La nutrition postnatale précoce conditionne la santé du futur adulte du fait de son rôle déterminant dans l’implantation du microbiote intestinal et le développement de la physiologie de l’hôte. L’objectif de mon travail de thèse a été d’évaluer les conséquences de la réintroduction de matière grasse laitière associée ou non au probiotique Lactobacillus fermentum dans des préparations pour nourrissons, sur le microbiote, la physiologie intestinale et le métabolisme de l’adulte, en utilisant le miniporc Yucatan comme modèle de l’Homme. Nos travaux ont montré un renforcement des défenses non spécifiques intestinales chez le jeune et une amélioration des fonctions endocrine et immunitaire intestinales de l’adulte soumis à un régime hyper-énergétique, réduisant ainsi le risque de développer une inflammation et des désordres métaboliques. Ces effets ont été associés à une modification de la digestion des préparations chez le jeune et à une modulation de la composition et de l’activité métabolique du microbiote intestinal. Des effets spécifiques de la matière grasse laitière et de L. fermentum, et d’autres complémentaires, ont été observés, suggérant des mécanismes d’action différents. Les modifications induites par la composition des préparations pour nourrissons étaient site- et âge-spécifiques, le comportement du microbiote caecal se rapprochant du microbiote fécal. En conclusion, l’optimisation des préparations pour nourrissons pourrait passer par l’ajout de matière grasse laitière et du probiotique L. fermentum. / Early postnatal nutrition programs adult health owing to its crucial role in gut microbiota colonization and host physiology development. The objective of my thesis was to investigate the consequences of dairy lipid addition with or without probiotic Lactobacillus fermentum in infant formulas on adult gut microbiota, physiology and metabolism, using Yucatan minipig as a model for humans. We demonstrated increased non-specific intestinal defences in piglets and improved intestinal endocrine and immune functions in adults submitted to a high-energy diet, which may protect them from inflammation and metabolic disorders. These effects were associated in piglets to changes in digestion and gut microbiota composition and metabolism. We observed specific and complementary effects of dairy lipids and L. fermentum, suggesting different mechanisms of action. The infant formula composition had site- and age-specific effects, the caecal microbiota being closer to the faecal one. To conclude, the addition of dairy lipids and L. fermentum in infant formulas is an effective way to improve infant formulas.

L’administration d’aliments fonctionnels contenant des cellules probiotiques est une des voies de rétablissement de l'équilibre du microbiota. Pour assurer la protection des probiotiques pendant la transformation des aliments et le passage gastro-intestinal, l'encapsulation est essentielle. Nous proposons ici des supports hybrides à base de silice en tant que nouveaux systèmes d’encapsulation de probiotiques. Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) a été choisi comme modèle de bactéries probiotiques et l'alginate comme polymère prébiotique. Deux types de supports ont été préparés, soit par émulsification, soit par électrospraying: (i) des billes hybrides de 10-30 μm dans lesquelles les bactéries étaient en contact direct avec un mélange d'alginate et de silice et (ii) des particules cœur-couronne de 200-600 μm dans lesquelles les bactéries sont d'abord encapsulées dans un gel d'alginate, puis recouvertes d'une couche de silice. La viabilité des LGG a été efficacement maintenue seulement dans les particules cœur-couronne, dans lesquelles LGG n’ont pas était directement exposées à la silice. Ces prototypes cargo ont permis la protection de LGG pendant le stockage dans la bière ou le jus de pomme, ainsi que pendant le passage à travers le tractus gastro-intestinal. En outre, les LGG libérées dans un écosystème fécal se sont multipliées au détriment des autres membres de la communauté de Lactobacilli. Cette étude offre donc une preuve de concept quant à la potentialité des systèmes hybrides silice/biopolymère pour l'administration orale de bactéries probiotiques / One way to reestablish the microbiota equilibrium is to administrate a functional food containing probiotic cells. To insure protection of the living matter during the food processing and the gastrointestinal passage, encapsulation is essential. Herein we propose silica-based hybrid carriers as new probiotic delivery systems. Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) was chosen as a model probiotic bacteria and alginate as prebiotic polymer. Two types of carriers were prepared either by emulsification or by electrospraying: (i) hybrid beads of 10-30 m in which the bacteria was in direct contact with a mixture of alginate and silica and (ii) core-shell beads of 200-600 m in which the bacteria are first embedded in an aqueous core of alginate, then coated with a silica shell. The viability of LGG was efficiently maintained only in core-shell particles, in which LGG was not directly exposed to silica. Those core-shell prototype carriers allowed the protection of LGG during storage in beer or apple juice, and during the passage through the gastrointestinal tract. Additionally the LGG released in the colon outcompete other members of the Lactobacilli community and it was able to thrive within a fecal ecosystem. This study offers thus a proof of concept for the potential use of hybrid silica/biopolymer systems in oral delivery of probiotic bacteria

