P. SEKSIK,

Hôpital Saint-Antoine, Paris

Chaque être humain héberge dans son tube digestif 10¹⁴bactéries, soit 10 fois plus que le nombre des cellules qui lui sont propres. Malgré cette présence bactérienne massive, le microbiote intestinal reste mal connu, pour des raisons techniques, mais aussi parce que son action physiologique et son rôle dans certaines pathologies ont été trop longtemps négligés. Aujourd’hui, les scientifiques, en conduisant de nombreux travaux sur cette microflore, tentent de rectifier les carences du passé.

Qu’est-ce que la flore intestinale ?

Avant de pouvoir répondre à cette question, il apparaît essentiel de s’accorder sur un point sémantique. En effet, il faut bien admettre que le vocable
« flore » intestinale est un mauvais terme. En effet, il renvoie à la notion de flore que l’on utilise lors de la description d’un écosystème comme une forêt par exemple qui comporte une flore (végétaux) et une faune (animaux). La flore intestinale s’intègre bien dans un écosystème, le tube digestif, mais en désigne plutôt la « faune » puisqu’il correspond à l’ensemble des micro-organismes présents dans cet écosystème. De sorte que l’on préfère au terme de « flore intestinale » celui de « microflore » ou « microbiote » intestinal. Le tube digestif héberge des êtres unicellulaires comme des bactéries, mais aussi des virus, des parasites et des micro-organismes très particuliers appelés les Archae qui se différencient des bactéries et du règne animal. Parmi tous ces micro-organismes, les bactéries forment le groupe le plus représenté et l’on considèrera donc que le microbiote intestinal est l’ensemble des bactéries qui colonisent notre tube digestif.

Pourquoi connaît-on si mal le microbiote intestinal ?

Ce microbiote intestinal constitue encore aujourd’hui une boîte noire qui, à mesure qu’elle tend à s’éclaircir, devient tout à fait fascinante. Fascinante en termes de biodiversité et du grand nombre de bactéries qui la compose, mais aussi dans la capacité d’interactions qu’elle partage avec son hôte. Un être humain est fait de 10¹³ cellules eucaryotes.

Le microbiote intestinal constitue une boîte noire fascinante.

Chaque être humain héberge 10¹⁴ bactéries dans son tractus digestif. Si l’on considère qu’une bactérie est un être unicellulaire, il existe donc 10 fois plus de cellules dans le tube digestif d’un homme sain que de cellules qui compose ce même être humain ! Cette biodiversité tout à fait extraordinaire a rendu l’étude de ce microbiote très difficile. Si l’on ajoute le fait que plus de 70 % des bactéries qui le composent ne sont pas cultivables par les méthodes classiques, ceci explique encore pourquoi, pendant de très nombreuses années, le microbiote digestif n’a été que peu ou superficiellement étudié. En effet, les bactéries ont longtemps été classées selon des critères morphologiques et fonctionnels (capacités fermentaires des souches en culture par exemple), méthodes inadaptées à l’étude de bactéries non cultivables.

Il existe 10 fois plus de cellules dans le tube digestif d’un homme
sain que de cellules qui compose ce même être humain

L’avènement de la biologie moléculaire a permis de commencer à étudier le microbiote dans sa globalité et d’en décrire sa grande diversité, en s’af franchissant des limites de la culture. Une taxonomie bactérienne fondée sur la séquence nucléique de certaines molécules, comme les ARN ribo - somiques 16S (figure 1), a été développée. Cette taxonomie phylogénétique est fondée sur la comparaison des gènes codant pour ces ARN.

La description du microbiote intestinal repose essentiellement sur les données issues de ces techniques.

