Microbiote’:’les’dysbioses’...

Philippe  SEKSIK  

Hôpital  Saint-­‐Antoine,  APHP  

 Microbiote  :  les  dysbioses  

MMBPI  ERL  U1057  /  UMR7203  

MICROBIOTE  INTESTINAL  

•  Pourquoi le connaît-on si mal ?

•  Que sait-on ? Dysbiose (hépato-gastro-entérologie)

     Bactéries  

MICROBIOTE    l’ensemble  des  micro-­‐organismes  présents  dans  le  tube  digesFf  

     Bactéries  Virus  

MICROBIOTE    l’ensemble  des  micro-­‐organismes  présents  dans  le  tube  digesFf  

     Bactéries  Virus  (Phages)    

MICROBIOTE    l’ensemble  des  micro-­‐organismes  présents  dans  le  tube  digesFf  

     Bactéries  Virus  (Phages)    

MICROBIOTE    l’ensemble  des  micro-­‐organismes  présents  dans  le  tube  digesFf  

     Bactéries  Virus  (Phages)  Champignons    

MICROBIOTE    l’ensemble  des  micro-­‐organismes  présents  dans  le  tube  digesFf  

     Bactéries  Virus  (Phages)  Champignons  Archaea    

MICROBIOTE    l’ensemble  des  micro-­‐organismes  présents  dans  le  tube  digesFf  

     Bactéries  Virus  (Phages)  Champignons  Archaea  

3  obstacles  pour  l’étude  du  microbiote  

     Bactéries  Virus  (Phages)  Champignons  Archae    

Obstacle  n°  1  CONDITIONS  DE  CULTURE  

EXTRÊMES  

3  obstacles  pour  l’étude  du  microbiote  

Fraction cultivable 20 % du microbiote intestinal"

è Technologies indépendantes de la culture"

Fraction cultivable 20 % du microbiote intestinal"

Obstacle  n°  2  LES  GRANDS  NOMBRES  

3  obstacles  pour  l’étude  du  microbiote  

Abondance  :      1014  bactéries    Diversité  :    ~  1000  espèces  

PopulaFons  bactériennes  

PopulaFons  virales  à  génome  viral    =  336Mb    

 grande  majorité  =  Phages  ou  inconnus  

Minot  S,  et  al  Genome  Res.  2011  

Obstacle  n°  3  COMPLEXITE  Ecosystème  

3  obstacles  pour  l’étude  du  microbiote  

Bacteries  

IgA  

Milieu  

Virus  

Bacteries  

IgA  

Milieu  

Virus   Bactériocines  Quorum  sensing  

Bacteries  

IgA  

Nutriments  Milieu  

Virus   Acides  biliaires  

XenobioLques  Bactériocines  

Quorum  sensing  

Bacteries  

IgA  

Milieu  

Virus   Bactériocines  Quorum  sensing  

Nutriments  Acides  biliaires  

XenobioLques  

Bacteries  

sIgA  

Epithélium  

IgA  

JoncLons  serrées  

Cellules  spécialisées  Paneth,  M  

Milieu  

Mucus  

Virus  

PepLdes  anL-­‐microbiens  

Bactériocines  Quorum  sensing  

Nutriments  Acides  biliaires  

XenobioLques  

Bacteries  

sIgA  

Epithélium  

IgA  

JoncLons  serrées  

Cellules  spécialisées  Paneth,  M  

Milieu  

Mucus  

Virus  

PepLdes  anL-­‐microbiens  

Bactériocines  Quorum  sensing  

Nutriments  Acides  biliaires  

XenobioLques  

Que sait-on ?

3  GRANDES  NOTIONS  

1.  Mise en place composition 2.  Stabilité - Variation / Résilience 3.  Fonctions

Que sait-on ?

Mise en place composition

1.  Mise en place composition 2.  Stabilité - Variation / Résilience 3.  Fonctions

Naissance : tube digestif stérile

acquisition d’un microbiote «adulte» (2-6 ans)

ColonisaFon  espèces  

bactériennes  

Naissance : tube digestif stérile

acquisition d’un microbiote «adulte» (2-6 ans)

