L'augmentation dépendante du microbiote intestinal de l'acide phénylacétique induit la sénescence des cellules endothéliales pendant le vieillissement

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Mécanismes moléculaires par lesquels le microbiote intestinal et ses métabolites induisent la sénescence des cellules endothéliales vasculaires au cours du vieillissement — Analyse des dernières avancées publiées dans Nature Aging

I. Contexte et importance de l’étude

Dans un contexte sociétal mondial marqué par un vieillissement démographique avancé, les maladies cardiovasculaires (cardiovascular disease, CVD) représentent l’une des menaces les plus graves pour la santé des populations âgées. Les données épidémiologiques actuelles montrent que le vieillissement est l’un des facteurs de risque majeurs pour les maladies cardiovasculaires. Cependant, les bases cellulaires sous-jacentes à la détérioration du système cardiovasculaire, en particulier la dysfonction des cellules endothéliales vasculaires (endothelial cell, EC) — et plus précisément leur sénescence — restent mal élucidées quant à leurs déclencheurs moléculaires et aux mécanismes de régulation in vivo.

Ces dernières années, le microbiote intestinal, considéré comme le “second génome humain” après le génome nucléaire, a suscité un intérêt croissant pour son rôle dans divers aspects du métabolisme, de l’immunité et de l’inflammation, s’avérant directement lié à de nombreuses pathologies. De nombreuses preuves attestent que le microbiote intestinal, en dégradant les composants alimentaires, produit une grande variété de métabolites — des acides gras à chaîne courte bénéfiques (short-chain fatty acid, SCFA) mais aussi des dérivés potentiellement délétères des acides aminés aromatiques (tel que l’acide phénylacétique, phenylacetic acid, PAA) — qui, via l’axe intestin-vaisseau, influencent la santé cardiovasculaire, la réponse inflammatoire, voire le vieillissement lui-même.

Fait notable, des études précliniques et cliniques ont suggéré que certains micro-organismes intestinaux dégradant la phénylalanine alimentaire génèrent du PAA et son produit aval, la phénylacétylglutamine (phenylacetylglutamine, PAGln), et que l’augmentation de ces métabolites est associée aux événements cardiovasculaires indésirables et au risque de mortalité globale chez les personnes atteintes d’anémie ou d’insuffisance rénale chronique. Mais les modes d’action du PAA sur les cellules endothéliales vasculaires, sa contribution à la sénescence, à la dysfonction vasculaire, et les réseaux moléculaires impliqués restaient largement inexplorés.

La présente étude a donc été conduite à la croisée de ces besoins cliniques et de ces zones d’ombre scientifiques, cherchant à élucider l’axe d’interaction inédit “microbiote intestinal — PAA — sénescence endothéliale”, et à interroger la valeur thérapeutique potentielle des SCFA (notamment l’acétate) dans la prévention du vieillissement vasculaire. L’objectif est d’ouvrir de nouvelles pistes et de proposer de nouvelles cibles dans la lutte contre les maladies cardiovasculaires liées à l’âge.

II. Origine de l’article et informations sur les auteurs

L’étude, intitulée “Gut microbiota-dependent increase in phenylacetic acid induces endothelial cell senescence during aging”, a été publiée dans le numéro de juin 2025 de la revue Nature Aging (Nature Aging, Volume 5, June 2025, Pages 1025–1045, DOI: https://doi.org/10.1038/s43587-025-00864-8).

L’article est le fruit d’une collaboration internationale entre Seyed Soheil Saeedi Saravi (auteur de correspondance), Benoit Pugin, Florentin Constancias, Khatereh Shabanian et d’autres chercheurs issus de l’Université de Zurich, l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, l’Hôpital de Saint-Gall, l’Université de Bergame en Italie, l’Imperial College London, l’Hôpital universitaire de Zurich (Suisse), etc. Cette étude reflète l’innovation et l’expertise multidisciplinaire d’équipes de recherche de renom mondial.

