Dans un article récent publié dans Natureles chercheurs ont développé un dispositif ingérable à usage unique pour prélever des échantillons de différentes régions de l’intestin humain, y compris le duodénum, le jéjunum, l’iléon et le côlon, au cours de la digestion normale.
Le dispositif a une vessie pliable en expansion coiffée par une valve unidirectionnelle à l’intérieur d’une capsule soluble avec un enrobage entérique.
Étude: Profilage de l’environnement intestinal humain dans des conditions physiologiques. Crédit d’image : sdecoret/Shutterstock.com
Sommaire
Introduction
Étant donné que le tractus intestinal humain comporte quatre régions distinctes, les chercheurs ont demandé aux participants à l’étude d’ingérer quatre dispositifs (ensemble) après un repas. Chaque dispositif s’ouvrait à des niveaux de pH progressivement plus élevés, permettant au contenu luminal d’être retiré à travers la valve unidirectionnelle.
Notez que le pH des intestins passe de quatre à six dans le duodénum jusqu’à huit dans l’iléon, et la densité bactérienne et les métabolites d’intérêt sont plus élevés dans la lumière intestinale que dans la muqueuse. Chaque appareil a récupéré jusqu’à 400 µl de contenu luminal, suffisant pour les multi-omiques ou ex vivo analyses.
Arrière-plan
Les études du microbiome et des métabolites intestinaux humains se sont principalement appuyées sur des échantillons de selles, qui contiennent principalement des déchets et des effluents en aval. Il ne fournit pas une image complète ou précise de l’hétérogénéité spatio-temporelle et régionale de l’intestin et de son impact sur la physiologie locale.
Chaque région intestinale distale de l’estomac varie profondément en termes de disponibilité des nutriments, de pression partielle d’oxygène, de structure muqueuse, de débit et de pH, comme décrit ci-dessus, qui influencent tous leur composition microbienne, le protéome de l’hôte, l’activité des agents pathogènes et la teneur en acides biliaires. .
Chaque communauté microbienne de l’intestin a des fonctions spécialisées, des métabolomes, des niches immunitaires et des protéomes.
Un échantillonnage local de micro-organismes intestinaux dans des états naturels et non perturbés à travers des échelles spatiales (chaque pouce de l’intestin) pourrait révéler le secret de leur impact sur la physiologie humaine et vice versa.
Tous les travaux antérieurs utilisaient des donneurs d’organes pour ces échantillons, généralement traités avec des antibiotiques, qui transformaient souvent leur intestin ischémique ou nécrotique, ou effectuaient une endoscopie supérieure d’individus vivants, qui contaminaient par inadvertance leur contenu duodénal avec du contenu oral, œsophagien ou gastrique. Les dispositifs ingérables précédemment utilisés pour l’échantillonnage présentaient également des limites, telles que l’incapacité de récupérer un volume d’échantillonnage suffisant pour les analyses multi-omiques.
Compte tenu de l’environnement dynamique de l’intestin humain, il est nécessaire d’augmenter l’échantillonnage à partir de cohortes plus importantes de volontaires sains pour permettre des évaluations robustes des différences de variabilité spatio-temporelle régionale et de la composition globale du microbiote.
De plus, il est nécessaire d’étudier comment le régime alimentaire et la maladie affectent le microbiote intestinal, le métabolome, le virome et le protéome pour éclairer les futures études cliniques évaluant les interventions thérapeutiques pour les troubles intestinaux, par exemple, les maladies inflammatoires de l’intestin (MICI).
À propos de l’étude
La cohorte de l’étude actuelle comprenait 15 personnes en bonne santé, chacune ayant ingéré au moins 17 dispositifs en trois jours. Tout d’abord, les chercheurs ont réalisé une étude de faisabilité pour visualiser un échantillonnage in vivo réussi chez un humain et confirmer si le dispositif ciblait les régions intestinales attendues et progressait dans le tractus intestinal sans contamination.
Remarquablement, l’équipe a récupéré tous les dispositifs ingérés et aucun événement indésirable n’est survenu au cours de l’étude. Sur 255 dispositifs ingérés, 22 contenaient du gaz ou un faible volume d’échantillon ; ainsi, ils ont jeté ces appareils.
L’ensemble d’analyse final comprenait 306 échantillons, dont 29, 218 et 59 étaient respectivement de la salive, des dispositifs et des échantillons de selles. Ces échantillons ont fourni une profondeur suffisante pour le séquençage du gène de l’acide ribonucléique ribosomal (ARNr) 16S.
De plus, un participant a fourni des échantillons pour l’évaluation de la réplicabilité et l’analyse de l’efflorescence. Pour cela, l’équipe a incubé les quatre dispositifs récupérés à partir d’une seule selle dans une chambre anaérobie à 37 ° C pendant 87 heures maximum.
Au cours d’une période d’incubation d’environ 58 heures, aucun changement notable ne s’est produit dans la composition du microbiote de l’un des quatre dispositifs.
