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Interactions favorables : exercice & métabolisme du microbiote

Résumé

Le microbiote intestinal adulte contient des trillions de microorganismes de milliers d’espèces différentes. Un tiers seulement des microorganismes intestinaux sont communs à la plupart des gens ; le reste est spécifique et contribue à améliorer la variation génétique. Les microorganismes intestinaux ont une incidence significative sur la nutrition de l’hôte, la fonction métabolique, le système immunitaire et les niveaux d’oxydoréduction, et peuvent être modulés par plusieurs conditions environnementales, notamment l’activité physique et l’exercice. Le microbiote agit également comme un organe endocrinien et est sensible aux changements homéostatiques et physiologiques associés à l’entraînement ; en retour, il a été démontré que l’exercice augmente la diversité du microbiote, améliorant ainsi le profil métabolique et les réponses immunologiques. D’autre part, l’adaptation à l’exercice pourrait être influencée par le microbiote intestinal individuel qui régule l’équilibre énergétique et participe au contrôle de l’état inflammatoire, redox et d’hydratation. L’exercice d’endurance intense entraîne des demandes physiologiques et biochimiques et nécessite des mesures adéquates pour contrer le stress oxydatif, la perméabilité intestinale, le déséquilibre électrolytique, la déplétion en glycogène, les fréquentes infections des voies respiratoires supérieures, l’inflammation systémique et les réponses immunitaires. Le microbiote pourrait être un outil important pour améliorer l’état de santé général, les performances et la disponibilité énergétique tout en contrôlant l’inflammation et les niveaux d’oxydoréduction chez les athlètes d’endurance. La relation entre le microbiote intestinal, la santé générale, l’adaptation à l’entraînement et les performances, ainsi que l’accent mis sur les compléments sportifs dont on sait qu’ils exercent une certaine influence sur le microbiote, seront abordés dans ce numéro.

 

Interactions favorables : exercice & métabolisme du microbiote

 

INTRODUCTION 

Le microbiote intestinal humain adulte contient des trillions (1014) de microorganismes appartenant à des milliers d’espèces différentes, et il est reconnu comme ayant un rôle essentiel dans la santé et les maladies de l’hôte1. Le microbiote normal de l’intestin humain comprend deux grandes familles, à savoir les Bactéroïdes et les Firmicutes, et des familles moins présentes, telles que les Actinobactéries et les Verrucomicrobes2. Ces microorganismes vivent dans l’intestin humain et forment une communauté complexe qui interagit entre elle et avec l’hôte. Plusieurs facteurs environnementaux façonnent le microbiote intestinal ; même si l’alimentation joue un rôle dominant, l’exercice physique apparaît également comme un modulateur important3-5. Cependant, les caractéristiques spécifiques de l’activité physique qui peuvent modifier le microbiote intestinal sont inconnues6. La composition du régime alimentaire influence la composition du microbiote intestinal : les régimes alimentaires pauvres en fibres et riches en hydrates de carbone raffinés et en graisses entraînent une réduction de la diversité des communautés avec des modifications de la structure et de l’activité des microorganismes7,8. Outre le régime alimentaire, l’exercice physique est considéré comme l’un des principaux facteurs environnementaux susceptibles d’influencer la composition du microbiote intestinal chez les animaux et les humains9-11.

 