Constitution du microbiote intestinal

Tous les mammifères naissent avec un tube digestif stérile. Ainsi, le tractus digestif du nouveau-né estil dépourvu de bactérie. La colonisation microbienne débute dès l’accouchement. En l’absence des mécanismes immunitaires sophistiqués de l’adulte, le tube digestif du nouveau-né est un environnement particulièrement permissif et les niveaux de populations y atteignent rapidement 10¹¹ bactéries par gramme de contenu. La colonisation suit néanmoins un schéma relativement organisé, sous la dépendance de facteurs exogènes (d’origine maternelle, alimentaire) et endogènes, comme les secrétions du tube digestif mais aussi les produits des premiers microorganismes colonisateurs qui globalement conditionnent la physico- chimie du biotope. Les bactéries anaérobies qui dominent le microbiote intestinal de l’adulte font partie des premiers microbes rencontrés lors d’une naissance par voie basse. La mise en place successive des espèces bactériennes conduit vers l’âge de 2 ans à un microbiote stable au plan fonctionnel. Ces bactéries se répartissent tout le long du tube digestif selon des concentrations croissantes depuis des parties hautes jusqu’au côlon distal. Il existe de rares bactéries dans l’estomac et les parties supérieures de l’intestin grêle. Les concentrations augmentent pour atteindre 10⁸ bactéries par gramme de contenu dans l’iléon terminal (figure 2). Les bactéries anaérobies facultatives dominent dans l’intestin grêle alors que les bactéries anaérobies strictes dominent les bactéries anaérobies facultatives dans le côlon distal et les selles, par un facteur de 1 000 environ. On estime aujourd’hui que chaque individu adulte héberge en dominance dans ses selles un millier d’espèces bactériennes différentes. La densité bactérienne atteint son maximum dans le côlon distal avec 10¹¹ bactéries par gramme de contenu. L’utilisation d’outils moléculaires a montré que la plus grande partie (deux tiers environ) des espèces dominantes (plus 10⁸ bactéries par gramme de contenu) observées dans le microbiote fécal d’un individu lui est propre. L’analyse de sa composition en taxa (genres bactériens et/ou grands groupes phylogénétiques) fait ressortir l’existence de trois phyla bactériens, Firmicutes, Bacteroidetes et Actinobacteria, trouvées chez tous les individus (figure 3). Le phylum des Firmicutes (bactéries à Gram positif) est toujours fortement représenté. Il comprend de nombreuses espèces bactériennes appartenant aux genres Eubacterium, Clostridium, Ruminococcus, Butyrovibrio ou au groupe « Clostridium leptum » avec, notamment, l’espèce Faecalibacterium prausnitzii. Les Bacteroidetes sont toujours présents et représentés par les genres apparentés à Bacteroides (Bacteroides, Prevotella et Porphyromonas). Le phylum Actinobacteria est moins systématiquement détecté en dominance, mais il représente en moyenne quelques pourcents des bactéries totales.

On y trouve les bifidobactéries. Les entérobactéries sont plus rarement observées dans le microbiote fécal dominant (en moyenne 0,4 à 1 %), de même que les lactobacilles et streptocoques (2 %). Si l’on reconnaît ainsi des caractéristiques très conservées en termes de composition au niveau des phyla et grands groupes phylogénétiques, au niveau des espèces, le microbiote d’un individu lui est propre. En plus d’être spécifique, la microflore d’un individu semble extraordinairement stable dans le temps. Ainsi, si on réalise une électrophorèse particulière du génome bactérien à partir d’une selle d’un individu, on observe pour chaque individu un « code barre » unique hautement stable dans le temps (figure 4). Cette notion de stabilité dans le temps du microbiote est nouvelle et fondamentale, rapprochant le microbiote d’une entité structurée et fonctionnelle qui en fait un véritable « organe caché ».

Microbiote, antibiotiques, alimentation et probiotiques

On pense depuis longtemps déjà que l’usage d’antibiotiques pour des affections bénignes peut avoir une influence sur le microbiote et même réduire le niveau de population de bactéries résidentes. La réalité est plus complexe : le retour à l’équilibre du microbiote après une antibiothérapie semble assez rapide, de l’ordre d’un ou 2 mois, suggérant une résilience (retour à l’état antérieur) de l’écosystème digestif.

Parmi d’autres facteurs environnementaux susceptibles d’influencer l’équilibre de l’écosystème microbien, la nature et la quantité des substrats disponibles pour la fermentation par le microbiote intestinal ont un rôle majeur. Un changement de régime alimentaire modifie, au moins partiellement, le niveau des fonctions du microbiote digestif. Par exemple, la production de gaz par le microbiote est consécutive à la consommation d’aliments fermentescibles (chou, haricots secs). Paradoxalement, ce changement ne semble pas se refléter directement au niveau des espèces du microbiote puisque l’on observe une grande stabilité du microbiote au cours du temps pour chaque individu.

