Le microbiote intestinal

Le microbiote intestinal est constitué d’une grande variété de bactéries anaérobies.
Zoom sur sa composition.

On sait depuis environ un siècle que le système digestif est colonisé par des bactéries indispensables au bon fonctionnement de la digestion, du métabolisme et de l’immunité. Cet écosystème bactérien que l’on appelle le microbiote intestinal est spécifique de chaque individu, tant d’un point de vue quantitatif que qualitatif. En moyenne, le microbiote intestinal d’un individu se compose de 100 000 milliards de bactéries, ce qui représente plus que la quantité totale de cellules nerveuses d’un organisme. Elles sont issues d’un panel de plusieurs centaines d’espèces différentes, en grande partie anaérobies ou extrêmement sensibles à l’oxygène. Ce panel se compose d’un socle commun de 15 à 20 espèces réparties en 7 phyla (embranchement qui permet de classer les espèces vivantes).

Des organismes très spécifiques

Le microbiote intestinal est très diversifié puisqu’on estime à plusieurs centaines le nombre d’espèces qui le compose, avec toutefois des phyla dominants, comme les Firmicutes et les Bacteroidetes qui constituent le pool le plus important du microbiote1 intestinal. Il se complète des Actinobacteria, des Proteobacteria, des Verrucomicrobia, des Fusobacteria et des Cyanobacteria. Les Firmicutes sont majoritairement composées d’espèces appartenant aux Clostridia du groupe XIVa et IV (Ruminococcus et Faecalibacterium prausnitzii) tandis que les Bacteroidetes sont représentées par Bacteroides fragilis, Bacteroides ovatus ou encore Bacteroides caccae. D’autres espèces en sous-dominance (entérocoques, lactobacilles, streptocoques) ou transitoires (levures…) complètent la faune du microbiote2,3. Cette composition varie en fonction de l’âge, du régime alimentaire et de la santé de l’individu mais acquiert sa maturité vers l’âge de deux ou trois ans. Toute variation dans sa composition entraîne des dysfonctionnements métaboliques, immunitaires ou digestifs chez l’individu concerné4.

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Sources
1. Qin et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing, Nature,2010;464(7285):59-65. http://www.nature.com/nature/journal/v464/n7285/full/nature08821.html
2. Chen J. et al. Contribution of the intestinal microbiota to
human health: from birth to 100 years of age. Curr Top Microbiol Immunol 2013 ; 358 : 323-346. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22094893
3. Lay C et al. Colonic microbiota signatures across five northern european countries. Appl Environ Microbiol 2005 ; 71 : 4153-5.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16000838
4. Cherbuy et al. Le microbiote intestinal : une composante santé qui évolue avec l'âge. Innovations agronomiques, 2013 ; 33 37-46 https://www6.inra.fr/ciag/content/download/5203/40683/file/Vol33-4-Cherbuy.pdf  

Sources supplémentaires
- Dossier INSERM http://www.inserm.fr/thematiques/physiopathologie-metabolisme-nutrition/dossiers-d-information/microbiote-intestinal-et-sante
- Article CNRS https://lejournal.cnrs.fr/articles/microbiote-des-bacteries-qui-nous-veulent-du-bien

 

L'évolution

Si les chercheurs connaissent l’existence du microbiote de longue date, ce n’est que depuis récemment qu’il fait l’objet d’études génomiques abouties.

Tapies au fond de l’intestin, insoupçonnables, vivent 100 000 milliards de bactéries d’espèces différentes ainsi que des champignons, levures et virus. Certains chercheurs s’accordent à dire qu’elles forment même à elles seules un organe spécifique de 2 kg, plus lourd qu’un cerveau et tout aussi complexe. Si on connaît en effet leur existence depuis plus d’un siècle, leur exploration demeure relativement récente. Car pendant très longtemps, le seul moyen de les caractériser était de les cultiver in vitro et d’étudier leurs propriétés biologiques, alors que seul un petit nombre d’entre elles était facilement cultivable en laboratoire. Mais c’est désormais au sein de leur génome que les chercheurs traquent leur moindre secret notamment grâce aux moyens déployés par le séquençage haut débit et la métagénomique qui les étudient in situ.

