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It is well known that the elderly often manifest chronic low-grade inflammation. This phenomenon, called “inflamm-aging,” is postulated to contribute to increased susceptibility towards infectious diseases and an overall increase in frailty. We have proposed examining the gut microbiome as a potential mediator of these changes. Gut microbial communities influence the host immune system; often dictating an individual’s health status. Thus, harmful gut microbiome changes, termed dysbiosis, are associated with poor health in the elderly. We first sought to understand the key immunological, physiological and microbiome changes occurring with age (Chapter 3). Our data reveals immune impairments in aged mice, with increased intestinal permeability, systemic inflammation and alterations in the functions of myeloid cell populations. However, our aged germ-free (GF) mice are protected from these outcomes, indicating that the old microbiome may play a strong role in these age-associated impairments. To study this further, we have colonized young and old GF mice with the “young” or “old” microbiota in order to determine whether the relationship between microbial dysbiosis with age and health status is correlative or causative (Chapter 4). Interestingly, young GF mice colonized with old microbiota have significantly increased permeability, systemic inflammation and an influx of Ly6Chigh monocytes when compared to those colonized with the young microbiota. By using transgenic mice (TNF-/- mice), or by reducing systemic TNF levels via therapeutics, we were able to reduce some aspects of microbial dysbiosis and age-associated inflammation (Chapter 5). Our data suggests that harmful changes to the gut microbiome composition with age initiate a cycle of negative events that ultimately result in increased inflammatory myeloid cell recruitment, increased intestinal permeability and an overall increase in systemic inflammation in old mice. By identifying these key changes, we can work towards developing effective therapeutics that promotes healthy aging and protection against infectious diseases. / Thesis / Master of Science (MSc) / Élie Metchnikoff first coined the term “dysbiosis” when he described the imbalance in microbial populations that could result anywhere in the body. Since then, numerous studies have examined the role of the intestinal microbiota in defense against pathogens. Metchnikoff also suggested that the gut composition and function is altered with age and this can in turn; increase the host’s susceptibility towards infectious diseases. My research aims to characterize the role of microbial dysbiosis on the immune defects with age. To do so, I will be utilizing a unique set of mice, called gnotobiotic mice. These mice are housed under specific germ-free conditions and contain no microbiome. Thus, they provide us with the ideal model to study the effects of the microbiome on immune function. The findings from these studies will help in the development of preventative and therapeutic alternatives to provide the elderly with more years of healthy, independent living.

De plus en plus d’évidences suggèrent que la composition du microbiote intestinal pourrait jouer un rôle dans certaines pathologies comme l’hypertension, l’obésité, le diabète et plusieurs autres. Le but de cette étude est de démontrer que le microbiote intestinal modulé par des diètes enrichies en acide gras oméga-3 (w-3) ou en acide gras oméga-6 (w-6) avec un supplément ou non en probiotiques, pourrait influencer différemment la taille de l’infarctus du myocarde. Pour ce faire, des transplantations de microbiote provenant de rats nourris avec une diète w-3 ou w-6 combiné avec la prise ou non probiotiques ont été effectuées pendant 10 jours sur des rats dont le microbiote a été supprimé antérieurement par antibiothérapie. Ensuite, l’artère coronaire antérieure a été occluse pendant 30 minutes sur les rats transplantés et la taille de leur infarctus a été mesurée après 24 heures de reperfusion. La résistance intestinale, la concentration plasmatique de LPS (lipopolysaccharides), l’accumulation myocardique des neutrophiles, l’activation de la voie NF-kB (nuclear factor-kappa B), l’activation de la voie de cardioprotection RISK (Reperfusion Injury Salvage Kinase) et la composition du microbiote sont les autres paramètres qui ont été mesurés. Nos résultats démontrent une taille d’infarctus plus importante chez les animaux transplantés avec le microbiote w-6 sans probiotiques comparativement aux autres groupes incluant le groupe ayant reçu le microbiote w-6 avec probiotiques. Ces résultats indiquent qu’un microbiote provenant d’une diète enrichie en w-6 produit des effets délétères qui augmentent la taille de l’infarctus du myocarde comparativement à un microbiote provenant d’une diète enrichie en w-3 et que la prise de probiotiques permet de diminuer la taille de l’infarctus. / A lot of evidences suggest that the composition of the gut microbiota may play a role in certain conditions such as hypertension, obesity, diabetes and many others. The aim of our experiment is to demonstrate that the intestinal microbiota modulated by diets enriched in omega-3 fatty acid (w-3) or in omega-6 fatty acid (w-6) with or without a supplement in probiotics, could influence differently the size of a myocardial infarction. To do this, microbiota transplants from rats fed a w-3 or w-6 diet combined or not with intake of probiotics were performed for 10 days on rats whose microbiota had previously been suppressed by antibiotic therapy. Then, the anterior coronary artery was occluded for 30 minutes in the transplanted rats and the size of their infarction was measured after 24 hours of reperfusion. Intestinal resistance, plasma LPS (lipopolysaccharides) concentration, myocardial accumulation of neutrophils, activation of the NF-kB (nuclear factor-kappa B) pathway, activation of the RISK (Reperfusion Injury Salvage Kinase) cardioprotection pathway and microbiota composition are the other parameters that were measured. Our results demonstrate a larger infarct size in animals transplanted with the w-6 microbiota without probiotics compared to other groups (including the w-6 microbiota with probiotics group. These results indicate that a microbiota from a diet enriched in w-6 produces deleterious effects that increase the size of the myocardial infarction compared to a microbiota from a diet enriched in w-3 and taking probiotics can reduce the size of the myocardial infarction.

