ABOVE : MODIFIÉ DE © ISTOCK.COM, HOMUNKULUS28 ; © ISTOCK.COM, TATIANA VASILYEVA
À l’automne 2018, une équipe de chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences en Israël a publié des résultats selon lesquels un cocktail de 11 souches de Lactobacillus et de Bifidobacterium avait un impact immédiat minimal et aucun effet durable sur la composition du microbiome intestinal des souris ou des personnes. En fait, les bactéries probiotiques n’ont été retrouvées chez aucun des quatorze participants adultes après la fin de la supplémentation.
Ces récentes découvertes ont fait couler beaucoup d’encre et ont ajouté au sentiment croissant du public que les probiotiques – des micro-organismes vivants censés conférer des avantages à l’hôte humain – ne fonctionnent pas. Des décennies de recherche ont montré que la plupart des probiotiques ne sont pas capables de coloniser l’intestin humain ou d’y exercer des effets bénéfiques durables. Certains critiques ont même suggéré que les probiotiques n’étaient peut-être pas une voie prometteuse pour traiter les maladies ou améliorer la santé et le bien-être. Mais nous avons pensé : « Ne jetez pas le bébé avec l’eau du bain : nos travaux montrent que le bon probiotique peut agir dans l’intestin du nourrisson. » Les conclusions que nous avons publiées en 2017 ont montré que le fait de donner à des bébés allaités un probiotique comprenant une souche spécifique de Bifidobacterium longum sous-espèce infantis (B. infantis EVC001) a entraîné une augmentation moyenne de 10 000 000 fois des niveaux de B. infantis fécaux. Ce niveau a persisté pendant un mois après la consommation du supplément, et les niveaux sont restés élevés jusqu’à un an après le traitement.
Pour comprendre pourquoi le microbiome intestinal des nourrissons a changé si radicalement au cours du siècle dernier, nous avons cherché à comprendre comment le microbiome intestinal des nourrissons se forme.
La colonisation de l’intestin du nourrisson par B. infantis a eu des effets protecteurs, tels que des niveaux plus faibles de pathogènes intestinaux potentiels et d’endotoxine fécale, un composant de la membrane externe des organismes Gram-négatifs connu pour déclencher une inflammation. Nous avons également constaté que les nourrissons ayant reçu le probiotique B. infantis présentaient une inflammation intestinale réduite par rapport aux nourrissons allaités qui n’avaient pas reçu le probiotique. Les microbiomes intestinaux des bébés supplémentés en B. infantis contenaient moins de gènes de résistance aux antibiotiques, signe d’une diminution des agents pathogènes, et présentaient une dégradation moindre de la mucine, une glycoprotéine sécrétée par l’épithélium intestinal qui protège les cellules épithéliales du contact direct avec les microbes intestinaux. Ces données corroborent des résultats antérieurs de Mark Underwood et de ses collègues de l’Université de Californie, à Davis. En 2013, l’équipe d’Underwood a montré que l’alimentation des prématurés avec une souche différente, B. infantis ATCC15697, entraînait une augmentation plus importante des Bifidobacterium fécaux et une réduction des niveaux d’agents pathogènes potentiels par rapport aux nourrissons ayant reçu un probiotique contenant B. lactis.
Alors que la communauté scientifique et le public étaient aux prises avec des résultats répétés selon lesquels les suppléments probiotiques pris par les adultes ne sont pas cohérents pour coloniser efficacement l’intestin ou conférer des avantages, nous avions maintenant des preuves convaincantes que les microbiomes intestinaux des bébés répondaient incroyablement bien à des souches spécifiques de B. infantis. La question était de savoir pourquoi.
Les origines du microbiome
On peut trouver des indices sur le microbiome des nourrissons dans des articles vieux d’un siècle sur les bactéries commensales dans les selles des nourrissons. W. R. Logan, pathologiste clinique au Research Laboratory du Royal College of Physicians d’Édimbourg, a été le premier à signaler, il y a 100 ans, que les bactéries présentes dans les frottis fécaux des nourrissons allaités au sein étaient une quasi monoculture de Bacillus bifidus, qui est aujourd’hui connu sous le nom de genre Bifidobacterium. En revanche, les frottis fécaux des nourrissons nourris au lait maternisé de l’époque présentaient une diversité de bactéries, avec relativement peu de Bifidobacterium – ce qui ressemble davantage à la diversité microbienne que l’on trouve chez les nourrissons allaités d’aujourd’hui.
