Microplastics: fate in the human digestive environment in vitro and study of the epithelium / microbiota / mucus dialogue - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2022

Microplastics: fate in the human digestive environment in vitro and study of the epithelium / microbiota / mucus dialogue

Microplastiques : devenir dans l’environnement digestif humain in vitro et étude du dialogue épithélium / microbiote / mucus

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Elora Fournier
  • Function : Author
  • PersonId : 1090340

Abstract

Over the last half-century, plastic production has exploded resulting in environmental pollution. Accumulated plastics can be degraded into smaller pieces known as microplastics (MPs) found everywhere, and especially in the food chain. MPs have been detected in human feces and colon biopsies attesting of their transit through the gastro-intestinal tract (GIT). However, to date, little is known about the fate and potential effects of MPs in the human digestive sphere, particularly in the infant at-risk population. During their GIT travel, MPs can interact with physico-chemical digestive parameters, as well as gut microbiota, intestinal epithelium and its covering mucus layer. This joint PhD between MEDIS (Clermont-Ferrand) and Toxalim (Toulouse) aimed to investigate the fate of virgin MPs of polyethylene (PE), the most manufactured plastic polymer worldwide, in the adult and infant gut. This was studied using an original in vitro approach combining a human colon model and intestinal cells in culture. This doctoral research started with evaluating the impact of various stool conservative methods (48-h freezing -80°C, 48-h freezing -80°C with glycerol or lyophilization with maltodextrin/trehalose) on gut microbiota composition and activity in the Mucosal Artificial Colon (M-ARCOL), set-up under adult conditions. We showed that inoculating with raw frozen stool (48-h at -80°C) was the best option among those tested compared to fresh stools. Next, the M-ARCOL model was adapted to the specific toddler conditions in a new configuration termed Tm-ARCOL. This adaptation allowed to reproduce in vitro the main particularities associated to infant microbiota, such as lower bacterial diversity and higher abundance of Bifidobacteriaceae, together with higher concentrations of acetate and lower amounts of propionate and butyrate, as compared to adults. Then, we assessed the effects of a chronic ingestion of PE MPs on adult and infant microbiota using M-ARCOL and Tm-ARCOL, respectively, as well as the indirect impact of gut microbe metabolites after PE MP exposure on the intestinal barrier simulated by a co-culture of Caco-2 and mucus-secreting HT29-MTX cells. Interestingly, the effect of PE MP exposure on the gut microbiota was donor-dependent and resulted in an increase in potential pathobionts, like Enterobacteriaceae, regardless of age conditions. Regarding the activity of the gut microbiota, we showed for the first time that PE MP exposure was associated with a significant decrease in butyrate production in infant conditions, while skatole production increased significantly in adults. In contrast, no significant impact of PE MPs on the intestinal barrier, as mediated by changes in gut microbial metabolites, was evidenced. This PhD work provided pioneering and significant insights into the interactions of PE MPs with the adult and infant human gut microbiota and the intestinal barrier, filling some of the gaps in knowledge on MP behavior in the human GIT. This work contributes to a better understanding of MP health risk assessment for public policies. In the near future, our in vitro approach could be used for further investigations on more representative MP types (forms, sizes, aged and/or contaminated particles), in healthy but also disturbed situations including an altered gut barrier and dysbiotic microbiota (e.g. obesity, inflammatory bowel syndrome or inflammatory bowel diseases).