Les maladies psychiatriques présentent de fortes comorbidités avec des désordres gastrointestinaux, ce qui suggère l’existence de bases physiopathologiques communes. Une littérature abondante démontre que l’adversité précoce (infection, stress) augmente la vulnérabilité aux désordres psychiatriques à l’âge adulte. Chez le rongeur, le modèle de séparation maternelle induit chez la descendance adulte des comportements hyperanxieux associés à une hypersensibilité au stress, ainsi que des dysfonctionnements de la sphère gastrointestinale. De plus, des études récentes rapportent une hyperperméabilité de la barrière intestinale chez les ratons soumis au stress de séparation, un effet conduisant potentiellement à une dysbiose et une perturbation de la communication intestin-cerveau. Le but de ma thèse était donc d’étudier le rôle de l’axe intestin-cerveau dans la mise en place des effets à long terme du stress précoce. Nos travaux récents ont montré que certains effets à long-terme de la séparation maternelle peuvent être atténués par l’exposition des mères à un régime hyperlipidique. Dans un premier temps, nous avons testé les effets du régime hyperlipidique maternel sur le cerveau et l’intestin de ratons soumis à la séparation maternelle. Nos résultats montrent que le régime maternel hyperlipidique protège de l’augmentation de la permeabilité intestinale induite par le stress. Nous avons ensuite testé le rôle causal de la perméabilité intestinale sur les comportements émotionnels à travers une approche pharmacologique et une approche génétique. Nous rapportons 1) que la restauration de la fonction barrière de l’intestin atténue certains effets de la séparation maternelle et 2) qu’une hyperperméabilité intestinale chez des souris transgéniques non soumises à un stress produit des effets similaires à ceux de la séparation maternelle. Enfin, nous avons examiné les effets d’une adversité précoce multifactorielle sur le cerveau et l’intestin (perméabilité et microbiote) chez la descendance adulte mâle et femelle dans un modèle combinant infection prénatale et séparation maternelle. Nos résultats mettent en évidence un effet sexe très marqué sur les phénotypes comportements et intestinaux. D’autres études sont nécessaires pour identifier les mécanismes sous-tendant les effets de la perméabilité et la dysbiose intestinale sur la vulnérabilité émotionnelle associée au stress précoce. / Early-life adversity is a main risk factor for psychiatric disorders at adulthood; however the mechanisms underlying the programming effect of stress during development are still unknown. In rodents, chronic maternal separation has long lasting effects in adult offspring, including hyper-anxiety and hyper-responsiveness to a novel stress, along with gastrointestinal dysfunctions. Moreover, recent studies report gut barrier hyper-permeability in rat pups submitted to maternal separation, an effect that could potentially lead to dysbiosis and altered gut-brain communication. Therefore, the aim of my PhD was to unravel the role of the gut-brain axis in the neurobehavioral effects of early-life stress. We recently reported that some neural, behavioral and endocrine alterations associated with maternal separation in rats could be prevented by maternal exposure to a high-fat diet. We first addressed the effects of maternal high-fat diet on brain and gut during development in the maternal separation model. We show that maternal high-fat diet prevents the stress-induced decrease in spine density and altered dendritic morphology in the medial prefrontal cortex. Moreover, maternal high-fat diet also attenuates the exacerbated intestinal permeability associated with maternal separation. To explore a potential causal impact of gut leakiness on brain functions, we then examined the impact of pharmacological and genetic manipulations of intestinal permeability on brain and behavior. We report 1) that restoration of gut barrier function attenuates some of the behavioral alterations associated with maternal separation and 2) that chronic gut leakiness in naive adult transgenic mice recapitulates the effects of maternal separation. Finally, we examined the effects of multifactorial early-life adversity on behavior, gut function and microbiota composition in males and females using a combination of prenatal inflammation and maternal separation in mice. At adulthood, offspring exposed to early adversity displayed sex-specific behavioral (social behavior deficits in males and increased anxiety in females) and intestinal phenotypes. In conclusion, our work demonstrates an impact of gut dysfunctions, in particular gut leakiness, on the emergence of emotional alterations. Further studies are needed to unravel the role of the gut dysbiosis in the expression of the behavioral phenotypes associated with early-life adversity.