Le cancer colorectal (CCR) est le 3ème plus diagnostiqué au Canada. Son traitement implique une résection chirurgicale du côlon ou du rectum, et une reconnexion des deux bouts intestinaux pour rétablir la continuité gastrointestinale. Cette reconnexion, appelée « anastomose », peut ne pas bien guérir chez jusqu’à 30% des patients, ce qui mène à une complication morbide et mortelle appelée « fuite anastomotique ». En plus de diminuer la survie et la qualité de vie, la fuite est possiblement associée à une récidive accrue du cancer pour des raisons qui demeurent obscures. Malgré des progrès techniques importants dans les dernières décennies, les taux de fuite n’ont pas significativement diminué, et sa survenue demeure hautement imprévisible. Des données récentes ont suggéré que le microbiote intestinal, ou la collection de microorganismes dans l’intestin, peut influencer le processus de guérison après la chirurgie, mais l’évidence sur cette relation reste faible. Les études suivantes visaient donc à évaluer le lien causal entre le microbiote, la fuite anastomotique le CCR. En utilisant des échantillons de selles collectés avant la chirurgie de 18 patients avec CCR (9 avec fuite et 9 sans fuite), on a évalué le rôle causal du microbiote humain chez des souris assujetties à une greffe de microbiote fécal (GMF) puis une chirurgie colique. On a trouvé que la GMF avec des échantillons de patients avec fuite a entrainé chez la souris une mauvaise guérison anastomotique, un affaiblissement de la matrice extracellulaire dans la plaie colique, et une inflammation accrue localement. On a identifié 2 souches bactériennes, Parabacteroides goldsteinii kh35 et Alistipes onderdonkii kh33, qui influençaient la guérison anastomotique, la 1ère positivement et la 2ème négativement. Ces souches modulaient l’inflammation dans la muqueuse colique, avec P. goldsteinii exerçant un effet anti-inflammatoire et A. onderdonkii un effet pro-inflammatoire. En utilisant des échantillons de muqueuses collectés de patients avant la complétion de l’anastomose, on a trouvé avec une analyse multiplex que les patients présentant une fuite avaient des niveaux basaux plus élevés des macrophage inflammatory protein-1 alpha, monocyte chemoattractant protein-1, macrophage inflammatory protein 2 et interleukin-17A/F, et que le microbiote de ces patients entraine une augmentation similaire de ces cytokines pro-inflammatoires dans l’intestin des souris. Pour corroborer l’hypothèse que les patients présentant une fuite après la chirurgie avaient des niveaux basaux plus élevés d’inflammation intestinale de bas-grade induite par le microbiote, on a quantifié 9 cytokines dans la muqueuse colorectale de 77 patients avec CCR, pami lesquels 13 ont présenté une fuite après la chirurgie. Les 9 cytokines étaient plus élevées chez les patients ayant développé une fuite. On a exploré des marqueurs inflammatoires potentiels dans les selles, et qui peuvent être utilisés comme des biomarqueurs de dépistage avant la chirurgie, et avons identifié la calprotectine et la lipocaline-2 comme étant significativement différentes entre les patients présentant, ou pas, une fuite anastomotique. Ensuite, on a exploré si des métabolites bactériens peuvent être utilisés pour améliorer la guérison anastomotique. Les acides-gras à courte chaine (AGCCs) sont produits dans le côlon après la fermentation bactérienne de fibres alimentaires. On a ainsi testé si une supplémentation chez la souris avec de l’inuline ou des galacto-oligosaccharides (GOS), deux oligosaccharides fermentables, peut améliorer la guérison. On a trouvé que l’inuline et le GOS ont augmenté les niveaux du bénéfique AGCC butyrate, amélioré la guérison anastomotique, favorisé la réparation épithéliale, la déposition du collagène et la barrière intestinale. Enfin, puisque le butyrate est connu pour son effet anticancérigène via une activation peroxysome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ), on a investigué la relation entre l’amélioration de la guérison intestinale postopératoire avec l’inuline et le 5-aminosalicylate (5-ASA), un activateur de PPAR-γ, et la récidive du CCR. Une revue de la survie postopératoire de patients avec CCR ayant, ou pas, présenté une fuite a été effectuée. L’effet d’une supplémentation alimentaire avec de l’inuline ou du 5-ASA sur les tumeurs anastomotiques a été évalué chez des souris subissant une chirurgie colique. L’inuline et le 5-ASA ont été aussi évalués dans un modèle murin de métastases hépatiques où les cellules de CCR étaient inoculées chirurgicalement dans la rate. Les patients présentant une fuite présentaient une survie globale et oncologique moindre que les patients sans fuite. Une mauvaise guérison anastomotique chez la souris a entrainé des tumeurs anastomotiques et péritonéales plus volumineuses. L’inuline et le 5-ASA ont renforcé la barrière intestinale et prévenu les tumeurs anastomotiques et dissémination métastatique chez la souris. Ces trouvailles renforcent l’hypothèse que prévenir la fuite améliore les issues oncologiques des patients avec CCR, et ouvre la voie à des essais cliniques où des interventions modifiant le microbiote seraient utilisées pour favoriser la guérison et diminuer la récidive du cancer. En résumé, on a démontré pour la première fois le lien causal entre le microbiote intestinal préopératoire et la guérison anastomotique chez les patients avec