III. Plan expérimental et protocole

1. Cadre général de l’étude

L’étude se concentre sur la façon dont les métabolites bactériens intestinaux, et plus particulièrement le PAA, favorisent la sénescence des cellules endothéliales vasculaires, tout en évaluant le potentiel modulateur de l’acétate dans ce processus. Du grand échantillon clinique au modèle animal, jusqu’à l’investigation des mécanismes cellulaires et moléculaires, l’approche est globale et rigoureuse. Les principales étapes expérimentales comportent :

  • Analyse clinique de grande cohorte (TwinsUK cohort, n=7303)
  • Modèles animaux (murins) simulant le vieillissement humain
  • Intégration de la métagénomique intestinale et de la métabolomique
  • Validation des fonctions bactériennes du genre Clostridium sp. asf356
  • Expérimentations phénotypiques et mécanistiques sur les cellules endothéliales in vitro et in situ
  • Approches d’intervention originales (supplémentation en acétate, utilisation de molécules sénolytiques)

2. Étapes et méthodes expérimentales détaillées

2.1 Analyse dynamique des niveaux de PAA et PAGln dans les cohortes humaines et chez les animaux

  • Cohorte humaine TwinsUK : utilisation de la métabolomique non ciblée pour mesurer les taux plasmatiques de PAA et PAGln chez 7303 personnes de 18 à 95 ans. Analyses statistiques de régression linéaire et corrélations avec l’âge.
  • Modèle murin : recours à des souris C57BL/6J jeunes (3 mois) et âgées (>24 mois) ; dosage métabolomique ciblé du PAA et du PAGln plasmatiques ; exclusion des biais liés à la fonction rénale (n=6 par groupe, contrôles rigoureux).

2.2 Métagénomique intestinale et identification des voies de synthèse du PAA

  • Métagénomique fécale murine : collecte des selles à différents âges pour séquençage shotgun.
  • Analyse des voies métaboliques via KEGG : identification, via l’analyse des bases de données, des deux voies principales de décarboxylation oxydative menant au PAA — phenylpyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PPFOR) et α-ketoisovalerate:ferredoxin oxidoreductase (VOR) — et étude des modifications de leur abondance génétique avec l’âge.
  • Analyse ANCOM et transformation CLR : identification des modifications significatives de la structure bactérienne, en particulier de l’abondance des bactéries positives PPFOR/VOR.

2.3 Validation fonctionnelle de genres bactériens associés

  • Analyse de corrélation : analyse par échelon spearman pour identifier les bactéries associées aux variations du taux plasmatique de PAA.
  • Culture fonctionnelle in vitro : culture pure et anaérobie du Clostridium sp. asf356 sélectionné dans un milieu enrichi en phénylalanine ; mesure de sa capacité à produire PAA et PAGln par LC-MS/MS.
  • Validation méta-taxonomique sur la cohorte humaine TwinsUK : analyse sur 900 individus de l’association des bactéries du genre Clostridium (porteuses du gène PPFOR) avec le PAA/PAGln.

2.4 Validation des effets fonctionnels et du phénotype de sénescence in vivo

  • Expérience de colonisation par Clostridium sp. asf356 : colonisation orale de souris jeunes prétraitées par antibiotiques, puis comparaison des taux de PAA plasmatiques, de l’élasticité artérielle (myographie), et évaluation des marqueurs de sénescence cellulaire (SA-β-Gal, p16^Ink4a, γ-H2A.X, IL-1β/IL-6).
  • Intervention sénolytique : traitement des groupes colonisés par dasatinib (5 mg/kg) + quercétine (50 mg/kg) pour éliminer les cellules sénescentes et analyser la restauration des fonctions vasculaires et de la capacité angiogénique.

2.5 Validation in vitro/in vivo des effets directs du PAA

  • Stimulation de cellules endothéliales humaines (HAEC) : exposition à 10 μM de PAA pendant 72h ; comparaison avec des cellules âgées par sénescence réplicative (passages P15-17) ; évaluation de SA-β-Gal, Ki67, suppresseurs tumoraux (p16Ink4a…), cytokines inflammatoires et VCAM1.
  • Administration systémique de PAA chez la souris : injections intrapéritonéales de PAA pendant 4 semaines ; examen de la structure artérielle (élasticité, collagène III, MMP-9), sénescence et dysfonction endothéliale, capacité angiogénique.
  • Méthodologie innovante Mito-HyPer7.2 : transduction adénovirale de la sonde Hyper7.2 ciblant la mitochondrie pour visualiser la production de H₂O₂ induite par PAA en temps réel.
  • Analyseur Seahorse XF : monitoring des fonctions respiratoires mitochondriales (OCR), glycolyse (ECAR) et production d’ATP pour évaluer l’impact métabolique du PAA.

