Il aura fallu environ un siècle et demi à la communauté scientifique, depuis Louis Pasteur, pour décrypter par séquençage et répertorier dans un catalogue l’ensemble des gènes des bactéries qui sont présentes à la surface de nos épithéliums, regroupé sous le terme « métagénome » [69] (→). En 2014, près de 10 millions de gènes bactériens ont été identifiés à partir d’échantillons fécaux provenant de 1 268 patients originaires de trois continents différents [1]. Les bactéries qui nous colonisent seraient donc aussi, ou plus, nombreuses que nos cellules [2]. Parallèlement, la comparaison de cohortes issues de différentes sources (chinoise et danoise) a mis en évidence une répartition de ces gènes dépendant de l’origine des individus examinés. Ces gènes entrent dans la composition du génome de milliers d’espèces bactériennes dont la plupart ne sont actuellement pas encore identifiées. Aujourd’hui, les données concernant ces bactéries et ces gènes, recueillies au niveau international, sont collectées par un consortium (international microbiome project) afin de pouvoir classer ce métagénome en fonction des groupes d’individus étudiés et des maladies qu’ils présentent [66] (→).

(→) Voir la Synthèse de J. Weissenbach et A. Sghir, page 937 de ce numéro

(→) Voir la Synthèse de H.M. Blottière et J. Doré, page 944 de ce numéro

Une des avancées majeures de cette dernière décennie concerne les maladies métaboliques, notamment le diabète de type 2, l’obésité, et la stéatose hépatique non-alcoolique. S’il était intuitif jusqu’ici de concevoir que ces pathologies, toutes fortement liées à un déséquilibre nutritionnel, pouvaient être associées à un changement de l’écologie microbienne intestinale et buccale (les bactéries se nourrissant de ce que nous mangeons), ce n’est que récemment, grâce à l’avènement du séquençage à ultra-haut débit, que des associations entre pathologies métaboliques et modifications du microbiote ont pu être établies (Figure 1). Ainsi, les travaux du groupe d’O. Pedersen au Danemark [3, 4] ont montré sur une cohorte de plus de 300 patients, qu’il existait une signature caractéristique du microbiote intestinal du patient obèse et, dans une certaine mesure, du diabétique de type 2. En effet, on retrouve dans l’intestin d’une majorité de patients fortement obèses un nombre réduit de gènes de bactéries (moins de 500 000) [4], ce qui a introduit le concept de dysbiose intestinale. Parallèlement, la notion d’entérotypes a été avancée, notamment dans le contexte de la mise en place du microbiote qui a lieu au moment de la naissance [5], ou dans le cas de certaines maladies métaboliques [6] ou cardiovasculaires [7]. Il est également possible de définir une signature bactérienne, ou un entérotype bactérien, spécifique d’un sous-groupe de patients tous atteints de la même maladie. Ainsi, un entérotype donné, défini à partir des observations réalisées sur des individus ayant des microbiotes et une pathologie similaires, pourrait permettre de regrouper des patients non plus uniquement en fonction de leur phénotype, mais également sur la base de leur métagénome bactérien, identifié par l’analyse de leurs selles. À ce jour, l’identification de groupes bactériens (appelés taxons) qui constitueraient une signature du diabète de type 2 et de l’obésité n’est cependant pas sans ambiguïté. De façon générale, par rapport à des sujets apparemment sains, une restriction de la diversité microbienne^1, est observée chez les sujets obèses. En effet, chez les sujets présentant un indice de masse corporelle (IMC) supérieur à 45, on observe une réduction de 30 à 70 % du nombre des gènes bactériens [4], réduction qui peut être modulée par un régime riche en fibres alimentaires. Il permet en effet d’augmenter la diversité en espèces microbiennes et, en parallèle, de diminuer le surpoids et, globalement, d’améliorer la santé [8], comme observé dans une étude restreinte de 50 patients obèses. Cette notion de réduction de diversité génétique bactérienne est donc à opposer à celle de l’implication d’une seule, ou de plusieurs, entités bactériennes particulières dans le développement de la maladie. Cependant, la réduction de diversité du microbiote intestinal n’est pas spécifique des maladies métaboliques. Elle est en effet également retrouvée dans d’autres pathologies dont les pathologies inflammatoires comme la maladie de Crohn, une maladie inflammatoire chronique du tube digestif (MICI) [9–11]. Ces spécificités de microbiote intestinal ne peuvent donc être utilisées de manière univoque pour le diagnostic d’une maladie métabolique. De plus, dans une proportion importante de patients obèses (environ 30 à 40 %), une telle altération du microbiote intestinal n’est pas observée, ce qui pourrait être lié au caractère multigénique et multi-étiologique de la maladie métabolique.