Connues sur le bout de l’ADN

Ainsi, l’identification de ces bactéries continue de progresser et on mesure de plus en plus leurs spécificités via leur génome. Le programme du consortium international MetaHIT1 piloté par l’INRA a permis à ce jour d’identifier génomiquement près de 800 espèces de bactéries. Parmi elles, 85% de « nouveaux spécimen » bactériens qu’on ne connaissait pas jusqu’alors. Ce même programme a en outre permis de séquencer 238 espèces de bactéries totalement identifiées génétiquement. MetaHIT permet peu à peu de dresser une carte génétique du microbiote intestinal, ce qui permettra à terme, d’utiliser le microbiote comme outil de diagnostic pour déceler des stades précoces de maladie2. Et l’étude du microbiote pourrait aller plus loin encore grâce à la métatranscriptomique3 et la métaprotéomique4, actuellement à l’étude, qui toutes deux englobent les produits de transcription et de traduction du génome bactérien, lesquels donnent un profil bactérien global incluant une analyse fonctionnelle.

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Sources
1. http://www.metahit.eu : le consortium rassemble 13 centres de recherches de 8 pays.
2. Li J et al. An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat  Biotechnol. 2014 ; 32 : 834-41. http://www.nature.com/nbt/journal/v32/n8/full/nbt.2942.html
3. Turnbaugh PJ, et  al. Organismal, genetic, and transcriptional variation in the deeply sequenced gut microbiomes of identical twins. PNAS 2010 ; 107 : 7503-8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20363958
4. Wilmes P, Heintz-Buschart A, Bond PL. A decade of meta-proteomics: Where we stand and what the future holds. Proteomics 2015 ; 15 (20) : 3409-17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26315987

 

Le microbiote intestinal se forme dès les premiers instants de vie sous l’influence de différents facteurs et évolue pendant les premières années pour ensuite se stabiliser.

C’est lors de la naissance que le microbiote intestinal d’un individu se constitue : blotti dans le ventre maternel, le nouveau-né est soudainement confronté à une multitude de bactéries qui vont déterminer la composition de son microbiote intestinal. Des données récentes suggèrent même que la colonisation microbienne débuterait avant la naissance, bouleversant le dogme de la stérilité in utero1.  Dans le cas d’un accouchement par voie basse, c’est au contact de la flore vaginale et fécale maternelle que le microbiote néo-natal se forme, tandis que c’est sous l’influence de l’écosystème extérieur et de ses micro-organismes que celui d’un bébé né par césarienne se constitue, plus lentement2. L’âge gestationnel de naissance, l’environnement extérieur et le mode d’alimentation (allaitement ou lait artificiel) influencent également son élaboration.  Cette colonisation a lieu de façon progressive, dans un ordre bien établi sans que les mécanismes en soient complètement élucidés : les premières bactéries colonisatrices sont des anaérobies facultatives – entérocoques et staphylocoques – qui ont besoin d’oxygène pour se multiplier. Elles vont créer un nouvel environnement qui va favoriser ensuite l'implantation de bactéries anaérobies strictes telles que les Bacteroides, Clostridium ou encore Bifidobacterium3.

Influences extérieures

Ce microbiote évolue ensuite de manières quantitative et qualitative sous l’influence de l’alimentation, des conditions d’hygiène, des éventuels traitements médicamenteux reçus et de l’environnement. Parmi les facteurs bien étudiés, l’allaitement tient une place importante dans l’établissement d’un microbiote favorable à l’individu, avec une implantation dominante du genre Bifidobacterium3 et un retard de colonisation par les Clostridium et les Bacteroides par rapport à une alimentation au lait artificiel. En revanche, il a été démontré que l’antibiothérapie précoce4,5 était un facteur influçant négativement son développement (apparition ultérieure d’allergies, d’asthme, de diabète, de surpoids…). Une fois le microbiote implanté, il évolue progressivement pour se diversifier en fonction de l’environnement auquel l’enfant est exposé et de son alimentation, pour se stabiliser vers l’âge de 3 ans6. Il reste néanmoins sensible toute la vie à de nombreux facteurs inhérents à l’organisme (génétique, rythme circadien) ou à l’environnement (rôle de l’alimentation) voire à des périodes de stress lors de traitements antibiotiques qui entraînent une dysbiose.


