Le microbiote, de découvertes en découvertes

Chronique d'une recherche

Au début du XX^e siècle, on ne connaissait pas grand chose du microbiote. D'abord étudié chez les animaux d'élevage, les scientiques, au fil des années, ont fait de nombreuses découvertes, chez les animaux mais aussi chez l'homme, pour aujourd'hui renouveller nos approches de la médecine.

1940’s La bonne méthode

L’histoire commence dans les années 1940 aux États-Unis, avec un chercheur en microbiologie, Robert Hungate, qui développe une technique – encore utilisée aujourd’hui – permettant de cultiver les bactéries du rumen (premier compartiment digestif des ruminants) de bovin, dont la particularité est de se développer uniquement dans des milieux sans oxygène (bactéries anaérobies strictes). Jusqu’alors, il était impossible de les caractériser puisqu’impossible de les cultiver. Avec cette méthode s’ouvre à la connaissance le monde encore inconnu des microorganismes anaérobies qui siègent dans les écosystèmes digestifs des animaux et des humains.

1980's Microbiote et production animale

À l’Inra, c’est en 1980 que se développent les premiers travaux sur ce que l’on appelait alors « la flore du rumen des animaux » au laboratoire de microbiologie du centre de Theix (Clermont-Ferrand). La question était claire : comment les microorganismes du rumen des bovins participent-ils à la digestion des fibres, la cellulolyse, une fonction majeure que l’on commençait à décrire au niveau moléculaire et cellulaire ? « Nous avons été les pionniers dans la description de champignons anaérobies découverts dans le rumen des herbivores, puis nous avons été les premiers à démontrer que les protozoaires produisaient des enzymes qui y dégradaient les fibres », se rappelle Évelyne Forano, directrice de recherche à l’unité mixte de recherche Medis. À cette même époque, en élevage, des antibiotiques étaient utilisés comme promoteurs de croissance. Les chercheurs se sont alors intéressés à la compréhension des mécanismes d’action de ces antibiotiques administrés à faible dose, mais suffisante pour limiter la charge en pathogènes… afin de s’en passer pour répondre à une exigence règlementaire ! Une des pistes envisagées était d’enrichir leur microbiote en donnant aux animaux d’élevage des microorganismes vivants, appelés probiotiques, renforçant l’effet barrière contre les agents pathogènes ; c’est ainsi que les études sur les probiotiques utilisés dans le domaine de la nutrition des ruminants ont démarré.

La question était claire : comment les microorganismes du rumen des bovins participent-ils à la digestion des fibres ?

Où est passée la flore intestinale ?

Nous avons tous en tête le terme de flore intestinale pour représenter les microorganismes de notre système digestif. Ce mot disparaît au début des années 90, lorsque Carl Woese propose une nouvelle classification du règne du vivant. Jusqu’alors, les bactéries étaient considérées comme des végétaux, et c’est tout naturellement que les microorganismes étaient qualifiés de flore. Mais en 1990, la nouvelle classification de Woese, distinguant des bactéries des eucaryotes (dont les végétaux) et des archées, rend le terme « flore » inapproprié pour qualifier les bactéries. Il est alors remplacé par « le microbiote ».

1990’s De l’animal à l’humain

Impossible pour les scientifiques de ne pas s’interroger sur l’équivalent humain, appelé à l’époque flore intestinale.
« On a appliqué toutes les méthodologies acquises sur le microbiote des animaux à l’étude du microbiote humain, explique Évelyne Forano, et cela a accompagné le développement à l’Inra des travaux sur la nutrition humaine, suite à la création du département scientifique NASA – Nutrition, alimentation et sécurité alimentaire. »
Dans le même temps se développent de nouvelles techniques moléculaires, dont le séquençage ADN. Une véritable révolution pour la science.

