Probiotiques et barrière intestinale:
Mécanismes d’action
Theodorou Vassilia, PhDTheodorou Vassilia, PhD
Unité de Neuro-Gastroentérologie et Nutrition (NGN)Unité de Neuro-Gastroentérologie et Nutrition (NGN)
UMR 1054 INRA/EI-PurpanUMR 1054 INRA/EI-Purpan
Elie Metchnikoff (1845-1916)
Longévité des populations caucasiennes et consommation des produits fermentés (bactéries lactiques)…..
Un certain début de l’histoire…
Probiotiques: définitions
« Probiotiques » terme proposé par Lilly et Stillwell (Science, 1965) : substances secrétées par un micro-organisme stimulant la croissance d’un autre.
Micro-organismes et substances issues de micro-organismes contribuant à l’équilibre de la microflore intestinale (Parker et al., 1974).
« Micro-organismes vivants exerçant un effet bénéfique vis-à-vis de l’hôte par maintien de l’équilibre de la microflore intestinale (Fuller et al., 1989).
« Micro-organismes vivants qui, ingérés en quantité suffisante exercent un effet positif sur la santé (FAO/WHO)
Probiotiques entité en évolution :
De l’ingrédient d’aliment fonctionnel vers l’agent bio thérapeutique…
Bactéries
Levures
• Lactobacilles (différentes souches )• Bifidobactéries…..E. Coli non-pathogène (E. Coli Nissle 1917)Enterocoques
• Saccharomyces boulardii
Qui sont-ils?
microbiote
mucus
épithélium
GALTSNE
La barrière intestinale
Microbiotelumière
Barrière intestinale
Immuno-modulation
probiotiques
Probiotiques: comment agissent-ils?
Probiotiques et pathologies gastro-intestinales
• Intolérance au lactose
• Gastroentérites infectieuses
• Diarrhée associée à l’antibiothérapie
• Maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI)
• Syndrome de l’intestin irritable (IBS)
- Changements du milieu intraluminal (flore, proteases…)
- Reponse immune au microbiote inappropriée
- Barrière intestinale altérée
- Changements du milieu intraluminal (flore, proteases…)
- Activation immune locale et systémique
- Barrière intestinale altérée
Probiotiques / MICI / IBS: rationnel d’utilisation
MICI
(inflammation)
IBS
(micro-inflammation)
Changements qualitatifs et quantitatifs de la microflore
↓du nombre de bifidobactéries et lactobacilles
Favier et al., 1997 ; Balsari et al., 1982 ; Malinen et al., 2005 ; Matto et al., 2005)
MICI
(inflammation)
IBS
(micro-inflammation)
Intraluminal serine-proteases changes
Roka et al., Clin Gastroenterol Hepatol 2007
Critical features of the mucosal immune response in normal vs Crohn disease intestine
Strober et al., JCI 2007
Plasma cytokine levels changes in IBS
Dinan et al., Gastroenterology 2006
Crohn and Ileo-Colonic paracellular permeability
SSööderholm et al. Gut 2002derholm et al. Gut 2002
Su
bje
c ts
(%)
Su
bj e
cts
(%)
00
2020
4040
6060
8080
100100
Control (n=86)Control (n=86)
IBS (n=132)IBS (n=132)
**
Su
bje
c ts
(%)
Su
bj e
cts
(%)
Lactulose-Mannitol ratioLactulose-Mannitol ratio
> 0.02> 0.02
All subjects Rome IAll subjects Rome I
00
2020
4040
6060
8080
100100
No IBS (n=43)No IBS (n=43)
IBS (n=67)IBS (n=67)
**
Lactulose-Mannitol ratioLactulose-Mannitol ratio
> 0.02> 0.02
Post-infectionPost-infection(acute diarrhea)(acute diarrhea)
IBS and increased gut permeability
Marshall et al. Gastroenterology 2006Marshall et al. Gastroenterology 2006
Probiotiques et mécanismes d’action:
1) Interactions avec des pathogènes et des facteurs endoluminaux
Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 1999
Probiotiques/pathogènes
Expression du peptide antimicrobien human beta-defensin-2 (hBD-2)
Caco-2 hBD-2NF-kB, AP-1
E.coli Nissle 1917
L. paracasei, L plantarum, L frementum,
L. gasseri…
Wehkamp et al., Infect Immun, 2004
Probiotiques/pathogènes
Inhibition of H pylori by bacteriocins
Lactobacilli (Kim et al., 2003)
Nisin A, pediocin PO2, leucocin K, lacticins..
