Symbiotes cyanobactéries-probiotiques pour la modulation de l’inflammation intestinale et de la dysrégulation du microbiome dans la colite

Contexte académique

La maladie inflammatoire de l’intestin (Inflammatory Bowel Disease, IBD) est une maladie inflammatoire chronique de l’intestin qui comprend principalement la maladie de Crohn (Crohn’s Disease, CD) et la colite ulcéreuse (Ulcerative Colitis, UC). La pathogenèse de l’IBD est complexe et implique une dysfonction de la barrière muqueuse intestinale, une dysbiose du microbiome intestinal ainsi qu’une réponse immunitaire excessive et la libération de facteurs inflammatoires. Actuellement, le traitement de l’IBD repose principalement sur des médicaments anti-inflammatoires et des immunosuppresseurs, tels que l’acide 5-aminosalicylique (5-ASA), les corticostéroïdes et les antagonistes du facteur de nécrose tumorale (TNF). Cependant, ces traitements ne parviennent souvent pas à résoudre les causes fondamentales de l’IBD et peuvent entraîner des effets secondaires graves avec une utilisation à long terme, tels que des infections opportunistes, des néoplasmes malins et une toxicité hépatique.

Ces dernières années, le rôle du microbiome intestinal dans la pathogenèse de l’IBD a été progressivement mis en lumière, et la thérapie probiotique a montré un certain potentiel en tant que traitement adjuvant. Cependant, la biodisponibilité des probiotiques administrés par voie orale chez les patients atteints d’IBD est faible, et ils sont facilement endommagés par les espèces réactives de l’oxygène (Reactive Oxygen Species, ROS) dans l’intestin, ce qui limite leur efficacité thérapeutique. Par conséquent, le développement d’une nouvelle méthode de traitement capable de supprimer efficacement l’inflammation, de restaurer la fonction de la barrière intestinale et de moduler le microbiome intestinal est devenu un objectif de recherche majeur.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Jiali Yang, Shaochong Tan et leurs co-auteurs, et l’équipe de recherche provient du Département d’analyse pharmaceutique de l’École des sciences pharmaceutiques de l’Université de Zhengzhou, du Département des neurosciences de l’Institut des sciences et des maladies du cerveau de l’Université de Qingdao, entre autres institutions. L’article a été publié le 16 décembre 2024 dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), sous le titre “Cyanobacteria–probiotics symbionts for modulation of intestinal inflammation and microbiome dysregulation in colitis”.

Processus et résultats de la recherche

1. Conception de l’étude et construction des symbiotes

L’équipe de recherche a utilisé une technique de minéralisation biomimétique pour combiner des cyanobactéries (Synechocystis sp. PCC6803, SP) avec des probiotiques (Bacillus subtilis, BS), créant ainsi des symbiotes cyanobactéries-probiotiques (ASP@BS). La conception de ces symbiotes repose sur la capacité des cyanobactéries à produire de l’hydrogène (H2) via l’enzyme [NiFe]-hydrogénase ([NiFe]-hydrogenase) dans des conditions anaérobies, tandis que les probiotiques BS consomment l’oxygène pour créer un environnement anaérobie local, activant ainsi l’hydrogénase et favorisant la production de H2. Le H2, en tant qu’antioxydant puissant, peut éliminer les ROS dans l’intestin et atténuer la réponse inflammatoire.

2. Validation in vitro des symbiotes

Les chercheurs ont d’abord validé la relation symbiotique entre SP et BS in vitro. Grâce à des expériences de co-culture, ils ont observé que la concentration en oxygène dans le système diminuait progressivement après la co-culture de SP et BS, atteignant presque zéro après 8 heures. Parallèlement, le système de co-culture a produit 8,6 μmol de H2, alors que SP ou BS cultivés séparément n’ont produit aucun H2. Des expériences supplémentaires ont montré que la co-culture de SP et BS augmentait significativement l’activité de l’hydrogénase et éliminait efficacement les radicaux hydroxyles (•OH), avec une efficacité d’élimination de 58,1 %. De plus, les symbiotes ont significativement amélioré le taux de survie de BS dans des conditions de stress oxydatif élevé, indiquant que SP protège BS.