L’apport du séquençage ADN
Stanislav Dusko Ehrlich, alors directeur de recherche dans l’unité Génétique microbienne à Jouy-en-Josas, s’empare de ces nouvelles technologies permettant de mieux comprendre – et beaucoup plus rapidement - les rôles des bactéries lactiques. Convaincu que la connaissance du génome permettra d’expliquer la biologie des bactéries (croissance, reproduction, alimentation), Stanislav Dusko Ehrlich s’engage dans le séquençage du génome de Bacillus subtilis, dont la séquence complète sera publiée dans Nature en 1997. S’ensuivent de nombreux travaux pour caractériser le microbiote animal et humain à partir de l’analyse de son ADN : « Grâce à l’analyse ADN, on peut caractériser l’intégralité du système, y compris les bactéries difficilement cultivables (car sensibles à l’oxygène) qui représentent 70 % du microbiote », précise Joël Doré, directeur de recherche à l’institut Micalis et directeur scientifique de l’unité MétaGénoPolis.

2000’s À quoi sert le microbiote ?

Si le séquençage ADN a permis de caractériser les microorganismes du microbiote, reste à savoir – et comprendre finement – à quoi celui-ci sert et comment il fonctionne. Petite histoire pour une grande recherche : « Nous discutions avec Joël dans un café rue Claude-Bernard, le père de la biologie moderne, ça ne s’invente pas !… », se souvient Hervé Blottière, alors biologiste à l’institut Micalis. Que peuvent se dire un microbiologiste et un biologiste cellulaire ? « On s’est dit qu’il fallait étudier le dialogue entre bactéries et cellules ! » La boucle est bouclée, et c’est alors que naît une nouvelle approche, qui consiste à analyser les interactions entre les cellules de notre corps et les microorganismes de notre microbiote : la métagénomique fonctionnelle ! Les deux chercheurs, avec leurs équipes de l’institut Micalis, ont ensuite développé un outil (Métafun, plateforme de clonage-phénotypage haut débit) permettant d’incorporer dans la bactérie Escherichia coli des morceaux de génomes de microbes intestinaux. Ils obtiennent des milliers de clones qu’ils mettent en contact avec des cellules humaines capables d’émettre de la lumière ou de la couleur quand un dialogue s’installe. Cela permet ensuite de savoir quel gène microbien est responsable de modifications de fonctionnement observées dans les cellules humaines.

Microbiote et santé

En croisant les techniques de métagénomique quantitative et fonctionnelle, les scientifiques ouvrent de nouvelles perspectives de recherches : comprendre le lien entre microbiote et santé. En métagénomique quantitative, on compare les microbiotes de malades et ceux de sujets sains, on obtient une caractérisation type de « microbiote malade » qui permet, par comparaison, de poser un éventuel diagnostic, voire parfois de prédire l’occurrence de la maladie ou son aggravation chez un patient. En métagénomique fonctionnelle, il s’agit d’identifier les mécanismes d’interaction entre les cellules et les microorganismes, et leurs conséquences qu’on suppose responsables de la maladie. L’objectif est alors, entre autres, de développer des médicaments pour rétablir un bon dialogue fonctionnel microbiote-hôte, et par la suite l’état de santé du patient. Autre méthode pour faire le lien entre microbiote et pathologies : utiliser des animaux axéniques, élevés en milieu stérile, et de fait dépourvus de microbiote. En leur implantant un microbiote de patient malade, on observe parfois qu’ils développent à leur tour les symptômes de la maladie. De manière assez logique, les scientifiques se sont intéressés en premier lieu aux maladies inflammatoires de l’intestin, dont la maladie de Crohn, pour laquelle le lien direct avec l’état du microbiote a été établi en 2006.