CCR. On a aussi identifié des biomarqueurs potentiels qui peuvent être utilisés en pratique pour détecter l’inflammation subclinique de bas-grade induite par le microbiote pour prédire la guérison avant la chirurgie. On a aussi démontré que le microbiote et PPAR-γ peuvent être modulés avec des oligosaccharides fermentables pour améliorer la guérison, renforcer la barrière intestinale et prévenir la récidive du cancer. / Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer in Canada. Its treatment involves a surgical resection of the colon or rectum, and a reconnection of the remaining bowel segments to re-establish gastrointestinal continuity. This reconnection, termed “anastomosis”, may fail to heal and leak in up to 30% of patients, which leads to a morbid and mortal complication called “anastomotic leak” (AL). In addition to decreasing survival and quality of life, AL may be linked to higher cancer recurrence for reasons that remain unclear. Despite significant technical progress over the last decades, the rates of AL have not significantly decreased, and its occurrence remains highly unpredictable. Recent data have suggested that the gut microbiota, or the collection of microorganisms in the gut, may influence the healing process after surgery, but evidence on this relation remains weak. The following studies aimed therefore at assessing the causal link between the gut microbiota, AL, and CRC in patients undergoing surgery. Using fecal samples collected before surgery from 18 patients with CRC (9 with AL and 9 without AL), we assessed the causal role of the human microbiota in mice subjected to fecal microbiota transplantation (FMT) then colonic surgery. We found that FMT from AL patients led to poor anastomotic healing, a weakened extracellular matrix in the colonic wound, and heightened inflammation locally. We identified 2 bacterial strains, Parabacteroides goldsteinii kh35 and Alistipes onderdonkii kh33, that were found to influence anastomotic healing, the first one positively and the second one negatively. These strains were found to modulate inflammation in the colonic mucosa, with P. goldsteinii exerting an anti-inflammatory effect and A. onderdonkii a pro-inflammatory effect. Using mucosal samples collected from patients before the completion of the anastomosis, we found with a multiplex assay that patients experiencing AL harbor higher basal levels of macrophage inflammatory protein- 1 alpha, monocyte chemoattractant protein-1, macrophage Inflammatory Protein 2 and interleukin-17A/F, and that the microbiota of these patients lead to the same increase in pro-inflammatory cytokines in mice. To corroborate the hypothesis that patients experiencing AL after surgery harbor higher basal levels of microbiota-driven low-grade inflammation in the gut, we quantified 9 cytokines in the colorectal mucosa of 77 patients with CRC, among whom 13 experienced AL after surgery. All 9 cytokines were found to be increased in patients developing AL. We explored potential fecal inflammatory markers that could be used as screening biomarkers before surgery, and identified calprotectin and lipocalin-2 as being significantly different between patients that subsequently developed, or not, AL. 4 Next we explored whether bacterial metabolites may be used to improve anastomotic healing. Short-chain fatty acids are produced in the gut upon bacterial fermentation of dietary fibers. We therefore tested in mice whether dietary supplementation with inulin or galacto-oligosaccharides (GOS), two fermentable oligosaccharides, could improve healing. We found that inulin and GOS increased the levels of the beneficial SCFA butyrate, improved anastomotic healing, promoted epithelial repair, collagen deposition and the gut barrier function. Finally, as butyrate is known to exert anticarcinogenic effect by stimulating the nuclear receptor peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ), we further investigated the relationship between promotion of postoperative intestinal healing using inulin and 5-aminosalicylate (5-ASA), a PPAR-γ activator, and CRC recurrence. A review of postoperative survival of CRC patients with and without AL was performed. The effect of dietary supplementation with inulin and 5-ASA on local anastomotic tumors was assessed in mice undergoing colonic surgery. Inulin and 5- ASA were also assessed in a mouse model of liver metastasis where CRC cells are surgically inoculated into the spleen. Patients experiencing AL displayed significantly lower overall and oncological survival than non-AL patients. Poor anastomotic healing in mice led to larger anastomotic and peritoneal tumors. Inulin and 5-ASA reinforced the gut barrier and prevented anastomotic tumors and metastatic spread in mice. These findings reinforce the hypothesis that preventing AL improves oncological outcomes in patients with CRC, and pave the way towards clinical trials in which microbiotatargeted interventions may be used to enhance healing and diminish cancer recurrence. In summary, we demonstrated for the first time the causal link between the preoperative gut microbiota and anastomotic healing in patients with CRC. We also identified potential biomarkers that could be used in practice to detect microbiota-driven subclinical inflammation and predict healing before surgery. We also showed that the gut microbiota and PPAR-g could be modulated using fermentable oligosaccharides to improve healing, reinforce the gut barrier and prevent cancer recurrence.

