111
Influence de la flore intestinal sur le fonctionnement du cerveau
Laurent Naudon , Chargé de recherche CNRS
INRA, Institut Micalis78350 Jouy-en-Josas
Amis des sciences et techniques, Université Interâges du Dauphiné12 décembre 2018
Les micro-organismes sont présents partout dans l'environnement :
- dans l'air-dans le sol -dans l'eau
mais aussi - dans les aliments
- sur les êtres vivants
Relation
menaçante
Relation
pacifique :
Symbiose
SymbioseAssociation intime, durable et à bénéfice mutuel
entre deux organismes appartenant à des espèces différentes
Profitent d’un environnement stable-température-oxygène-pH
Et de l’apport de nutriments
Les micro-organismes
L’hôte humain
Profite de la présence des bactéries qui participent:
- à la défense contre les pathogènes.- à la mise en place du système immunitaire.- à la digestion des aliments
Chaque site corporel correspond à une niche écologique spécialisée et caractérisée par ses propres ensembles microbiens
Ensemble des microorganismes :bactéries, levure & champignons
qui partagent l’espace corporelle de l’hôte.
Petit point de vocabulaire
Flore microbienneMicrobiote =
Microbiote
de la peau
Le microbiote intestinal : une population microbienne considérable
Cent mille milliards de bactéries dans l’intestin (1014)
≈ 23 000 gènes humainvs.
≈ 600 000 gènes microbiens
Le rapport bactéries / cellules humaines est de
10 pour 1
3.8 1013
Le rapport bactéries / cellules humaines est de
3-4 pour 1
Sender R et al. Revised Estimates for the Number of Human
and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 2016 19;14(8)
• La colonisation microbienne du tube digestif commence dans les heures qui suivent lanaissance.
Quand et comment apparaît le microbiote intestinal ?
En cas de césariennemicrobiote de la peau
•Les premiers colonisateurs sont issus des microbiotes fécal et vaginal de la mère.
• Le microbiote se complexifie et se stabilise pour atteindre une composition proche de celle de l’adulte vers l’âge de 3 ans.
• Avant la naissance, le fœtus est stérile.
Avant la naissance Bébé Enfant Adulte Personne âgée
Traitementantibiotiqu
e
Malnutrition
Obèse
> 100 years
nourriture solide
Lozupone et coll., 2012. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature 489:220-30.
Le microbiote intestinal varie en fonction en fonction de l’âge
… de l’individu
de 4 adultes nord-américains
(USA)
Proportions des principaux phyla
présents dans l’intestin
9
DomaineBacteria
PhylumFirmicutes
ClasseBacilli
OrdreLactobacillales
FamilleLactobacilleaceae
GenreLactobacillus
EspèceLactobacillus acidophillus
Les différents rangs taxonomiques de classification des bactéries
DomaineEukarya
PhylumChordata
ClasseMammalia
OrdrePrimate
FamilleHominidae
GenreHomo
EspèceHomo sapiens
Lozupone et coll., Nature 2012
Analyse du microbiote fécal de 531 personnes en bonne santé
Les habitants des USA diffèrent de ceux du Malawi (Afrique australe) et de la région amazonienne du Vénézuela.
Variation du microbiote en fonction de l’environnement
La dysbiose du microbiote intestinal
Qu’est ce que la dysbiose ?C’est une perturbation de l’équilibre de l’écosystème microbienet du bénéfice mutuel entre l’hôte et son microbiote.
Perméabilitéintestinale
OxydationSignal de stress
Diversité du microbiotePauvre
Inflammation
DysbioseBarrière
intestinaleEquilibre
d’oxydoréduction
Diversité du microbioteRiche
Tolérance immunologique
Symbiose
Passage
d’un équilibre
à l’autre
Joel Doré, Micalis, 2017
Sujet en bonne santé
Dysbiose
Sujet malade
Le microbiote intestinal pourrait-il jouer un rôle dans la physiopathologie
des maladies psychiatriques?