2010's Le génome du microbiote décrypté, une avancée majeure pour la médecine

Près de 2 000 espèces de microorganismes ont été identifiées. Chaque être humain en abrite environ 300

S’il y a une étape majeure dans la compréhension du microbiote, c’est bien celle-ci. « Our other genome » titre en mars 2010 la prestigieuse revue Nature. Après plusieurs années de travaux, dans le cadre du projet ANR MétaHit coordonné par Stanislav Dusko Ehrlich, le génome de milliards de microorganismes a été décrypté ! Un premier catalogue de 3,3 millions de gènes est publié en 2010, complété en 2014 pour atteindre 10 millions de gènes. La question qui anime alors la sphère scientifique : avons-nous tous le même microbiote ? L’hypothèse était qu’il existe un « microbiote moyen » humain avec une composition relativement identique en microorganismes. Magie de la science, « nous avons eu deux surprises avec ces travaux, se rappelle Joël Doré avec enthousiasme, la première est qu’il n’existe pas de microbiote moyen, mais au moins trois grands types de microbiotes ! ». Ou plutôt des entérotypes, c’est-à-dire trois organisations écologiques dominées chacune par un genre bactérien particulier : Bacteroides, Ruminococcus et Prevotella. « Deuxième surprise, on a observé des microbiotes riches et des microbiotes pauvres en termes de diversité de gènes, et donc de microorganismes. » La suite du raisonnement, vous vous en doutez : existe-t-il un lien entre les entérotypes, la richesse du microbiote et l’apparition de maladies chroniques ? La réponse de Joël Doré est sans appel : « Oui, un microbiote pauvre et d’entérotype Bacteroides est associé à un risque plus élevé de maladies cardiométa- boliques. Ce sont des premiers résultats, et le chemin à parcourir est encore long ! » En parallèle de ces découvertes majeures, la mise en évidence des liens entre microbiote et différentes pathologies s’enchaîne : en 2012, les scientifiques établissent un lien entre microbiote et diabète de type 2, en 2013 avec l’obésité, en 2014, avec la cirrhose et avec le syndrome du foie gras. En 2018, les scientifiques découvrent que certaines bactéries du microbiote permettent de faciliter les traitements anticancéreux. Plus étonnant encore, des liens ont été démontrés entre le microbiote et les maladies neurodégénératives (sclérose en plaques, Parkinson et Alzheimer) ainsi que les maladies neuropsychatriques (autisme, bipolarité, schizophrénie, dépression). Si le lien entre état du microbiote et ce type de pathologies a été observé chez l’animal au début des années 1980, les mécanismes qui régissent cette association ont été découverts récemment : une altération du microbiote entraîne une inflammation au niveau intestinal, qui favorise une perméabilité de la barrière hématoencéphalique, dont le rôle est d’empêcher le passage de substances potentiellement toxiques ou d’agents pathogènes dans le cerveau et la moelle épinière.
Cette perméabilité entraîne une inflammation au niveau du cerveau qui favoriserait l’apparition des maladies neurodégénératives et neuropsychiatriques. En 2017, un lien fort entre le microbiote et les troubles du spectre autistique a été confirmé. Des travaux se poursuivent dans le cadre du projet européen Gemma (2019-2025) pour étudier le rôle du microbiote intestinal dans ces troubles. C’est aussi dans les années 2010 qu’est créé MétaGénoPolis, un démonstrateur préindustriel, avec des équipements de pointe pour aller plus loin et plus vite dans la connaissance du microbiote et développer des innovations pour la société.

Une vie en symbiose

Au fur et à mesure des découvertes sur les liens entre santé et microbiote, une nouvelle façon de penser ces liens apparaît. Il ne suffit pas d’agir directement sur le microbiote mais bien de prendre en compte l’ensemble « microbiote et hôte » et donc de soigner également son environnement (l’hôte), notre corps. Les résultats le montrent, c’est bien la façon dont nous prenons soin de nous qui permet le bon équilibre de notre microbiote et réciproquement participe à notre bonne santé.
Le concept de symbiose entre microbiote et hôte s’impose alors et fait émerger celui de dysbiose, celle-ci survenant quand la symbiose est altérée ! La dysbiose peut survenir en cas de stress oxydatif, diminution de la diversité bactérienne, augmentation de la perméabilité de la barrière intestinale ou d’un état inflammatoire, autant de causes qui expliquent le lien avec les nombreuses pathologies décrites ci-dessus. Une fois l’équilibre altéré, ces paramètres entretiennent alors un cercle vicieux créant un contexte favorable à certaines maladies chroniques aujourd’hui incurables.

