nutr 2013, Diabetologia 2015.

Effet

Mécanisme de l’effet des prébiotiques ?

Une augmentation du GLP-1 portal contribue à l’amélioration de la glycémie chez des rats STZ (Kok et al 1998) et le rat Zucker (Cani et al 2005)

L’analyse du microbiote intestinal (microarray) révèle des changements bactériens qui corrèlent avec la fonction endocrine intestinale (nombre de cellules L)

Les produits de fermentation des prébiotiques peuvent être les médiateurs de la fonction endocrine de l’intestin

(avec l’aimable autorisation de Gilles Mitthieux, De Vadder et al Cell 2014)

Métabolisme des prébiotiques par le microbiote

0102030

Stan

dard

Prop

ion…

Buty

rate

FOS

G6P

ase

activ

ity …

Jejunum

Production d’acides à chaîne courte

FOS

+ effet substrat gluconéogénique du propionate

Régulation de la glycémie par action « directe » des prébiotiques (inuline) sur les enzymes de l’hôte?

glycémie

0 30 60 90 1200

5

10

15CTINU

*

Temps (min)

mM

Sucrase

CT INU0.00

0.02

0.04

0.06

*

U/m

g de

pro

téin

es

Maltase

CT INU0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

p=0.06

U/m

g de

pro

téin

es

Amylase

CT INU0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

*

U/m

g de

pro

téin

es

activité enzymatiques jéjunales; traitement chronique à l’inuline (4 semaines)

sucrase au niveau du jéjunum(substrat sucrose)

CT

acarb

ose 1

mg/ml

inuline 1

mg/m

l

inuline 5

mg/m

l

inuline 1

0 mg/m

l0

102030405060708090

100110120

*

*

% d

'act

ivité

In vitro Homogénat de

muqueuse jéjunale +

sucrose +/- acarbose, inuline

Ex vivo Test de tolérance

orale au saccharose

Neyrinck et al résultats non publiés

Etude d’intervention avec des prébiotiques chez le patient

Br J Nutr 2013

• Essais randomisés chez des sujets obèses ou présentant NASH ou T2DM.

• Méta-analyse : effets probants sur la satiété, la glycémie.

• Effets rapportés : amélioration de l’endotoxémie, de l’adiposité, de la production de peptides GI, de la fonction hépatique

• Lien avec les changements du microbiote?

Des changements spécifiques de bactéries corrèlent avec l’amélioration de la physiologie de l’hôte.

B. Longum, Faecalibacterium prausnitzii et Akkermansia muciniphila corrèlent avec la diminution de LPS; B. Adolescentis corrèle avec la diminution de masse grasse. ( Dewulf et al. Gut 2013; Salazar et al. Clin Nutrition 2014)

Prebiotics

Before

After

5

6

7

8

9

*x5

Akk

erm

ansi

a m

ucin

iphi

la(L

og b

acte

ria/

g fa

ecal

con

tent

)

Everard A., Dewulf E., Thissen JP, Delzenne NM, Cani PD. Unpublished data

Focus sur le microbiote intestinal comme cible d’intervention nutritionnelle pour lutter contre l’obésité en Wallonie

Objectif unique Apporter la preuve qu’un changement de comportement

individuel et sociétal mettant en avant l’apport en nutriments coliques d’origine végétale crée un réel bénéfice de santé

publique Sur base de la cartographie des nutriments côliques d’origine végétale, et

l’établissement du lien avec l’état de santé (surpoids). Sur base de compréhension des mécanismes d’action des nutriments côliques

sur la santé Via le développement d’outils pour moduler le comportement des

consommateurs A la lumière d’une gestion durable de l’agriculture, et en accord avec le

développement écologique et économique de la région Wallonne

http://sites.uclouvain.be/FOOD4GUT

WP1T5: Etude multicentrique (Ulg (N. Paquot); ULB (M. Cnop), UCL (JP Thissen, N. Delzenne) d’intervention chez des patients obèses • 3 mois précédent une chirurgie bariatrique • Inulin (Cosucra, 16 g/day) assorti d’une alimentation riche en fructanes (topinembour , salsifis, oignons, poireaux… ) vs placebo (maltodextrine, 16 g/day) and conseil diététiques « classiques » non ciblés • simple aveugle • suivi par un diététicien et par les psychologues (1x/month) • évaluation du microbiote,anthropométrie, métabolomique urinaire, marqueurs d’inflammation, biopsies du tissu adipeux (lors de la chirurgie), questionnaire alimentaire, paramètres métaboliques….

35

Messages clés et développements futurs

• La dysbiose participe aux altérations des fonctions barrière et neuro-endocrine intestinales, et peut promouvoir l’inflammation, les désordres métaboliques et comportementaux. Un lien entre microbiote, barrière intestinale et dépression dans le diabète de type 2 ?

• Une meilleure place devrait être laissée aux approches nutritionnelles scientifiquement fondées susceptibles d’avoir un impact sur le microbiote et de moduler la dysbiose de manière favorable.

• La notion de fibre alimentaire mériterait d’être revisitée en prenant en compte l’interaction de certaines d’entre elles (prébiotiques) avec le microbiote...

Metabolism and Nutrition Research Group

Merci à nos collaborateurs : Belgium : Y. Guiot, G. Muccioli, JP Thissen, Ph.de Timary, Y. Larondelle, JB Demoulin ,C Dessy (UCL), K. Verbeke (KUL), T. VanDeWiele (UGent) Abroad : F. Backhed (Göteborg, Sweden), D. Langin (Toulouse, F), S. Claus (Reading, UK), J. Schrenzel (Geneva, CH), K. Scott (Aberdeen, UK), W. DeVos( Wageningen, Netherlands), F Foufelle (F), B. Pot (F)….