Role of exclusive enteral nutrition in maintaining intestinal homeostasis in Crohn's disease

Les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) comprennent la maladie de Crohn (MC) et la rectocolite hémorragique. Ces maladies se caractérisent par une inflammation chronique de l'intestin, et sont dues à des facteurs génétiques et environnementaux. Parmi les facteurs génétiques, les mutations du gène Nod2, mutation confèrent le risque le plus élevé de développer une MC. Concernant les facteurs environnementaux, la consommation de viande rouge et d'aliments industrialisés, le tabac, ou encore la prise d'antibiotiques ont été associés aux MICI. De façon générale, la fonction de barrière intestinale est altérée dans les MICI, avec une augmentation de la perméabilité intestinale (PI) et une dysbiose intestinale. Des altérations des processus cellulaires nécessaires au renouvellement de l'épithélium intestinal ont été décrites dans les MICI. Compte tenu de la caractéristique inflammatoire présente dans les MICI, la majorité des traitements ciblent l'inflammation de façon à l'atténuer et à induire une rémission clinique. La rémission macroscopique, ou "mucosal healing" est corrélée à une rémission à long-terme, qui semble suggérer une cicatrisation fonctionnelle de la muqueuse intestinale. Bien que cette rémission puisse être atteignable avec certains traitements anti inflammatoires, la nutrition entérale exclusive (NEE) induit dans 80% des cas une rémission, avec notamment un "mucosal healing". La formule la plus utilisée en France, le Modulen IBD®, est une formule riche en TGF-beta2. Cette cytokine, connue pour ces rôles dans le maintien de l'homéostasie intestinale, a une production et une signalisation altérées chez les patients atteints de MICI. Bien que ces effets anti-inflammatoires soient connus, ses mécanismes d'action restent mal compris. L'objectif de mon doctorat visait à développer un modèle de colite expérimentale dans lequel nous avons étudié les effets et les mécanismes d'action d'une NEE enrichie en TGF-beta2 dans le maintien de l'homéostasie intestinale, dans un modèle murin de MC. Nos résultats ont confirmé les propriétés anti-inflammatoires de la NEE dans un modèle murin de MC induit par dextran sulphate de sodium (DSS), ainsi qu'un modèle murin de susceptibilité génétique de MC (Nod2-/-). Le Modulen IBD® a permis une récupération pondérale des souris, accompagnée d'une diminution de l'inflammation clinique, macroscopique, et une atténuation de l'inflammation microscopique. De plus, la PI élevée induite par le DSS a été normalisée. Cela suggère une fonctionnalité de l'épithélium intestinal et de la barrière intestinale améliorés. La diminution de l'inflammation clinique a aussi été observée avec une autre formule de NEE similaire au Modulen IBD® mais sans TGF-beta, démontrant ainsi le rôle de la composition nutritionnelle. En revanche, seule la présence du TGF-beta2 diminuait l'inflammation macroscopique et normalisait la PI. La modification du microbiote intestinal par la NEE participait également aux effets anti-inflammatoires et pro-régénérants de la NEE, démontré par le séquençage du microbiote intestinal et les expérimentations de transplantation du microbiote fécal. Enfin, les cryptes issues des colons traités ou non par NEE ont été mis en culture d'organoïdes en 3D. Les organoïdes des cryptes NEE présentaient une meilleure survie et différenciation cellulaires, par rapport aux organoïdes DSS. Ces améliorations cellulaires étaient accompagnées d'une normalisation de la méthylation des cytosines de l'ADN. En conclusion, la NEE possède des propriétés anti-inflammatoires, médiées notamment par sacomposante nutritionnelle. Celle-ci est potentialisée par le TGF-beta afin d'induire une régénération épithéliale et une fonctionnalité intestinale. De même, les changements du microbiote intestinal induit par la NEE sont impliqués dans les effets décrits et observés de la NEE. La NEE améliore les fonctions cellulaires intestinales et favorise un "imprinting" génomique des cellules intestinales.Inflammatory bowel diseases include Crohn's disease (CD) and ulcerative colitis. These diseases are characterized by chronic inflammation of the digestive tract, and are caused by genetic and environmental factors. Among the genetic factors, mutations in Nod2 gene confer the highest susceptibility to develop CD. Concerning environmental factors, the consumption of red meat and industrialized foods, smoking, or the use of antibiotics are also described to be associated with IBD development. In IBD pathophysiology, the intestinal barrier function is altered in IBD, with an increase of the intestinal permeability (IP) and an intestinal dysbiosis. Alterations in the cellular processes for intestinal epithelial regeneration have been also described in IBD. Given the inflammatory feature present in IBD, the majority of treatments target inflammation in order to attenuate it and induce clinical remission. Macroscopic remission, or "mucosal healing", is correlated with long-term remission, which seems to suggest functional healing of the intestinal mucosa. Although this remission may be achievable with some anti-inflammatory treatments, exclusive enteral nutrition (EEN) induces 80% of remission, including mucosal healing. The formula most commonly used in France, Modulen IBD®, is rich in TGF-beta2. This cytokine, known for its roles in maintaining intestinal homeostasis, has altered production and signaling in IBD patients. Although its anti-inflammatory effects are known, its mechanisms of action remain poorly understood. The objective of my Ph.D. project was to study the effects and mechanisms of action of EEN enriched with TGF-beta2 in the maintenance of intestinal homeostasis, in a mouse model of CD. Our results confirmed the anti-inflammatory properties of EEN in a wild-type mouse model of CD induced by dextran sulfate sodium (DSS), as well as a genetic predisposition to CD mice (Nod2-/-). Modulen IBD® resulted in weight recovery of the mice, accompanied by a decrease in clinical, macroscopic inflammation and an attenuation of microscopic inflammation. In addition, the elevated IP induced by DSS was normalized. This suggests an improvement of the intestinal epithelium and intestinal barrier functions. The decrease in clinical inflammation was also observed with another EEN formula similar to Modulen IBD® but without TGF-beta, demonstrating the role of nutritional composition. In contrast, only the presence of TGF-beta2 decreased macroscopic inflammation and normalized IP. In addition, modification of the gut microbiota by EEN partly mediates the anti-inflammatory and pro-regenerative effects of EEN, demonstrated by gut microbiota sequencing and fecal microbiota transplantation experiments. Finally, crypts from EEN-treated or not have been cultured into 3D organoids. Organoids from EEN crypts show improved cell survival and differentiation, compared to DSS organoids. These epithelial cellular improvements are accompanied by normalization of cytosine methylation. In conclusion, EEN has anti-inflammatory properties, mediated by its nutritional component. This is enhanced by TGF-beta to induce epithelial regeneration and intestinal functionality. Similarly, the EEN-induced gut microbiota is involved in the described and observed effects of EEN. EEN with Modulen IBD® improves intestinal cellular functions and promotes genomic imprinting of cells