L. johnsonii La1, L.Acidophilus LB supernatant (Dalmau et al., 2002 ; Coconnier et al., 1998)
Nisin, lactacin F, autolysin…x
x urease
Probiotiques/pathogènes
Fecal serine-protease activity in IBS-D: a lumenal factor impairing permeability and sensitivity
0.000.020.040.060.080.100.120
25
50
75
100
125
150
175
Volume of distension (ml)
Inte
nsit
y d
of
con
tracti
on
s
(m
V/s
)
NaCl 0,9%po + IBS-D ic
L. farc. po + IBS-D ic
NaCl 0,9% po + HC ic
L. farc. po + HC ic
**
L farciminis decreases visceral hypersensitivity induced by luminal application of IBS-D fecal
supernatants
Probiotiques/facteurs endoluminaux
MRS
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
Pro
teoly
tic
act
ivit
yU
A/m
g p
rote
in
L. farc MCa MRS L. farc MCa
+ véhicule (Tris-HCl 0,2 mM)
+ IBS-D supernatant
* *
L farciminis decreases fecal
serine-protease activity of IBS-D fecal supernatants
Probiotiques/facteurs endoluminaux
Probiotiques et mécanismes d’action:
2) Interactions avec la barrière épithéliale
Toll-like receptors (TLRs) in bacteria- intestinal epithelial cell (IEC) communication
TLR2TLR2
TLR4TLR4
BacteriaBacteriaGram +Gram +
BacteriaBacteriaGram -Gram -
Tollip
TLR5TLR5
LTALTA
LPSLPS
HyporesponsivenessHyporesponsiveness(tolerance)(tolerance)
HyperresponsivenessHyperresponsiveness(inflammation)(inflammation)
Tollip
CytokinesCytokines
From Otte et al., Gastroenterology 2004
L.casei and L. helveticus induce IEC responsivness via a TLR -2 independent pathway
Anti-TLR2Anti-TLR2
Anti-TLR4Anti-TLR4
L caseiL casei CRL431 CRL431L helveticusL helveticus R389 R389
From Vinderola et al., 2005
Primary culture of colon IEC
?
MaintainedIL-6 release
x
x
Probiotiques/barrière épithéliale
Facteurs solubles
VSL#3
proteasome
NF-kB
XHsp
VSL3 inhibits nuclear factor-κB and induce heat shock proteins in colonic epithelial cells through
proteasome inhibition
Petrof et al., Gastroenterology 2004 Probiotiques/barrière épithéliale
% 51
Cr-
ED
TA
, 24
h
0
2
4
6
Log
10 U
FC
/g
MLN Liver Spleen
**
*
TNBS
TNBS + L. farciminis
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
*
*
+
Control L. farc. TNBS TNBS+Lfarc
Colonic permeability Bacterial translocation
L. farciminisL. farciminis reduces the severity of experimental reduces the severity of experimental colitis : role of intestinal barrier integrity colitis : role of intestinal barrier integrity
Lamine et al., Scand J Gastroenterol. 2004 Probiotiques/barrière épithéliale
saline
STRESS (45 min)
saline L. farciminis L. farciminis
SHAM
+p<0.05 vs stress 45 min
*p<0.05 vs sham
Ait Belgnaoui et al., Gut 2006
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Mea
n A
era
Den
sity
*
+
p-MLC
L. farciminisL. farciminis suppresses the increase of colonic suppresses the increase of colonic permeability induced by an acute stress in rats: interaction permeability induced by an acute stress in rats: interaction
with epithelial cells cytoskeleton contractionwith epithelial cells cytoskeleton contraction
Probiotiques/barrière épithéliale
0 15 30 45 600
20
40
60
sham stress stress + L.farciminis
***++
+
Pressure (mm Hg)
Nu
mbe
r of
abd
omin
al
con
trac
tion
s/5
min
.