Ces changements frappants dans la composition du microbiome intestinal observés au cours du siècle dernier étaient cohérents avec notre récente découverte que le pH fécal des nourrissons allaités a augmenté de façon spectaculaire, passant de pH 5,0 à 6,5 au cours des 100 dernières années, un changement associé à une perte générationnelle apparente de Bifidobacterium et à une augmentation concomitante des agents pathogènes potentiels. La réduction de Bifidobacterium dans le microbiome intestinal des nourrissons allaités est probablement une conséquence involontaire des pratiques médicales qui peuvent sauver des vies mais ne favorisent pas la croissance de Bifidobacterium. Ces pratiques médicales comprennent le traitement par des antibiotiques auxquels les Bifidobacterium sont sensibles, les préparations pour nourrissons qui ne fournissent pas la nourriture spécifique dont la bactérie a besoin, et un plus grand nombre d’accouchements par césarienne, qui contournent la voie par laquelle la bactérie est transférée de la mère au bébé. Ces pratiques médicales ont été mises en cause dans le risque accru de maladies allergiques et auto-immunes qui prévaut dans les pays riches en ressources. Il est proposé que la réduction des Bifidobacterium et l’augmentation des microbes pro-inflammatoires dans la petite enfance se produisent pendant la fenêtre critique du développement du système immunitaire, et peuvent ainsi augmenter le risque de maladie immunitaire plus tard dans la vie.
Pour comprendre pourquoi le microbiome intestinal du nourrisson a changé si radicalement au cours du siècle dernier, nous avons cherché à comprendre comment cette communauté se forme. La colonisation du microbiome intestinal du nourrisson commence dès l’accouchement avec l’exposition aux microbes maternels – principalement les microbes vaginaux et fécaux pour les bébés nés par voie vaginale ou principalement les microbes de la peau, de la bouche et du milieu environnant chez les nourrissons nés par césarienne. Après la naissance, les nourrissons sont bombardés par un vaste éventail de microbes présents dans l’environnement, y compris dans le lait maternel, mais les espèces qui vont devenir des membres durables de la communauté microbienne sont souvent celles transmises par les mères des nourrissons par contact physique.
Les enfants continuent d’acquérir des espèces du microbiome intestinal auprès de leur mère et d’autres membres de la communauté au début de leur vie. Cela contraste avec le microbiome intestinal d’un adulte, qui est stable et résiste aux changements en grande partie parce que l’espace et la nourriture disponibles sont déjà utilisés par des microbes établis – les niches écologiques sont simplement occupées dans les intestins des adultes. Il est donc logique qu’un probiotique ait plus de chances de persister dans l’intestin du nourrisson, où il est confronté à moins de concurrence et où il a donc plus de chances de trouver de la nourriture à consommer et un endroit où se développer. Un probiotique ne sert que de source supplémentaire d’exposition à de nouvelles bactéries pour le nourrisson.
En reconnaissant cela, nous avons commencé à nous interroger : Dans nos études, quelle niche écologique B. infantis remplissait-elle qui soutenait sa persistance chez les nourrissons longtemps après l’arrêt de l’administration de probiotiques ?
Le microbiome changeant du nourrisson
Historiquement, le microbiome intestinal du nourrisson allaité était une quasi monoculture de Bifidobacterium (J Pathol Bacteriol, 18:527-51, 1913). Le microbiome intestinal du nourrisson nourri au lait maternisé était beaucoup plus diversifié. Le microbiome intestinal du nourrisson allaité et le microbiome intestinal du nourrisson nourri au lait maternisé sont maintenant plus similaires au microbiome intestinal historique du nourrisson nourri au lait maternisé, bien que les nourrissons modernes allaités aient plus de Bifidobacterium que les nourrissons modernes nourris au lait maternisé.
