Les bactéries intestinales jouent un rôle important dans la santé humaine et influencent tout, de la digestion à l’humeur en passant par le système immunitaire. La complexité du microbiome est toutefois époustouflante. Le nombre d’espèces bactériennes et leurs interactions avec la chimie humaine ont empêché les scientifiques de comprendre pleinement leurs effets. Dans une démarche révolutionnaire, des chercheurs de l’université de Tokyo ont appliqué une forme d’intelligence artificielle connue sous le nom de réseau neuronal bayésien pour étudier les bactéries intestinales. Leur objectif était de mettre en évidence des relations qui sont souvent ignorées par les méthodes traditionnelles d’analyse des données.
Un réseau neuronal examine un énorme ensemble de données sur les microbes intestinaux afin de fournir des indications sur la santé
Alors que le corps humain contient environ 30 à 40 billions de cellules humaines, l’intestin à lui seul abrite environ 100 billions de cellules bactériennes. En d’autres termes : Nous portons en nous plus de cellules bactériennes que de nos propres cellules. Les microbes intestinaux sont des micro-organismes tels que les bactéries, les champignons, les virus et les archées qui vivent dans le tube digestif de l’homme et qui forment ensemble ce que l’on appelle le microbiome intestinal. La plupart d’entre eux se trouvent dans le gros intestin. Malgré leur taille minuscule, ils jouent un rôle crucial pour notre santé. Ils soutiennent la digestion en décomposant les composants alimentaires que notre propre corps ne peut pas assimiler, notamment les fibres alimentaires. Il en résulte des produits métaboliques importants tels que les acides gras à chaîne courte, qui renforcent la paroi intestinale et fournissent de l’énergie au corps. De nombreuses bactéries intestinales produisent également des substances vitales, comme la vitamine K ou certaines vitamines B. Les microbes produisent et modifient également des milliers de composés appelés métabolites.
Ces petites molécules agissent comme des messagers chimiques, circulent dans le corps et influencent le métabolisme, le système immunitaire et même le fonctionnement du cerveau. Outre leur fonction dans la digestion, les microbes intestinaux protègent également contre les agents pathogènes en privant les germes nocifs de leur espace vital et en renforçant la barrière intestinale. Une grande partie du système immunitaire se trouve dans l’intestin, et les microbes contribuent à l’entraîner et à le maintenir en équilibre. Ils aident ainsi à réguler les inflammations et à éviter les réactions indésirables telles que les allergies. En outre, les microbes intestinaux entretiennent des échanges étroits avec le système nerveux. Par le biais de ce que l’on appelle l’axe intestin-cerveau, ils influencent notre humeur, notre comportement face au stress et peut-être même les processus cognitifs. Ils sont également importants pour le métabolisme: ils contribuent à déterminer le nombre de calories que nous absorbons à partir de la nourriture, le fonctionnement du métabolisme du sucre et la probabilité de développer un surpoids. Comprendre comment certaines bactéries produisent certains métabolites pourrait ouvrir de nouvelles voies pour promouvoir la santé en général.
“Le problème est que nous commençons tout juste à comprendre quelles bactéries produisent quels métabolites humains et comment ces relations évoluent en fonction des différentes maladies”, a expliqué le chercheur du projet Tung Dang, du laboratoire Tsunoda au sein du département des sciences de la vie. “En cartographiant précisément ces relations entre les bactéries et les produits chimiques, nous pourrions éventuellement développer des traitements personnalisés. Imaginez que l’on puisse cultiver une bactérie particulière pour produire des métabolites humains utiles, ou développer des thérapies ciblées qui modifient ces métabolites pour traiter des maladies”. Le plus grand défi réside dans la simple quantité de données. Étant donné que d’innombrables bactéries et métabolites interagissent de manière complexe, il est extrêmement difficile d’identifier des modèles significatifs. Pour s’attaquer à ce problème, Dang et son équipe se sont tournés vers des méthodes avancées d’intelligence artificielle (IA).
Leur système, appelé VBayesMM, utilise une approche bayésienne pour identifier les groupes de bactéries qui influencent de manière significative certains métabolites. Il mesure également l’incertitude de ses prédictions et permet ainsi d’éviter des conclusions exagérées mais erronées. “En testant des données réelles issues d’études sur les troubles du sommeil, l’obésité et le cancer, notre approche a systématiquement surpassé les méthodes existantes et identifié des familles de bactéries spécifiques qui correspondent à des processus biologiques connus”, explique Dang. “Cela nous donne la certitude qu’elle découvre de véritables corrélations biologiques et pas seulement des modèles statistiques sans signification”.
