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Probiotiques et barrière intestinale: Mécanismes daction Theodorou Vassilia, PhD Unité de Neuro-Gastroentérologie et Nutrition (NGN) UMR 1054 INRA/EI-Purpan.

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1 Probiotiques et barrière intestinale: Mécanismes daction Theodorou Vassilia, PhD Unité de Neuro-Gastroentérologie et Nutrition (NGN) UMR 1054 INRA/EI-Purpan

2 Elie Metchnikoff ( ) Longévité des populations caucasiennes et consommation des produits fermentés (bactéries lactiques)….. Un certain début de lhistoire…

3 Probiotiques: définitions « Probiotiques » terme proposé par Lilly et Stillwell (Science, 1965) : substances secrétées par un micro- organisme stimulant la croissance dun autre. Micro-organismes et substances issues de micro- organismes contribuant à léquilibre de la microflore intestinale (Parker et al., 1974). « Micro-organismes vivants exerçant un effet bénéfique vis- à-vis de lhôte par maintien de léquilibre 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)

4 Probiotiques entité en évolution : De lingrédient daliment fonctionnel vers lagent bio thérapeutique…

5 Bactéries Levures Lactobacilles (différentes souches ) Bifidobactéries ….. E. Coli non-pathogène (E. Coli Nissle 1917) Enterocoques Saccharomyces boulardii Qui sont-ils?

6 microbiote mucus épithélium GALT SNE La barrière intestinale

7 Microbiote lumière Barrière intestinale Immuno- modulation probiotiques Probiotiques: comment agissent-ils?

8 Probiotiques et pathologies gastro-intestinales Intolérance au lactose Gastroentérites infectieuses Diarrhée associée à lantibiothérapie Maladies inflammatoires chroniques de lintestin (MICI) Syndrome de lintestin irritable (IBS)

9 - 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 dutilisation MICI (inflammation) IBS (micro-inflammation)

10 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)

11 Intraluminal serine-proteases changes Roka et al., Clin Gastroenterol Hepatol 2007

12 Critical features of the mucosal immune response in normal vs Crohn disease intestine Strober et al., JCI 2007

13 Plasma cytokine levels changes in IBS Dinan et al., Gastroenterology 2006

14 Crohn and Ileo-Colonic paracellular permeability Söderholm et al. Gut 2002

15 Subjects (%) Control (n=86) IBS (n=132) * Subjects (%) Lactulose-Mannitol ratio > 0.02 All subjects Rome I No IBS (n=43) IBS (n=67) * Lactulose-Mannitol ratio > 0.02 Post-infection (acute diarrhea) IBS and increased gut permeability Marshall et al. Gastroenterology 2006

16 Probiotiques et mécanismes daction: 1) Interactions avec des pathogènes et des facteurs endoluminaux

17 Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol Probiotiques/pathogènes

18 Expression du peptide antimicrobien human beta-defensin-2 (hBD-2) Caco-2hBD-2 NF-kB, AP-1 E.coli Nissle 1917 L. paracasei, L plantarum, L frementum, L. gasseri… Wehkamp et al., Infect Immun, 2004 Probiotiques/pathogènes

19 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

20 Fecal serine-protease activity in IBS-D: a lumenal factor impairing permeability and sensitivity

21 L farciminis decreases visceral hypersensitivity induced by luminal application of IBS-D fecal supernatants Probiotiques/facteurs endoluminaux

22 MRS Proteolytic activity UA/mg protein L. farcMC a MRS L. farcMC a + véhicule (Tris-HCl 0,2 mM) + IBS-D supernatant * * L farciminis decreases fecal serine-protease activity of IBS-D fecal supernatants Probiotiques/facteurs endoluminaux

23 Probiotiques et mécanismes daction: 2) Interactions avec la barrière épithéliale

24 Toll-like receptors (TLRs) in bacteria- intestinal epithelial cell (IEC) communication TLR2 TLR4 Bacteria Gram + Bacteria Gram - Tollip TLR5 LTA LPS Hyporesponsiveness(tolerance) Hyperresponsiveness(inflammation) Cytokines From Otte et al., Gastroenterology 2004

25 L.casei and L. helveticus induce IEC responsivness via a TLR -2 independent pathway Anti-TLR2 Anti-TLR4 L casei CRL431 L helveticus R389 From Vinderola et al., 2005 Primary culture of colon IEC ? Maintained IL-6 release x x Probiotiques/barrière épithéliale

26 Facteurs solubles VSL#3 proteasome NF-kB X Hsp VSL 3 inhibits nuclear factor-κB and induce heat shock proteins in colonic epithelial cells through proteasome inhibition Petrof et al., Gastroenterology 2004 Probiotiques/barrière épithéliale