Figure 1. Les microbiotes épithéliaux, intracellulaires et intra-tissulaires. Le microbiote tapisse l’ensemble de nos épithéliums avec une diversité et une quantité qui dépend de la région concernée. Le système immunitaire, les cellules présentatrices d’antigènes (CPA), les lymphocytes, les polynucléaires, et les cellules lymphoïdes innées protègent notre organisme contre l’invasion par ces bactéries. Cependant, il existe une translocation physiologique de bactéries des épithéliums vers le sang, la lymphe et les tissus. Ce microbiote intracellulaire, localisé dans les cellules immunitaires circulantes est conduit jusqu’aux tissus. Il contribuerait non seulement à l’homéostasie des tissus mais également, en cas de dysbiose tissulaire, au développement de certaines pathologies.

Figure 1. Les microbiotes épithéliaux, intracellulaires et intra-tissulaires. Le microbiote tapisse l’ensemble de nos épithéliums avec une diversité et une quantité qui dépend de la région concernée. Le système immunitaire, les cellules présentatrices d’antigènes (CPA), les lymphocytes, les polynucléaires, et les cellules lymphoïdes innées protègent notre organisme contre l’invasion par ces bactéries. Cependant, il existe une translocation physiologique de bactéries des épithéliums vers le sang, la lymphe et les tissus. Ce microbiote intracellulaire, localisé dans les cellules immunitaires circulantes est conduit jusqu’aux tissus. Il contribuerait non seulement à l’homéostasie des tissus mais également, en cas de dysbiose tissulaire, au développement de certaines pathologies.

Actuellement, une restriction importante de la stratégie de classification provient de ce que le microbiote étudié chez l’homme concerne essentiellement les fèces. Or, le microbiote fécal n’est pas représentatif de l’ensemble du microbiote intestinal. En effet, les proportions relatives de chaque bactérie le long du tractus digestif, de la bouche à l’anus, varient en fonction du pH, du gradient d’oxygène [12], de la teneur en acides biliaires et des aliments ingérés au cours des jours qui précèdent les analyses. Dans l’intestin grêle, le microbiote est composé de nombreuses espèces aérobies/anaérobies facultatives, telles les Protéobactéries, qui libèrent des lipopolysaccharides (LPS). Ces constituants de la paroi des bactéries à Gram négatif stimulent la production de cytokines inflammatoires par les cellules immunitaires, endothéliales [13] et pré-adipocytaires [14] via le TLR4 (toll-like receptor 4), l’un des récepteurs majeurs de l’immunité innée [15]. De plus, l’intestin grêle est davantage perméable aux fragments bactériens et aux bactéries que ne l’est le côlon [16]. Le mucus qui recouvre les épithéliums est en effet moins épais que dans le côlon [17–19]. Dans ce dernier résident essentiellement des familles de bactéries strictement anaérobies, telles que les Bifidobacteriaceae et les Clostridiaceae. Celles-ci ne possèdent pas de LPS mais un autre composant pariétal, le peptidoglycane, qui induit également une inflammation mais en activant des récepteurs différents, le TLR2 ou les NLR (Nod-like receptor) de type 1 ou 2 [20, 21].