L’encéphalopathie hépatique
Syndrome neuropsychiatrique qui se manifeste par :
1er stadeDiminution de
l’attention
2ème stadeLéthargie et
faible état de confusion
3ème stadeSomnolence et
fort état de confusion4ème stade
Coma
Bajaj et al, Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2012
Mais aussi- de l'anxiété et des troubles de l'humeur- des troubles de la cognition
L’encéphalopathie hépatique
Syndrome neuropsychiatrique qui se manifeste par :
1er stadeDiminution de
l’attention
2ème stadeLéthargie et
faible état de confusion
3ème stadeSomnolence et
fort état de confusion4ème stade
Coma
Bajaj et al, Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2012
l'encéphalopathie hépatique est causée parun dysfonctionnement du foie (Cirrhose hépatique)
Mais toutes les cirrhose ne s’accompagne pas d’encéphalopathie hépatique
L’encéphalopathie hépatique
Sujet sain
Cirrhose Cirrhose avec Encéphalopathie hépatique
Composition
Du microbiote intestinal
Syndrome neuropsychiatrique qui se manifeste par :
1er stadeDiminution de
l’attention
2ème stadeLéthargie et
faible état de confusion
3ème stadeSomnolence et
fort état de confusion4ème stade
Coma
Bajaj et al, Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2012
L’encéphalopathie hépatique
Syndrome neuropsychiatrique qui se manifeste par :
1er stadeDiminution de
l’attention
2ème stadeLéthargie et
faible état de confusion
3ème stadeSomnolence et
fort état de confusion4ème stade
Coma
La modification de la composition du microbiote intestinal par les antibiotiques, probiotiques et prébiotiques
améliore les performances cognitives.
Bajaj et al, Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2012
Microbiote intestinal et cerveau :
un domaine de recherche en plein développement
PubMed : Articles microb* gut brain
No
mb
re p
ar
an
0
50
100
150
200
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Jusqu’au début des années 2000 l’existence d’une influencedes bactéries de l’intestin
sur le fonctionnement du cerveaun’était pas vraiment envisagée.
Etudes de
transplantation fécale
Etudes avec
antibiotiques
Cryan et Dinan, Nature Reviews 2012
Axe microbiote-intestin-cerveau
Etudes avec probiotiques
Etudes avec
des animaux sans germe
Stratégies utilisées pour étudier le rôle
de l'axe microbiote-intestin-cerveau
Modèles chez le Rongeur
1885
Pasteur
20
Etudes avec des souris sans germe = souris axéniques
Qu’est ce qu’un animal axénique ?
C’est un animal exempt de tous germes, et donc dépourvu demicrobiote intestinal.Il est né et élevé en conditions stériles en isolateur.
Etudes avec des souris sans germe = souris axéniques
Un animal axénique est comparé à unanimal conventionnel, qui possède unmicrobiote intestinal complexe.
Absence de bactérie
Les rongeurs axéniques présentent unehyper-réactivité de l’axe du stress
Sudo et al, J Physiol 2004 ; Crumeyrolle-Arias et al, Psychoneuroendocrinology 2014
Souris
Stress de contention
Conventionnel AxéniqueRat
Stress de l’«Open-field »
Etudes avec des souris axéniques
Avant stress
Après stress
Crumeyrolle-Arias et al, Psychoneuroendocrinology 2014
Etudes avec des souris axéniques
Test de l’«open- field »
6 min
Absence de bactérie
Rats conventionnels
Rats axéniques
- Plus longue latence à quitter le coin
- Moins de visites au centre
- Plus de défécations
- Plus longue latence à quitter le coin
- Moins de visites au centre
- Plus de défécations
Les rats axéniques sont plus anxieux que les rats conventionnels
Qu’est-ce qu’un antibiotique ?
C’est une molécule limitant la croissance bactérienne- soit en détruisant les bactéries- soit en limitant leur multiplication.
Etudes avec les antibiotiques
Mélange d’antibiotiques
non absorbables(néomycine,
bacitracine, et pimaricine)
7 jours
Balb/cSouche de souris
émotive, craintive
ContrôleContrôle TraitéTraité
(Bercik et coll., Gastroenterology 141, 599–609, 2011)
Etudes avec les antibiotiques
(Bercik et coll., Gastroenterology 141, 599–609, 2011)
Test de « Step-down»
La dysbiose provoqué par le traitement antibiotiquea un effet anxiolytique
5 min
Les souris mettent 2 fois moinsde temps pour descendre
Les souris mettent 2 fois moinsde temps pour descendre
Traitementantibiotique
Etudes avec les probiotiques
Elie Metchnikoff(1845-1916)
Corrélation en Bulgarie entre Une consommation importante
de produits lactés fermentéset
Une forte proportion d’individus centenaires.