L'axe microbiote-intestin-cerveau joue un rôle potentiel dans la dépression et l'anxiété. L'acide γ-aminobutyrique (GABA) fait partie de cet axe et est altéré chez les individus dépressifs et/ou anxieux. Plusieurs probiotiques à effets antidépresseurs appartiennent à des genres bactériens capables de produire du GABA. Le mécanisme par lequel ces probiotiques ont un effet sur la dépression et l'anxiété reste à établir. L'objectif principal de la présente étude était d'évaluer les comportements associés à la dépression et à l'anxiété ainsi que les sous-unités α1-5 du récepteur GABA-A dans le cerveau et l'intestin chez un modèle murin de stress social chronique. Des souris mâles de lignée C57BL/6N ont été exposées à un stresseur de défaite sociale chronique (SDSC) ou à une condition témoin. L'évitement social, la peur envers des environnements ouverts et éclairés, la motivation à se toiletter, et l'adaptation passive au stress ont été évalués et des échantillons de l'hippocampe, du cortex préfrontal, du jéjunum et du côlon ont été recueillis. L'objectif secondaire de la présente étude était de déterminer, par bioluminescence, la viabilité in vivo d'une bactérie contenant le gène glutamate décarboxylase beta (GadB, une enzyme permettant la conversion du glutamate en GABA). Le SDSC a augmenté l'évitement social et l'inactivité chez les souris susceptibles aux effets comportementaux du stresseur. Les sous-unités α1-5 sont demeurées inchangées par le SDSC, mais une coordination élevée entre ces sous-unités a été détectée dans le cortex préfrontal des souris susceptibles. La bactérie munie de GadB a survécu au transit intestinal, étant détectée dans les fèces jusqu'à 24h post-gavage. Le profil comportemental et moléculaire établi dans la présente étude sera utilisé comme fondation pour une étude évaluant les effets d'une bactérie productrice de GABA.

Plusieurs études ont montré que les maladies cardiovasculaires constituent un risque majeur de développement du trouble dépressif chez l’homme. Plus précisément, à la suite d’un infarctus du myocarde, 15 à 30 % des patients développent une dépression majeure dans les 6 à 8 mois suivant l’évènement cardiaque. Dans un modèle d’infarctus du myocarde chez le rat, développé dans notre laboratoire, nous avons noté la présence de comportements compatibles avec une dépression, deux semaines après l’infarctus. Nous avons également détecté des cellules apoptotiques dans le système limbique dès les premières minutes de reperfusion, nombre qui atteint son apogée à 3 jours de reperfusion. Nous avions émis l’hypothèse que l’apoptose que l’on observe dans le système limbique serait reliée à la réponse inflammatoire induite par l’infarctus du myocarde. Les comportements reliés à de la dépression ont été prévenus par l’administration d’un inhibiteur de la synthèse des cytokines pro-inflammatoires, la pentoxifylline, le célécoxib, un inhibiteur de la cyclooxygenase-2, par des probiotiques ainsi que par différents antidépresseurs. Les résultats des deux premières études de cette thèse montrent que la desvenlafaxine, un Inhibiteur de la recapture de la sérotonine et noradrénaline (IRSN) prévient les comportements dépressifs tout en diminuant l’apoptose à 3 jours post-infarctus dans le système limbique. Les comportements similaires à ceux d’une dépression que présentent les rats deux semaines après l’évènement cardiaque sont encore présents à 4 mois post-infarctus, si aucun traitement n’est entrepris. De plus, ces animaux développent des troubles d’apprentissage que la desvenlafaxine peut prévenir, et ceci même si le traitement n’est présent que pendant les 2 premières semaines post-infarctus. Dans la troisième étude de cette thèse, nous avons voulu savoir si le nerf vague était impliqué dans les effets bénéfiques de deux probiotiques sur l’apoptose dans le système limbique après un infarctus du myocarde. Nos résultats ont démontré que les probiotiques réduisent l’apoptose dans le système limbique après un infarctus du myocarde, mais que cet effet est perdu en présence d’une vagotomie. Les résultats obtenus démontrent que l’infarctus du myocarde induit une mort par apoptose dans le système limbique de même que des comportements dépressifs et des problèmes d’apprentissage à long terme. Ces problèmes peuvent être diminués par un traitement à la desvenlafaxine, et ceci même si le traitement n’est présent que pour les deux premières semaines post-infarctus. Finalement, nous avons observé que les probiotiques avaient des effets bénéfiques sur l’apoptose dans le système limbique par un mécanisme impliquant le nerf vague. En conclusion, plusieurs interventions différentes sont efficaces pour limiter les conséquences de l’infarctus du myocarde sur le système limbique et un traitement court est efficace pour prévenir les problèmes à plus long terme. / Several studies have highlighted that disruption of the cardiovascular functions is a major risk of developing depressive disorder in humans. 15-30% of the general population develops major depression within 6 to 8 months after a myocardial infarction. To better understand the underlying mechanisms and identify therapeutic pathways, we use a rat model of post-myocardial infarction developed in our laboratory. We have observed in these animals an increased apoptosis in the limbic system, which starts in the first minutes following reperfusion and peaks 3 days post-reperfusion. As a result, a depression-like phenotype and learning impairments appear 2 weeks after the myocardial infarction, which will persist up to 4 months after the infarct. We hypothesize that the observed apoptosis and the resulting depressive-like behavior are mediated by the inflammatory response induced after myocardial infarction. Indeed, depression-like behavior is prevented by the administration of an inhibitor of the pro-inflammatory cytokines, (pentoxifillyne, celecoxib), as well as by probiotics. In this thesis, we show that desvenlafaxine, a serotonin and noradrenaline reuptake inhibitor (SNRI) prevents death by apoptosis in the limbic system. Desvenlafaxine also helps to improve the depressive-like behavior in these rats as well as the learning impairments, even if the treatment is administered during the first 2 weeks post-reperfusion. Finally, we have discovered that vagotomy prevents the probiotics effect over the apoptosis appearing after myocardial infarction, highlighting the importance of the vagus nerve in the beneficial effects of probiotics. In conclusion, several interventions are effective in limiting the consequences of myocardial infarction on the limbic system and also key to prevent the apparition of secondary psychological disorders.