La cavité buccale est également un réservoir bactérien. Bien que ne représentant que 1 % du contenu bactérien que l’on peut retrouver dans le côlon, elle est constituée de multiples niches écologiques avec une diversité de plus de 350 espèces de bactéries [22]. De nombreuses études épidémiologiques montrent une corrélation entre des maladies systémiques et les infections orales. C’est le cas de la maladie parodontale [23] qui touche plus de 65 % de la population âgée de plus de 50 ans [24]. Cette pathologie est définie comme une infection chronique d’origine bactérienne reposant sur la formation, à l’âge adulte, d’un biofilm composé principalement de bactéries à Gram négatif. Ce biofilm dysbiotique est constitué d’exopolysaccharides². Il adhère à la dent et entraîne une réaction inflammatoire des tissus de soutien que sont les os et les gencives [25]. La composante microbiologique indispensable à sa formation n’est cependant pas suffisante au développement de la maladie parodontale. En effet, l’inflammation in situ, le stress, les désordres endocriniens ou le tabac constituent autant de facteurs qui sont également impliqués [26]. Il n’existe pas en fait de bactéries pathogènes spécifiques associées à cette pathologie. Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermedia, Tannarella forsythia, etc. [27], appelées également parodontopathogènes ou « complexe rouge », sont en effet présentes sous la forme commensale (elles sont en équilibre avec l’hôte, n’induisant pas de pathologie). C’est une rupture de l’équilibre entre la proportion de ces bactéries et les capacités de défense du système immunitaire qui signe le développement de la maladie parodontale [28]. En l’absence de traitement anti-bactérien, le biofilm (ou plaque dentaire ou tartre) s’accumule donc, engendrant une réaction inflammatoire qui va détruire progressivement les tissus parodontaux jusqu’à causer la perte de l’enracinement des dents. La dysbiose microbienne engendrée qui induit la maladie parodontale représente en fait un nouveau facteur de risque et d’aggravation des maladies métaboliques [29], voire une des complications du diabète. Le traitement de la maladie parodontale permet ainsi de réduire le taux d’hémoglobine glyquée³ de 0,4 % chez les patients atteints de diabète de type 2 et, également, l’incidence des maladies cardiovasculaires associées [30]. Inversement, un état inflammatoire latent dû à la libération de composés comme les LPS résultant de ce microbiote parodontal chronique pourrait favoriser l’aggravation, ou l’émergence, d’une insulino-résistance.

Il existe en fait une relation bidirectionnelle entre dysbiose de la cavité buccale et maladies métaboliques. En effet, l’hyperglycémie, la dyslipidémie ou l’inflammation systémique chronique, sont susceptibles de modifier le pH et l’humidité au niveau de la cavité buccale et donc la composition bactérienne de la plaque dentaire, entraînant ainsi une pression de sélection sur les microbiotes et le développement de la dysbiose. La mauvaise hygiène buccale ou les conditions environnementales facilitent ainsi le développement d’une dysbiose accompagnant possiblement les maladies métaboliques [31].

Un des moyens les plus efficaces pour contrôler l’obésité morbide est la chirurgie bariatrique⁴ (Figure 2). Parmi les différentes stratégies, le by-pass gastrique consiste à diminuer de 90 % la taille de l’estomac et à dévier le bol alimentaire directement vers le jéjunum, un segment intestinal distal de 1,5 mètre. À la suite de cette chirurgie, le duodénum et le jéjunum proximal ne reçoivent plus de nutriments. Ces derniers entrent donc directement au contact des microbiotes présents dans le jéjunum distal et l’iléon avec pour conséquence une modification drastique du métabolisme des bactéries qui y sont présentes [32, 33]. Ces changements infligés au microbiote, révélés par l’analyse du microbiote fécal, pourraient, au moins en partie, expliquer l’efficacité thérapeutique exceptionnelle de cette procédure chirurgicale sur l’obésité et sur les perturbations trouvant leur origine dans les maladies métaboliques qui lui sont associées. Un lien causal a pu être démontré dans le modèle murin. En colonisant des souris axéniques (dépourvues de bactéries et vivant en isolateur) avec un microbiote provenant de patients diabétiques et obèses et ayant subi ou non une chirurgie bariatrique, il a pu être montré que la prise de poids des souris, colonisées par le microbiote de patients opérés, était en effet inférieure à celle que l’on observe chez les souris traitées avec un microbiote provenant de patients non opérés [33]. Mais d’autres fonctions de l’intestin, telles que la sécrétion d’incrétines [34, 67] (→), la production intestinale de glucose [35] et la production d’acides biliaires [36, 37], pourraient aussi expliquer l’impact majeur de la chirurgie bariatrique sur le contrôle des maladies métaboliques. Ces fonctions étant également sous le contrôle du microbiote intestinal, elles pourraient participer au contrôle de la glycémie, du poids ou de la stéatose hépatique.

