Impact of dietary arachidonic acid intake on the gut microbiota and the gut-brain axis. Consequences for prevention of Alzheimer's disease by probiotics - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Impact of dietary arachidonic acid intake on the gut microbiota and the gut-brain axis. Consequences for prevention of Alzheimer's disease by probiotics

Impact d'un apport alimentaire en acide arachidonique sur le microbiote intestinal et l'axe intestin-cerveau. Conséquences pour une prévention de la maladie d'Alzheimer par les probiotiques

Abstract

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disease associated with aging, consisting of a major public health problem worldwide. There is currently no effective treatment or established preventions for this disease, highlighting the importance of the design of preventive strategies in the fight against this disease. Western diets are particularly rich in ω-6 fatty acids, especially arachidonic acid (ARA), which are converted into many inflammation mediators in the organism. Previous laboratory results have shown that dietary intake of ARA sensitizes mice to the neurotoxicity of Aβ peptide oligomers, the main agent of AD. In this thesis work, we studied the impact of this dietary intake of ARA on the fecal microbiota and the microbiota-gut-brain axis. For 9 to 12 weeks, three groups of 15 mice have consumed one of these 3 diets : a conventional murine diet (“Sdt-ARA” of 5% lipids), a moderately high-fat diet of 15% lipids including 31.9% of linoleic acid ("HL-ARA"), and a diet of 15% lipids including 25.3% linoleic acid and 6.6% ARA ("HL+ARA").Analysis of the fecal microbiota revealed that the "HL-ARA" diet promotes proliferation of the Bifidobacterium pseudolongum strain, which has been show to possess anti-inflammatory activities. Furthermore, the supply of ARA suppresses this proliferation by favouring Escherichia-Shigella multiplication (with potentiating effects on inflammation). A 3-to-11-fold increase in mRNA levels of the pro-inflammatory cytokines IL-1β and TNFα has been observed in the colon of mice fed with the "HL+ARA" diet. Enrichment of ARA led to an increase of the expression of other mediators of colon inflammation such as CD40, adiponectin, and ICAM-1, as well as the claudin 1 and occludin markers which are components of cellular tight junctions. Therefore, these changes in expression suggest that the integrity of the intestinal barrier has been compromised. Moreover, dietary intake of ARA led to a 10 fold increase in TNFα mRNA levels in mesenteric adipose tissue, while the impact on the liver was found to be much more moderate. At the cerebral level, a 9 weeks food intake of ARA led to a 1.5-1.8-fold increase in the protein level of GFAP in the hippocampus and the cortex, while no changes of the microglial marker Iba1 has not been reported. We also found decreased levels of IL-6 and TNFα mRNA in the global brain tissue.These results indicate that dietary intake of ARA induces low-grade systemic inflammation which may promote the expansion of an Alzheimer's-like process in the brain if an inducing signal occurs. As such, we also evaluated the impact of an innovative oral administration model of D-galactose, which has been described as an aging accelerator compound , leading to impairment of cognitive capacities, and the appearance of amyloid plaques in the mouse brains through elevated oxidative stress. We also studied the survival in the digestive tract of two strains of Streptococcus thermophilus with anti-inflammatory activity in vitro as reported by previous laboratory work, and of a strain of Lactobacillus plantarum capable of metabolizing ω-6 polyunsaturated fatty acids in conjugated fatty acids. This thesis work aims to assess the ability of these probiotic strains to fight against low-grade inflammation induced by dietary intake of ARAs and oxidative stress induced by D-galactose. New work is underway in the laboratory to investigate in more details all the biological processes at work in the different models and to determine the impact of probiotics on a combined administration of D-galactose and an ARA-enriched diet.