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Si les modifications dans l’expression et les propriétés des mucines ont été largement décrites dans la physiopathologie des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin, la caractérisation structurale et fonctionnelle de la barrière de mucus reste parcellaire dans le contexte micro-inflammatoire du syndrome de l’intestin irritable (SII). Par ailleurs, certains traitements probiotiques préviennent la rupture de l’intégrité de la barrière épithéliale intestinale, provoquée en conditions de stress mais peu de travaux décrivent leur influence sur les modifications de la structure du mucus, induites par le stress. Cette étude a comme objectifs d’évaluer chez le rat (i) si un stress chronique modifie le nombre de cellules à mucus et l’expression de la mucine Muc2, ainsi que la nature biochimique des mucines secrétées au niveau de l’iléon et du côlon, et plus particulièrement les O-glycanes, (ii) si un traitement probiotique (Lactobacillus farciminis) prévient les modifications du mucus potentiellement induites, (iii) si les effets observés sont en lien avec la capacité de colonisation in vivo de L. farciminis.Méthodes. Des rats Wistar mâles ont reçu L. farciminis ou une solution saline. Les animaux ont été soumis au stress d’évitement passif de l’eau (WAS) pendant 1h/jour ou à un stress fictif (contrôle), pendant les 4 derniers jours des traitements. Différents prélèvements ont été effectués au niveau de l’iléon et du côlon pour (i) des analyses sur coupes (immuno-marquage, nombre de cellules à mucus) et (ii) la détermination du profil de O-glycosylation des mucines. La morphologie de la couche de mucus a été évaluée par microscopie à force atomique (AFM). L. farciminis a été visualisé par "Fluorescence in situ Hybridization", confirmée par qPCR et son adhésion à la muqueuse a été déterminée par une méthode ex situ. La perméabilité paracellulaire et la sensibilité viscérale ont été évaluées.Résultats. Le WAS ne modifie pas le nombre de cellules à mucus ni l’expression de la mucine Muc2 aux niveaux iléal et colique. L’analyse par spectrométrie de masse a révélé que le stress induit des altérations de la O-glycosylation des mucines. Une augmentation marquée du degré de complexité des structures glycaniques a été observée, se traduisant par l’apparition de chaînes polylactosaminiques, sans modification toutefois du taux de sialylation et de sulfatation des mucines. La couche de mucus en condition de stress, observée par AFM, présente une morphologie aplatie et moins cohésive. L'hypothèse serait que les modifications structurales des O-glycanes influencent les interactions physico-chimiques entre les fibres de mucines, impactant de manière négative l’intégrité de la barrière de mucus. Cette altération de la couche de mucus s'accompagne d'un défaut de la barrière épithéliale et d'une hypersensibilité viscérale. L’administration de la souche probiotique prévient ces changements provoqués par le WAS. L. farciminis a été retrouvé au sein de l’iléon et du côlon. Par ailleurs, la présence de "Segmented Filamentous Bacteria" (SFB) a été mise en évidence, par FISH et microscopie électronique, au niveau de l’iléon sur l'ensemble des animaux testés. Le traitement par L. farciminis induit une diminution de la population des SFB aussi bien chez les animaux contrôles que stressés. Conclusion. Nous avons montré qu’un stress chronique chez le rat, outre les modifications fonctionnelles de l'épithélium intestinal (hyperperméabilité intestinale et hypersensibilité viscérale), altère la structure O-glycanique des mucines sans affecter l’expression de Muc2. Ces altérations se traduisent par une perte des propriétés cohésives de la couche de mucus. La souche probiotique L. farciminis, en prévenant l’ensemble des modifications induites par le stress, contribue au renforcement de la fonction barrière de l'intestin. Cette étude fournit un argumentaire complémentaire pour l’utilisation de cette souche dans le traitement du SII. / Background. Despite a large body of literature incriminating mucus alterations in the pathogenesis of Intestinal Bowel Diseases (IBD), structural and physical changes in the mucus layer remain poorly understood in the micro-inflammatory context of Irritable Bowel Syndrome (IBS). Moreover, some probiotic treatments prevent stress-induced intestinal epithelial barrier impairment but little is known about their influence on intestinal mucin structural modifications and mucus properties induced by stress. Thereby, this study aimed at evaluating whether (i) a chronic stress modified the number of