EXERCICE-MICROBIOTE

Introduction

Le microbiote agit comme un organe endocrinien, et les changements de son statut induits par l’exercice ont été corrélés avec des modifications de la physiologie, du métabolisme, de l’immunité et du comportement de l’hôte12-15. Chez des souris, des résultats montrent que l’exposition orale aux PCB (polychlorobiphényles) peut induire des changements substantiels dans le microbiote intestinal, qui peuvent ensuite influencer la toxicité systémique. Ces changements peuvent être atténués par des facteurs comportementaux, tels que l’exercice physique12. Les effets de l’exercice sur les microorganismes microbiens intestinaux dépendent de l’intensité et du rythme ainsi que des caractéristiques anamnestiques du sujet. Le microbiote peut également influencer la masse musculaire, comme le rapportent Ticinesi et coll16. Un axe intestin-muscle peut en effet réguler le dépôt de protéines musculaires et la fonction musculaire16. Des modèles de rats sarcopéniques montrent une modification de plusieurs bactéries ayant des effets anti-inflammatoires et pro-anaboliques dans le microbiote intestinal, en particulier en modifiant le rapport Sutterella/Barneseilla17. Inversement, l’entraînement à l’épuisement peut être associé à une dysbiose du microbiote intestinal, favorisant l’inflammation et ayant des conséquences métaboliques négatives16.

La population bactérienne intestinale est modulée par le sexe, la génétique, l’âge et l’ethnicité, c’est-à-dire par des facteurs non modifiables, et par des facteurs modifiables tels que la santé de l’hôte, l’activité physique, le régime alimentaire et les éventuelles thérapies antibiotiques. Campbell et coll. ont montré que l’exercice physique avait un effet unique sur le microbiote, indépendamment du régime alimentaire18. L’exercice physique est lié à la modulation positive de la biodiversité du microbiote intestinal ; les mécanismes potentiels par lesquels l’exercice pourrait modifier le microbiome intestinal ont été étudiés dans le cadre d’études sur les animaux et les humains.

 

Explications

Les modifications du microbiote intestinal induites par l’exercice physique sont dues au temps de transit intestinal car il a été considérablement accéléré par un exercice modéré (jogging et vélo)19, à la modification du profil des acides biliaires20, à la production des acides gras à chaîne courte (AGCC) par activation AMPK10,21, à la modulation de la voie de signalisation des récepteurs « Toll-Like »* (TLR)22,23 et au poids24,25.

* Les récepteurs TLR (Toll-like receptors) sont des protéines transmembranaires qui détectent une variété de composants moléculaires provenant principalement de microorganismes. Les TLR2 et TLR4 sont entre autres présentes dans le foie, le tissu adipeux et les muscles squelettiques. Les acides gras extracellulaires à longue chaîne se lient aux TLR2 et 4 et induisent des cascades de signalisation en aval impliquées dans le stress cellulaire et les processus inflammatoires. Des preuves indiquent que l’activation des TLR par les acides gras non estérifiés (AGNE) pourrait participer au développement de la résistance à l’insuline. L’exercice semble induire une régulation à la baisse de l’expression des TLR dans divers tissus, un mécanisme qui pourrait participer à l’effet protecteur de l’exercice contre l’insulinorésistance.23

De plus, un exercice régulier réduit la réponse des protéines de choc thermique (heat shock proteins) au stress thermique, empêchant la dégradation des protéines de jonction serrées entre les cellules épithéliales de l’intestin. Ainsi, l’exercice représente un facteur de stress hormétique pour l’intestin qui stimule des adaptations bénéfiques et améliore la résilience à long terme de la barrière intestinale26.

 

Effet de l’exercice sur le métabolisme du microbiote intestinal

Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de l’analyse de l’impact de l’exercice sur la production de métabolites du microbiote, tels que l’âge, la graisse corporelle et l’état d’entraînement des sujets. Les effets de l’exercice sont amplifiés et commencent tôt dans la vie ; parallèlement à une augmentation des Bacteroidetes et une diminution des Firmicutes, l’activité physique favorise, plus chez les jeunes que chez les adultes, une augmentation de la masse maigre par une adaptation du métabolisme de l’hôte médiée par la composition bactérienne, comme démontré chez des rats27. De plus, les espèces microbiennes favorisées par l’exercice à cet âge favorisent le développement optimal des fonctions cérébrales. De plus en plus de résultats, reproduits de manière indépendante, confirment que les rats exempts de germes présentent une altération du comportement lié à l’anxiété et une altération du comportement social, via une modification de l’activité neuronale de base dans l’amygdale28.