Préparer le terrain
Un facteur majeur pour déterminer quelles bactéries se développent dans l’intestin est la disponibilité de leurs sources alimentaires de glucides. Ainsi, pour qu’un probiotique fonctionne chez un nourrisson, les micro-organismes doivent être sélectionnés de manière à ce que la source alimentaire qu’ils utilisent le plus efficacement corresponde à ce qui est disponible – un aliment présent et qui n’est pas déjà consommé par d’autres bactéries. Nous avons entrepris de déterminer quels glucides B. infantis consomme dans l’intestin du nourrisson.
Naturellement, nous nous sommes tournés vers le lait maternel qui, depuis des millions d’années, est le seul aliment capable de nourrir et de protéger exclusivement les bébés pendant les six premiers mois de leur vie. Le lait humain apporte des nutriments ainsi que des molécules bioactives non nutritives, notamment des glucides appelés oligosaccharides du lait humain (HMO). Au milieu des années 1900, Paul György, biochimiste, nutritionniste et pédiatre de renommée mondiale de l’hôpital de l’université de Pennsylvanie, et ses collègues ont, sans le savoir, fait référence aux HMO lorsqu’ils ont proposé l’existence d’un « facteur bifidus », un élément unique dans le lait maternel qui nourrit les Bifidobacterium. Alors que les humains ne peuvent pas digérer les HMO, il s’avère que les Bifidobacterium, en particulier B. infantis, le peuvent. En 2007, notre groupe de l’UC Davis a utilisé des outils basés sur la spectrométrie de masse couplés à la microbiologie pour montrer que B. infantis engloutit les HMO comme unique source d’énergie, tandis que les autres espèces de Bifidobacterium ne consomment que certains HMO en plus des glucides dérivés des plantes, des animaux et de l’hôte.
Les HMO sont une classe diverse de molécules glucidiques complexes synthétisées par la glande mammaire. Avec environ 200 espèces moléculaires différentes, elles représentent le troisième composant solide le plus abondant dans le lait humain après le lactose et la graisse. Les HMO étant complexes et de structure variable, leur fabrication est coûteuse. Les préparations pour nourrissons actuelles peuvent contenir une ou deux structures HMO simples, mais à une fraction de la concentration trouvée dans le lait maternel. Les préparations pour nourrissons manquent de l’abondance et de la complexité des HMO pour nourrir sélectivement les microbes intestinaux bénéfiques et pour lier et neutraliser les agents pathogènes de l’intestin.
Les espèces bactériennes de l’intestin du nourrisson capables de consommer des HMO peuvent être considérées comme le microbiome orienté lait (MOM). Bien que B. infantis semble être le consommateur le plus efficace d’HMO, d’autres espèces de Bifidobacterium, en particulier B. breve et B. bifidum, peuvent consommer et consomment effectivement certains HMO mais consomment également des glucides d’origine végétale, animale et de l’hôte. Les espèces de Bifidobacterium qui colonisent l’intestin changent tout au long de la vie en fonction des glucides disponibles dans le régime alimentaire de l’hôte. Par exemple, B. infantis, B. breve et B. bifidum sont des bifidobactéries MOM que l’on trouve généralement dans les selles des nourrissons exclusivement nourris au sein, tandis que B. longum et B. adolescentis, qui consomment de préférence des glucides d’origine végétale et animale, se trouvent généralement dans les selles des adultes. Pourtant, il existe des variations et des chevauchements dans les espèces présentes aux différents stades de la vie.
Un facteur majeur pour déterminer quelle bactérie se développe dans l’intestin est la disponibilité de sa source de nourriture glucidique.