Comprendre les forces et les limites du système
Comme VBayesMM peut identifier et communiquer les incertitudes, il fournit aux chercheurs des connaissances plus fiables que les outils précédents. Bien qu’il soit optimisé pour de grandes quantités de données, l’analyse de vastes ensembles de données sur le microbiome reste coûteuse en termes de calcul. Avec le temps, ces coûts devraient toutefois diminuer à mesure que la puissance de calcul s’améliore. Le système fonctionne également au mieux lorsque les données bactériennes sont nombreuses par rapport aux données sur les métabolites ; dans le cas contraire, la précision peut diminuer. Une autre limitation réside dans le fait que VBayesMM traite les bactéries comme des acteurs indépendants, alors qu’elles interagissent souvent dans des réseaux complexes et interdépendants.
Les chercheurs prévoient de travailler avec des ensembles de données chimiques plus complets qui couvrent toute la gamme des produits bactériens, bien que cela pose de nouveaux défis pour déterminer si les produits chimiques proviennent de bactéries, du corps humain ou de sources externes comme l’alimentation. Les experts veulent également rendre VBayesMM plus robuste lorsqu’il s’agit d’analyser différents groupes de patients, en intégrant des relations ‘d’arbre généalogique’ bactériennes afin de faire de meilleures prédictions et de réduire encore le temps de calcul nécessaire à l’analyse. Pour les applications cliniques, l’objectif ultime est d’identifier des cibles bactériennes spécifiques pour des traitements ou des interventions nutritionnelles qui pourraient réellement aider les patients, afin de passer de la recherche fondamentale à des applications médicales pratiques. En utilisant l’IA pour explorer le monde vaste et complexe des microbes intestinaux, les chercheurs se rapprochent de l’exploitation du potentiel du microbiome pour transformer la médecine personnalisée.
Les microbes intestinaux pourraient également être la clé de nouvelles possibilités de prévention et de traitement des maladies cardiaques
Les maladies cardiovasculaires tuent près de 20 millions de personnes chaque année, ce qui en fait la première cause de mortalité dans le monde. Alors que les facteurs génétiques et le mode de vie influencent clairement la santé cardiaque d’une personne, les scientifiques découvrent aujourd’hui que les micro-organismes qui vivent dans l’intestin peuvent également avoir une influence importante. Ces microbes semblent jouer un rôle déterminant dans le développement de la maladie coronarienne (MC), même si leur rôle exact est longtemps resté obscur.
Des recherches récentes indiquent que le microbiome intestinal peut favoriser la maladie coronarienne par différentes voies biologiques et influencer l’inflammation et les processus métaboliques d’une manière qui a un impact sur les artères. Cependant, on ne sait toujours pas quelles bactéries spécifiques sont responsables – et comment elles contribuent à la progression de la maladie.
Cartographie des microbes dans les maladies coronariennes
Des chercheurs de Séoul commencent à percer ce mystère. Dans un article publié dans mSystems, une équipe dirigée par le Dr Han-Na Kim du Samsung Advanced Institute for Health Sciences and Technology à l’université Sungkyunkwan a étudié la manière dont les microbes intestinaux interagissent avec le système cardiovasculaire. “Nous sommes allés au-delà de l’identification de ‘quelles bactéries vivent là’ et nous avons découvert ce qu’elles font réellement dans le lien entre le cœur et l’intestin”, a expliqué Kim.
La maladie coronarienne (MC) est une maladie des artères coronaires, c’est-à-dire des vaisseaux sanguins qui alimentent le muscle cardiaque en oxygène et en nutriments. Dans cette maladie, les vaisseaux se rétrécissent en raison de dépôts de graisse, de cholestérol et de calcaire, appelés plaques. Ce processus insidieux est appelé artériosclérose ou calcification des vaisseaux. En raison du rétrécissement, moins de sang parvient au muscle cardiaque, surtout lorsque le cœur doit travailler davantage, par exemple en cas d’effort physique ou de stress. Il en résulte souvent une sensation de pression, d’oppression ou de douleur dans la poitrine, appelée angine de poitrine. Si une artère coronaire est complètement bouchée, une partie du muscle cardiaque ne reçoit plus d’oxygène, ce qui provoque un infarctus du myocarde.