Figure 2. Diabète de type 2 et dysbiose du microbiote bucco-intestinal : une nouvelle cible thérapeutique dans la prise en charge personnalisée des patients. L’alimentation riche est un facteur de risque du développement du diabète de type 2. Les patients diabétiques présentent une dysbiose du microbiote intestinal et buccal avec une modification du rapport entre Bacteroides et Firmicutes. Cette dysbiose peut être ciblée et modifiée par différents agents thérapeutiques comme les alicaments, les pré- et probiotiques, les antibiotiques, la metformine ou la fécalothérapie. Ces thérapies permettent de moduler la dysbiose et d’améliorer de façon significative les paramètres glycémiques des patients diabétiques.

Figure 2. Diabète de type 2 et dysbiose du microbiote bucco-intestinal : une nouvelle cible thérapeutique dans la prise en charge personnalisée des patients. L’alimentation riche est un facteur de risque du développement du diabète de type 2. Les patients diabétiques présentent une dysbiose du microbiote intestinal et buccal avec une modification du rapport entre Bacteroides et Firmicutes. Cette dysbiose peut être ciblée et modifiée par différents agents thérapeutiques comme les alicaments, les pré- et probiotiques, les antibiotiques, la metformine ou la fécalothérapie. Ces thérapies permettent de moduler la dysbiose et d’améliorer de façon significative les paramètres glycémiques des patients diabétiques.

(→) Voir la Synthèse de B. Thorens, m/s n° 8-9, août-septembre 2003, page 860

Une autre approche, nutritionnelle et donc moins drastique, consiste à administrer en prévention ou en accompagnement thérapeutique, des prébiotiques, des probiotiques ou des combinaisons des deux appelées symbiotiques. Les prébiotiques sont des extraits de fibres alimentaires. Ils sont de type inuline (polyfructose), polydextrose (polyglucose), polygalactose ou encore polysaccharose. Ils ne sont pas absorbés par l’hôte mais sont digérés et fermentés par certaines bactéries constitutives du microbiote intestinal. Les produits de cette fermentation qui sont, par exemple, les acides gras à chaîne courte (acétate, propionate, butyrate et leurs dérivés) interagissent avec les cellules intestinales, notamment les cellules épithéliales, immunitaires et nerveuses. Ils stimulent leurs fonctions endocrines en induisant la sécrétion de défensines, des peptides naturels ayant un rôle antimicrobien, la sécrétion d’hormones, comme le GLP1 (glucagon like peptide one) ou le NPY (neuropeptide Y) qui activent le système nerveux entérique et induisent la maturation de certains lymphocytes (T régulateurs, Th[T helper]17 et Th22) et participent à la défense immunitaire intestinale. Les produits de leur métabolisme interagissent non seulement avec l’hôte mais également avec l’ensemble de l’écologie microbienne, pouvant influer sur la dysbiose intestinale [38–40]. Les probiotiques, quant à eux, sont constitués de micro-organismes vivants (levures, bactéries) normalement inoffensifs. Bien que pouvant changer l’écologie du milieu dans lequel ils se trouvent, ils modifient peu le métagénome. Ils interagissent directement avec les cellules de l’hôte et contribuent ainsi à renforcer ses défenses et à moduler les fonctions des cellules intestinales.

Certains traitements antidiabétiques, comme la metformine utilisée en première ligne thérapeutique pharmacologique dans le diabète de type 2, agissent sur le microbiote intestinal [41]. En effet, la metformine est métabolisée au niveau de l’intestin par des bactéries comme Escherichia coli qui produisent des dérivés foliques capables d’interagir avec les cellules de l’hôte [42]. Les fonctions biologiques engendrées par ces dérivés métaboliques bactériens ne sont pas clairement établies mais pourraient impliquer le stress oxydant et les défenses intestinales. Ainsi, les effets thérapeutiques avérés de la metformine sur la glycémie pourraient dépendre de l’impact induit sur le microbiote. À noter que deux tiers des patients diabétiques traités par des doses importantes de metformine présentent des diarrhées. La croissance de certaines bactéries que l’on observe pourrait ainsi participer à l’effet thérapeutique que l’on obtient avec la metformine.