ColonisaFon  espèces  

bactériennes  

Environnement  

 &    

Facteurs  hôte  

Fallani  et  al.  JPGN  2010  

From  Rawls  et  al.,  Cell  2006  

Facteurs  hôte  

TransplantaFons  réciproques  de  microbiote  

Facteurs  hôte  

From  Rawls  et  al.,  Cell  2006  

From  Rawls  et  al.,  Cell  2006  

ComposiFon  du  microbiote  sous  contrôle  de  déterminants  généFques  

TransplantaFons  réciproques  de  microbiote  

From  Stewart  et  al.,  J.  Med.  Microbiol.    2005  Zoetendal  et  al.,  Microb.  Ecol.  Health  Dis.  2001  Turnbaugh  PJ  et  al  .PNAS  2010  

ComposiFon  du  microbiote  sous  contrôle  de  déterminants  généFques  

Actinobacteria Bacteroidetes

Firmicutes

Trois  phyla  (divisions)  majeurs  

Li  et  al  2008  (n  =  5,  ~7000  seq)  Eckburg  et  al  2006  (n  =  3,  ~2500  seq)  Manichanh  et  al  2006  (n  =  6,  ~500  seq)  Gill  et  al  2006  (n  =  2,  ~2000  seq)  

PopulaFons  bactériennes  

Que sait-on ?

Stabilité - Variation / Résilience

1.  Mise en place composition 2.  Stabilité - Variation / Résilience 3.  Fonctions

Profil  de  Microbiote  

Unique pour chaque individu

«Code barre»

variabilité inter individuelle Species diversity profiling  

of the dominant fecal microbiota of adults  

Zoetendahl  et al. 1998  Seksik et al. 2003  Vanhoutte  et al. 2004  

The  faecal  microbiota of adults is specific of individuals  

14 adultes sains  

100

95

90

S1 S2 S5 S4 S3

% similarité

Stabilité sur 2 ans The dominant human faecal microbiota is stable

Relative stabilité chez un même individu

Seksik  et  al.  Gut  2003  

Profil chez un même individu Species diversity profiling  

of the dominant fecal microbiota of adults  

Zoetendahl  et al. 1998  Seksik et al. 2003  Vanhoutte  et al. 2004  

The  faecal  microbiota of adults is specific of individuals  

14 adultes sains  

•  Alimentation

•  Antibiothérapie

•  Infection intestinale

•  Poussée de MICI

•  Autres

Stabilité  -­‐  VariaFon  /  Résilience  

40

50

60

70

80

90

100

110

0 1 2 3 4 …. 30 …. 60

Time (days)

sim

ilari

ty %

***

Effet de l’erythromycine sur diversité d’especes dominantes

(De la Cochetiere et al. JCM 2005)

Erythromycine 500mg/jour 4 jours

AnFbiothérapie  :  une  ‘catastrophe’  écologique  

40

50

60

70

80

90

100

110

0 1 2 3 4 …. 30 …. 60

Time (days)

sim

ilari

ty %

***

Effet de l’erythromycine sur diversité d’especes dominantes

(De la Cochetiere et al. JCM 2005)

Résilience du microbiote

Erythromycine 500mg/jour 4 jours

Que sait-on ?

Fonctions

1.  Mise en place composition 2.  Stabilité - Variation / Résilience 3.  Fonctions

Le  microbiote  intesFnal  humain      

Abondance  :      1014  bactéries    Diversité  :    ~  1000  espèces    

Notre autre génome

Le  microbiote  intesFnal  humain      

Abondance  :      1014  bactéries    Diversité  :    ~  1000  espèces    

Notre autre génome

La  somme  de  tous  les  ADNs  bactériens  =  Métagénome  

Le  microbiote  intesFnal  humain      

Abondance  :      1014  bactéries    Diversité  :    ~  1000  espèces    

Métagénome  (ADN  bactériens):  ~108  gènes  100  à  150  x  le  génome  humain  

Notre autre génome

La  somme  de  tous  les  ADNs  bactériens  =  Métagénome  

Mullard  A.  The  inside  story,  Nature  2008  

Projets  ‘Métagénomic’  

Turnbaugh  et  al.,  Nature  2008  MetaHIT  Project  ;  Qin  et  al  ,  Nature  2010  

DescripFon  d’un  noyau  foncFonnel  bactérien  

Turnbaugh  et  al.,  Nature  2008  MetaHIT  Project  ;  Qin  et  al  ,  Nature  2010  

Seulement  2%  des  phylotypes  sont  partagés  par  plus  de  50%  des  individus  

Mais  noyau  foncLonnel  important  

DescripFon  d’un  noyau  foncFonnel  bactérien  

38%  des  gènes  bactériens  sont  partagés  par  >50%  des  individus  (9%  partagés  par  >  80%)  