Parmi les bifidobactéries MOM trouvées dans le microbiome intestinal des nourrissons, différentes espèces peuvent avoir différentes implications pour le microbiome. Par exemple, lorsque nous avons donné à des nourrissons exclusivement allaités au sein un supplément contenant le probiotique B. infantis EVC001, leur intestin est devenu dominé par le genre Bifidobacterium – plus de 80 % d’abondance relative du microbiome intestinal – et les pathogènes potentiels représentaient moins de 10 % de la communauté. En revanche, les microbiomes intestinaux des nourrissons nourris exclusivement au sein qui n’ont pas reçu de supplément de B. infantis EVC001 présentaient des niveaux beaucoup plus faibles de Bifidobacterium, avec une abondance relative d’environ 30 % seulement, et les pathogènes potentiels constituaient environ 40 % des microbes dans leur intestin, des résultats qui sont conformes aux travaux antérieurs de notre groupe et d’autres. Cette quasi-monoculture de Bifidobacterium semble être le fait de B. infantis, qui représentait environ 90 % du total des Bifidobacterium chez les nourrissons nourris au probiotique. En revanche, B. longum était le Bifidobacterium intestinal prédominant dans le groupe témoin, suivi de B. breve et de B. bifidum. Ces données soulignent l’importance vitale de la spécificité de la souche dans les probiotiques, et la combinaison de la présence de B. infantis et de l’allaitement maternel pour soutenir un environnement intestinal protecteur chez les nourrissons.
Pour comprendre comment B. infantis supplémentaire peut si bien supplanter les autres microbes dans l’intestin du nourrisson, nous avons plongé en profondeur dans sa stratégie alimentaire. Il s’avère que c’est un mangeur difficile, qui se nourrit exclusivement de HMO, et lorsque les HMO sont abondants, B. infantis les engloutit voracement. Contrairement aux autres bifidobactéries MOM, B. infantis possède tous les gènes nécessaires à la dégradation complète et interne des HMO et utilise de préférence les HMO à toute autre source de glucides. D’autres bifidobactéries MOM telles que les souches de B. bifidum et de B. breve présentent des capacités de croissance avec seulement un sous-ensemble de HMO. B. infantis a donc un avantage compétitif lorsque le lait maternel constitue l’intégralité de l’alimentation.
Une étude réalisée en 2008 par des collègues de l’UC Davis et leurs collaborateurs a montré comment B. infantis utilise rapidement les HMO : avec des protéines de liaison pour saisir les HMO dans la lumière intestinale et des transporteurs pour les faire passer dans le cytoplasme, les décomposer en monosaccharides qui sont ensuite fermentés en lactate et en acétate, un acide gras à chaîne courte, qui sont sécrétés par la cellule. Ces produits finaux maintiennent un pH plus bas dans le milieu intestinal, favorisant le transport de ces composés dans l’épithélium intestinal pour être utilisés par l’hôte et créant un environnement indésirable pour les pathogènes potentiels. La production d’acétate bloque également l’infiltration de molécules toxiques produites par des bactéries pathogènes en améliorant la fonction de la barrière intestinale et en inhibant les réponses pro-inflammatoires et apoptotiques. Les résultats récents d’une étude in vitro ont montré que la quantité d’acétate et de lactate produite par différentes espèces de bifidobactéries dépend de leur capacité à consommer les glucides qui leur sont disponibles. Par conséquent, donnez à un microbe consommateur de glucides son glucide préféré, et il a un plus grand potentiel pour produire davantage de ses produits finaux protecteurs.
Une autre raison pour laquelle B. infantis surpasse les autres souches bifidobactériennes dans l’intestin des nourrissons allaités est que toute sa digestion des HMO se produit à l’intérieur de la cellule bactérienne. B. bifidum, en revanche, digère les HMO à l’extérieur. Cette digestion extracellulaire libère des glucides simples et peut alimenter d’autres espèces de Bifidobacterium, mais aussi ouvrir une niche écologique pour d’autres microbes, peut-être moins bénéfiques. L’alimentation croisée entre les microbes diversifie le microbiome intestinal, ce qui est considéré comme généralement bénéfique chez les adultes.
Mais y a-t-il un avantage à avoir une quasi monoculture de Bifidobacterium chez les nourrissons ? En posant cette question, nous nous sommes tournés vers le développement immunitaire.
