L'hydrogène gazeux et le microbiote intestinal comme biomarqueurs potentiels du développement de la colite expérimentale chez la souris

Immunologie Médecine Système gastro-intestinal Sciences de la vie Microbiologie
microbiote intestinal hydrogène gazeux colite expérimentale maladie inflammatoire de l'intestin biomarqueur

La maladie inflammatoire de l’intestin (Inflammatory Bowel Disease, IBD) est une maladie inflammatoire chronique qui comprend principalement la colite ulcéreuse (Ulcerative Colitis, UC) et la maladie de Crohn (Crohn’s Disease, CD). L’incidence de l’IBD augmente d’année en année à l’échelle mondiale, posant un fardeau important pour la santé et l’économie des patients et de la société. Actuellement, le diagnostic de l’IBD repose principalement sur l’endoscopie, mais cette méthode est coûteuse, invasive et peu pratique pour une utilisation continue. Par conséquent, le développement d’une méthode de diagnostic plus pratique et non invasive est devenu une nécessité urgente.

Ces dernières années, la relation entre le microbiote intestinal (gut microbiota) et la pathogenèse de l’IBD a suscité un intérêt croissant. Les métabolites du microbiote intestinal, tels que l’hydrogène (H₂), l’ammoniac (NH₃) et le sulfure d’hydrogène (H₂S), peuvent traverser la barrière sang-poumon et être finalement expirés. Ces composants gazeux pourraient devenir des biomarqueurs de l’IBD. Cependant, la plupart des recherches se sont concentrées sur les composés organiques volatils (Volatile Organic Compounds, VOCs) de haut poids moléculaire, tandis que les composants gazeux de faible poids moléculaire, tels que l’hydrogène, n’ont pas été suffisamment étudiés.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée par une équipe de recherche de la Keio University et de la The University of Tokyo, avec comme principaux auteurs Yuta Fujiki, Takahisa Tanaka, Kyosuke Yakabe, et al. L’article a été accepté le 20 octobre 2023 et publié dans la revue Gut Microbiome, avec le DOI 10.1017/gmb.2023.17.

Processus de recherche

1. Conception expérimentale et modèle animal

L’étude a utilisé un modèle de colite induite par le Dextran Sulphate Sodium (DSS) chez la souris pour simuler le processus inflammatoire de l’IBD. L’expérience a été divisée en deux groupes : un groupe de souris traitées avec du DSS et un autre groupe traité avec du Dextran (un analogue du DSS) comme témoin négatif. L’expérience a duré 15 jours, au cours desquels les changements de poids et les niveaux de Lipocalin-2 (LCN2) dans les selles ont été surveillés quotidiennement, le LCN2 étant un biomarqueur de l’inflammation intestinale.

2. Mesure des gaz biologiques

L’équipe de recherche a conçu un système d’échantillonnage de gaz pour mesurer en continu cinq gaz biologiques dans la cage des souris : l’hydrogène (H₂), l’ammoniac (NH₃), le sulfure d’hydrogène (H₂S), le méthyl mercaptan (CH₃SH) et l’éthyl mercaptan (C₂H₅SH). Ce système a utilisé des chromatographes à gaz à capteurs (sensor gas chromatographs) pour surveiller en temps réel la concentration des gaz, avec une fréquence d’échantillonnage de 10 fois par heure. La concentration des gaz reflétait la respiration des souris, les gaz cutanés et les composants gazeux des selles.

3. Analyse du microbiote intestinal

À différents moments de l’expérience (jours 0, 1, 3, 5, 7, 9, 12 et 15), les chercheurs ont prélevé des échantillons de selles des souris pour effectuer un séquençage du gène 16S rRNA, analysant ainsi la composition et la diversité du microbiote intestinal. Les données de séquençage ont été traitées à l’aide du logiciel Qiime2, et les variants de séquence d’amplicon (Amplicon Sequence Variants, ASVs) ont été construits en utilisant la base de données Silva pour la classification des espèces.