0 15 30 45 600
1
2
3
4
Pressure (mm Hg)
Vol
ume
(ml)
ComplianceComplianceColorectal sensitivityColorectal sensitivity
*
+
L. farciminis suppresses stress-induced visceral hypersensitivity through interaction with epithelial cell
cytoskeleton contraction
Ait Belgnaoui et al., Gut 2006Probiotiques/barrière épithéliale
Effect of a Tight Junction blocker on stress-induced increasedcolonic paracellular permeability and sensitivity to distension
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,4 0,8 1,2
Volume of distension (ml)
Nu
mb
er o
f ab
dom
inal
co
ntr
acti
ons/
5min
.
TrisTris + StressTAP + stress
*
*
* +
+
+
* : p< from control (Tris)
+: p< from Stress +Tris)
0
1
2
3
4
Basal 0 - 6 6 - 24 hours
sham
stress
*
*: p<0.05 from sham
% 51-CrEDTA
( Ait-Belgnaoui et al. 2005)( Ait-Belgnaoui et al. 2005)
*
TAP: 2, 4, 6, triaminopyrimidineTAP: 2, 4, 6, triaminopyrimidine
stress +TAP
3) Interactions avec les cellules immunitaires
Probiotiques et mécanismes d’action:
Link between physical and funcionnal barrier
- immunocyte attractionimmunocyte attraction- increased MPOincreased MPO- increased cytokine - increased cytokine expression (IL-1ßexpression (IL-1ß TNF-TNF-, IFN-, IFN-…)…)- bacterial translocation- bacterial translocation
IncreasedIncreasedpermeabilitypermeability
BasalBasalpermeabilitypermeability
CpG-DNACpG-DNA(ISS-DNA)(ISS-DNA)
ororISS-ODNISS-ODN
TLR 9TLR 9
Dendritic cellDendritic cellMacrophagesMacrophages
chloroquinechloroquine
Anti-inflammatory effectsAnti-inflammatory effects(DSS - TNBS)(DSS - TNBS)
VSL#3
IL-6, IL-12IL-6, IL-12
TLR-9 signaling mediates anti-inflammatory effects of VSL#3 in experimental colitis
Rachmilewitz et al. Gastroenterology 2004Rachmilewitz et al. Gastroenterology 2004 Probiotiques/immunomodulation
L. reuteri and L. casei effects through DC-SIGN binding
Unknown Unknown carbohydrate motifcarbohydrate motif
Dendritic cellDendritic cell
Anti-inflammatory effectsAnti-inflammatory effects
L. reuteri, L. caseiL. reuteri, L. casei
IL-10IL-10
Smits et al., J Allergy Clin Immunol. 2005 Smits et al., J Allergy Clin Immunol. 2005
DC-SIGNTreg
Inhibition of bystander T cellsAnti-DC-SIGN
Probiotiques/immunomodulation
0
250
500
750
**
* #pmol
/mg
mat
. séc
he/h
)
Témoin L. farc.SNP SNP + Hb L. farc. + Hb
* °
NO intraluminalNO intraluminal
Lamine et al., Scand J Gastroenterol. 2004 Probiotiques/immunomodulation
L. farciminisL. farciminis releases NO in vivo releases NO in vivo
Scores Lésionnels Scores Lésionnels MacroscopiquesMacroscopiques
Activité MPOActivité MPO
00
11
22
33
44
55
66
77
SLM
++
TNBSTNBS TNBS + TNBS + L. farciminisL. farciminis TNBS + TNBS + L. farciminisL. farciminis + Hb + Hb
L. farciminisL. farciminisTémoinsTémoins
00
10001000
20002000
30003000
40004000
U/g
pro
tèin
esU
/g p
rotè
ines
*
++
*
L. farciminisL. farciminis reduces TNBS-induced reduces TNBS-induced colitis: NO involvementcolitis: NO involvement
Lamine et al., Scand J Gastroenterol. 2004 Probiotiques/immunomodulation
IL-1
p
g/m
g of
pro
tein
0
1.5
3
4.5
6
7.5 *
+
IL-1
0p
g/m
g of
pro
tein
0
1
2
3
*
*
+
Control L. farc. TNBS TNBS + L. farc.