Sources
1. JM Rodriguez et al. The composition of the gut microbiota throughout life, with an emphasis on early life. Microbial Ecology in Health and Disease 2015; [S.l.]26 : 26050
2. Jakobsson HE et al. Decreased gut microbiota diversity, delayed Bacteroidetes colonisation and reduced Th1 responses in infants delivered by caesarean section. Gut,
2014 ; 63 : 559-66.
3. Guaraldi Fet al. Effect of breast and formula feeding on gut microbiota shaping in newborns. Front Cell Infect Microbiol 2012 ; 2 : 94.
4. Tanaka S et al. Influence of antibiotic exposure in the early postnatal period on the development of intestinal microbiota. FEMS Immunol Med Microbiol 2009 ; 56 : 80-7.
5. Fouhy F et al. High-throughput sequencing reveals the incomplete, short-term recovery of infant gut microbiota following parenteral antibiotic treatment with ampicillin and gentamicin. Antimicrob Agents Chemother 2012 ; 56 : 5811-20.
6. Yatsunenko T et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 2012 ; 486 : 222-7.

 

Bébé

De 0 à 3 ans, le microbiote des enfants se diversifie.

Adulte

Jusqu’à l’âge adulte, le microbiote intestinal se diversifie puis se stabilise.

Sénior

En prenant de l’âge, le microbiote s’appauvrit progressivement.

Fonctions

Le microbiote intestinal est indispensable au bon développement et au bon fonctionnement de notre organisme, notamment du fait des nombreux métabolites qu'il lui procure.
La présence d'un microbiote intestinal, après la naissance, est indispensable au bon développement de l'organisme, et en particulier du tractus intestinal, qui est encore immature chez le nouveau-né. C'est ce qu'ont démontré de nombreuses études, pour la plupart menées sur des rongeurs dénués de bactéries intestinales.

Maturation du tube digestif

Le tractus de ces animaux, dits « axéniques », présente, par rapport à ceux élevés en conditions normales, de nombreuses altérations : un caecum élargi1, des villosités dont l'épaisseur et la vascularisation sont diminuées2,3, des cryptes intestinales moins profondes4, une moindre production de mucus5...

Renforcement des jonctions serrées

Le microbiote intestinal influence aussi la perméabilité de l'épithélium intestinal. Certaines souches de lactobacilles et de probiotiques renforcent par exemple les jonctions serrées que forment entre elles les cellules épithéliales6.

Production d'acides gras à courte chaîne

Cet effet est notamment dû au fait que le microbiote intestinal produit de nombreuses molécules utiles au bon fonctionnement des intestins, notamment des AGCC, tels que le butyrate, qui sont des substrats énergétiques pour les colonocytes, et sont donc indispensables à la croissance et la différenciation de l’épithélium du côlon7. Une étude suggère d’ailleurs que la prise de levure probiotique Saccharomyces boulardii, en augmentant la production d’AGCC dans les intestins de patients sous nutrition parentérale, réduit les symptômes de diarrhée8.

Maturation du système immunitaire

Mais le microbiote intestinal n'est pas seulement nécessaire au bon développement des intestins. Le système immunitaire est, lui aussi, perturbé en son absence9 : les ganglions mésentériques sont atrophiés, les follicules lymphatiques rares et les plaques de Peyer (agrégats de follicules lymphatiques) restent sous une forme immature, notamment.


Sources

1- Smith Karen et al. Use of axenic animals in studying the adaptation of mammals to their commensal intestinal microbiota. Semin Immunol. 2007;19:59–69. doi: 10.1016/j.smim.2006.10.002.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Use+of+axenic+animals+in+studying+the+adaptation+of+mammals+to+their+commensal+intestinal+microbiota
2- Reinhardt C et al. Tissue factor and PAR1 promote microbiota-induced intestinal vascular remodelling. Nature 483, 627–631 (2012). An investigation which demonstrates that bacteria promote vessel formation in the intestinal epithelium by modulating tissue factor signalling.
http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7391/full/nature10893.html
3- Stappenbeck TS et al. Developmental regulation of intestinal angiogenesis by indigenous microbes via Paneth cells. Proc. Natl Acad. Sci. USA 99, 15451–15455 (2002).

