An in vitro model of the follicle-associated epithelia that overlie the Peyer's patches of the small intestine was developed and validated to examine the mechanisms of mucosal antigen sampling. This model displays many phenotypic and physiological characteristics of M cells including apical expression of [alpha]5[beta]l integrin and enhanced energy dependent participate transport. CD4+ T-cells were shown to be an important influence on the development of Mlike cells. The model was used to examine the M cell mediated uptake of several putative whole-cell killed bacterial vaccines. Greater numbers of non-typeable Haemophilus influenzae NTHi 289, NTHi 2019, Escherichia coli 075 HMN and Streptococcus pneumoniae were transported by model M cells compared to control Caco-2 enterocyte-like cells. Studies in isolated murine intestine segments confirmed the selective uptake of NTHi 289 and Escherichia coli demonstrating that intestinal mucosal sampling of these antigens is performed by M cells. Pseudomonas aeruginosa was not absorbed as whole cell bacteria but as soluble antigen, as indicated by the presence of bacterial DNA in the cytoplasm of epithelial cells. These results suggest that bacteria such as NTHi and E. coli are sampled by the mucosal immune system in a different manner to that of bacteria such as Pseudomonas. A number of potential cell surface receptors were investigated to identify which molecules are responsible for intestinal uptake whole-cell killed bacteria. Immunofluorescence studies detected the presence of toll-like receptor-2, toll-like receptor-4, PAF-R and [alpha]5[beta]l integrin on in vitro M-like cell cultures. Examinations of murine intestine confirmed the presence of TLR-4 and PAF-R. TLR-4 was found in small quantities and on M cells. In contrast to the M cell model, TLR-2 expression in the murine intestine was sparse. Receptor inhibition experiments provided evidence for the involvement of TLR-4, PAF-R and [alpha]5[beta]l integrin in M cell uptake of killed bacteria both in vitro and in vivo. This thesis has contributed valuable information regarding the mechanisms of uptake of whole-cell killed bacteria by the intestinal mucosal immune system. For the first time, M cell sampling of whole-cell killed bacteria has been demonstrated. Furthermore, the receptors involved in these processes have been identified. This information will be of great use in the development and optimisation of new oral vaccines.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί να διερευνήσει την επίδραση της πειραματικής ηπατεκτομής στην δομή του εντερικού βλεννογόνου μελετώντας την απόπτωση και τον πολλαπλασιασμό των επιθηλιακών κυττάρων στις κρύπτες, τα επίπεδα ενδοτοξίνης στην πυλαία φλέβα και την αορτή, καθώς επίσης και τα επίπεδα του οξει-δωτικού stress. Μελετά επίσης τα επίπεδα του οξειδωτικού stress στο εναπομείναν ήπαρ. Επιπλέον, σε μια προσπάθεια θεραπευτικής παρέμ-βασης, διερευνήθηκε ο ρόλος των ρυθμιστικών εντερικών πεπτιδίων BBS και NT στις ανωτέρω παραμέτρους . Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι τα πεπτίδια αυτά εξα-σκούν ένα ευρύ φάσμα δράσεων στον εντεροηπατικό άξονα και βελτι-ώνουν την ακεραιότητα του γαστρεντερικού βλεννογόνου έπειτα από την επίδραση διαφόρων βλαπτικών παραγόντων. Η απουσία χολής ενδοαυλικά, αποστερεί τον εντερικό βλεννο-γόνο, από τις βακτηριοστατικές, αντιενδοτοξινικές και τροφικές της ιδιότητες, οδηγώντας σε αύξηση των βακτηριδίων και της ενδοτοξίνης ενδοαυλικά και σε εντερική ατροφία. Οι μεταβολές αυτές προάγουν τη μετακίνηση βακτηρίων και ενδοτοξινών στην πυλαία φλέβα και ακο-λούθως, μέσω μιας κατασταλμένης εκκαθαριστικής ικανότητας των κυττάρων Kupffer εξαιτίας της μειωμένης μάζας τους, στη συστη-ματική κυκλοφορία. Η συστηματική ενδοτοξιναιμία ενεργοποιεί τη συστηματική φλεγμονώδη απάντηση, η οποία σχετίζεται με τη δυσλει-τουργία που αναπτύσσεται σε απομακρυσμένα όργανα, ενώ συνεισφέ-ρει και στην περαιτέρω επιδείνωση της λειτουργίας του εντερικού φραγμού και της ηπατικής βλάβης. Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης επιβεβαίωσαν την παρουσία πυλαίας και συστηματικής ενδο-τοξιναιμίας σε πειραματική ηπατεκτομή. Η προκαλούμενη από την πειραματική ηπατεκτομή ατροφία του εντερικού βλεννογόνου τεκμη-ριώθηκε με μορφομετρική ανάλυση και με μετρήσεις του DNA και της πρωτεΐνης. ΄Ενας πιθανός μηχανισμός προαγωγής της ατροφίας του εντερικού βλεννογόνου είναι η διαταραχή της ισορροπίας μεταξύ κυτταρικού πολλαπλασιασμού και κυτταρικού θανάτου στις κρύπτες, με αύξηση της απόπτωσης και μείωση της μιτωτικής δραστηριότητας. Επιπλέον η πειραματική ηπατεκτομή οδήγησε τις εντερικές λειτουργί-ες σε μια κατάσταση χαμηλού οξειδωτικού stress όπως φαίνεται καθαρά από τη μείωση της υπεροξείδωσης των λιπιδίων και της οξει-δωμένης γλουταθειόνης (GSSG) καθώς και από την αύξηση της ανηγ-μένης γλουταθειόνης (GSG). Είναι άξιο παρατήρησης ότι το οξειδωτι-κό stress δεν φαίνεται να είναι το πρωταρχικό αίτιο της πρόκλησης κυτταρικής απόπτωσης και ατροφίας λαχνών που παρατηρείται μετά από μερική ηπατεκτομή, αν και αυτή η επέμβαση μειώνει το οξειδωτι-κό stress κάτω από το control. Από το άλλο μέρος αυτές οι επιδράσεις εξαλείφθηκαν υπό συνθήκες ακόμη πιο μειωμένου οξειδωτικού stress που προκλήθηκαν μετά την χορήγηση των ρυθμιστικών πεπτιδίων BBS και NT Τα ρυθμιστικά εντερικά πεπτίδια, BBS και NT, δρώντας είτε άμεσα, μέσω ειδικών υποδοχέων των επιθηλιακών κυττάρων του εντέ-ρου, είτε έμμεσα, βελτιώνοντας τη μικροκυκλοφορία του εντέρου, μείωσαν σημαντικά την απόπτωση και ανέστρεψαν την εντερική ατρο-φία. Η πρόληψη, από τα ρυθμιστικά πεπτίδια, των επαγόμενων από την ηπατεκτομή κυτταρικών και βιοχημικών μεταβολών του εντερικού βλεννογόνου, οδήγησε σε σημαντική μείωση της πυλαίας και συστη-ματικής ενδοτοξιναιμίας. Επιπλέον, η BBS και η NT, εξασκώντας αντιοξειδωτική δράση και στο ήπαρ, προστάτεψαν το εναπομείναν ήπαρ από δυο μείζονες παράγοντες ηπατικής βλάβης, που είναι το οξειδωτικό stress και η ενδοτοξιναιμία. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης δείχ-νουν ότι η δυσλειτουργία του εντερικού φραγμού στην ηπατεκτομή σχετίζεται με την επαγωγή κυτταρικών και βιοχημικών μεταβολών στον εντερικό βλεννογόνο, οι οποίες χαρακτηρίζονται από πρόκληση οξειδωτικού stress και επαγωγή της απόπτωσης. Τα ρυθμιστικά εντε-ρικά πεπτίδια BBS και NT προλαμβάνοντας τις μεταβολές αυτές του εντερικού βλεννογόνου μειώνουν σημαντικά την πυλαία και συστημα-τική ενδοτοξιναιμία. Επίσης, εξασκούν προστατευτική δράση εναντίον του οξειδωτικού stress στο ήπαρ. Η συνδυασμένη ευεργετική επίδραση των ρυθμιστικών πεπτιδίων, τόσο στη δυσλειτουργία του εντερικού φραγμού και την ενδοτοξιναιμία, που ευθύνονται για την ανάπτυξη σηπτικών επιπλοκών και βλάβης απομακρυσμένων οργάνων, όσο και στο οξειδωτικό stress, εισηγούνται μια νέα θεραπευτική προσέγγιση στην ηπατεκτομή. / This doctoral thesis explores the effect of experimental hepatectomy on the structure of the intestinal mucosa by studying apoptosis and proliferation of epithelial cells in crypts, endotoxin levels in portal vein and aorta, as well as levels of oxidative stress. It also investigates the level of oxidative stress on the remaining liver tissue. In addition, in an attempt of therapeutical approach, the role of the regulatory intestinal peptides BBS and NT in the above parameters has also been evaluated. Previous studies have demonstrate that the above peptides present a wide range of actions on the intestinal-liver axis, thus improving integrity of the gastrointestinal mucosa after it has been affected by various harmful factors. Intestinal mucosa in the absence of bile in the lumen lacks its bacteriostatic, anti-endotoxin and trophic effects, leading in a raise of bacteria and endotoxin in the lumen as well as intestinal atrophy. These changes are promoting bacteria and endotoxin translocation to the portal vein and from there, to the systematic circulation, a procedure augmented by the supression of the cleaning ability of Kuppfer cells due to their reduced