Il est donc d’ores et déjà concevable que les patients présentant une dysbiose puissent être identifiés sur la base de la description de leur microbiote respectif (intestinal et buccal) et de la dysbiose qu’ils présentent, et donc être traités par des approches qui prennent en compte la modification de ce microbiote ainsi que leur sensibilité à cette dysbiose. Il est néanmoins difficile d’envisager de séquencer à bas coût le microbiote intestinal et buccal de tout patient présentant une maladie métabolique. Il est donc nécessaire d’identifier des biomarqueurs simples, et de coût réduit, qui soient révélateurs d’une telle dysbiose. Une signature précoce du diabète de type 2, notamment une diminution de la fréquence d’Akkermansia muciniphila, de nombreuses espèces de Bactériodes et Eubactérium, pour n’en citer que quelques unes, a, par exemple, pu être mise en évidence à partir du microbiote fécal provenant de jumeaux homozygotes d’origine coréenne [43]. Depuis quelques années, une approche permettant de normaliser le microbiote au niveau intestinal a émergé. Il s’agit de la thérapie fécale. Cette méthode consiste en l’introduction d’un microbiote fécal d’un individu sain dans l’intestin d’un individu malade afin de remédier aux dysbioses consécutives à la pathologie. Cette thérapie semble très efficace pour le traitement d’infections intestinales ayant pour origine la bactérie Clostridium difficile [68] (→).

(→) Voir la Synthèse de J.C. Lagier et D. Raoult, page 991 de ce numéro

Néanmoins, la notion de donneur sain reste encore mal définie – il est en effet essentiel d’établir à partir de larges banques de données, une écologie microbienne qui puisse être associée à un « bon état de santé ». L’Agence nationale de sécurité du médicament et des produits de santé (ANSM) a publié des recommandations et un essai clinique de thérapie fécale, conduit par une équipe hollandaise, a été réalisé chez des patients diabétiques de type 2. Le transfert du microbiote intestinal de personnes non diabétiques, provenant de l’entourage des patients, a ainsi permis d’augmenter leur sensibilité à l’insuline et de diminuer significativement leur hémoglobine glyquée. Cet effet observé, a pu être associé à une profonde modification du microbiote intestinal des patients traités. Il se caractérise, entre autres, par une augmentation de bactéries qui sont productrices d’acides gras à chaîne courte [44]. Néanmoins, l’efficacité de ce type de traitement est courte (3-6 mois). L’implication d’une réaction immunitaire associée à ce type de transplantation fécale n’est pas prouvée à ce jour. Il pourrait cependant être envisagé d’effectuer des greffes successives afin d’« éduquer » le système immunitaire de l’hôte et ainsi favoriser la greffe d’un microbiote qui serait non diabétogène. L’ensemble de ces questions est en cours d’étude.

Dans cette dualité fonctionnelle qui existe entre microbiote et hôte, les deux protagonistes doivent être considérés afin de pouvoir établir une stratégie thérapeutique efficace et adaptée à chaque individu. Les fonctions de fermentation et la production d’acides gras à chaîne courte, ainsi que d’autres fonctions bactériennes potentiellement impliquées dans le métabolisme des acides biliaires, la production d’acide folique, de vitamines, le métabolisme du fer, les nitrosylations et autres sulfatations, sont étudiées actuellement afin d’identifier un lien causal possible et donc d’en dériver des stratégies thérapeutiques. Les fonctions de l’hôte affectées par la dysbiose et qui pourraient être contrôlées par ces stratégies, doivent également être étudiées afin d’agir efficacement en prévention et pour le traitement des maladies. Il est également envisageable de cibler des groupes de patients qui présentent des dysbioses s’avérant similaires afin d’adapter plus précisément les stratégies thérapeutiques à chacun des déséquilibres que l’on observe pour le microbiote. Cette notion de « biomarqueur compagnon » et de médecine personnalisée s’adapte particulièrement aux maladies métaboliques dont la diversité est grande tant par la dysbiose intestinale que par les mécanismes de l’hôte qui sont affectés.

Le décryptage du microbiote tissulaire et sanguin personnalisé nécessitera de mettre en œuvre les moyens informatiques et mathématiques adaptés aux méga-données qui seront obtenues à partir de larges cohortes de patients. Les bactéries qui nous entourent ont été sélectionnées au cours de 3 milliards d’années d’évolution. Nous commençons seulement notre plongée dans les profondeurs, à la découverte de la face immergée de l’iceberg, mais les premières informations recueillies sont déjà riches en promesses thérapeutiques.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.