gut goblet cells and Muc2 expression, nature of secreted mucins in both ileum and colon and more particularly mucin O-glycosylation, (ii) L. farciminis treatment prevented these alterations and (iii) observed effects were related to the in vivo colonization capacity of L. farciminis.Methods. Wistar rats received orally L. farciminis (1011 UFC/day) or vehicle (NaCl 0.9% (w/v)) for 14 days. From day 10 to day 14, they were submitted either to sham (control) or 4-day Water Avoidance Stress (WAS) during 1 hour per day. After sacrifice, different samples (tissues, mucosa) were collected in both ileal and colonic regions for (i) histological analyses (Muc 2 immunohistochemistry, number of goblet cells by Periodic Acid Schiff/Hemalun) and (ii) O-glycosylation profile by mass spectrometry after mucin extraction and purification. In parallel, the morphology of the mucus layer was evaluated by atomic force microscopy. Spatial localization of L. farciminis was assessed by Fluorescence In Situ Hybridization (FISH), confirmed by qPCR. Mucosal adhesion of L. farciminis was determined by an ex situ method. In complement, intestinal paracellular permeability and visceral sensitivity were measured.Results. WAS did not modify neither the number of intestinal goblet cells nor Muc2 expression in both ileum and colon. In contrast, the mass spectrometry analysis demonstrated that O-glycosylation of mucins was strongly affected by WAS. Indeed, a strongly increase in the complexity degree of O-glycan structures was observed in both ileum and colon, with the appearance of elongated polylactosaminic chains (repetition of the disaccharidic unit composed of galactose and N-acetylglucosamine), without modifications of mucin sialylation and sulfation. Under stress conditions, the mucus layer, observed by atomic force microscopy, showed a flattened morphology, probably indicative of a loss in its cohesive properties. We hypothesized that O-glycan structural modifications influence physico-chemical interactions between mucins fibers. Stress also induced intestinal hyperpermeability and visceral hypersensitivity. The mucus layer alteration was, thus, in relation with epithelial barrier impairment and visceral hypersensitivity. L. farciminis administration prevented WAS-induced functional, biochemical and physical changes of mucus. The presence of L. farciminis in the ileum and colon was detected by FISH and qPCR, albeit with quantitative and qualitative differences in the colonization capacity within these two intestinal compartments. Furthermore, the presence of Segmented Filamentous Bacteria (SFB) was shown in the ileum whatever the conditions under study. L. farciminis reduced the SFB population level in both control and stressed animals.Conclusion. Chronic stress induced functional changes (intestinal hyperpermeability and visceral hypersensitivity) in rats, as well as a shift in mucin O-glycosylation rather than changes in mucin expression. Intestinal mucin O-glycan modifications resulted in a loss of mucus layer cohesive properties. L. farciminis treatment prevented impairment of both intestinal epithelial and mucus barriers, reflecting an enhancement of the protective barrier function. These results confirm that L. farciminis is a valuable probiotic in the IBS management.

The effect of gluten-free diet on β-cell residual capacity, immune function and gut microbiome in children with newly diagnosed type 1. diabetes Abstract The pathophysiology of the onset and progression of type 1 diabetes (T1D) is not fully understood. Gluten has a proinflammatory effect on the immune system and is therefore considered as one of the factors affecting the onset and progression of T1D. The aim of the thesis is to allow a complex insight into the role of the GFD on the residual β-cell capacity, T1D control, gut microbiome, gut permeability, subtypes of immune cells and the effect of gut microbiome transfer into germ-free non-obese diabetic (NOD) mice on the incidence of diabetes. On the group of 45 children with T1D (26 intervention group, 19 control group) we proved the association of the GFD with slower decrease of β-cell residual capacity (the difference in the trend of C-peptide decrease 409 pmol/l/year; p = 0,04) and lower HbA1c (by 7,8 mmol/mol; p=0,02). We also described the changes in the gut bacteria that were differentially abundant after the administration of the GFD and the changes in abundance of the regulatory and effector immune cells. We showed there was no change in the gut permeability with respect to the study group. We also proved that the transfer of human gut microbiota...