Le métabolisme du butyrate et du glucose par les colonocytes dans la colite expérimentale chez la souris / l’intestin
Discussion
Les AGCS, y compris l’acétate, le propionate et le butyrate, produits par fermentation bactérienne dans le côlon, influencent la fonction des cellules épithéliales du côlon de diverses manières. Ils sont la principale source d’énergie métabolique pour les colonocytes et sont nécessaires au maintien d’une fonction muqueuse normale.21314 Les AGCS, principalement le butyrate, fournissent au colonocyte environ 70% de son énergie. Dans les colonocytes sains, l’ordre d’utilisation des différents substrats disponibles pour la muqueuse colique est le butyrate > glucose > corps cétoniques > glutamine.2 En cas d’altération métabolique spécifique, comme cela est supposé se produire dans la colite ulcéreuse, 3 colonocytes se prévaudront de substrats alternatifs pour compenser le déficit énergétique.
Cette étude montre que le métabolisme des colonocytes chez la souris est similaire à celui de l’homme, du rat et d’autres espèces rapporté dans la littérature1516 en utilisant le butyrate pour le métabolisme oxydatif de préférence au glucose. L’étude montre également que l’oxydation du butyrate par les colonocytes est altérée dans la colite DSS chez la souris. L’altération est spécifique, car l’oxydation du glucose se poursuit à des niveaux normaux (voire augmentés) dans la colite DSS. La réduction de l’oxydation du butyrate de 80% dans la colite DSS II se traduira par une diminution globale d’environ 55% de l’énergie cellulaire, très légèrement compensée par une oxydation accrue du glucose. Le colonocyte effectue de nombreux processus dépendants de l’énergie vitaux pour la santé, notamment l’échange d’électrolytes, la synthèse de mucines, la synthèse de lipides, la synthèse de protéines structurelles et la détoxification.17-20 La perte d’énergie cellulaire peut altérer tous ces processus, et peut contribuer à des dommages aux cellules épithéliales et à la perte dans la colite DSS. La famine épithéliale du côlon peut entraîner une atrophie à court terme et une colite à long terme.
L’altération de l’oxydation du butyrate était sensiblement plus importante chez les souris exposées à deux cycles de DSS (DSS II) que chez celles exposées à un seul cycle (DSS I). Une plus grande réduction de l’oxydation du butyrate chez les souris DSS II est corrélée à des changements histologiques plus sévères, consistant en une perte de crypte appréciable, une dysplasie et une atypie régénératrice. Le cours temporel du développement du métabolisme du butyrate altéré par rapport aux changements histologiques est important pour déterminer l’importance des changements dans le métabolisme. Les premiers changements histologiques ont été notés après trois jours d’administration du DSS, bien que ces changements soient limités et inégaux. Les premiers changements comprenaient la perte de cellules à certaines bases de la crypte et des défauts de la muqueuse muscularis, qui ont été suivis presque immédiatement d’une infiltration inflammatoire. Une altération substantielle du métabolisme n’était détectable qu’au jour 6, date à laquelle les changements histologiques étaient assez prononcés. Ceci, associé au fait que l’incubation du DSS avec les colonocytes n’a pas modifié le métabolisme cellulaire, soulève la forte possibilité que les changements dans le métabolisme des cellules épithéliales soient secondaires à une inflammation des muqueuses. Cependant, si le métabolisme cellulaire devait être affecté de manière non spécifique par une inflammation, le métabolisme du butyrate et du glucose devrait être diminué. L’augmentation compensatoire du métabolisme du glucose observée dans la colite du DSS suggère une altération spécifique du métabolisme du butyrate. Comme la lésion initiale de la colite DSS est inégale, il est possible que le métabolisme altéré (même s’il s’agissait d’un événement primaire) ne devienne pas perceptible avant les derniers stades de la maladie.
Les colonocytes mûrissent lorsqu’ils migrent vers le haut de l’axe de la surface de la crypte. Un certain nombre de changements dans l’expression des protéines et la fonction cellulaire sont associés à ce processus.21 Dans n’importe quelle condition entraînant des dommages épithéliaux, l’épithélium de surface peut être fonctionnellement immature. Toute altération fonctionnelle de l’épithélium (telle qu’une altération de l’oxydation du butyrate) dans cette situation peut hypothétiquement être secondaire à l’immaturité de l’épithélium. Nous avons donc examiné la possibilité que les cellules de surface (matures) et les cellules cryptées (immatures) aient des capacités différentes pour métaboliser le butyrate. Les cellules de surface ont montré une capacité quantitativement plus grande à oxyder à la fois le butyrate et le glucose que les cellules cryptées (environ 4,5 fois et 3,5 fois respectivement). Dans cette étude, nous n’avons pas examiné l’utilisation de la glutamine, qui, bien que peu importante quantitativement dans les colonocytes normaux, peut être améliorée dans les explants du côlon de patients atteints de colite ulcéreuse.22 Le rapport du butyrate à l’oxydation du glucose était également élevé dans les cellules de surface et les cellules cryptées (12:1 et 10: 1), ce qui suggère que les cellules cryptées et de surface montrent une préférence pour le butyrate comme substrat pour la production d’énergie. Le rapport d’utilisation du butyrate sur le glucose sensiblement réduit observé dans la colite DSS suggère que la diminution de l’oxydation du butyrate dans la colite DSS n’est pas liée à la maturité des colonocytes.