 Nous  sommes  tous  assez  

semblables  

Turnbaugh  et  al.,  Nature  2008  MetaHIT  Project  ;  Qin  et  al  ,  Nature  2010  

Seulement  2%  des  phylotypes  sont  partagés  par  plus  de  50%  des  individus  

Mais  noyau  foncLonnel  important  

DescripFon  d’un  noyau  foncFonnel  bactérien  

38%  des  gènes  bactériens  sont  partagés  par  >50%  des  individus  (9%  partagés  par  >  80%)  

 Nous  sommes  tous  assez  

semblables  

Gènes  rares  gènes  partagés  par  ≤  20  %  des  individus  

=  2,4  millions  gènes    

Mais  loin  d’être  idenLques    

DescripFon  d’un  noyau  foncFonnel  bactérien  

Turnbaugh  et  al.,  Nature  2008  MetaHIT  Project  ;  Qin  et  al  ,  Nature  2010  

Seulement  2%  des  phylotypes  sont  partagés  par  plus  de  50%  des  individus  

Mais  noyau  foncLonnel  important  

à   Connaître  ces  foncLons  

Turnbaugh  et  al.,  Nature  2008  MetaHIT  Project  ;  Qin  et  al  ,  Nature  2010  

Seulement  2%  des  phylotypes  sont  partagés  par  plus  de  50%  des  individus  

Mais  noyau  foncLonnel  important  

•  Métaboliques

•  Immune / Protection

 2  grandes  foncFons  

•  Dégradation des sucres et ‘protéines’ •  Contrôle le stockage des graisses

FoncFons  métaboliques  

•  Dégradation des sucres et ‘protéines’

•  Contrôle le stockage des graisses

FoncFons  métaboliques  

Modifications du microbiote intestinal chez l’obèse

Dysbiose  

déséquilibre dans la composition du microbiote

Modifications du microbiote intestinal chez l’obèse à Dysbiose

Ley  et  al.,  PNAS  2005  

Rapport  Firmicutes  /Bacteroidetes    chez  les  souris  obèses  et  les  non-­‐obèses  

Souris  ob/ob  :  mutaLon  sur  le  gène  de  la  lepLne  

AugmentaLon  relaLve  des  Firmicutes  au  détriment  des  

Bacteroidetes  

Actinobacteria Bacteroidetes

Firmicutes

ob/ob

Dysbiose

Microbiote  confère  le  phénotype  

Sauvage

Transfert microbiote

Dysbiose

ob/ob

Microbiote  confère  le  phénotype  

Phénotype obèse

Dysbiose

ob/ob

Transfert microbiote

Microbiote  confère  le  phénotype  

Sauvage

Sauvage

Exemple : souris KO TLR5

Vigay-­‐Kumar  et  al.  Science  2010    

Développent un ‘syndrome métabolique’

Microbiote  confère  le  phénotype  

TransplantaFons  réciproques  de  microbiote  

TLR 5 KO

Dysbiose

Microbiote  confère  le  phénotype  

TransplantaFons  réciproques  de  microbiote  

TLR 5 KO

Transfert microbiote

Dysbiose

Sauvage

Microbiote  confère  le  phénotype  

TransplantaFons  réciproques  de  microbiote  

TLR 5 KO

Transfert microbiote

Syndrome métabolique chez souris sauvages

Dysbiose

Sauvage

•  Stéatoses et stéatohépatites dysmétaboliques

•  Hépatite alcoolique

•  Cirrhose (CHC)

•  ‘Syndrome métabolique’

FoncFons  métaboliques  

•  Plasmocytes à IgA (répertoire)

•  Orientation de la réponse immune

•  Peptides anti-microbiens

•  Prolifération épithéliale (carcinogenèse)

FoncFons  Immunes  /  ProtecFon  

Lindner  et  al.  J  exp  med.  2012  

Microbiote colitogénique

RAG2-/- and T-bet -/-

Colite spontanée

TRUC (T-bet -/-, RAG2 -/- Ulcerative Colitis) model

Garrett et al. Cell 2007

RAG2-/- and T-bet -/-

TRUC model

Colite + Antibiotiques

Colites chez les descendants TRUC

Garrett et al. Cell 2007

Microbiote colitogénique

Colite spontanée

RAG2-/- and T-bet -/-

TRUC model

Colite chez WT TRUC

+

WT

WT

WT

Co-housing

Garrett et al. Cell 2007

Microbiote colitogénique

Colite spontanée

RAG2-/- and T-bet -/-

TRUC model

TRUC

+

WT

WT

WT

Co-housing

transmission horizontale

Microbiote colitogénique

Garrett et al. Cell 2007

Microbiote colitogénique

Colite chez WT

Colite spontanée

Dysbiose  au  cours  des  MICI    

déséquilibre entre bactéries “protectrices” et bactéries “délétères”