Transfert de microbiote

Si les liens entre microbiote et certaines pathologies sont si évidents, pourquoi ne pas transférer un microbiote sain chez un individu malade pour le soigner ? C’est l’idée qui a conduit à créer la start-up MaaT Pharma en 2014, dont Joël Doré est toujours conseiller scientifique. L’Inra et MaaT Pharma développent alors conjointement une technique de transfert de microbiote qui consiste à administrer une suspension des selles de donneurs sains dans le système digestif d’un receveur malade afin de restaurer la richesse de son microbiote et apporter un bénéfice pour sa santé. Les résultats obtenus en 2016 sont prometteurs. S’il existe encore des risques à transférer des microorganismes d’un individu à un autre, ces travaux ouvrent de nouvelles voies de traitement de pathologies sévères pour lesquelles la médecine n’a parfois plus aucune solution à apporter.

Maat Pharma, la start-up qui développe de nouvelles thérapies grâce au microbiote

Créée en 2014, à partir d’un savoir-faire de l’Inra, et plus largement en s’appuyant sur les travaux de Micalis et MétaGénoPolis, la start-up MaaT Pharma développe et standardise des technologies pour sécuriser l’utilisation thérapeutique du transfert de microbiote. Ses premiers travaux ont consisté à développer un processus de conditionnement des contenus intestinaux qui permettait de les lyophiliser pour pouvoir les encapsuler. Les recherches concernent aujourd’hui le transfert de microbiote sain via ces capsules à des fins thérapeutiques dans le traitement du cancer. En effet, ce microbiote transféré permet de reconstruire la symbiose hôte-microbiote et ainsi de restaurer l’homéostasie immunitaire.

En 2016, leurs essais cliniques ont permis, grâce au transfert de microbiote, de reconstruire une symbiose normale chez 90 % de patients atteints de leucémie myéloïde aiguë ayant subi une chimiothérapie. En 2021, ils montrent que le transfert de microbiote améliore la survie des patients souffrant d’une maladie du greffon contre l’hôte, une complication sévère qui survient parfois suite à une greffe de moelle osseuse dans le traitement du cancer du sang.
Aujourd’hui, ils travaillent au développement de médicaments-candidats exploitant le potentiel des écosystèmes microbiens applicables tout au long du parcours clinique de patients atteints de cancer.

2020’S Le renouveau de la médecine préventive

Les travaux sur la symbiose hôte-microbiote se poursuivent et prennent de l’ampleur. Un nouveau projet, Le French Gut démarrera en septembre 2022 et ambitionne de caractériser le microbiote des Français à partir d’une collecte de selles de 100 000 volontaires. Au-delà de nouvelles perspectives de recherches, pour Joël Doré, ces travaux offrent une nouvelle façon de raisonner sur la santé, d’aller vers une nutrition préventive et d’utiliser le microbiote comme levier.

Le French Gut : cartographier le microbiote des Français

Pour aller encore plus loin dans la connaissance du microbiote et de ses liens avec la santé, INRAE démarre en 2022 un projet ambitieux, Le French Gut – Le microbiote français. L’objectif est, d’ici 2025, de collecter les selles de 100 000 volontaires ainsi que les données nutritionnelles et cliniques associées, et de les analyser pour mieux comprendre ce qu’est un microbiote intestinal sain et quelles sont les altérations observées en cas de maladies. Le French Gut, porté par INRAE, est mené en partenariat avec des institutions publiques et privées, impliquées dans la connaissance du microbiote. Il s’agit in fine d’ouvrir la voie à des thérapies innovantes pour traiter des maladies chroniques (diabète, obésité, cancer…) et des troubles neurodéveloppementaux.
Le French Gut s’insère dans un programme mondial, Million Microbiome of Humans Project (MMHP), qui vise à analyser un million d’échantillons microbiens des intestins, de la bouche, de la peau et de l’appareil reproducteur.