Dans une étude analysant des femmes actives et sédentaires de moins de 40 ans après un entraînement physique, les changements de plusieurs types de bactéries ont été significativement corrélés avec l’indice de masse corporelle (IMC). Le pourcentage de graisse corporelle, la masse musculaire et l’activité physique sont en corrélation significative avec plusieurs populations bactériennes29. Même si la composition du microbiote de tous les participants a été modifiée pendant une certaine période après l’exercice, les espèces ayant des propriétés anti-inflammatoires connues et la capacité de produire des AGCC étaient plus nombreuses chez les sujets maigres29. Les chercheurs ont constaté que les microbiotes des athlètes contiennent des compositions microbiennes distinctes définies par l’abondance élevée de Veillonellaceae, Bacteroidetes, Prevotella, Methanobevibacter et Akkermansia30. L’abondance des bactéries impliquées dans le métabolisme de l’énergie et des glucides, telles que Prevotella et Methanobrevibacter smithii, s’est avérée être significativement plus élevée chez les cyclistes professionnels que chez les amateurs, et a été corrélée à la fréquence des entraînements31.

Christensen et ses collaborateurs ont démontré chez des adultes en surpoids, suivant un régime riche en fibres et en céréales complètes pendant six semaines, que l’abondance de Prevotella est prédictive de la perte de poids, ce qui suggère que l’entérotype devrait être pris en compte dans les stratégies nutritionnelles personnalisées pour lutter contre l’obésité32. La production de AGCC en particulier de butyrate, un marqueur important de la santé intestinale, augmente après l’exercice physique chez l’homme10. En fait, les femmes faisant trois heures d’exercice ou plus par semaine ont augmenté l’abondance relative des organismes producteurs de butyrate, et en particulier de certaines espèces telles que Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia hominis et Akkermansia muciniphila, ainsi que du genre Coprococcus, par rapport à leurs homologues sédentaires29. Ces espèces ont été associées à des effets bénéfiques pour la santé. Une grande abondance d’A. muciniphila a déjà été décrite dans le microbiote des athlètes, tandis que de faibles niveaux ont été liés à des troubles métaboliques (obésité, syndrome métabolique et diabète de type II) chez les patients atteints de maladies inflammatoires de l’intestin (MII), telle que la colite ulcéreuse33,34.

L’exercice peut également avoir un impact positif sur la couche de mucus de l’intestin, un substrat important pour les bactéries associées au mucus telle que A. muciniphila. Le butyrate produit par R. hominis et F. prausnitzii a un effet bénéfique sur la santé avec un impact positif sur la fonction intestinale et le métabolisme des lipides35. Les multiples effets bénéfiques sur la santé humaine du butyrate, synthétisé à partir de glucides non absorbés par le microbiote du côlon, sont bien documentés. Au niveau intestinal, le butyrate joue un rôle régulateur sur le transport du liquide transépithélial, améliore l’inflammation des muqueuses et l’état oxydatif, renforce la barrière de défense épithéliale et module la sensibilité viscérale et la motilité intestinale. En outre, un nombre croissant d’études ont souligné le rôle du butyrate dans la prévention et l’inhibition du cancer colorectal. Au niveau extra-intestinal, le butyrate exerce des effets potentiellement utiles sur de nombreuses affections, notamment les hémoglobinopathies, les maladies métaboliques génétiques, l’hypercholestérolémie, l’insulinorésistance et les accidents vasculaires cérébraux ischémiques. Les mécanismes d’action du butyrate sont différents ; beaucoup d’entre eux sont liés à ses puissants effets régulateurs sur l’expression des gènes (épigénétique). Ces données suggèrent un large spectre d’effets positifs exercés par le butyrate, avec un potentiel élevé pour une utilisation thérapeutique en médecine humaine35.