2.6 Exploration du potentiel protecteur anti-sénescence de l’acétate

  • Co-traitement acétate/PAA in vitro : supplémentation en acétate de sodium (3 μM) pour examiner son effet antagoniste sur la sénescence, le stress oxydant, les troubles énergétiques, le SASP, le maintien des télomères (hTERT) et la réparation de l’ADN induits par le PAA.
  • Études mécanistiques : exploration des voies NAD+—SIRT1—NRF2 antioxydantes et du module inflammatoire NF-κB, avec validation causale par perte de fonction (si-SIRT1, inhibiteur NRF2).

IV. Résultats principaux et données de chaque étape

1. Dynamique du PAA et du PAGln chez l’humain et la souris

  • L’augmentation de l’âge s’accompagne d’une élévation significative de PAA plasmatique (r=0,06, p,001) et de PAGln (r=0,25, p,001) indépendante de la fonction rénale.
  • Les souris âgées présentent également une hausse marquée de PAA et PAGln, confirmant une association étroite avec le vieillissement.

2. Modification fonctionnelle du microbiote et enrichissement de certaines souches

  • L’analyse fonctionnelle métagénomique révèle une élévation très significative des gènes PPFOR/VOR dans le microbiote fécal des souris âgées (p<1e-4), la proportion de genres PPFOR+/VOR+ s’élève à 72% chez les vieux contre 42% chez les jeunes.
  • Clostridium sp. asf356 est la seule souche PPFOR+ significativement corrélée à l’élévation de PAA, avec une abondance accrue chez les souris âgées.
  • Validation humaine via TwinsUK : le genre Clostridium (porteur du gène PPFOR) est fortement corrélé au PAA plasmatique (p=2,45e-5).

3. Expériences de colonisation par Clostridium sp. asf356

  • Après colonisation, la concentration plasmatique de PAA augmente d’environ 3,15 fois, celle de PAGln de 1,7 fois ; diminution de l’élasticité artérielle, augmentation de la graisse périartérielle et viscérale, hausse généralisée des marqueurs de sénescence et d’inflammation (p16Ink4a, γ-H2A.X, IL-1β/IL-6, SA-β-Gal), perte de la fonction de relaxation vasculaire et de la capacité angiogénique.
  • La combinaison sénolytique (Dasatinib + Quercétine) élimine efficacement ces phénotypes, restaurant la fonctionnalité endothéliale.

4. Études mécanistiques sur la sénescence accélérée induite par le PAA

  • Stimulation des cellules endothéliales humaines par le PAA : phénotype de sénescence comparable à celui des cellules âgées (taille augmentée, aplatissement, plurinuclearité), diminution de Ki67, augmentation de p16Ink4a/p19Ink4d/p21, SASP exacerbée (IL-1β/IL-6/VCAM1), dommages à l’ADN accrus.
  • Les sénolytiques Dasatinib et Quercétine éliminent sélectivement ces cellules sénescentes et restaurent la capacité angiogénique.

5. PAA, stress oxydatif, troubles énergétiques et réseaux épigénétiques

  • Le PAA induit une production excessive de H₂O₂ mitochondrial (rapport HyPer7.2 x2), sur-régule NOX4, abaisse l’expression de l’antioxydant GPX1, entraînant un stress oxydant aggravé.
  • Analyses Seahorse : forte réduction (jusqu’à 40-50%) de la respiration mitochondriale basale, maximale, et de la production d’ATP ; glycolyse également diminuée.
  • Au niveau épigénétique, le PAA, par l’intermédiaire du H₂O₂ induit, active la phosphorylation de CaMKII, favorise la phosphorylation et l’export cytosolique de HDAC4, levant l’inhibition sur le SASP (dont VCAM1), supprime la phosphorylation d’eNOS, affectant la relaxation vasculaire et l’angiogenèse.