http://www.pnas.org/content/99/24/15451.full.pdf
4- Sommer Felix et al. The gut microbiota--masters of host development and physiology. Nat Rev Microbiol. 2013;11:227–238.  2013
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=The+gut+microbiota--masters+of+host+development+and+physiology
5- Johansson Malin et al. Normalization of host intestinal mucus layers requires long-term microbial colonization. Cell Host Microbe. 2015;18(5):582–592.
http://www.cell.com/cell-host-microbe/pdf/S1931-3128(15)00417-5.pdf
6- Lutgendorff F et al. The role of microbiota and probiotics in stress-induced gastro-intestinal damage. Curr. Mol. Med. 8, 282–298 (2008)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=The+role+of+microbiota+and+probiotics+in+stress-induced+gastro-intestinal+damage
7- Linares Daniel M. et al. Beneficial microbes: the pharmacy in the gut. Bioengineered. 2016;7:11–20.
http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21655979.2015.1126015

8- Schneider  Stéphane et al. Effects of Saccharomyces boulardii on fecal short-chain fatty acids and microflora in patients on long-term total enteral nutrition. World J Gastroenterol 2005;11(39):6165-6169
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Effects+of+Saccharomyces+boulardii+on+fecal+short-chain+fatty+acids+and+microflora+in+patients+on+long-term+total+enteral+nutrition
9- Gensollen T et al. How colonization by microbiota in early life shapes the immune system. Science. 2016;352(6285):539–544. doi: 10.1126/science.aad9378
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27126036

 

Effet de barrière direct ou indirect, maturation du système immunitaire... le microbiote intestinal nous défend des pathogènes par des actions variées.

Les intestins sont une zone privilégiée d'invasion par des organismes pathogènes et des molécules toxiques, le microbiote intestinal est donc en première ligne pour nous défendre contre ces agressions. Le microbiote intestinal va agir de plusieurs manières.

Une compétition directe

Par un mécanisme d'exclusion compétitive, les bactéries commensales protègent l’organisme de l'infection par d'autres souches de manière passive. Elles entrent en compétition avec elles pour les sites d'adhésion et les nutriments essentiels à leur survie. Elles agissent aussi de manière plus directe, en produisant des métabolites néfastes à leurs compétitrices, tels que des peptides antibactériens.

Un renforcement des défenses naturelles

Les bactéries commensales nous défendent également par un renforcement de la barrière intestinale. Elles stimulent la production de mucus et des molécules de défense telles que les anticorps IgA, et activent le renouvellement des cellules de l'épithélium intestinal, ainsi que la formation de jonctions serrées entre elles, entretenant ainsi l'étanchéité de cette barrière physique 1, 2, 3.

Une action sur le système immunitaire intestinal

Enfin, le microbiote intestinal participe, durant nos premières années de vie, à la maturation du système immunitaire, en stimulant par exemple le développement des lymphocytes Th174. Ce processus repose sur la sécrétion de molécules capables de traverser l'épithélium intestinal, et d'agir sur les cellules humaines via des récepteurs spécifiques présents à leur surface. Cette action ne se limite pas aux défenses immunitaires localisées autour des intestins, et le microbiote semble donc pouvoir influencer la réponse à tous types d'agressions, par exemple des infections respiratoires5.

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Sources
1. Jakobsson HE, Rodriguez-Pineiro AM, Schutte A, et al. The composition of the gut microbiota shapes the colon mucus barrier. EMBO Rep 2015 ; 16 : 164-77.
2. Seth A, Yan F, Polk DB, Rao RK. Probiotics ameliorate the hydrogen peroxide-induced epithelial barrier disruption by a PKC- and MAP kinase-dependent mechanism. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2008 ; 294 : G1060-1069.
3. Reikvam DH, Erofeev A, Sandvik A, et al. Depletion of murine intestinal microbiota: effects on gut mucosa and epithelial gene expression. PLoS One 2011 ; 6 : e17996.
4. Caballero S, Pamer EG.: Microbiota-mediated inflammation and antimicrobial defense in the intestine. Annu Rev Immunol. 2015;33:227–56. 10.
5. Denny JE, Powell WL and Schmidt NW (2016) Local and Long-Distance Calling: Conversations between the Gut Microbiota and Intra and Extra-Gastrointestinal Tract Infections. Front. Cell. Infect. Microbiol. 6:41.

 

A partir de notre alimentation le microbiote intestinal fabrique des nutriments essentiels à notre organisme. Une fonction vitale.