mass in hepatectomy. Systemic endotoxinaemia activates the systematic inflammatory response (SIR) related to the dysfunction of distal organs, and contributing to further damage to the mucosal barrier and the liver. This study confirmed the presence of portal and systemic endotoxinaimia in experimental hepatectomy. The subsequent atrophy of the intestinal mucosa has been documented with morphologic analyses as well as DNA and protein measurements. A possible explanation of the observed atrophy might be disturbance in balance between cellular proliferation and cellular death in the crypts by increased apoptosis and decreased mitotic activity. In addition, experimental hepatectomy led the intestinal functions in a state of low oxidative stress, as it is clearly shown by the decrease of lipid peroxidation and oxidized glutathione (GSSG), and the increase of glutathione (GSH). Interestingly enough, oxidative stress does not seem to be the primary cause of cellular apoptosis and decreased cell proliferation in the crypts (leading to mucosa atrophy), which are observed after partial hepatectomy, although this operation decreased oxidative stress below the control levels. On the other hand, these effects are prevented at more decreased levels of oxidative sress induced by the regulatory intestinal peptides BBS and NT. BBS and NT may act either directly, through specific receptors of the intestinal epithelial cells, or indirectly, by improving the intestinal microcirculation, leading to reversal of intestinal atrophy. Prevention, by these peptides, of the hepatectomy induced cellular and biochemical changes in the intestinal mucosa led to significantly reduced portal and systematic endotoxinaemia. In addition, BBS and NT, through antioxidative action to the liver, protected the remaining liver tissue from two major factors of liver lesions: oxidative stress and endotoxinaimia. Concluding, the results of this study show that dysfunction of the intestinal mucosa barrier in the hepatectomy is associated with the induction of cellular and biochemical changes in the intestinal mucosa, which are characterized by the promotion of oxidative stress and apoptosis. The regulatory intestinal peptides BBS and NT preventing these changes in the intestinal mucosa are significantly reducing portal and systematic endotoxinaimia. They also act by protecting against oxidative stress in the liver. This combined beneficial effect of these peptides, both in the dysfunction of the intestinal mucosa barrier and endotoxinaimia, which are responsible for the development of septic complications and distal organ lesions as well as in oxidative stress, might suggests a new therapeutical approach in hepatectomy.

Dans l'alimentation des pays industrialisés, l'apport en protéines est bien supérieur à l'apport nutritionnel conseillé (ANC). De plus, cet apport peut être encore supérieur lors de la consommation de régimes riches en protéines utilisés à des fins de perte de poids par des personnes obèses ou en surpoids. Cependant, les conséquences des régimes riches en protéines au niveau de l'écosystème du gros intestin sont encore très mal connues. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'impact d'un régime hyperprotéique sur le microbiote, le contenu endoluminal du gros intestin et le métabolisme des colonocytes. Les rats ont consommé pendant 15 jours soit un régime hyperprotéique (53% de protéines) soit un régime normoprotéique (14% de protéines). Nous avons observé que le régime hyperprotéique réduit la quantité des groupes bactériens majeurs comme Clostridium coccoides et Clostridium leptum, ainsi que Faecalibacterium prausnitzii dans le microbiote du gros intestin avec conjointement des modifications sur sa biodiversité. En même temps, les quantités des produits finaux de la fermentation des acides aminés par le microbiote, les acides gras à chaîne courte (AGCC) et les acides gras à chaîne branchée sont fortement augmentées. Cependant, l'expression des transporteurs des acides monocarboxyliques et l'oxydation du butyrate par les colonocytes ne sont pas modifiés en lien avec des modifications mineures des concentrations en AGCC dues à une augmentation des contenus du gros intestin après l'ingestion du régime hyperprotéique. Il en résulte une augmentation de l'excrétion des AGCC dans les fèces. Ces phénomènes permettraient une homéostasie du métabolisme du butyrate dans les colonocytes, en lien avec le rôle crucial de cet AGCC sur l'épithélium du côlon. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons testé l'effet d'un mélange d'acides aminés (Thr, Met et Glu) sur la cicatrisation de la muqueuse colique après une colite induite par le DSS (dextran sodium sulfate) ; un modèle d'étude des maladies inflammatoires intestinales souvent utilisé. Une optimisation de la cicatrisation de la muqueuse intestinale émerge comme une cible thérapeutique, dans la prise en charge de ces maladies. La colite a été induite chez le rat avec 5% (w/v) de DSS pendant 6 jours, puis, à l'arrêt du traitement DSS, les animaux ont soit reçu le mélange d'acides aminé soit l'Ala comme témoin iso-azoté, pendant 3, 7 et 10 jours. Nous avons observé que 10 jours de complément en mélange d'acides aminés améliorent la cicatrisation post-colite, avec des modifications sur le taux de synthèse protéique dans la muqueuse colique, sans toutefois modifier la résolution de l'inflammation. Nos résultats suggèrent que l'utilisation des mélanges d'acides aminés améliore la cicatrisation de la muqueuse colique après colite chimio-induite. / In industrialized countries, protein intake is largely higher than the recommended dietary allowance (RDA). Furthermore, high protein diets are used for their slimming effect by obese or overweight people. However, little is known regarding to the consequences of a high protein diet on the large intestinal ecosystem. We thus study the influence of a high protein diet on the microbiota, on the endoluminal composition of the large intestine and on the butyrate metabolism by isolated colonocytes. Rats received during 15 days either a high protein diet (53% of proteins) or a normo protein diet (14% of proteins). We observed that the quantity of major bacterial groups Clostridium coccoides and Clostridium leptum, but also Faecalibacterium prausnitzii was reduced in the microbiota of the large intestine together with modifications of its biodiversity. In the same time, the quantities of short-chain fatty acids (SCFA) and branched-chain fatty acids, final products of bacterial fermentation of amino acids, were increased. However, the expression of monocarboxylic acid transporters and butyrate oxidation in colonocytes remained unchanged, in association with minor changes of the SCFA concentrations due to marked increase of the weight of the large intestine content. We then observed an increase in the amount of SCFA in the feces. These phenomena would allow homeostatic metabolism of butyrate in colonocytes, in relationship with its crucial role on the colonic epitheliumIn. In the second part of this thesis, we have tested the effects of a mixture of amino acids (Thr, Met and Glu) on the colonic mucosa healing after colitis induced by DSS (dextran sodium sulphate); a model to study intestinal inflammatory bowel diseases largely used. Optimization of intestinal mucosa healing is more and more considered as a therapeutic goal. Colitis was induced in rats by 5% (w/v) DSS during 6 days, then at the end of the treatment with DSS, animals received either the amino acid mixture or Ala as iso-nitrogenous control, during 3, 7 or 10 days. We observed that 10 days amino acid mixture supplementation was able to improve the colonic mucosal healing, with modification of the protein synthesis rate, without however changes in the resolution of inflammation. Our results suggest that the supplementation with the amino acid mixture improve the mucosal healing after experimental colitis.