Corrélation en Bulgarie entre Une consommation importante
de produits lactés fermentéset
Une forte proportion d’individus centenaires.
Relation causale entre bactéries et bonne santé de l’hôte
Début du XXème siècle
Auto-intoxication = Processus par lequel des toxines
produites par les bactéries intestinales pourraient
influer sur la santé de l’hôte (ex. les maladies
mentales).Le vieillissement serait causé par la
prolifération progressive de bactéries
toxiques dans l’intestin.
Les Bactéries lactiques pourraient s’opposer au
processus d’auto-intoxication et ainsi prolonger la
vie.
Les probiotiques sont des microorganismes vivants qui,
lorsqu’ils sont administres en quantité adéquates, confèrent unbénéfice pour la sante de l’hôte.
Définition par l’Organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO)
et l’Organisation Mondiale de la Sante (OMS)
Yaourts et
laits fermentés
90%
Préparations
infantiles
4%
Fromages
3 %
Aliments : Majoritairement les produits laitiers
J. Aires Université Paris Descartes
Administration de souches probiotiquesEtudes avec les probiotiques
Les prébiotiques sont des molécules résistantes aux
étapes de la digestion favorisant le développement demicro-organismes bénéfiques pour l’Homme.
Retrouvés dans :
-Les fibres solubles non digestibles
-les fruits et légumes (Inuline, fructo-oligo-
saccharides)
-le lait maternelle (Oligosaccharides)
Les probiotiques peuvent être aussi fabriqués
En association avec des probiotiques
Pour une stimulation sélectives de leur croissance
et/ou de leur activité
J. Aires Université Paris Descartes
Administration de souches probiotiques
28
Etudes avec les probiotiques
Revendication des produits
Majoritairement : Action bénéfique sur le système
digestif et l’équilibre du microbiote intestinal
Nouvelles revendication :
-Stimulation du système immunitaire/
Allergie
-Santé du système cardiovasculaire
-Santé bucco-dentaire
-Système nerveux et cerveau
J. Aires Université Paris Descartes
RéserveAucune allégation de santé relative aux
probiotiques déposée par les industriels n’a été reconnue comme valide
Administration de souches probiotiquesEtudes avec les probiotiques
Administration de souches probiotiques
les probiotiques constituent un moyen direct, et les prébiotiques un moyen indirectde moduler le microbiote intestinal.
Principal inconvénient de ce type de modèles :Les probiotiques et les prébiotiques n'agissent que de façon transitoire
- les probiotiques ne s’implantent pas dans le tube digestif -les prébiotiques sont dégrades parleurs bactéries cibles.
L’expérimentateur est donc obligé de les administrer quotidiennementpour maintenir les modifications recherchées.
Etudes avec les probiotiques
31
La combinaison de probiotiquediminue l’anxiété
en réponse à un stress
14 jours
Lactobacillus helveticus R0052
Bifidobacterium longum R0175
Rat Wistar
(Messaoudi et coll., British Journal of Nutrition, 2011)
test d'enfouissement défensif
Paramètre mesuré :
durée d’enfouissement de la sonde
Résultat équivalent à une injection de Valium (3 mg/kg)
Effet sur l’anxiété
Administration de souches probiotiquesEtudes avec les probiotiques
Le rat met moinsde temps pour enfouir la sonde
Le rat met moinsde temps pour enfouir la sonde
Traitementantibiotique
Etudes avec les probiotiques
Souris C57BL/6gestantes
immunostimulant poly (I:C) (utilisé pour simuler des infections virales)
- Stéréotypies
- Déficit de communication
- Perturbation du comportement social
Modèle d’autisme
(Hsiao et coll. Cell 155, 1451–1463, 2013)
Bacteroides fragilis
Au moment du sevrage
7 jours
(Hsiao et coll. Cell 155, 1451–1463, 2013)
Ce test reflète un comportement répétitif et de persévération
30 min
L’administration de B. fragilis corrige le comportement stéréotypé induit dans le modèle.