C'est la fonction première de l’intestin : récupérer les nutriments pour les intégrer à l'organisme et alimenter son métabolisme. Le microbiote intestinal participe très activement à la réalisation de ce processus vital. Il utilise pour cela les composés alimentaires arrivant dans le côlon (principalement des glucides et des protéines qui n'ont pas été digérés dans l'intestin grêle) : soit il les dégrade en molécules plus petites, pour certaines assimilables par l’organisme (catabolisme), soit il s'en sert comme base pour synthétiser de nouvelles molécules, qui peuvent être également utiles pour l’organisme (anabolisme).

Vitamines, acides gras, acides aminés...

Les bactéries du microbiote intestinal fournissent en particulier des vitamines, telles que la ménaquinone (vitamine K2), la cobalamine (vitamine B12) et la biotine (vitamine B8), des acides gras à chaîne courte (acétate, propionate et butyrate), qui servent de nombreuses fonctions (l'acétate, par exemple, est un précurseur du cholestérol), et des acides aminés essentiels que sont les acides aminés à chaîne latérale ramifiée (leucine, isoleucine et valine)1.
Tous ces métabolites sont en partie absorbés à travers la paroi intestinale, puis transportés par le sang jusqu'aux organes qui en ont besoin.
Toutes les bactéries ne présentent pas les mêmes capacités anaboliques et cataboliques. La composition du microbiote intestinal, qui varie entre individus, participe donc à la diversité des métabolismes humains et à la variété des effets des différents régimes alimentaires2.
 

Sources
1. Turroni F, Ribbera A, Foroni E, van Sinderen D, Ventura M. Human gut microbiota and bifidobacteria: from composition to functionality. Antonie Van Leeuwenhoek. 2008;94(1):35–50
2. Sonnenburg J.L., Backhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature.2016;535(7610):56–64

 

Les pathologies

Une dysbiose peut être à l'origine de multiples pathologies ayant des répercussions sur différents organes.

Agir sur le microbiote

Une modulation du microbiote en vue d'un rééquilibrage est possible. 5 procédés existent à l'heure actuelle.

  • Probiotiques

    L’OMS définit les probiotiques comme étant des « Microorganismes vivants qui, lorsqu’ils sont administrés en quantité adéquate, confèrent un bénéfice pour la santé de l’hôte ».
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  • Prébotiques

    Les prébiotiques sont des substrats qui favorisent la croissance des bactéries. Ils sont donc indispensables à l’équilibre du microbiote.
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  • Symbiotiques

    Les symbiotiques sont des produits qui combinent prébiotiques et probiotiques pour un bénéfice accru sur le microbiote.
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  • Transplantation fécale

    La transplantation fécale consiste à implanter par voie naturelle un microbiote sain chez un individu malade pour restaurer son écosystème microbien.
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  • Alimentation

    La composition du microbiote intestinal varie en fonction des aliments ingérés avec des conséquences sur le métabolisme global.
    Voir

Les différents microbiotes

Intestinal

Le microbiote intestinal est un organe à part entière.
Mieux caractérisé grâce à la métagénomique, il livre peu à peu ses secrets. Hautement diversifié, il vit en étroite relation avec son hôte. Etabli dès la naissance, il est spécifique de chaque individu et remplit différentes fonctions au sein de l’organisme : effet de barrière, fonctions trophique, métabolique, immunitaire… et d’autres qui restent à élucider. Sujet à variation en fonction de facteurs internes et externes, il peut basculer vers un déséquilibre délétère pour l’organisme, la dysbiose. Et son rôle dans la pathogénie est ...

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Vaginal

Le microbiote vaginal, écosystème constitué de micro-organismes, est dominé par le genre Lactobacillus. Son équilibre est fragile et des changements dans sa composition occasionnent des infections.

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ORL

Le microbiote ORL est un microbiote d’une extrême richesse. On estime sa diversité à au moins 700 espèces différentes.

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Cutané

Le microbiote cutané est extrêmement diversifié. Sa composition varie selon les zones cutanées et selon les individus, et son déséquilibre est associé à des maladies de peau.

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Pulmonaire

Le microbiote pulmonaire est longtemps resté méconnu, car il était couramment admis que des poumons sains étaient stériles. Ce paradigme a été remis en question avec la découverte des différents microbiotes humains.

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Urinaire

L’existence d’un microbiote urinaire a été découverte très récemment et ce dernier commence seulement à être décrit. Des déséquilibres de cette flore pourraient être associés à des troubles de l’appareil urinaire.

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