Diagnostic et médication

Concernant le diagnostic, on pourra sans doute un jour faire une analyse de microbiote comme on fait une analyse de sang pour évaluer l’état de la symbiose et aider à la prise en charge de pathologies. Sur la médication, « d’après nos premiers résultats, agir sur le microbiote, sur la perméabilité de la barrière intestinale, l’inflammation et le stress oxydant en même temps aurait des effets aussi efficaces que des médicaments standards », explique Joël Doré. En effet, une expérimentation chez la souris montre qu’une combinaison entre un probiotique (protecteur de la barrière intestinale et avec des propriétés anti-inflammatoires) de la glutamine (acide aminé qui protège également la barrière intestinale) et de la curcumine (polyphénol, anti-inflammatoire et antioxydant), agit sur les quatre facteurs de dysbiose et donne des résultats aussi efficaces pour traiter la dépression qu’un antidépresseur, la clomipramine, les effets secondaires en moins. Autant dire que la révolution du microbiote ne fait que commencer !

Microbiote et Covid-19

3 questions à Philippe Langella, directeur de recherche à l’institut Micalis

Existe-t-il un lien entre Covid et microbiote ? Des analyses du microbiote intestinal de patients atteints de la Covid-19 montrent une dysbiose, c’est-à-dire un déséquilibre du microbiote, qui se caractérise par une baisse des bactéries ayant une activité anti-inflammatoire, baisse d’autant plus importante que la forme de la Covid-19 est grave.

Est-ce qu’il existe des pistes pour éviter une telle dysbiose en cas de Covid ? Depuis de nombreuses années, notre laboratoire met au point des stratégies de prévention et thérapeutiques basées sur des bactéries probiotiques de nouvelle génération pour lutter contre l’inflammation intestinale. L’idée est d’évaluer si elles ne pourraient pas être utilisées en complément chez les patients Covid pour éviter les atteintes intestinales qui sont constatées chez 20 % d’entre eux.

Que sont les probiotiques de nouvelle génération ? Les probiotiques sont des microorganismes vivants que l’on ingère dans l’objectif de rétablir ou entretenir notre symbiose hôte-microbiote. Jusqu’à présent, les probiotiques utilisés étaient soit issus de la consommation d’aliments fermentés, soit de compléments alimentaires, mais toujours obtenus à partir de ferments naturels. La nouvelle génération de probiotiques est maintenant issue directement du microbiote intestinal.

Les microorganismes, tout un monde

Le microbiote intestinal n’est pas le seul présent dans notre corps, mais c’est à ce jour le plus documenté. Nous avons un microbiote sur la peau, dans la bouche, dans le vagin, dans les poumons, l’œil, etc. Tous ces microorganismes forment un microbiome qui lui-même forme, avec son hôte, un holobionte.
Mais des microorganismes, il y en a aussi dans notre environnement, dans la terre, l’air, les plantes, sur et dans les animaux. Tous ces microbiomes peuvent interagir et ces interactions, à une échelle plus globale, sont encore un terrain peu connu de la recherche. Un exemple, l’antibioresistance. À force d’utiliser des antibiotiques pour notre santé et celle des animaux, on favorise l’émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques. Cela devient un problème mondial qui touche à la fois notre santé, celle des animaux et celle de l’environnement. En 2020, INRAE a lancé un métaprogramme de recherche, appelé Holoflux, « Holobiontes et flux microbiens au sein des systèmes agri-alimentaires ». Son objectif est d’arriver à une meilleure connaissance, d’une part des interactions au sein des holobiontes, entre microbiotes et hôtes, et d’autre part des flux de microorganismes entre les holobiontes et dans l’ensemble du système agri-alimentaire. Cette connaissance permettrait de les utiliser comme leviers de performance, de durabilité et de préservation de la santé humaine, animale et végétale.