L’impact des changements microbiens intestinaux dans le métabolisme de la lysine sur l’adaptation mécanique osseuse

Contexte de l’étude

L’ostéoporose est un grave problème de santé publique à l’échelle mondiale, touchant plus de 200 millions de personnes et constituant une menace considérable pour la santé et la vie. Des études montrent que le maintien de la santé osseuse et la prévention de l’ostéoporose dépendent de la charge mécanique. Cependant, des preuves cliniques indiquent que la réponse osseuse à la charge mécanique (adaptation mécanique osseuse) varie considérablement d’un individu à l’autre. Au cours des dernières décennies, il a été progressivement découvert que le microbiote intestinal joue un rôle important dans la santé de l’hôte, et des recherches ont montré qu’il existe une association entre le microbiote intestinal et l’homéostasie osseuse. Par conséquent, comprendre les mécanismes par lesquels le microbiote intestinal régule l’adaptation mécanique osseuse et identifier des interventions potentielles sont devenus des questions scientifiques urgentes à résoudre.

Source de l’étude

Cet article de recherche intitulé “Gut microbial alterations in arginine metabolism determine bone mechanical adaptation” a été rédigé par Dan Wang et son équipe. Il révèle le rôle clé des altérations du métabolisme de la lysine par le microbiote intestinal dans l’adaptation mécanique osseuse. L’article a été publié le 4 juin 2024 dans la revue “Cell Metabolism”. L’équipe de recherche est principalement issue du Département de Génie Biomédical de la Quatrième Université Médicale Militaire, de la Faculté des Sciences de la Vie de l’Université du Nord-Ouest, de la Faculté de Médecine de base de l’Université de Médecine Chinoise du Shaanxi et du Département d’Orthopédie de l’Hôpital de Xijing.

Déroulement de l’étude

Sujets et étapes expérimentales

L’étude a d’abord utilisé un modèle de souris traité aux antibiotiques pour étudier l’impact de la déplétion du microbiote sur l’adaptation osseuse à la charge. Les souris ont été traitées pendant deux semaines avec un cocktail d’antibiotiques à large spectre, comprenant l’ampicilline, le métronidazole, la néomycine et la vancomycine, qui se sont avérés efficaces pour éliminer le microbiote intestinal local. Après le traitement antibiotique, le tibia de la patte droite des souris a été soumis à une charge de compression cyclique uniaxiale, tandis que la patte gauche a servi de contrôle.

Expérience sur tapis roulant

Pendant 6 semaines, les souris ont été soumises à un entraînement physique sur un tapis roulant. Les chercheurs ont observé que la composition du microbiote intestinal différait de manière significative entre les souris à haute réponse (HRs) et à faible réponse (LRs) à l’adaptation mécanique osseuse. Par rapport aux souris LRs, les souris HRs présentaient une augmentation significative de Lachnospiraceae, une bactérie de l’embranchement Firmicutes.

Transfert microbien et expérience sur les métabolites

Une expérience de transplantation fécale a révélé que le microbiote intestinal isolé des souris HRs pouvait augmenter significativement l’adaptation mécanique osseuse des souris receveuses. Des expériences supplémentaires ont montré que certains métabolites du métabolisme de la lysine, tels que la L-citrulline et sa conversion en L-arginine, amélioraient de manière significative l’adaptation mécanique osseuse des souris normales, jeunes et ovariectomisées.

Analyse des mécanismes moléculaires

L’étude a montré que la L-arginine stimule l’adaptation mécanique osseuse en activant une voie de signalisation centrée sur une boucle de rétroaction positive entre l’oxyde nitrique et le calcium (NO-Ca2+). L’activation continue de cette voie de signalisation améliore la survie des cellules osseuses sous charge mécanique et augmente l’expression des gènes liés aux protéines osseuses, contribuant ainsi au maintien de la santé osseuse.

Résultats de l’étude

Inhibition de la réponse osseuse

Les résultats montrent que chez les souris traitées aux antibiotiques, la charge mécanique n’a plus d’effet significatif sur la structure de l’os cortical et trabéculaire, et les performances mécaniques des os n’ont pas changé de manière significative. En revanche, les souris non traitées aux antibiotiques ont montré une augmentation significative de la masse osseuse et de la force osseuse.

Différences entre les groupes à haute et faible réponse

Grâce à l’entraînement sur tapis roulant, les chercheurs ont distingué les souris à haute réponse des souris à faible réponse. Les souris du groupe HRs présentaient une augmentation significative de Lachnospiraceae dans l’intestin après l’entraînement, ainsi qu’une amélioration significative des performances mécaniques osseuses. De plus, la concentration de L-citrulline et de L-arginine dans le sérum de ce groupe était significativement plus élevée que dans le groupe LRs.

Effet du transfert microbien et des métabolites de la lysine

Les résultats des expériences de transplantation fécale montrent que le microbiote intestinal isolé des souris HRs peut augmenter de manière significative la réponse mécanique osseuse chez les souris receveuses. De plus, des souches bactériennes spécifiques, comme C. clostridioforme parmi les Lachnospiraceae, ont été trouvées capables de produire de la L-citrulline et ses dérivés, la L-arginine, qui améliorent significativement la structure et la fonction osseuses sous charge mécanique chez les souris.

Exploration des mécanismes moléculaires

L’exploration des mécanismes moléculaires a montré que la L-arginine utilise la synthase d’oxyde nitrique (NOS) pour générer de l’oxyde nitrique (NO), un médiateur clé dans l’adaptation mécanique des cellules osseuses. La L-arginine favorise en outre l’augmentation de la concentration de NO dans les cellules osseuses sous stress de cisaillement (FSS) et active la boucle de rétroaction positive NO-Ca2+, renforçant ainsi la survie des cellules osseuses et la régulation de l’expression génique, ce qui optimise finalement l’adaptation mécanique osseuse.

Signification et valeur de l’étude

Valeur scientifique

Cette étude révèle le rôle clé du microbiote intestinal et de ses métabolites dans l’adaptation mécanique osseuse. Cette découverte remet en question l’idée traditionnelle selon laquelle la régulation osseuse dépend uniquement de signaux mécaniques et biochimiques, offrant ainsi une nouvelle perspective pour comprendre la perte osseuse et sa prévention.

Valeur appliquée

Les résultats de l’étude montrent que la L-arginine a un potentiel thérapeutique prometteur dans la prévention de l’ostéoporose. En particulier pour les personnes âgées et les femmes ménopausées dont l’adaptation mécanique est faible, la L-arginine offre un nouvel espoir pour améliorer leur santé osseuse.

Points forts de l’étude

1. Cette étude décrit pour la première fois en détail le mécanisme de régulation du microbiote intestinal dans l’adaptation mécanique osseuse.
2. L’étude confirme le rôle clé de la L-citrulline et de ses dérivés, la L-arginine, dans la réponse des cellules osseuses à la charge mécanique.
3. Elle découvre un nouveau mécanisme par lequel la L-arginine favorise la santé osseuse en activant la boucle de rétroaction positive NO-Ca2+.

Conclusion

Cette étude souligne non seulement l’importance du microbiote intestinal et de ses métabolites dans la régulation de l’adaptation mécanique osseuse, mais propose également une nouvelle stratégie d’intervention basée sur l’axe microbiote-métabolites pour optimiser les bénéfices mécaniques sur les os, offrant ainsi une référence importante pour la prévention personnalisée de l’ostéoporose.