Dans ce paradigme expérimental limité, les auteurs ont démontré que le microbiote intestinal et le métabolome présentaient des gradients longitudinaux – très distincts des échantillons de selles.
Résultats de l’étude
Grâce à une analyse multi-omique, les chercheurs ont identifié des différences marquées entre les bactéries, les phages, les protéines hôtes et les métabolites dans les intestins par rapport aux selles.
Par exemple, le phylum Proteobacteria, comprenant un Bilophila wadsworthia variant de séquence d’amplicon (ASV), était relativement plus abondant dans les intestins que dans les selles. Quatre autres ASV des genres Escherichia/Shigella, Bacteroides, Enterococcus et Romboutsia étaient également plus abondants dans les intestins que dans les selles.
La variabilité intra-individuelle du microbiote était également plus élevée dans les échantillons intestinaux que dans les échantillons de selles ou de salive, confirmant que les dispositifs d’étude collectaient un habitat beaucoup plus hétérogène.
Remarquablement, cet appareil a préservé des bactéries viables vivantes au même degré qu’un tabouret frais. L’équipe a également récupéré des cellules en croissance avec différentes morphologies, peut-être des cellules épithéliales, à partir de l’appareil. Ainsi, ce dispositif pourrait permettre aux expériences de culturomique d’examiner les cellules hôtes dans la lumière intestinale.
Le séquençage métagénomique sur tous les appareils a révélé des variations génétiques dans le tractus intestinal humain. Le pourcentage de lectures cartographiées sur l’abondance du gène de l’enzyme active glucidique (CAZymes) dans les dispositifs affichait plus de variance que dans les selles.
Les auteurs ont noté une corrélation positive de l’abondance des CAZymes avec l’abondance relative de cinq ASV, deux sans nom et deux Bacteroides vulgatus espèces, et Parabactéroïdes merdae.
L’ensemble de données métagénomique a également montré que l’induction du prophage était plus répandue dans l’intestin. Bien que les viromes dans les échantillons de selles et d’intestins du même participant soient plus similaires qu’entre les échantillons de selles ou d’intestins de différents participants, leur analyse des coordonnées principales (PCoA) a montré un regroupement comparable au microbiote sur le plan qualitatif. Curieusement, de nombreux prophages induits étaient uniques aux échantillons intestinaux.
Le protéome de l’hôte le long des intestins était très distinct des selles, tel qu’évalué par chromatographie liquide (LC) suivie d’une spectrométrie de masse en tandem (MS). L’abondance des protéines variait le plus significativement entre les selles et le dispositif de type 1, suggérant une variation longitudinale du protéome de l’hôte.
Les acides biliaires, composants chimiques clés de l’intestin humain, sont des régulateurs essentiels de divers processus physiologiques. Près de 95 % des acides biliaires atteignent l’iléon distal, où les hydrolases des sels biliaires (BSH), type d’enzymes microbiennes, déconjuguent leur glycine ou taurine ou retirent leur(s) groupe(s) hydroxyle(s) du squelette stéroïdien.
Ensuite, l’intestin a transporté ces acides biliaires transformés par voie microbienne vers le foie, ce qui soulève la possibilité de gradients longitudinaux d’acides biliaires le long de l’intestin humain.
L’équipe a étudié 17 acides biliaires dans les échantillons de selles et d’intestins à l’aide de la métabolomique LC-MS/MS avec surveillance des réactions multiples (MRM), qui a révélé des concentrations d’acides biliaires très variables dans les échantillons intestinaux.
Les auteurs ont noté une réduction de deux fois de la concentration totale des acides biliaires recueillis par les dispositifs de type 4 par rapport aux dispositifs de type 1, indiquant une réabsorption des acides biliaires le long du tractus intestinal.
De plus, l’acide biliaire dominant dans les échantillons intestinaux était l’acide cholique (CA), alors que l’acide biliaire secondaire désoxycholique (DCA) était prédominant dans les échantillons de selles.
Les auteurs ont noté une réduction monotone marquée du pourcentage d’acides biliaires conjugués au foie dans les échantillons de type d’appareil un à quatre, indiquant une tendance à la déconjugaison le long de l’intestin et dans les selles. De plus, les acides biliaires microbiennement déconjugués présentaient des tendances dépendantes des acides aminés non observées dans les échantillons de selles.
conclusion
L’étude a démontré l’utilité d’un dispositif sûr et non invasif pour la récupération et la quantification du contenu luminal de l’intestin humain, comprenant le microbiote, le métabolome de l’hôte, les protéines et les acides biliaires pendant la digestion normale.
Lorsqu’il est déployé à grande échelle, cet appareil pourrait aider à mieux comprendre la dynamique des voies métaboliques humaines par lesquelles les micro-organismes intestinaux influencent divers états physiologiques et conditions pathologiques.