3. Préparation et caractérisation des symbiotes

Pour s’assurer que les symbiotes fonctionnent in vivo, l’équipe de recherche a synthétisé ASP@BS par minéralisation biomimétique. En utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM) et la microscopie confocale à balayage laser (CLSM), ils ont observé que la taille des particules d’ASP@BS était d’environ 100 µm, et que les cyanobactéries et les probiotiques étaient étroitement liés dans les symbiotes. L’analyse par spectroscopie infrarouge (FTIR) et par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS) a confirmé la synthèse réussie des symbiotes. De plus, des expériences de stabilité dans des fluides gastriques simulés, des sels biliaires et des fluides coliques simulés ont montré que les symbiotes avaient une tolérance élevée dans l’environnement gastro-intestinal.

4. Effets anti-inflammatoires et modulation du microbiome intestinal in vivo

Dans un modèle murin de colite aiguë induite par DSS, ASP@BS a montré des effets anti-inflammatoires significatifs. Par rapport au groupe témoin, les souris traitées avec ASP@BS ont présenté une perte de poids moindre, une réduction moins importante de la longueur du côlon et un indice d’activité de la maladie (DAI) significativement plus bas. L’analyse histologique a révélé que la structure du côlon des souris traitées avec ASP@BS était presque intacte, avec une infiltration minimale de cellules inflammatoires. De plus, ASP@BS a significativement réduit les niveaux de ROS dans les tissus du côlon, diminué l’infiltration de neutrophiles et restauré l’expression des protéines de jonction serrée (ZO-1 et Occludin), indiquant une restauration efficace de la fonction de la barrière intestinale.

5. Modulation du microbiome intestinal par les symbiotes

Grâce au séquençage du gène 16S rRNA, les chercheurs ont découvert que le traitement par ASP@BS modulait significativement la composition du microbiome intestinal des souris atteintes de colite. Par rapport au groupe témoin, la diversité du microbiome intestinal des souris traitées avec ASP@BS a augmenté, et l’abondance relative de bactéries bénéfiques telles que Akkermansia muciniphila, Muribaculaceae, Lactobacillus murinus et Bifidobacterium a augmenté de manière significative, tandis que l’abondance relative de bactéries potentiellement nocives comme Enterobacteriaceae et Romboutsia ilealis a diminué de manière significative. Ces résultats indiquent qu’ASP@BS peut restaurer l’équilibre du microbiome intestinal en le modulant.

Conclusion et signification

Cette étude démontre que les symbiotes cyanobactéries-probiotiques (ASP@BS), grâce à l’interaction synergique entre les cyanobactéries et les probiotiques, peuvent efficacement supprimer l’inflammation, éliminer les ROS, restaurer la fonction de la barrière intestinale et moduler le microbiome intestinal, offrant ainsi une solution globale pour le traitement de l’IBD. Par rapport aux médicaments anti-inflammatoires traditionnels, ASP@BS présente une sécurité biologique et une efficacité thérapeutique supérieures, tout en évitant les effets secondaires liés à l’utilisation à long terme de médicaments. De plus, la méthode de synthèse par minéralisation biomimétique d’ASP@BS garantit sa stabilité et sa délivrance efficace dans le tractus gastro-intestinal.

Points forts de la recherche

1. Conception innovante des symbiotes : La combinaison de cyanobactéries et de probiotiques par minéralisation biomimétique a permis de créer des symbiotes avec une interaction synergique, augmentant significativement la production de H2 et la capacité d’élimination des ROS.
2. Effets thérapeutiques multiples : ASP@BS peut non seulement supprimer l’inflammation, mais aussi restaurer la fonction de la barrière intestinale et moduler le microbiome intestinal, offrant une solution complète pour le traitement de l’IBD.
3. Sécurité biologique élevée : Par rapport aux médicaments anti-inflammatoires traditionnels, ASP@BS présente une sécurité biologique supérieure et aucune toxicité apparente n’a été observée.
4. Potentiel d’application : Le développement réussi d’ASP@BS ouvre de nouvelles perspectives pour le traitement d’autres maladies inflammatoires et a un large potentiel d’application.

Autres informations utiles

Le succès de cette recherche est dû à une collaboration multidisciplinaire impliquant la pharmacie, la microbiologie, la science des matériaux et d’autres domaines. L’équipe de recherche a réussi à synthétiser ASP@BS par minéralisation biomimétique et a validé ses effets anti-inflammatoires et de modulation du microbiome intestinal grâce à diverses méthodes expérimentales. De plus, l’étude fournit des données et des méthodes expérimentales détaillées, offrant une référence importante pour les recherches futures.

Cette étude offre non seulement de nouvelles perspectives pour le traitement de l’IBD, mais ouvre également de nouvelles voies pour l’application des symbiotes microbiens dans le traitement des maladies.