La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative associée au vieillissement, constituant un problème de santé publique majeure dans le monde. Il n’y a actuellement aucun traitement efficace ni de moyen reconnu de prévention de cette maladie. La conception de stratégies préventives est donc indispensable pour lutter contre ces maladies. L’alimentation occidentale est particulièrement riche en acides gras ω-6, notamment en acide arachidonique (ARA), converti en nombreux médiateurs de l’inflammation dans le corps. Des travaux antérieurs du laboratoire ont montré qu’un apport alimentaire en ARA sensibilise les souris à la neurotoxicité des oligomères de peptides Aβ, principal agent de la MA. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié l’incidence de cet apport alimentaire en ARA sur le microbiote fécal et l’axe microbiote-intestin-cerveau. Nous avons soumis pendant 9 à 12 semaines des cohortes de 15 souris à 3 régimes alimentaires, un régime conventionnel murin (« Sdt-ARA » de 5% de lipides), un régime modérément hyperlipidique de 15% de lipides dont 31,9% d’acide linoléique (« HL-ARA ») et un régime de 15% de lipides dont 25,3% d’acide linoléique et 6,6% d’ARA (« HL+ARA »). L’analyse du microbiote fécal a révélé que le régime « HL-ARA » favorise la prolifération de l’espèce Bifidobacterium pseudolongum dont les activités bénéfiques contre l’inflammation ont été rapportées, et que l’apport d’ARA supprime cette prolifération en favorisant celle du genre Escherichia-Shigella aux effets potentialisateurs de l’inflammation. Les niveaux d’ARNm des cytokines pro-inflammatoires IL-1β et TNFα ont augmenté entre 3 et 11 fois dans le colon des souris nourries avec le régime « HL+ARA ». D’autres médiateurs de l’inflammation colique comme CD40, adiponectine et ICAM-1 ont vu leur expression augmenter par l’enrichissement en ARA tout comme les marqueurs claudine 1 et occludine qui sont des constituants des jonctions serrées. Ces modifications d’expression suggèrent donc des modifications de l’intégrité de la barrière intestinale. L’apport alimentaire d’ARA a également élevé de plus de 10 fois les niveaux d’ARNm du TNFα dans le tissu adipeux mésentérique alors que le retentissement hépatique a été trouvé beaucoup plus modéré. Au niveau cérébral l’apport alimentaire en ARA entraine une augmentation de 1,5-1,8 fois des niveaux d’expression protéique de la GFAP après 9 semaines de régime dans les hippocampes et le cortex alors que ceux du marqueur microglial Iba1 n’a pas été modifié. Nous avons également mis en évidence une diminution des niveaux d’ARNm de l’IL-6 et du TNFα dans le tissu cérébral global.Ces résultats indiquent que l’apport alimentaire en ARA induit une inflammation de bas grade systémique qui pourrait favoriser l’expansion d’un processus de type Alzheimer dans le cerveau si un signal inducteur survient. A ce titre, nous avons également évalué l’impact d’un modèle d’administration per os innovant de D-galactose rapporté comme étant capable d’induire un vieillissement accéléré, une altération des capacités cognitives et l’apparition de plaques amyloïdes dans le cerveau des souris en élevant le stress oxydant. Nous avons également étudié la survie dans le tube digestif de deux souches de Streptococcus thermophilus dont les travaux antérieurs du laboratoire ont montré l’activité anti-inflammatoire in vitro et d’une souche de Lactobacillus plantarum capable de métaboliser les acides gras polyinsaturés ω-6 en acides gras conjugués. Ce travail de thèse a pour perspective d’évaluer la capacité de ces souches probiotiques à lutter contre l’inflammation de bas grade induite par l’apport alimentaire en ARA et le stress oxydant induit par le D-galactose. De nouveaux travaux sont en cours au laboratoire afin d’investiguer plus en détail l’ensemble des processus biologiques en oeuvre dans les différents modèles et de déterminer l’impact des probiotiques sur une administration conjointe de D-galactose et d’un régime riche en ARA.
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Katleen Pinchaud. Impact of dietary arachidonic acid intake on the gut microbiota and the gut-brain axis. Consequences for prevention of Alzheimer's disease by probiotics. Food and Nutrition. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0190⟩. ⟨tel-03632777⟩
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