4. Analyse des données

L’étude a utilisé l’analyse de corrélation de Pearson pour évaluer la corrélation entre la concentration des gaz biologiques et les phénotypes de la colite (changements de poids et niveaux de LCN2). De plus, les courbes ROC (Receiver Operating Characteristic) ont été utilisées pour évaluer la capacité de chaque gaz à diagnostiquer le développement de la colite.

Résultats principaux

1. Corrélation entre les gaz biologiques et les phénotypes de la colite

Chez les souris traitées avec du DSS, les niveaux d’hydrogène (H₂) étaient négativement corrélés avec les niveaux de LCN2 et positivement corrélés avec les changements de poids. Cela indique que les niveaux de H₂ diminuent avec le développement de la colite, suggérant que le H₂ pourrait devenir un biomarqueur potentiel de l’inflammation intestinale. De plus, la surface sous la courbe ROC (AUC) du sulfure d’hydrogène (H₂S) était la plus élevée, indiquant que le H₂S a une valeur diagnostique élevée pour prédire le développement de la colite.

2. Changements dans le microbiote intestinal

Chez les souris traitées avec du DSS, la diversité et la richesse du microbiote intestinal ont progressivement diminué. L’abondance relative des familles Akkermansiaceae et Rikenellaceae était positivement corrélée avec les niveaux de LCN2 et négativement corrélée avec les changements de poids, tandis que l’abondance relative de Tannerellaceae était négativement corrélée avec les niveaux de LCN2 et positivement corrélée avec les niveaux de H₂. Cela suggère que Tannerellaceae pourrait jouer un rôle actif dans l’atténuation des symptômes de la colite.

3. Corrélation entre les gaz biologiques et le microbiote intestinal

L’abondance relative de Tannerellaceae était positivement corrélée avec les niveaux de H₂, tandis que l’abondance relative des familles Akkermansiaceae et Rikenellaceae était négativement corrélée avec les niveaux de H₂. Ce résultat soutient davantage le potentiel du H₂ en tant que biomarqueur de l’inflammation intestinale.

Conclusion et signification

Cette étude montre que les niveaux d’hydrogène (H₂) sont étroitement liés au développement de la colite expérimentale et pourraient devenir un biomarqueur non invasif de l’IBD. De plus, certains microbiotes intestinaux (comme Tannerellaceae) sont associés aux changements des niveaux de H₂ et pourraient jouer un rôle important dans la pathogenèse de l’IBD. Cette découverte offre de nouvelles perspectives pour le diagnostic et le traitement de l’IBD.

Points forts de l’étude

  1. Méthodologie innovante : L’équipe de recherche a développé un système de mesure continue des gaz biologiques, permettant une surveillance en temps réel des composants gazeux dans la cage des souris, offrant ainsi une référence technique pour des études similaires.
  2. Étude des gaz de faible poids moléculaire : Contrairement aux études précédentes, cette recherche s’est concentrée sur les composants gazeux de faible poids moléculaire (comme le H₂), comblant ainsi une lacune dans ce domaine.
  3. Lien entre le microbiote intestinal et le métabolisme des gaz : L’étude a révélé pour la première fois une corrélation entre certains microbiotes intestinaux et les niveaux de gaz biologiques, offrant une nouvelle perspective pour comprendre la pathogenèse de l’IBD.

Autres informations pertinentes

L’étude a également révélé que le sulfure d’hydrogène (H₂S) a une valeur diagnostique élevée pour prédire le développement de la colite, ouvrant ainsi de nouvelles pistes pour les recherches futures. De plus, l’équipe de recherche prévoit de développer un modèle expérimental mesurant uniquement les composants de l’air expiré afin d’améliorer encore la précision du diagnostic.

Cette étude fournit non seulement de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic de l’IBD, mais offre également des indices importants pour comprendre la relation complexe entre le microbiote intestinal et le métabolisme des gaz, ayant ainsi une valeur scientifique et applicative significative.