principal component analysis

R2Ycum=0,719

- 3 - 2 - 1 0 1 2 3

- 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5 6 t[2

]=0,

085

t[1]=0,635 R2Ycum=0,772

- 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4

- 5 - 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 5

t[2]=

0,07

9

t[1]=0,692

MICI en poussée

Sujets sains MICI en rémission

Microbiote  fécal  

Sokol et al. IBD 2009

Firmicutes  /  Bacteroidetes  

6.0 3.6 2.4 1.2 1.3 0%

20%

40%

60%

80%

100%

sains MICI Rémission MICI Poussée

Bacteroidetes Firmicutes

6.0 3.6 2.4 1.2 1.3

Dysbiose  

0

20

40

60

80

100

Additivité

Crohn RCH

Colite Infectieuse

Témoins sains

C. coccoides C. leptum à Proportions basses de Firmicutes au cours des MICI à Proportions basses de C. leptum (F. prausnitzii) au cours de la MC à Quel impact sur l’évolution de la maladie ?

Sokol et al. IBD 2006

• Eub338 ( Eubacteria ) • Bac303 ( Bacteroides - Prevotella ) • Ent1458 ( Enterobacteria ) • Erec482 ( Clostridium coccoides ) • Lab158 ( Lactobacillus - Enterococcus ) • Bif164 ( Bifidobacterium ) • Fprau645 ( F. prausnitzii ) Dapi + Erec - Cy3

Sokol et al. PNAS 2008

remission or récidive

M6 coloscopie

M0 Résection chirurgicale

Une étude nichée dans un essai du Getaid

Microbiote associé à l’iléon au cours de la MC

20 patients ayant une résection iléo-caecale

par FISH analyse

remission or récidive

M6 coloscopie

M0 Résection chirurgicale

Une étude nichée dans un essai du Getaid

Microbiote associé à l’iléon au cours de la MC

F. prausnitzii à M0 3.3% ± 3.4 à remission à M6

vs 0.3% ± 0.5 à récidive à M6

(p=0.027)

par FISH analyse • Eub338 ( Eubacteria ) • Bac303 ( Bacteroides - Prevotella ) • Ent1458 ( Enterobacteria ) • Erec482 ( Clostridium coccoides ) • Lab158 ( Lactobacillus - Enterococcus ) • Bif164 ( Bifidobacterium ) • Fprau645 ( F. prausnitzii )

20 patients ayant une résection iléo-caecale

Microbiote de 37 patients atteints de MC en rémission

0.0  0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0  

Surviving  

50   100  150  200  250  300  350  400  450  500  jours    

0.0  0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8  0.9  1.0  

Surviving  

50   100  150  200  250  300  350  400  450  500  jours    

Nbre  de  paLents  :  37            31              30                          24                                                                    12  

P=0.03  

F.  prausnitzii    

Evolution en fonction du taux de F. prau

Taux  élevé  

Taux  faible  

Se 0,82 Sp 0,68 VPP 0,6 VPN 0,87

Rajca  et  al.  DDW  2011    

Conséquences  de  la  dysbiose    

à InflammaFon    

F.  prau  anF-­‐inflammatoire  

•  MICI

•  Cancer colo-rectal

•  TFI

•  Infections-colites / antibiotiques

•  ‘Orientation immune’

FoncFons  Immunes  /  ProtecFon  

•  probiotiques non ‘empiriques’ •  pré-biotiques •  métabiotiques

•  antibiotiques ciblés •  molécules du Quorum sensing •  Défensines •  Transplantation de microbiote

ThérapeuFques  visant  la  normobiose  

•  Microbiote = organe fonctionnel

•  Impliqué en physiologie métabolisme, inflammation, cancer

•  Impliqué dans de nombreuses pathologies

•  Préserver biodiversité / équilibre

Conclusion  

•  Microbiote = organe fonctionnel

•  Impliqué en physiologie métabolisme, inflammation, cancer

•  Impliqué dans de nombreuses pathologies

•  Préserver biodiversité / équilibre

Capital ’Flore’

Conclusion