Au cours des 50 dernières années, la production plastique a fortement augmenté, conduisant à une pollution environnementale massive. Les plastiques accumulés peuvent être dégradés en particules de plus petites tailles appelées microplastiques (MPs) et retrouvées tout au long de la chaîne alimentaire. Chez l’Homme, les MPs ont été détectés dans les selles et le côlon, attestant de leur transit le long du tractus gastro-intestinal (TGI). Cependant, à ce jour, peu de travaux ont évalué le devenir et les effets potentiels des MPs dans la sphère digestive humaine, en particulier chez les enfants. Au cours de leur transit gastrointestinal, les MPs peuvent interagir avec les processus physico-chimiques liés à la digestion, le microbiote intestinal, l'épithélium intestinal, ou encore le mucus. Cette thèse, menée conjointement entre MEDIS (Clermont-Ferrand) et Toxalim (Toulouse), visait à étudier le devenir de MPs vierges de polyéthylène (PE), polymère plastique le plus fabriqué au monde, dans l’environnement digestif de l'adulte et de l'enfant. Cette étude a été réalisée grâce à une approche in vitro originale, combinant un modèle de côlon humain et des cellules intestinales en culture. Ces travaux de thèse ont tout d’abord évalué l'impact de différentes méthodes de conservation des selles (congélation à -80°C/48h, congélation à -80°C/48h avec du glycérol ou lyophilisation maltodextrine/tréhalose) sur la composition et l'activité du microbiote intestinal dans le modèle Mucosal Artificial Colon (M-ARCOL), en conditions adultes. Nous avons montré que l'inoculation du bioréacteur avec des selles congelées brutes (80°C/48-h) était la meilleure option parmi celles testées comparativement aux selles fraîches. Ensuite, le dispositif M-ARCOL a été adapté aux conditions spécifiques du côlon chez l’enfant dans une nouvelle configuration appelée Tm-ARCOL. Cette adaptation a permis de reproduire in vitro les principales particularités associées au microbiote des enfants, comme une diversité bactérienne plus faible et une abondance plus importante des Bifidobacteriaceae, ainsi que des concentrations plus élevées en acétate et plus faibles en propionate et butyrate, comparativement aux adultes. Nous avons ensuite évalué les effets d'une ingestion chronique de MPs de PE sur le microbiote de l’adulte et de l’enfant en utilisant respectivement les modèles MARCOL et Tm-ARCOL, ainsi que l’effet indirect des surnageants de fermentation (contenant les métabolites issus des microbiotes intestinaux) sur la barrière intestinale mimée par la mise en œuvre d’une co-culture de cellules Caco-2 et HT29-MTX productrices de mucus. Les effets de l’exposition aux MPs de PE sur le microbiote intestinal se sont révélés donneur-dépendants. Les MPs induisent une augmentation de souches potentiellement pathogènes, comme les Enterobacteriaceae, et ce indépendamment des conditions d’âge. Concernant l'activité du microbiote intestinal, nous avons montré pour la première fois que l'exposition aux MPs de PE était associée à une diminution significative de la production de butyrate chez les enfants, tandis que la production de scatole augmentait chez les adultes. En revanche, aucun impact significatif des MPs de PE sur la barrière intestinale, régi par les modifications des métabolites microbiens, n'a été mis en évidence. Ce travail de thèse a fourni des informations pionnières et importantes sur les interactions des MPs de PE avec le microbiote intestinal humain adulte et enfant, mais aussi avec la barrière intestinale, permettant de mieux appréhender le comportement des MPs de PE dans le TGI humain. Ce travail s’inscrit dans une meilleure compréhension de l'évaluation du risque sanitaire des MPs en appui aux politiques publiques. Dans un futur proche, notre approche in vitro pourrait être mise à profit pour des études plus fines sur des MPs plus représentatifs de l’exposition environnementale (formes, tailles, particules vieillies et/ou contaminées) dans des situations saines ou physiopathologiques, notamment en cas de barrière intestinale altérée et de microbiote dysbiotique (par exemple, obésité, syndrome de l’intestin irritable ou maladies inflammatoires chroniques de l’intestin).
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Dates and versions

tel-03902647 , version 1 (16-12-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03902647 , version 1

Cite

Elora Fournier. Microplastiques : devenir dans l’environnement digestif humain in vitro et étude du dialogue épithélium / microbiote / mucus. Sciences du Vivant [q-bio]. Université Clermont Auvergne (UCA), 2022. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03902647⟩
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