La production de corps cétoniques, en particulier la production de β-hydroxybutyrate, a également été affectée dans la colite DSS par rapport aux souris témoins normales. L’inhibition concomitante de la production de CO2 et de la production de corps cétoniques à partir du butyrate dans la colite DSS suggère une altération de la voie de β-oxydation plutôt que de la voie de Lynen (corps cétonique) ou du cycle de Krebs. Le changement préjudiciable de l’oxydation des acides gras mais pas de l’oxydation du glucose dans les colonocytes de souris traitées par DSS suggère également le maintien du cycle de Krebs et donc des fonctions mitochondriales dans la cellule.
Une oxydation altérée du butyrate, mais pas du glucose, a été notée chez des colonocytes isolés de patients atteints de colite ulcéreuse active et au repos.32022-24 L’incapacité des autres enquêteurs2526 à confirmer une telle conclusion a été attribuée à de possibles différences de méthodologie.1 Le schéma de métabolisme anormal décrit dans la colite ulcéreuse est similaire à celui noté dans la colite DSS dans cette étude. L’ibuprofène, un anti-inflammatoire non stéroïdien impliqué dans le développement de la colite, diminue l’oxydation du butyrate mais pas l’oxydation du glucose lorsqu’il est ajouté à des colonocytes normaux in vitro.27 De même, la réduction des composés soufrés, également impliqués dans le développement de la colite ulcéreuse, altère sélectivement l’oxydation du butyrate dans les colonocytes humains et de rat, avec une légère augmentation compensatoire de l’oxydation du glucose.28-30 Dans chacune des situations ci-dessus, le schéma métabolique est similaire à celui de la colite DSS. La famine des colonocytes, secondaire au manque de butyrate luminal, est la cause présumée de la colite de dérivation.5 Dans cette maladie, le glucose dérivé de la circulation est vraisemblablement disponible pour les colonocytes et métabolisé normalement par ceux-ci. D’autre part, une carence en SCFA luminal chez le rat provoque une atrophie mais pas les autres modifications de la colite.3132 Il semble donc qu’une altération du métabolisme énergétique à elle seule puisse ne pas suffire à induire une colite, et que d’autres facteurs, vraisemblablement d’origine luminale, sont nécessaires à toutes les manifestations de la colite.
Les lavements au butyrate sont efficaces pour améliorer le tableau histologique de la colite de dérivation et de la colite ulcéreuse.533 Leur utilité dans la colite ulcéreuse a été particulièrement difficile à expliquer, et une action de masse a été invoquée.31 Dans les présentes études, il a été noté que la concentration en substrat augmentait quantitativement l’oxydation du substrat non seulement dans les colonocytes normaux, mais également dans la colite du DSS. Alors que l’augmentation de l’oxydation du butyrate était d’environ 15 fois dans les colonocytes témoins, elle n’était que d’environ huit fois dans les colonocytes d’animaux traités par DSS, car la concentration de butyrate augmentait de 10 à 80 mM. Cette augmentation, en termes pratiques, équivaudrait à une disponibilité beaucoup plus grande de l’énergie cellulaire, et pourrait expliquer le bénéfice observé avec les lavements au butyrate dans la colite ulcéreuse. Bien que le butyrate à des concentrations élevées puisse induire une apoptose dans les lignées cellulaires, ces études n’ont utilisé que des incubations à court terme (45 minutes) et la viabilité cellulaire n’a pas été démontrée pendant cette période.
Le DSS a un effet cytotoxique direct sur les cellules épithéliales intestinales et les lymphocytes intraépithéliaux.34 Dans la présente étude, un effet direct du DSS sur le métabolisme des colonocytes a été exclu parce que le DSS ajouté in vitro à des colonocytes normaux n’a pas altéré de manière significative le métabolisme du butyrate. La réduction des composés soufrés, principalement le sulfure, nuit à l’oxydation du butyrate par les colonocytes humains et de rats.28-30 Cette altération peut survenir au niveau de la butyryl-COA déshydrogénase.35 Des composés soufrés réducteurs peuvent être produits par l’action de bactéries intestinales sur des polysaccharides sulfatés.3036 DSS, un polysaccharide sulfaté, peut augmenter la disponibilité colique de sulfate et peut stimuler les bactéries réductrices de sulfate pour générer des niveaux plus élevés de sulfure, qui sont éventuellement toxiques pour la muqueuse colique. Les bactéries réductrices de sulfate sont augmentées dans le côlon des patients atteints de colite ulcéreuse.37 La possibilité que des bactéries luminales soient nécessaires dans la pathogenèse de la colite DSS est étayée par l’observation que le métronidazole protège contre la colite DSS.38 De même, le caragéénane, un polysaccharide sulfaté, induit une colite chez les souris normales mais pas chez les souris exemptes de germes.39 D’autre part, une colite DSS a été signalée chez des souris exemptes de germes.40 Il est évident que la pathogenèse de l’oxydation altérée du butyrate dans la colite DSS nécessitera des explications supplémentaires.
En conclusion, la colite DSS provoque un défaut d’oxydation du butyrate des colonocytes, avec une augmentation compensatoire de l’oxydation du glucose, ressemblant étroitement à des anomalies de la colite ulcéreuse humaine. En raison de la nature inégale de la lésion muqueuse initiale, il n’est pas clair si l’altération du métabolisme cellulaire est un phénomène primaire ou secondaire à une inflammation des muqueuses. Dans les deux cas, comme les cellules épithéliales du côlon ont d’importantes fonctions de barrière et de détoxication, une altération du métabolisme du butyrate peut contribuer de manière significative à la pathogenèse de la colite.