La maladie coronarienne n’apparaît pas soudainement, mais se développe sur de nombreuses années. Les principaux facteurs de risque sont le tabagisme, l’hypertension, le diabète, l’augmentation du taux de cholestérol LDL, le manque d’activité physique, une mauvaise alimentation, l’obésité ainsi que la prédisposition génétique et le stress chronique. Les symptômes typiques sont, outre les douleurs thoraciques, l’essoufflement, une fatigue rapide à l’effort et des douleurs qui peuvent irradier dans le bras, l’épaule, la mâchoire ou le dos. La maladie coronarienne est dangereuse parce qu’elle passe souvent inaperçue pendant longtemps et qu’elle augmente considérablement le risque d’infarctus du myocarde, d’insuffisance cardiaque et de mort subite.
L’équipe a analysé des échantillons de selles de 14 personnes atteintes de maladie coronarienne et les a comparés à des échantillons de 28 participants en bonne santé à l’aide du séquençage du métagénome, une technique puissante qui permet d’identifier tout l’ADN présent dans un échantillon. Cette approche leur a permis de reconstruire la composition génétique de microbes individuels. À partir de cette analyse, les chercheurs ont identifié 15 espèces de bactéries associées à la maladie coronarienne et ont cartographié les voies qui relient ces microbes à la gravité de la maladie.
Inflammation, déséquilibre et déplacements microbiens
Selon Kim, “notre carte métagénomique à haute résolution montre un déplacement fonctionnel spectaculaire vers l’inflammation et les déséquilibres métaboliques, une perte de producteurs protecteurs d’acides gras à chaîne courte comme Faecalibacterium prausnitzii et une suractivation de voies métaboliques comme le cycle de l’urée, qui sont associées à la gravité de la maladie”. Les résultats indiquent que l’écosystème intestinal des personnes atteintes de la MCA subit des changements importants qui favorisent l’inflammation et perturbent les processus métaboliques normaux. Ces changements pourraient expliquer pourquoi le microbiome intestinal joue un rôle si important dans les maladies cardiovasculaires.
De manière surprenante, l’étude a également montré que des bactéries normalement considérées comme bénéfiques peuvent parfois devenir nocives. Des microbes comme Akkermansia muciniphila et F. prausnitzii, souvent considérés comme des espèces “amies”, semblent avoir des effets différents selon qu’ils proviennent d’un intestin sain ou malade. Cette double nature, selon Kim, illustre comment le contexte peut même transformer des microbes protecteurs en agents pathogènes.
Les résultats ont également montré à quel point il est complexe d’associer certaines bactéries à l’évolution d’une maladie. Des recherches antérieures avaient signalé que certaines espèces de la famille des Lachnospiraceae diminuaient chez les personnes atteintes de maladie coronarienne. Cependant, l’équipe de Kim a découvert que d’autres espèces de Lachnospiraceae voient en fait leur fréquence augmenter. “Les Lachnospiraceae sont peut-être un peu comme les Dr Jekyll et Mr Hyde de l’intestin”, a déclaré Kim. Certaines espèces semblent être utiles, tandis que d’autres peuvent aggraver des maladies. La grande question sans réponse est maintenant de savoir quelles souches sont bénéfiques et quelles souches causent des problèmes.
Vers une médecine microbienne précise
Les chercheurs prévoient de combiner les données microbiennes avec des informations génétiques et métaboliques afin de mieux comprendre comment les microbes intestinaux influencent les maladies cardiaques au niveau mécanistique. Leur objectif à long terme est de développer des traitements basés sur la précision qui utilisent les connaissances microbiennes pour prévenir les maladies cardiovasculaires avant qu’elles ne surviennent.
Kim a souligné que la prévention était l’approche la plus prometteuse pour réduire l’impact global des maladies cardiaques. Les stratégies possibles pourraient être des thérapies microbiennes – comme des dépistages diagnostiques basés sur les selles – ou des interventions nutritionnelles visant à restaurer les bactéries utiles ou à inhiber les processus nocifs. En découvrant les espèces bactériennes et les mécanismes biologiques spécifiques, les scientifiques se rapprochent de l’utilisation du microbiome intestinal comme outil efficace pour préserver la santé cardiaque.