Le retour à l’équilibre du microbiote après une antibiothérapie semble assez rapide.

Certains de nos aliments contiennent des quantités importantes de bactéries vivantes. Les plus importantes consommations bactériennes proviennent des yaourts et des laits fermentés puisque le nombre est de l’ordre de 10⁸ bactéries/gramme et que la consommation journalière dépasse souvent 200 ml. Depuis plus d’une dizaine d’années, de nouvelles bactéries ont été introduites dans ces produits. Elles en modifient le goût ou la texture, mais surtout elles sont choisies pour induire des effets bénéfiques sur la santé humaine. On les appelle des probiotiques, soit « des micro-organismes vivants qui, lorsqu’ils sont ingérés en quantité suffisante, exercent un effet positif sur la santé au-delà des effets nutritionnels traditionnels ». Ce sont principalement des bactéries lactiques qui fermentent le lactose du lait en acide lactique. Elles sont capables de modifier sensiblement la structure du microbiote le temps de leur consommation et, pour certaines, d’exercer un rôle sur la physiologie du consommateur. Il faut enfin savoir que les effets sont dépendants de chaque souche et par exemple la souche Bifidobacterium bifidum BB12 n’est pas équivalente à tous les Bifidobacterium bifidum. Retenons que la microflore est extrêmement stable au cours du temps et que des modifications structurelles de la microflore peuvent s’observer dans certaines situations (antibiothérapie, consommation de certains probiotiques, etc.). Ainsi, le microbiote peut-il exercer tous ces effets sur l’hôte tout en pérennisant les conditions de son propre « habitat ».

Les fonctions du microbiote

La présence permanente d’une importante biomasse bactérienne exerce des effets physiologiques dont les répercussions pour l’hôte sont, pour la plupart, bénéfiques. Parmi les grandes fonctions du microbiote, la fermentation des substrats disponibles au niveau du côlon, le rôle de barrière à la colonisation par les micro-organismes pathogènes, le développement et la maturation du système immunitaire intestinal et les interactions avec les cellules épithéliales ont des rôles essentiels pour le maintien de la santé de l’hôte. Des différences ont été mises en évidence entre animaux axéniques (sans germe) et conventionnels et ont permis de comprendre le retentissement du microbiote sur la physiologie de l’hôte. Les animaux axéniques présentent ainsi une vascularisation de l’intestin plus faible, des activités enzymatiques digestives réduites, ainsi qu’une couche de mucus plus importante, une susceptibilité aux infections augmentée ou encore un dépense énergétique supérieure de 20 à 30% comparativement à des animaux conventionnels. De même, le renouvellement de l’épithélium colique apparaît ralenti en l’absence du microbiote.

Le microbiote est capable de modifier l’expression génique des cellules de l’hôte. C’est ce qui a été montré de façon globale en comparant, à l’aide de puces à ADN, les profils d’expression génique de l’intestin grêle distal de souris axéniques et conventionnelles. De plus, ces profils d’expression génique de la muqueuse intestinale diffèrent en fonction de la bactérie testée.