Souris du modèle
enfouissent 50% de billes de plus
que les souris contrôles
enfouissent 50% de billes de plus
que les souris contrôles
Souris du modèle
+ probiotique
enfouissent le même nombrede billes que les souris contrôles
enfouissent le même nombrede billes que les souris contrôles
Souris
contrôles
Test d’enfouissement de billes
(Hsiao et coll. Cell 155, 1451–1463, 2013)
20 min
L’administration de B. fragilis corrige le déficit de communication induit dans le modèle.
Souris
du modèle
3 fois moins d’appels
que les souris contrôles
3 fois moins d’appels
que les souris contrôles
Souris
du modèle
+ probiotique
Même nombre d’appels
que les souris contrôles
Même nombre d’appels
que les souris contrôles
Vocalisations ultrasoniquesSouris mâle en présence d’une souris femelle inconnue
(Hsiao et coll. Cell 155, 1451–1463, 2013)
10 min
Un traitement précoce avec Bacteroides fragilis, n’améliore que certains traits comportementaux
associés à l’autisme.
Souris
du modèle
25% du temps
dans le compartiment « souris »
25% du temps
dans le compartiment « souris »
Souris
du modèle
+ probiotique
25% du temps
dans le compartiment « souris »
25% du temps
dans le compartiment « souris »
Interaction sociale
Ce test reflète la sociabilité
Souris
contrôles
45% du temps
dans le compartiment « souris »
45% du temps
dans le compartiment « souris »
(Messaoudi et coll. Gut Microbes 2:4, 256-261; 2011)
Chez des volontaires humains en bonne santéconsommation durant 30 jours d'une formule probiotique
(Lactobacillus helveticus R0052 et Bifidobacterium longum R0175)
Perceived Stress Scale Hospital Anxiety and Depression Scale
Questionnaires permettant la mesure de l'auto-perception de l’humeur et du niveau d’anxiété
PlaceboProbiotiques
Effets psychologiques
bénéfiques
Qu’en est-il chez l’Homme ?
(Sandler et coll. J child neurol 2000)37
VancomycineAntibiotique non absorbable, 3 fois par jour / 8 semaines
L’échelle de comportementévaluant : l'humeur, le contact visuel, l’attention, le niveau d'activité et le niveau de gravité des comportements stéréotypés.
L’échelle de communicationévaluant les capacités d'expression et de compréhension
Autisme régressif forme d'autisme
apparaissant vers 2 ans
Amélioration des performances par un traitement antibiotique
Bémol : le risque potentiel de résistance à la vancomycine limite son utilisation
Score basal
2,2 5,0
Score post traitement
1,7
Score basal
4,6
Score post traitement
Les maladies du spectre de l’autisme
Dysbiose du microbiote intestinal dans les pathologies
développementales et psychiatriques?
Diminution générale de la diversité du microbiote intestinal
Krajmalnik-Brown et al. Microb Ecol Health Dis. 2015; Jiang et al. Brain Behav Immun. 2015; Naseribafrouei et al. Neurogastroenterol Motil. 2014
DépressionDifférences dans la composition du microbiote
variables selon les études
Etudes de transplantation fécale
Qu’est ce qu’ une transplantation fécale chez le rongeur ?
Gavage avec une suspension de fèces soit : - de rongeurs préalablement traités aux antibiotiques - De rongeurs axéniques en isolateur
Souris axéniques
Test de nage forcée
Test de suspension par la queue
Echantillons de fèces poolés
5 patientsdépressifs
Vs.5 contrôles
Les souris colonisées présentent un comportement de type dépressif par rapport aux témoins.
Etudes de transplantation fécale
contrôlesPatientsdéprimés
Durée d’immobilité
plus longueDurée d’immobilité
plus longue
Durée d’immobilité
plus longueDurée d’immobilité
plus longue
Dépression : Etudes de transplantation fécale
3 patientsdépressifs
Vs.3 contrôles
Les rats colonisés par des fèces de patients dépressifs présentent un comportement
de type dépressif par rapport aux témoins.