Le microbiome orienté laitLes oligosaccharides du lait humain (HMO) sont des glucides complexes que les espèces microbiennes du microbiome orienté lait (MOM) peuvent utiliser comme source de nourriture. Bifidobacterium infantis code pour de nombreuses protéines qui lient et transportent spécifiquement tous les types d’HMO dans sa cellule et les digèrent en interne. D’autres espèces de Bifidobacterium ne digèrent que certains HMO et certains le font de manière externe. La digestion des HMO par MOM Bifidobacterium entraîne la production de lactate et d’acétate, un acide gras à chaîne courte, qui sont sécrétés dans la lumière intestinale. Ces molécules abaissent le pH du milieu intestinal, ce qui améliore leur transport dans l’épithélium pour être utilisées par l’hôte et crée un environnement indésirable pour les pathogènes potentiels tels que E. coli.  © laurie o’keefe
|
|
 © laurie o’keefe
|
B. infantis consomme préférentiellement toutes les espèces de HMO par rapport à toute autre source de glucides.
|
 © laurie o’keefe
|
B. bifidum ne mange qu’un sous-ensemble de HMO.
|
Bénéfices d’une Bifidobactérie
Le déclin de la Bifidobactérie dans les microbiomes intestinaux des nourrissons et la dysrégulation associée de la communauté microbienne, avec des pathogènes potentiels plus nombreux, a été suggéré comme l’un des facteurs pouvant contribuer à l’augmentation de l’incidence des maladies auto-immunes qui frappent les résidents des nations riches en ressources. À l’inverse, des études d’observation ont montré les effets immunitaires bénéfiques d’un microbiome fécal dominé par Bifidobacterium. Dans deux études menées auprès de nourrissons et de jeunes enfants bangladais, l’abondance de B. infantis et de Bifidobacterium dans les selles à l’âge de deux mois était fortement corrélée à une meilleure réponse vaccinale à six mois et à deux ans, par rapport aux nourrissons non colonisés par B. infantis ou présentant une faible abondance relative. infantis ou présentant de faibles abondances relatives de Bifidobacterium.
En outre, les bifidobactéries sont moins susceptibles que d’autres microbes, en particulier les agents pathogènes potentiels, de porter et de partager des gènes de résistance aux antimicrobiens, ce qui peut entraîner un risque plus élevé d’infections résistantes aux antibiotiques. Dans une étude d’observation portant sur des nourrissons bangladais et suédois, une dominance de Bifidobacterium intestinale était associée à une réduction significative du nombre et de l’abondance des gènes de résistance aux antibiotiques. De plus, par rapport à des nourrissons allaités appariés, la supplémentation en B. infantis EVC001 a entraîné une réduction de 90 % des gènes de résistance aux antibiotiques, une baisse largement motivée par une réduction des niveaux d’Escherichia, de Clostridium et de Staphylococcus – des bactéries potentiellement pathogènes qui jouent un rôle majeur dans l’évolution et la dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques.
Dans le but de restaurer le microbiome intestinal infantile dominé par Bifidobacterium qui était typique des bébés allaités il y a 100 ans, nous avons décidé de mener un essai randomisé et contrôlé en utilisant le probiotique B. infantis EVC001. Étant donné que toutes les souches de B. infantis ne consomment pas efficacement tous les HMO, nous avons choisi B. infantis EVC001 car nous savions que cette souche possédait la cassette complète de gènes nécessaires pour digérer entièrement tous les HMO. Des nourrissons en bonne santé, nés à terme et allaités au sein ont été randomisés pour consommer B. infantis EVC001 pendant 21 jours consécutifs à partir du 7e jour postnatal ou pour ne pas recevoir le probiotique.
Par rapport aux nourrissons témoins allaités qui n’ont pas reçu le probiotique, la supplémentation a entraîné une augmentation moyenne de 10 000 000 fois des niveaux de B. infantis fécal et a augmenté le Bifidobacterium fécal de 79 % pendant la période de supplémentation, et cela était toujours vrai un mois après la supplémentation. Cela signifie que la colonisation par Bifidobacterium a persisté sans la poursuite de la supplémentation en probiotiques. De plus, la colonisation de B. infantis a persisté jusqu’à l’âge d’un an si les nourrissons continuaient à consommer du lait maternel et n’étaient pas exposés aux antibiotiques. Il est important de noter que les nourrissons supplémentés présentaient une réduction de 80 % des pathogènes intestinaux potentiels appartenant aux familles Enterobacteriaceae et Clostridiaceae et une réduction de l’endotoxine fécale. En outre, nous avons constaté une multiplication par deux du lactate et de l’acétate fécaux et une diminution par dix du pH fécal. Les microbiomes intestinaux et la biochimie des nourrissons supplémentés ressemblaient à des normes observées il y a un siècle.