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) sont des pathogènes majeurs pour l’homme responsables de toxi-infections alimentaires pouvant évoluer vers des complications potentiellement mortelles. La pathogénicité de ces souches est essentiellement due à la production de Shiga-toxines (Stx), même si d’autres facteurs semblent jouer un rôle important dans la virulence, comme des facteurs d’adhésion. La survie et la régulation des facteurs de virulence des EHEC dans l’environnement digestif humain sont des facteurs clés dans la pathogénicité bactérienne, mais restent à ce jour mal décrits, essentiellement en raison d’un manque de modèles d’étude adaptés. De plus, l’absence de traitement spécifique a conduit à s’intéresser à des moyens préventifs et/ou curatifs alternatifs, comme l’utilisation de probiotiques. L’objectif de ce travail de thèse est (i) de mieux comprendre le comportement de la souche de référence EHEC O157:H7 EDL933 dans l’environnement digestif humain simulé, et en particulier ses interactions avec le microbiote résident et l’épithélium intestinal, et (ii) d’évaluer l’effet antagoniste d’une souche de levure probiotique vis-à-vis de la survie, la virulence et l’interaction du pathogène avec l’épithélium intestinal, à l’aide d’approches in vitro et in vivo complémentaires. En modèles digestifs in vitro, la souche EHEC survit dans l’estomac, voire se multiplie dans les parties distales de l’intestin grêle, alors qu’elle ne se maintient pas dans l’environnement colique. Les gènes de virulence codant les Stx et des adhésines majeurs (intimine et « Long Polar Fimbriae » ou Lpf) sont surexprimés dès les parties hautes du tractus digestifs, et ce, même en absence de cellules épithéliales. Les conditions rencontrées dans le tractus digestif supérieur de l’enfant, comparativement à celui de l’adulte, conduisent à une survie et un niveau d’expression des gènes codant les Stx et les Lpf plus élevés chez l’enfant, ce qui peut contribuer à expliquer la grande sensibilité de cette population aux infections à EHEC. Enfin, les Lpf semblent jouent un rôle clé dans le ciblage spécifique des cellules M et le tropisme des EHEC pour les plaques de Peyer, et ce, à la fois in vitro (cellules M en culture) et in vivo (anses iléales murines). Même si elle ne modifie pas la survie du pathogène dans l’environnement colique, la levure probiotique S. cerevisiae CNCM I-3856 a montré des propriétés antagonistes intéressantes vis-à-vis d’EHEC O157:H7 en (i) modulant favorablement l’activité fermentaire du microbiote intestinal, (ii) diminuant significativement l’expression des gènes codant les Stx et (iii) inhibant la translocation bactérienne au travers des plaques de Peyer et les lésions hémorragiques associées. Par ailleurs, l’effet du pathogène et des probiotiques sur le microbiote colique est individu dépendant, confortant l’hypothèse que des facteurs associés à l’hôte, comme le microbiote, pourraient conditionner l’évolution clinique des infections à EHEC et l’efficacité d’une stratégie probiotique.Ce travail de thèse contribue à une meilleure compréhension du comportement des EHEC dans l’environnement digestif humain et confirme l’intérêt d’une stratégie probiotique dans la lutte contre le pathogène. Une étude plus approfondie du transcriptome du pathogène dans l’environnement digestif et une analyse par des méthodes haut débit du microbiote intestinal permettraient de continuer à mieux décrire la physiopathologie des infections à EHEC et comprendre les mécanismes associés à l’effet antagoniste des probiotiques. / The enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) are major zoonotic pathogens responsible for food-borne infectionwhich leads to life-threatening complications in humans. The main virulence determinant of EHEC is the production of Shigatoxins (Stx), even if other factors seem to play an important role in virulence, such as adhesion factors. Survival and virulenceof EHEC strains in the human digestive environment are a key factor in bacterial pathogenesis but remains unclear owing tolack of relevant model. Moreover, no specific treatment has led to interest in preventative and / or curative alternatives, suchas using probiotics. The objective of this study is to better understand the behavior of the reference strain EHEC O157:H7EDL933 in the entire digestive tract, and in particular its interaction with the resident microbiota and the intestinal epithelium,and to evaluate the antagonistic effect of the probiotic yeast, Saccharomyces cerevisiae CNCM I-3856, using in vitro and in vivo complementary approaches.In vitro, bacterial mortality was noticed in the stomach, whereas bacterial growth resumption was observed in thedistal parts of the small intestine and the pathogen was not able to maintain in the human colonic conditions. Virulence genesencoding Stx and adhesins (intimin and “Long polar fimbriae”) are upregulated in the upper