Métabolisme

L’influence principale de la microflore sur le métabolisme de l’hôte provient du métabolisme bactérien des composés présents dans le côlon et en particulier du métabolisme des sucres (figure 5), des gaz et des protéines. La quantité de glucides fermentescibles (présents dans les céréales, les fruits et les légumes) arrivant au côlon varie de 10 à 60 g par jour. Différents groupes bactériens du microbiote colique humain participent à la dégradation anaérobie de ces substrats. La première étape est l’hydrolyse des polymères glucidiques en fragments de petite taille, assurée par des bactéries dites « fibrolytiques ». Les bactéries glycolytiques peuvent ensuite transformer les glucides produits. La majorité des espèces utilisent la glycolyse pour convertir les glucides en pyruvate qui sera lui-même transformé en produits finaux (acétate, propionate, butyrate) qui sont des acides gras à chaîne courte (AGCC). Ils apportent de l’énergie, stimulent l’absorption colique de sodium et exercent des propriétés d’immuno modulation locale. L’hydrogène est un des gaz majoritairement formé par la fermentation et de grandes quantités en sont produites quotidiennement dans le côlon (environ 300 ml par gramme de substrat fermenté). L’efficacité de la fermentation dépend de la capacité de l’écosystème à éliminer cet hydrogène soit par les émissions de gaz rectaux soit par voie pulmonaire. Bien que quantitativement moins important que celui des glucides, le métabolisme des protéines (putréfaction) est fondamental dans le côlon. Les protéines sont la principale source d’azote dans le côlon et les bactéries coliques doivent être capables de les hydrolyser afin de disposer de l’azote et du carbone qui leur sont nécessaires. Un grand nombre de bactéries coliques possèdent une activité protéasique. Ces peptides peuvent être directement métabolisés par certaines espèces bactériennes permettant la libération d’acides aminés libres qui seront utilisés par d’autres bactéries incapables d’assimiler des peptides.

Cette chaîne de réactions aboutit à la formation d’AGCC (acétate, propionate, butyrate) et d’ammoniaque, avec d’autres métabolites également formés pendant cette fermentation (des phénols, des acides di-carboxyliques et des acides gras ramifiés. Enfin, les lipides de la lumière colique proviennent de trois origines : les lipides arrivant du tractus intestinal d’amont (5 à 8 g/jour en condition physiologique), les lipides provenant de la desquamation des cellules épithéliales coliques et les lipides bactériens. Les acides gras non absorbés dans l’intestin grêle sont transformés (hydrolyse, oxydation, réduction, hydroxylation, etc.) dans le côlon par les bactéries du microbiote.

Microflore et obésité

Le rôle du microbiote intestinal dans le stockage des graisses et l’obésité a été récemment investigué. Des résultats parus dans la revue Nature suggèrent que le microbiote intestinal contribue à l’absorption par l’hôte de glucides et de lipides et régule le stockage des graisses. Ces effets seraient liés à l’induction, par le microbiote, de la lipogenèse hépatique et du stockage des triglycérides dans les adipocytes. D’autre part, la même équipe a montré que le microbiote de souris obèse (ob/ob), invalidée pour le gène de la leptine, comportait une proportion anormalement élevée de Firmicutes et anormalement basse de Bacteroidetes. De plus, le transfert du microbiote de ces souris obèses à des souris axéniques induisait une augmentation de l’extraction énergétique des aliments ingérés supérieure à celle induite par le transfert d’un microbiote de souris minces. Chez l’homme obèse, il existe, dans le microbiote fécal, une proportion augmentée de Bacteroidetes et diminuée de Firmicutes, comparativement aux sujets minces et la perte de poids semble corrélée à l’augmentation de la proportion de Bacteroidetes. Ces données récentes suggèrent donc un possible lien entre le microbiote intestinal et l’obésité.

Effets sur le système immunitaire

Le système immunitaire intestinal joue un rôle très important dans la physiologie des mammifères. Il doit d’abord développer des réponses protectrices cellulaire et humorale envers les virus, bactéries ou parasites entéro-pathogènes. La réponse humorale est réalisée essentiellement grâce à la sécrétion d’anticorps spécifiques des muqueuses, les immunoglobulines A (IgA), bloquant l’adhésion de bactéries pathogènes, la multiplication virale dans l’entérocyte et neutralisant les entérotoxines. La réponse cellulaire, quant à elle, fait appel, entre autres, aux lymphocytes intra-épithéliaux qui permettent de maintenir l’intégrité de l’épithélium intestinal. Parallèlement à cette fonction protectrice, le système immunitaire intestinal doit également empêcher l’induction de réponses immunes envers les composants des aliments et des bactéries commensales présentes dans le tube digestif. Ce phénomène est nommé la tolérance orale. À nouveau, des études comparatives entre des souris axéniques et conventionnelles ont démontré le rôle essentiel joué par le microbiote dans le développement et la maturation du système immunitaire et donc sur ses fonctions. Les animaux axéniques présentent en effet de nombreuses anomalies au niveau du système immunitaire intestinal : hypoplasie des plaques de Peyer, nombre réduit de lymphocytes intra-épithéliaux, concentration d’immuno globulines sériques et production de cytokines limitées. Les anomalies observées ne se limitent cependant pas à l’épithélium intestinal puisque la rate et les ganglions lymphatiques des animaux axéniques sont non structurés et présentent des zones lymphocytaires atrophiées. L’ensemble de ces anomalies peuvent être « réparées » en quelques semaines en inoculant un microbiote de souris conventionnelle à ces souris axéniques. Certains des mécanismes mis en jeu ont été établis et il a été montré, par exemple, que le polysaccharide A, sucre de la paroi de Bacteroides fragilis était capable, à lui seul, d’induire la maturation du système immunitaire de souris axéniques.

