Comment E. coli envahit et colonise des microbiotes intestinaux humains sains
L’intestin abrite la plus importante population microbienne du corps humain, appelée microbiote intestinal, avec d’importantes répercussions sur la santé. Par exemple, un microbiote intestinal sain peut conférer une résistance aux bactéries nocives, un avantage qui disparaît si le microbiote est perturbé. Cependant, une colonisation peut tout de même se produire lorsque le microbiote intestinal est sain. «Les mécanismes précis sous-jacents restent inconnus, d’autant plus que le microbiote intestinal propre à chaque personne peut potentiellement entraîner des réponses uniques», explique Hugo Barreto, chercheur principal du projet MICROINVADER, mis en place pour comprendre comment les variations individuelles influencent la dynamique de colonisation bactérienne.
Étude in vitro et in vivo du microbiote intestinal humain
Escherichia coli est une bactérie qui colonise de nombreux environnements, dont l’intestin humain. Très diversifiée sur le plan génétique, elle est considérée comme «commensale» lorsqu’elle colonise l’intestin humain, c’est-à-dire qu’elle coexiste avec son hôte sans lui nuire. Mais elle peut également se révéler pathogène et causer environ 1 million de décès par an(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Chez l’être humain, on sait qu’elle évolue rapidement et que, même lorsque le microbiote intestinal est sain, des souches invasives d’E. coli remplacent constamment les souches résidentes, un phénomène appelé remplacement de souche. «En tant qu’organisme modèle, E. coli peut être manipulée génétiquement, ce qui permet d’introduire des “codes-barres moléculaires” ou empreintes dans différentes souches d’E. coli précédemment isolées chez l’être humain», explique Hugo Barreto, de l’Institut national de la santé et de la recherche médicale(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), organisme d’accueil du projet. «Comme chacune possède un code-barres différent, le séquençage permet d’identifier les isolats naturels d’E. coli capables d’envahir et de coloniser le microbiote intestinal humain.» Pour étudier ce processus in vitro, le projet Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a sélectionné 16 microbiotes (issus de la cohorte NutriNet-Santé)(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), qui ont été cultivés jusqu’à deux semaines dans un ensemble de MiniBioReactor (MBRA), au sein d’une chambre anaérobie. «Ce système maintient la communauté microbienne associée au microbiote intestinal de chaque donneur tout en permettant des manipulations précises, telles que l’introduction d’isolats naturels d’E. coli et le prélèvement d’échantillons de la communauté, sans les effets confondants liés aux changements de comportement d’un hôte vivant», ajoute Hugo Barreto. Après quelques jours d’acclimatation, un panel de 26 isolats naturels d’E. coli munis de codes-barres a été introduit dans le MBRA, tandis que leur abondance et la dynamique des codes-barres étaient suivies au fil du temps. Point essentiel, les microbiotes intestinaux sélectionnés contenaient déjà une ou plusieurs souches résidentes d’E. coli, ce qui a permis d’étudier en temps réel le remplacement de souche ou la co-colonisation. Afin de caractériser la dynamique évolutive des souches invasives d’E. coli ayant réussi à s’implanter, des souris axéniques(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), dépourvues de toute bactérie, ont été colonisées avec huit microbiotes intestinaux humains sélectionnés à partir de l’expérience MBRA et suivies pendant deux mois.
Caractériser le succès de l’invasion et de la colonisation
L’équipe a observé que le succès de l’invasion et de la colonisation d’E. coli variait selon les microbiotes intestinaux humains, avec des écarts pouvant atteindre trois ordres de grandeur. En outre, la souche dominante d’E. coli après l’invasion dépendait du donneur. «Si cela s’explique en partie par la diversité du microbiote intestinal humain et par la présence de subdivisions génétiques d’E. coli au sein de celui-ci, nous avons observé que l’évolution rapide de la souche invasive dominante modifiait cette dynamique», indique Hugo Barreto. Parallèlement, alors que les analyses sont toujours en cours, les travaux menés sur le modèle murin ont permis d’observer que certains microbiotes intestinaux humains réduisaient l’abondance d’E. coli de deux ordres de grandeur. «L’observation la plus surprenante a été que les souches résidentes d’E. coli ont été remplacées dans tous les microbiotes intestinaux humains testés. Auparavant, la colonisation était testée avec une seule souche et échouait dans la plupart des cas, tandis que nous avons introduit plus de 20 souches simultanément. Cela laisse penser que le remplacement de souche résulte à la fois de la diversité des bactéries invasives et de la composition du microbiote intestinal humain», remarque Hugo Barreto. Comprendre les mécanismes qui régissent le remplacement des souches lorsque le microbiote intestinal est sain pourrait déboucher sur des traitements permettant de modifier le microbiote intestinal humain afin de mieux préserver la santé, notamment par des transplantations de microbiote intestinal fécal.