parts of the digestive tract. A ten-time higher amount of cells was found in the ileal effluents of infant compared to adult. stx genes were over-expressed (up to25-fold) in infant conditions compared to the adult ones. This results show that differences in digestive physicochemicalparameters of the upper gastrointestinal tract may partially explain why infants are more susceptible to EHEC infection thanadults. And finally, Lpf seem to play a key role in the interactions of EHEC with murine Peyer’s patches and are needed for anactive translocation of the pathogen across M cells, and both in vitro (M cells culture) and in vivo (murine ileal loops).S. cerevisiae had not effect on EHEC survival in the colonic environment but (i) favorably influenced gut microbiotaactivity through beneficial modulation of short chain fatty acid production, (ii) leading to significantly decrease stx expressionand (iii) significantly reduced EHEC translocation through M cells and inhibited in vivo interactions of the pathogen withPeyer’s patches and the associated hemorrhagic lesions. Probiotic had donor-dependent effect on the gut microbiota strengthenthe hypothesis that host-associated factors such as microbiota could influence the clinical evolution of EHEC infection and theeffectiveness of a probiotic strategy.This work contributes to a better understanding of the behavior of EHEC in the human digestive environment andconfirms the interest of probiotic strategy in controlling EHEC infections. Further transcriptome studies are warranted for thepathogen in the human digestive environment, with or without probiotics for the better understanding of the pathophysiologyof EHEC and so on the mechanisms involved in the antagonistic effect of probiotics.

L'objectif de ce travail était de sélectionner de manière rationnelle une bactérie probiotique par la mise en place d'un crible ainsi que d'étudier et de comprendre l'impact du potentiel d'oxydoréduction (Eh) et du bullage de gaz sur la survie de Bifidobacterium bifidum dans un produit laitier fermenté. Nous avons tout d’abord développé des techniques de sélection des bactéries sur des critères de viabilité / vitalité (analyse par cytométrie en flux) ainsi que sur des critères de fonctionnalité (pouvoir antioxydant). Nous avons pu sélectionner des souches d'intérêt industriel ainsi qu'une souche d'étude académique, Bifidobacterium bifidum.Nous avons ensuite étudié l'effet de la modification du Eh par bullage de gaz sur la survie de B. bifidum dans un produit laitier fermenté. Les laits fermentés conditionnés sous atmosphère anaérobie (Azote) et/ou réductrice (Azote-Hydrogène) permettent une meilleure survie de la souche au cours du stockage (28 jours – 4 °C) par rapport au Contrôle. Puis, nous avons analysé l'effet d'une croissance sous différents Eh sur la viabilité en milieu modèle et la fonctionnalité de B. bifidum. Une croissance en condition anaérobie et/ou réductrice permet d’améliorer à la fois la résistance aux stress (stress oxydant d’ordre physiologique, stress aux sels biliaires et stress côlon), le pouvoir réducteur (sels de tétrazolium), le pouvoir antioxydant (test KRL et test des comètes) et l’adhérence par rapport au Contrôle. Une modulation des propriétés biochimiques membranaires sous Azote et sous Azote-Hydrogène pourraient expliquer ces phénomènes. L’augmentation des composés thiols exofaciaux et l’augmentation des acides gras insaturés à longues chaines est observée pour des cellules produites sous conditions Azote et Azote-Hydrogène. Ainsi ces conditions de croissance présentent une amélioration majeure de l’effet probiotique de B. bifidum, à la fois d’un point de vue de sa résistance aux stress que d’un point de vue de sa fonctionnalité / The aim of this work was to select rationally a probiotic strain by setting up a screening method as well as study and understand the impact of the redox potential (Eh) and gas bubbling on the survival of Bifidobacterium bifidum in a fermented dairy product. In a first time, we have developed selection techniques of probiotic bacteria on the criteria of viability / vitality (flow cytometry analysis) and on the criteria of functionality (antioxidant). We were able to select strains of industrial interest as well as an academic strain, Bifidobacterium bifidum.Secondly, we have studied effect of modifying redox potential by gas bubbling on the survival of B. bifidum in a fermented dairy product. Thus, fermented milk manufactured under anaerobic condition (Nitrogen,) and/or under reducing one (Nitrogen-Hydrogen) allow a better survival of the probiotic strain during the storage (28 days) at 4 °C compared with the Control fermented milk. Yogurt starter strains are not impacted. Then, we have analysed the effect of a growth under various Eh on the viability in model medium and the functionality of B. bifidum. A growth under anaerobic and/or reducing condition thus improved resistance to stress (physiological oxidative stress, bile salts and intestinal stress) the reducing power (tetrazolium salts) and the antioxidant power (KRL test and comet assay) compared with the Control. The adhesion to Caco-2 cells under these conditions is also improvedModulation of biochemical membrane properties under Azote and Azote-Hydrogen conditions could explain these phenomena. An increase in the proportion of exofacial thiol groups and in the proportion of unsaturated fatty acids with long chain was observed for cells produced under Nitrogen and Nitrogen-Hydrogen. These growth conditions present a major improvement for the probiotic effect of B. bifidum, regarding its resistance to stress and its functionality