6. Intervention acétate et mécanismes de signalisation

  • Les niveaux fécaux d’acétate chutent de 80% chez les souris âgées (corrélé à la diminution des bactéries Prevotella, Rikenellaceae).
  • Le supplément d’acétate réduit fortement les marqueurs de sénescence induits par le PAA (SA-β-Gal, p16Ink4a, γ-H2A.X), augmente l’expression de hTERT, rétablit la longueur des télomères et la réparation de l’ADN.
  • L’acétate améliore nettement le métabolisme énergétique (OCR +30-40%), hausse le NAD+, active la SIRT1 dépendante du NAD+, stimule NRF2-GPX1/PRDX3, abaisse la sécrétion SASP via NF-κB, rétablit la fonction angiogénique.
  • Les essais par siRNA montrent que les effets anti-âge de l’acétate dépendent des axes SIRT1-NRF2 et SIRT1-NF-κB ; inhibiteurs pharmacologiques confirment une double action sur l’énergie et l’antioxydation.

V. Conclusions, intérêts scientifiques et points forts

1. Conclusions principales

Cette étude révèle pour la première fois que le PAA, métabolite microbien, est un agent clé de la sénescence endothéliale au cours du vieillissement, via la production excessive de H₂O₂ mitochondrial médiée par NOX4, l’activation du SASP, des modifications épigénétiques (HDAC4/VCAM1/eNOS) et un trouble énergétique, conduisant à la dysfonction vasculaire et à la diminution de l’angiogenèse. Elle identifie le Clostridium sp. asf356 comme bactérie clé de ce processus, ouvrant la voie à des stratégies d’intervention micro-écologiques ciblées. Parallèlement, elle démontre que la supplémentation en acétate, par activation des voies SIRT1/NRF2 antioxydantes et SIRT1-NF-κB anti-inflammatoires, constitue une stratégie senomorphique microbienne efficace contre la sénescence endothéliale induite par le PAA.

2. Importance scientifique et applicative

  • Démonstration du lien de causalité entre microbiote, métabolites liés à l’âge et dysfonction vasculaire, affinant la cartographie moléculaire de l’axe intestin-vaisseau dans le vieillissement.
  • Identification du PAA et des bactéries associées comme biomarqueurs potentiels et cibles d’intervention pour l’athérosclérose et le vieillissement vasculaire.
  • Elucidation du rôle thérapeutique potentiel de l’acétate, acide gras à chaîne courte issu d’un microbiote sain, dans la prévention et la restauration des fonctions endothéliales — ouvrant la voie à des suppléments de SCFA ou à des interventions électrophysiologiques innovantes.

3. Points forts et innovations

  • Intégration systématique d’approches multi-omiques (métagénomique, métabolomique), grande cohorte clinique et expérimentation moléculaire rigoureuse.
  • Exploration innovante du réseau de signalisation “énergie + épigénétique + stress oxydatif + SASP” induit par le PAA et proposition d’une nouvelle stratégie senomorphique.
  • Application de technologies de pointe telles que le capteur Mito-HyPer7.2 pour l’analyse spatio-temporelle du stress oxydant cellulaire.

VI. Autres informations et perspectives

  • Évaluation dans cette étude de l’efficacité des sénolytiques traditionnels (Dasatinib + Quercétine) sur les modèles de sénescence induite par les métabolites microbiens, offrant un éclairage sur l’association médicamenteuse et microbienne.
  • Suggère que la restauration de l’écosystème intestinal (diversité microbienne, supplémentation en bactéries productrices d’acétate…) pourrait à l’avenir devenir une approche essentielle pour ralentir le vieillissement cardiovasculaire, en particulier pour les populations âgées à haut risque.
  • Apporte une base théorique pour les recherches futures en microbiome fonctionnel, transplantation bactérienne, probiotiques, interventions nutritionnelles et applications translationnelles.

VII. Conclusion

Cette étude relie de façon unifiée les preuves cliniques et fondamentales, établissant pour la première fois un axe moléculaire complet “microbiote intestinal — PAA — sénescence endothéliale — dysfonction vasculaire”. Elle pose les bases pour la prévention et le traitement de l’athérosclérose et des maladies cardiovasculaires liées à l’âge, en proposant de nouveaux cibles et concepts d’intervention. Les stratégies microécologiques senomorphiques (telles que l’acétate) pourraient ouvrir une nouvelle ère de vieillissement en bonne santé et fournir des solutions systémiques à la gestion cardiovasculaire des populations âgées dans le monde.