Rats traités 28 j aux antibiotiques
Sucrose Water
Test de préférencedu sucrose
Echantillons de fèces poolés
contrôlesPatients dépressifs
MoindrePréférence pour
le sucrose
MoindrePréférence pour
le sucrose
Etudes de transplantation fécale
Philippe FossatiJean-Yves Rotgé
Echantillonde fèces
Souris axéniques
Naudon, Rotgé et al, manuscript in prep
1 patientdépressifs
Vs.1 contrôles
SucroseWater
Test de préférence du sucrose
« Step-down » test
Test de nouveauté
Etudes de transplantation fécale
contrôlePatient déprimé
Pas de différence de préférence
Pas de différence de préférence
Latence
plus longueLatence
plus longue
Latence
plus longueLatence
plus longue
microbiote oropharyngé
Castro-Nallar et al . PeerJ 2015; Dickerson F et al., Brain Behav Immun. 2017
Dysbiose et schizophrénie ?
Schizophrènes Témoins
16 adultesschizophrènes
16 adultestémoins
Différences dans la composition
du microbiote oropharyngé
28 adultesschizophrènes
16 adultestémoins
Une altération du microbiotepourrait être impliquée dans la schizophrénie.
Schwarz et al. Schizophr Res. 2017.
Dysbiose et schizophrénie ?
Schizophrènes Témoins
Corrélation entre la quantité de bactéries du groupe Lactobacillus et la sévérité des symptômes
Dans le sous-groupe de patients qui avait les différences de microbiote les plus fortes Réponse plus faible après 12 mois de traitement.
bacterial 16S ribosomal RNA
gene
72 patients parkinsoniens
72 sujets contrôles
Scheperjans et coll. 2014
L'abondance de bactéries de la famille des Prevotellaceae
dans les fèces des patients parkinsoniens est réduite de 78 % par rapport aux contrôles.
Corrélation entre la quantité de microbes de la famille Enterobacteriaceae
dans l’intestin des patients et le degré de gravité
des problèmes d'équilibre et de marche.
Dysbiose et maladie de Parkinson ?
Le microbiote intestinal régule l’axe du stress et la réponse au stress.
La modification du microbiote intestinal peut altérer le comportement de
type anxieux.
Les voies de communication entre l’intestin-cerveau restent à identifier.
Actuellement, recherches pour savoir si les résultats observés chez l’animal
peuvent être retrouvés chez l’homme.
Nouvelles hypothèses en psychiatrie
Conclusion
Des dysbioses du microbiote intestinal pourraient contribuer à la physio-
pathologie des troubles psychiatriques.
Cibler les microbiote intestinale pourrait être une nouvelle voie thérapeutique
pour ces maladies.
Aurélia BruneauSébastien BurzValérie DaugéFabienne DevimmeVéronique DouardNa FeiPhilippe GérardChristine HeberdenElise MaximinHayatte MirMagali MonnoyeLaurent NaudonCatherine PhilippeAline PotironSylvie RabotXufei Zhang
MathildeJaglin
Equipe Mia
Emmanuelle MaguinMoez RhimiSamira Bouddebouze
Animalerie AnaxemAurélie BalvayDeborah BelletAnne FoussierFatima JolyClaire MaudetAmanda MorgaSylvie Rabot
Sylvie VancasselNathalie Castanon
Philippe FossatiJean-Yves Rotgé
Myriam BalderasChadi CalargeRuth Ann LunaBillie Tyler
Catalin ChimerelFiona GribbleFrank Reimann
Didier DupontGwénaële Henry
Paule Latino-MartelPilar GalanFabien Szabo
ERE
NNathalie Guérineau
Equipe Amipem
49
Etudes avec des animaux axéniques
Axénisation d'une lignée de rongeur
Juste avant la fin du terme, une hystérectomie aseptique est
pratiquée sur une femelle gravide conventionnelle.
L'uterus est isolé puis transféré dans un isolateur stérile.
Une fois dans l'isolateur, les petits sont sortis de l'utérus
puis sont:
- soit adoptés par une mère d’une lignée ayant déjà été
mise en axénie
- soit, dans le cas de la toute première axénisation de
l'espèce,
nourris au biberon avec du lait stérilisé.
La dysbiose du microbiote intestinal
Qu’est ce que la dysbiose ?C’est une perturbation de l’équilibre de l’écosystème microbienet du bénéfice mutuel entre l’hôte et son microbiote.
Un déclin des espèces de bactéries bénéfique
pour la santé
Une augmentationdes bactéries pathogènes
Une diminution de la diversité des espèces de
bactéries
Une dysbiose peut
se manifester par