Prausnitzii produit également des métabolites à action anti-inflammatoire36. Des résultats suggèrent que le fait de contrebalancer la dysbiose en utilisant F. prausnitzii comme probiotique est une stratégie prometteuse dans le traitement de la maladie de Crohn36. Le genre Coprococcus, un producteur de butyrate, était plus abondant chez les femmes actives, favorisant certains effets sur la santé liés à l’exercice29. Dans une autre étude comparant des adultes maigres et obèses participant à un programme d’exercice d’endurance supervisé de six semaines sous contrôle alimentaire, une augmentation des espèces productrices de butyrate a été constatée uniquement chez les sujets maigres. De plus, les adultes maigres ont vu augmenter les espèces de Faecalibacterium, tandis que les adultes obèses ont vu diminuer les espèces de Bacteroides, ce qui confirme l’influence de l’IMC10. Il est intéressant de noter que l’abondance des bactéries productrices de butyrate était plus élevée chez les individus ayant un niveau d’aptitude aérobie accru après normalisation de l’IMC, du régime alimentaire et de l’âge37. Les résultats de cette étude montrent que la capacité cardiorespiratoire est corrélée à une diversité microbienne accrue chez les humains en bonne santé. Les profils microbiens des individus en bonne santé favorisent la production de butyrate. Comme l’augmentation de la diversité microbienne et de la production de butyrate est associée à la santé globale de l’hôte, ces conclusions justifient le recours à la prescription d’exercice comme thérapie adjuvante dans la lutte contre les maladies associées à la dysbiose37.

L’activité physique basée sur la course à pied sur de longues distances a entraîné une augmentation significative de la famille des Coriobacteriaceae. Cette famille de bactéries, ainsi que d’autres, est notamment impliquée dans la conversion de polyphénols alimentaires à peine absorbés en dérivés biodisponibles et bioactifs38, ainsi que dans le métabolisme des sels biliaires et des stéroïdes, en particulier le stéroïde aldostérone 18-glucuronide. Ce métabolite de l’aldostérone exerce de nombreuses fonctions importantes, telles que la signalisation cellulaire, le stockage de carburant et d’énergie, ainsi que l’intégrité et la stabilité des membranes39.

Selon l’intensité et le volume, pendant et après l’exercice, des quantités importantes de lactate sont libérées dans le sang. En particulier, le lactate joue un rôle important dans les performances d’endurance, dans la mesure où il est utilisé comme carburant par plusieurs organes et tissus. Plus ces organes et tissus « apprennent » à utiliser le lactate comme substrat, plus les performances s’améliorent40,41.

Récemment, Scheiman et ses collaborateurs ont démontré que le lactate systémique peut traverser la barrière intestinale dans la lumière et peut ensuite être converti en propionate par le genre Veillonella. Ces auteurs ont récemment signalé que l’abondance de Veillonella augmente dans le microbiote intestinal et que sa voie Methylmalonyl-CoA est surexprimée après l’exercice ; en outre, ils ont démontré que chez les souris, l’inoculation de Veillonella améliorait les performances au tapis roulant, qui étaient également améliorées par le propionate administré par perfusion intracolonique30. Ainsi, ces études suggèrent que la modulation de la production d’AGCC par le microbiote intestinal affecte le métabolisme énergétique pendant l’exercice et contribue donc à l’adaptation induite par l’exercice.

Il est important de souligner que la composition du microbiote intestinal humain reste relativement stable dans le temps, en montrant une certaine résistance aux perturbations42, ou en revenant totalement ou partiellement à la composition précédente après l’arrêt du stimulus43. Il peut fluctuer dans le temps, en particulier pendant la maladie et les premiers stades du développement42. La résilience aux perturbations implique que les changements positifs dans l’exercice et les habitudes alimentaires visant à induire des effets positifs sur le microbiote doivent être maintenus pendant une longue période pour être efficaces…

 

Retrouvez l’article complet et bien d’autres dans notre numéro 23