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative incurable partageant des mécanismes pathogéniques avec la démence frontotemporale (DFT). Elle est caractérisée par la dégénérescence sélective des neurones moteurs de la moelle épinière et du cerveau. Depuis les 25 dernières années, plus de 20 gènes ont été associés avec ces maladies, incluant FUS, C9ORF72 et TARDBP. Cependant, les liens entre la pathologie, le stade de la maladie et les mécanismes cellulaires demeurent incertains, mais semblent être multifactoriels. Bien que la SLA soit principalement considérée comme une maladie affectant le système nerveux, plusieurs d’observations suggèrent que des signaux périphériques, incluant ceux du tractus gastro-intestinal et de son microbiome, pourraient influencer la progression de la maladie. Récemment, de nouvelles études font état de perturbations du microbiome, appelé dysbiose, de la bioénergétique mitochondriale et de la composition lipidiques dans la SLA. Toutefois, il y a un manque considérable de compréhension de l’effet de ces perturbations sur la pathogenèse de la SLA. Une dysbiose a également été identifiée dans d’autres maladies neurodégénératives, telles que la maladie d’Alzheimer (MA) et la maladie d’Huntington (MH). En utilisant l’organisme modèle Caenorhabditis elegans, nous avons identifié une souche probiotique, Lacticaseibacillus rhamnosus HA-114, ayant des propriétés neuroprotectives dans différents modèles de SLA et de MH. Dans la première partie de cette thèse, nous avons démontrés que la neuroprotection conférée par L. rhamnosus HA-114 est unique par rapport aux autres souches de L. rhamnosus et réside dans son contenu en acide gras. Ces effets bénéfiques requièrent acdh-1/ACADSB, kat-1/ACAT1 and elo-6/ELOVL3/6, gènes impliqués dans le métabolisme des lipides et la β-oxydation mitochondriale. De plus, HA-114 retarde l’apparition des symptômes et réduit la neurodégénérescence chez la souris SOD1G93A. Nos résultats suggèrent que des perturbations du métabolisme des lipides contribuent à la neurodégénérescence et que HA-114 restaure l’homéostasie lipidique et énergétique via la β-oxydation mitochondriale. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons utilisé le C. elegans et avons caractérisé l’orthologue de CHCHD10, har-1, dans plusieurs essais afin d’étudier son implication dans la SLA et la DFT. CHCHD10 code pour une protéine impliquée dans la maintenance de la morphologie mitochondriale et la phosphorylation oxydative. Des mutations dans ce gène ont récemment été liées à la SLA. Nous avons caractérisé deux allèles distincts : une délétion de 260 pb (gk3124) et une mutation ponctuelle (ad2155). Les mutants har-1(gk3124) et har-1(ad2155) développent une paralysie, une dégénérescence des neurones GABAergiques et une altération de la santé mitochondriale. Le pioglitazone et le 2,4-thiazolidinedione, deux composés régulant la santé mitochondriale, restaurent plusieurs phénotypes associés à la SLA chez les mutants har-1. De plus, L. rhamnosus HA-114 a également des effets similaires sur ces souches. Ces résultats semblent confirmer un lien entre le microbiome et la SLA et pourraient ouvrir la voie à de futures thérapies via la modulation de l’environnement intestinal. De plus, découvrir les mécanismes impliqués dans cette neuroprotection permettrait sans doute la découverte de nouveaux gènes et de biomolécules actives ayant la capacité de moduler la neurodégénérescence, ouvrant la voie à l’utilisation de nouveaux médicaments. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an incurable neurodegenerative disease sharing pathological pathways with frontotemporal dementia (FTD). It is characterized by the selective degeneration of lower and upper motor neurons in the spinal cord and cerebral cortex. Over the last 25 years, more than 20 genes have been associated with these diseases, including FUS, C9ORF72 and TARDBP. Despite over a century of medical investigation, the links between pathology, disease stage and cellular mechanisms are still unclear, but may be multifactorial involving unresolved gene-environment interactions. While ALS is primarily considered a central nervous system disease, emerging evidence suggests that peripheral signals, including those from the gastrointestinal tract and gut microbiota, may be involved in ALS progression. Over the last year, new evidence showed perturbations in microbiota (called dysbiosis), mitochondrial bioenergetics, and in lipid composition in ALS. However, there is a considerable lack of understanding of the effect of these perturbations in ALS pathogenesis. Interestingly, dysbiosis has also been linked to other neurological conditions like Alzheimer’s disease (AD) and Huntington’s disease (HD). Using the model organism Caenorhabditis elegans, we discovered a probiotic bacterial strain, Lacticaseibacillus rhamnosus HA-114, with neuroprotective properties in models of ALS and HD. In the first part of this thesis, we demonstrated that neuroprotection from L. rhamnosus HA-114 is unique from other L. rhamnosus strains, and resides in its fatty acid content. Neuroprotection by L. rhamnosus HA-114 requires acdh-1/ACADSB, kat-1/ACAT1 and elo-6/ELOVL3/6, which are key fatty acid metabolism and mitochondrial β-oxidation genes. Moreover, L. rhamnosus HA-114 delayed disease onset and suppressed motor neuron degeneration in an aggressive mouse model of ALS. Our data suggest that disrupted lipid metabolism contributes to neurodegeneration and that dietary intervention with L. rhamnosus HA-114 restores lipid homeostasis and energy balance through mitochondrial β-oxidation. In the second part of this thesis, we used C. elegans and characterized the CHCHD10 orthologue har-1, in a number of behavioral assays, to learn more about the biological role of this gene and its implication in ALS-FTD pathogenesis. CHCHD10 is a widely expressed gene coding for a mitochondrial protein with a potential role in cristae morphology maintenance and/or oxidative phosphorylation with mutations recently associated with ALS. We characterized two distinct alleles: a deletion of 260 bp (gk3124) and a point mutation (ad2155). Both har-1 (gk3124) and har-1 (ad2155) worms display age-dependent motility defects leading to paralysis, degeneration of GABAergic neurons and altered mitochondrial health. The small molecules, pioglitazone and 2,4-thiazolidinedione, with known neuroprotective activity, and also shown to regulate mitochondrial health, suppressed several har-1 phenotypes. Moreover, dietary supplementation of L. rhamnosus HA-114 improved several ALS-related phenotypes in these har-1 mutants. These findings may confirm a link between microbiota and ALS and can lead to future therapies, through the modulation of the intestinal environment. L. rhamnosus HA-114 is suitable for human consumption opening the possibility of modifying disease progression by dietary intervention. Furthermore, uncovering the complete neuroprotection pathway may give us insights into new genes and bioactive molecules able to modulate neurodegeneration, thus opening the door to new therapeutic approaches.

L'objectif de ce travail était de sélectionner de manière rationnelle une bactérie probiotique par la mise en place d'un crible ainsi que d'étudier et de comprendre l'impact du potentiel d'oxydoréduction (Eh) et du bullage de gaz sur la survie de Bifidobacterium bifidum dans un produit laitier fermenté. Nous avons tout d'abord développé des techniques de sélection des bactéries sur des critères de viabilité / vitalité (analyse par cytométrie en flux) ainsi que sur des critères de fonctionnalité (pouvoir antioxydant). Nous avons pu sélectionner des souches d'intérêt industriel ainsi qu'une souche d'étude académique, Bifidobacterium bifidum.Nous avons ensuite étudié l'effet de la modification du Eh par bullage de gaz sur la survie de B. bifidum dans un produit laitier fermenté. Les laits fermentés conditionnés sous atmosphère anaérobie (Azote) et/ou réductrice (Azote-Hydrogène) permettent une meilleure survie de la souche au cours du stockage (28 jours - 4 °C) par rapport au Contrôle. Puis, nous avons analysé l'effet d'une croissance sous différents Eh sur la viabilité en milieu modèle et la fonctionnalité de B. bifidum. Une croissance en condition anaérobie et/ou réductrice permet d'améliorer à la fois la résistance aux stress (stress oxydant d'ordre physiologique, stress aux sels biliaires et stress côlon), le pouvoir réducteur (sels de tétrazolium), le pouvoir antioxydant (test KRL et test des comètes) et l'adhérence par rapport au Contrôle. Une modulation des propriétés biochimiques membranaires sous Azote et sous Azote-Hydrogène pourraient expliquer ces phénomènes. L'augmentation des composés thiols exofaciaux et l'augmentation des acides gras insaturés à longues chaines est observée pour des cellules produites sous conditions Azote et Azote-Hydrogène. Ainsi ces conditions de croissance présentent une amélioration majeure de l'effet probiotique de B. bifidum, à la fois d'un point de vue de sa résistance aux stress que d'un point de vue de sa fonctionnalité