Control L. farc. TNBS TNBS + L. farc.
Lamine et al., Scand J Gastroenterol. 2005
Effect of Effect of L. farciminisL. farciminis on mucosal on mucosal cytokine levels in TNBS colitic ratscytokine levels in TNBS colitic rats
Probiotiques/immunomodulation
L casei attenuates the severity of TNBS-induced colitis (prevents the upregulation of ICAM-1 expression and
leukocyte recruitement)
Angulo et al Am J Physiol 2006Angulo et al Am J Physiol 2006 Probiotiques/immunomodulation
Bifidobacterium infantis normalizes PBMC IL10/IL-12 ratio in IBS patients
O’Mahony et al., Gastroenterology. 2005 Probiotiques/immunomodulation
L. salivariusL. salivarius, , B. infantisB. infantis in IBS in IBSComposite score of IBS symptomsComposite score of IBS symptoms
O’MahonyO’Mahony et al., et al., GastroGastroenterologyenterology 2005 2005
Dose 1010 CFU, for 2 months
Probiotiques/immunomodulation
NFk-B
Hsp
X
DC-SIGNTLR-2
MLC
MLCK
MLCPXX
TregIL-10
Hypo CD4+Cytokines pro-infl
(1) (2) (5)
TLR-9
hBD2
NFk-B, AP-1
(6)
Inhibiteurs proteases
PARs
(8)
Putative pathways involved in probiotic effects
Serine protéases
X
Facteurs solubles
X
LTA
CpG-DNA
(3)
NO
(4)
Facteurs gluc.
ICAM-1 (recrut. leuc.)
(7)
SartorSartor B, B, Gastroenterology 2004 Gastroenterology 2004
Probiotics in IBDProbiotics in IBD Clinical evidenceClinical evidence
Floch GC et al., J. Clin. Gastroenterol 2005Floch GC et al., J. Clin. Gastroenterol 2005
Probiotics in IBS Probiotics in IBS Clinical evidenceClinical evidence
Conclusion
Mécanismes d’action de probiotiques: (i) plusieurs voies impliqués dans l’action d’une souche (ii) toutefois ces voies sont espèce-spécifiques (iii) des nouvelles pistes d’investigation dans le dialogue hôte-probiotique: interactions avec le contenu luminal.
Des clarifications nécessaires: (i) définition de la sélection des souches de la dose et de la durée des traitements (ii) de la fraction active (bactéries vivantes versus fractions bactériennes ou métabolites (iii) synergies entre souches? (préparations mono versus pluri-souches).
Remerciements
UMR1054 INRA-EI-Purpan
F. Lamine
A. Ait-Belgnaoui
H. Eutamene
L. Ferrier
E. Houdeau
M. Leveque
C. Cartier
L. Bueno
J. Fioramonti
Universitéy P Sabatier Toulouse III
F. Nepveu
C: Roques
Institut Rosell– Lallemand, Toulouse
H. Durand
V. Delahaye
P. Malard