Quel rôle dans les MICI ?

Il semble actuellement bien établi qu’au cours des maladies inflammatoires chroniques et cryptogénétiques de l’intestin (MICI), la microflore joue un rôle délétère pro-inflammatoire. De nombreux arguments cliniques et expérimentaux illustrent ce fait. La présence d’une microflore dans le côlon aggrave toutes les colites expérimentales chez l’animal et chez l’homme, la topographie des lésions préférentielles iléales et coliques représente les segments ayant les concentrations bactériennes les plus élevées. Les arguments cliniques les plus convaincants sont observés dans la rechute postopératoire pré-anastomotique de la maladie de Crohn (MC) qui ne s’observe que si le flux fécal est maintenu sur l’anastomose ou si on instille le liquide iléal dans sa totalité, mais pas si on instille un filtrat du liquide iléal. Certains antibiotiques (particulièrement le métronidazole et la ciprofloxacine) ont une efficacité établie pour traiter la pochite et prévenir la récidive postopératoire de la MC.

Au cours des MICI, la microflore joue un rôle délétère pro-inflammatoire.

Deux autres éléments ont été récemment acquis :

● tous les micro-organismes n’ont pas le même potentiel pro-inflammatoire ;
● des différences significatives existent entre la microflore intestinale de sujets sains et celle de sujets atteints de MICI, définissant ainsi le terme de dysbiose. Il semble que cette dysbiose se fasse aux dépens des Firmicutes qui se trouveraient diminués à la fois en nombre d’espèces appartenant à ce phylum (biodiversité), mais aussi en proportion (à l’inverse de ce qui est observé chez les obèses). Nul doute que des avancées dans la description de l’écosystème digestif au cours de ces maladies apporteront des pistes pour la compréhension des mécanismes physiopathologiques et à terme de nouvelles clefs thérapeutiques.

Pour la pratique on retiendra

● La flore intestinale est un compartiment mal connu de notre organisme.
● Appelée de préférence « microbiote intestinal », elle correspond à l’ensemble des bactéries qui colonisent notre tube digestif soit 10¹⁴ bactéries.
● Plus de 70 % de ces bactéries ne sont pas cultivables par les méthodes classiques.
● Trois grands groupes bactériens (Firmicutes, Bacteroidetes et Actinobacteria) sont trouvés chez tous les individus, cependant chaque individu possède une microflore qui lui est propre.
● La microflore d’un individu est extraordinairement stable dans le temps, faisant du microbiote une entité structurée et fonctionnelle comme un véritable « organe caché ».
● L’influence principale de la microflore sur le métabolisme de l’hôte provient du métabolisme bactérien des composés présents dans le côlon et en particulier du métabolisme des sucres, des gaz et des protéines.
● La stimulation permanente du système immunitaire par le microbiote intestinal est nécessaire pour son développement et sa maturation, mais également pour le maintien de l’homéostasie intestinale, de la fonction de barrière de l’épithélium ou encore de l’équilibre entre réponses pro- et anti-inflammatoires.
● La microflore intestinale est très étudiée dans certaines affections telles que l’obésité ou les MICI.

Références

1. Backhed F et al. Science 2005 ; 307 :1915-20.
2. Turnbaugh PJ et al. Nature 2006 ; 444 : 1027-31.
3. Mazmanian SK, Liu CH et al. Cell 2005 ; 122 : 107-18.

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