Nous avons également identifié quelques indices sur les conséquences de la « modernisation » du microbiome intestinal. Les nourrissons allaités avec un faible taux de Bifidobacterium fécal avaient excrété 10 fois plus de HMO dans leurs selles tout au long de la période d’étude de deux mois que les nourrissons supplémentés avec B. infantis EVC001, ce qui indique que les HMO – le troisième composant le plus abondant dans le lait maternel – étaient gaspillés. Nous avons également constaté que les nourrissons ayant un faible taux de Bifidobacterium fécal présentaient des niveaux plusieurs fois plus élevés de cytokines pro-inflammatoires fécales par rapport aux nourrissons dont les microbiomes intestinaux étaient dominés par Bifidobacterium après la supplémentation avec B. infantis EVC001.
Ensemble, ces données démontrent que cette souche particulière de B. infantis, fournie comme probiotique aux nourrissons allaités, a colonisé de façon spectaculaire le microbiome intestinal du nourrisson pendant et après la supplémentation, et a remodelé de façon bénéfique l’environnement microbien, biochimique et immunologique dans l’intestin du nourrisson. De nombreux nourrissons dans le monde n’acquièrent jamais B. infantis, mais la combinaison de l’allaitement et de la supplémentation en probiotiques avec cette bactérie semble conduire à un environnement intestinal nourrissant et protecteur.
De nombreux nourrissons dans le monde n’acquièrent jamais B. infantis, mais la combinaison de l’allaitement et de la supplémentation en probiotiques avec cette bactérie semble conduire à un environnement intestinal nourrissant et protecteur.
Nos résultats soutiennent également l’hypothèse selon laquelle l’inefficacité de certains probiotiques chez les adultes est due en partie au fait qu’ils introduisent une nouvelle espèce dans une communauté établie avec peu de niches écologiques encore ouvertes. Les probiotiques peuvent ne pas être efficaces chez les nourrissons lorsqu’il existe une inadéquation entre les besoins en glucides du probiotique et la disponibilité de glucides hautement spécifiques tels que les HMO dans le lait maternel. Comme B. infantis consomme efficacement presque tous les HMO présents dans le lait maternel, il est probable qu’il trouve une niche écologique ouverte et qu’il supplante ensuite d’autres microbes, en particulier les pathogènes pro-inflammatoires.
De nombreux scientifiques s’efforcent de comprendre ce que le microbiome intestinal du nourrisson signifie réellement pour la santé tout au long de la vie. En attendant, nous portons notre attention sur d’autres questions : Comment les modèles de colonisation de Bifidobacterium diffèrent-ils dans les populations de nourrissons du monde entier, de la petite enfance au sevrage ? Et quels aliments solides favorisent la santé de l’intestin et du système immunitaire ? Grâce à un financement des National Institutes of Health, nous menons actuellement une étude visant à comprendre comment les structures glucidiques des aliments complémentaires influencent la fonction microbienne qui favorise la santé du microbiome intestinal et le développement du système immunitaire à la fin de la petite enfance et au début de l’enfance. L’objectif ultime est d’identifier les structures spécifiques des glucides dans l’alimentation qui nourrissent sélectivement les microbes intestinaux bénéfiques chez les enfants pendant la fenêtre critique du développement immunitaire pour une santé à vie.
Jennifer Smilowitz est directrice associée du programme de recherche sur les études humaines au Foods for Health Institute et chercheuse au département des sciences et technologies alimentaires de l’université de Californie, Davis. Diana Hazard Taft est chargée de recherche postdoctorale dans le laboratoire de David Mills au département des sciences et technologies alimentaires et membre du Foods for Health Institute de l’UC Davis.