27 % 51 Cr-EDTA, 24 h Log10 UFC/g MLNLiverSpleen * * * TNBS TNBS + L. farciminis * * + ControlL. farc.TNBSTNBS+Lfarc Colonic permeabilityBacterial translocation L. farciminis reduces the severity of experimental colitis : role of intestinal barrier integrity Lamine et al., Scand J Gastroenterol Probiotiques/barrière épithéliale

28 saline STRESS (45 min) salineL. farciminis SHAM +p<0.05 vs stress 45 min *p<0.05 vs sham Ait Belgnaoui et al., Gut Mean Aera Density * + p-MLC L. farciminis suppresses the increase of colonic permeability induced by an acute stress in rats: interaction with epithelial cells cytoskeleton contraction Probiotiques/barrière épithéliale

29 sham stressstress + L.farciminis * ** ++ + Pressure (mm Hg) Number of abdominal contractions/5 min Pressure (mm Hg) Volume (ml) Compliance Colorectal sensitivity * + L. farciminis suppresses stress-induced visceral hypersensitivity through interaction with epithelial cell cytoskeleton contraction Ait Belgnaoui et al., Gut 2006 Probiotiques/barrière épithéliale

30 Effect of a Tight Junction blocker on stress-induced increased colonic paracellular permeability and sensitivity to distension ,40,81,2 Volume of distension (ml) Number of abdominal contractions/5min. Tris Tris + Stress TAP + stress * * *+ + + * : p< from control (Tris) +: p< from Stress +Tris) Basal hours sham stress * *: p<0.05 from sham % 51-CrEDTA ( Ait-Belgnaoui et al. 2005) * TAP: 2, 4, 6, triaminopyrimidine stress +TAP

31 3) Interactions avec les cellules immunitaires Probiotiques et mécanismes daction:

32 Link between physical and funcionnal barrier - immunocyte attraction - increased MPO - increased cytokine expression (IL-1ß expression (IL-1ß TNF-, IFN- …) TNF-, IFN- …) - bacterial translocation

33 CpG-DNA(ISS-DNA)orISS-ODN TLR 9 Dendritic cell Macrophages chloroquine Anti-inflammatory effects (DSS - TNBS) VSL#3 IL-6, IL-12 TLR-9 signaling mediates anti-inflammatory effects of VSL#3 in experimental colitis Rachmilewitz et al. Gastroenterology 2004 Probiotiques/immunomodulation

34 L. reuteri and L. casei effects through DC-SIGN binding Unknown carbohydrate motif Dendritic cell Anti-inflammatory effects L. reuteri, L. casei IL-10 Smits et al., J Allergy Clin Immunol DC-SIGN Treg Inhibition of bystander T cellsAnti-DC-SIGN Probiotiques/immunomodulation

35 * * * # pmol/mg mat. séche/h) TémoinL. farc.SNPSNP + HbL. farc. + Hb * ° NO intraluminal Lamine et al., Scand J Gastroenterol Probiotiques/immunomodulation L. farciminis releases NO in vivo

36 Scores Lésionnels Macroscopiques Activité MPO SLM + TNBS TNBS + L. farciminis TNBS + L. farciminis + Hb L. farciminis Témoins U/g protèines * + * L. farciminis reduces TNBS-induced colitis: NO involvement Lamine et al., Scand J Gastroenterol Probiotiques/immunomodulation

37 IL-1 pg/mg of protein * + IL-10 pg/mg of protein * * + ControlL. farc.TNBS + L. farc. ControlL. farc.TNBS + L. farc. Lamine et al., Scand J Gastroenterol Effect of L. farciminis on mucosal cytokine levels in TNBS colitic rats Probiotiques/immunomodulation

38 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 2006 Probiotiques/immunomodulation

39 Bifidobacterium infantis normalizes PBMC IL10/IL-12 ratio in IBS patients OMahony et al., Gastroenterology Probiotiques/immunomodulation

40 L. salivarius, B. infantis in IBS Composite score of IBS symptoms OMahony et al., Gastroenterology 2005 Dose CFU, for 2 months Probiotiques/immunomodulation

41 NFk-B Hsp X DC-SIGN TLR-2 MLC MLCK MLCP X X Treg IL-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)

42 Sartor B, Gastroenterology 2004 Probiotics in IBD Clinical evidence

43 Floch GC et al., J. Clin. Gastroenterol 2005 Probiotics in IBS Clinical evidence

44 Conclusion Mécanismes daction de probiotiques: (i) plusieurs voies impliqués dans laction dune souche (ii) toutefois ces voies sont espèce-spécifiques (iii) des nouvelles pistes dinvestigation 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).

45 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


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