Host-microbe interactions at the intestinal barrier in NADPH oxidase 2 defects : identification of new treatment targets for inflammatory bowel disease

Abstract

La maladie granulomateuse chronique “chronic granulomatous disease” (CGD) est causée par un défaut héréditaire dans l’un des six gènes codant les sous-unités (gp91phox, p47phox, p22phox, p67phox, p40phox) ou la chaperonne (EROS) formant le complexe NADPH oxydase 2 (NOX2), principalement présent dans les phagocytes. NOX2 est essentiel à la défense immunitaire, générant des espèces réactives de l'oxygène “reactive oxygen species” (ROS) nécessaires à l’activité microbicide des phagocytes et des voies de signalisation pro-inflammatoires. Ainsi, les patients atteints de CGD produisent peu ou pas de ROS et, par conséquent, souffrent d'infections récurrentes et de complications inflammatoires, notamment au niveau intestinal. Près de 50% des patients atteints de CGD souffrent de maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI), liée à une dérégulation immunitaire et un déséquilibre du microbiote intestinal. Bien que des études aient associé l’état hyperinflammatoire de la CGD à l’activation de l’inflammasome domaine de liaison aux nucléotides riche en leucine protéine 3 (NLRP3), son impact sur la barrière intestinale reste mal compris. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que les défauts de NOX2 entraînent des altérations du microbiote intestinal et des réponses mucosales, contribuant au développement de l'inflammation intestinale dans le contexte de la CGD. Dans une première étude, des modèles murins CGD ont permis d’explorer les interactions entre l’hôte et le microbiote à la barrière intestinale, en étudiant comment les microbes intestinaux influencent les parois épithéliales et les réponses immunitaires pour maintenir une homéostasie. Les réponses immunitaires mucosales et la composition du microbiote intestinale ont été comparées entre des souris sauvages “wild-type” (WT), dites ici en homéostasie, et de différents génotypes de CGD (gp91phox-/- ou p47phox-/-). Nos résultats suggèrent que le microbiote est altéré et influence les symptômes des souris avec la CGD de manière spécifique selon le génotype, avec des mécanismes distincts au niveau de la barrière intestinale. Plus spécifiquement, dans le cas de la CGD associée à la sous-unité gp91phox, une augmentation de l’activation de NLRP3 a été observée dans les cellules épithéliales, accompagné de réponses immunitaires pro-inflammatoires, tandis qu’une surcompensation en ROS épithélial a été mesurée chez les souris p47phox-/-. Ces résultats ont mis en évidence l'interaction entre les facteurs génétiques et le microbiote impliquée dans le développement de l’inflammation intestinale en révélant des cibles thérapeutiques spécifiques à chaque génotype. Nous avons ensuite étudié une cible thérapeutique spécifique pour traiter la MICI associée à la CGD : l’inflammasome NLRP3. La bêta-hydroxybutyrate (βHB), un corps cétonique produit lors du jeûne ou d’un régime cétogène faible en glucides, est un inhibiteur connu de l'inflammasome NLRP3. La diète cétogène a prouvé pouvoir modifier le microbiote intestinal diminuant l’inflammation à la barrière intestinale. Pour évaluer ce potentiel thérapeutique nous avons étudié le développement de l’inflammation intestinale dans des souris WT et gp91phox-/- après supplémentation en βHB, notamment sous régime cétogène. Nos résultats suggèrent qu’un régime cétogène réduit la susceptibilité à la colite chez des souris CGD en bloquant l'inflammasome NLRP3, entraînant des modifications de leur microbiote et de leurs réponses immunitaires, rétablissant ainsi la santé intestinale. De plus, nous avons démontré que la supplémentation en βHB seule peut atténuer l'inflammation intestinale, tant chez les souris CGD que dans les cellules mononucléées sanguines de patients. Les traitements actuels pour la MICI-associée à la CGD sont limités et peuvent comporter des risques significatifs pour la santé. Nos travaux suggèrent deux nouvelles approches thérapeutiques innovantes, basées sur une intervention diététique simple et sécuritaire, applicables à la CGD et potentiellement aux autres MICIs. Des études futures sur les interactions entre l’hôte et le microbiote pourraient améliorer l’efficacité des traitements en modulant le microbiote, contribuant ainsi à l’avancement d’une médecine personnalisée. Chronic granulomatous disease (CGD) is an inborn error of immunity caused by defects in any of the six genes encoding subunits (gp91phox, p47phox, p22phox, p67phox, p40phox) or chaperone (EROS) forming the NADPH oxidase complex 2 (NOX2), predominantly found in phagocytes. NOX2 plays a crucial role in immune defence, generating reactive oxygen species (ROS) necessary for the microbicidal function of phagocytes and pro-inflammatory signalling. Consequently, patients with CGD produce little to no ROS, leading to recurrent infections and inflammatory complications, particularly in the gut. Almost 50% of patients with CGD develop inflammatory bowel disease (IBD), associated with immune dysregulation and an imbalance in the intestinal microbiota. While studies have associated the hyperinflammatory state in CGD with the nucleotide-binding domain and leucine-rich-repeat-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome activation, its impact on the intestinal barrier remains unclear. We thus hypothesized that NOX2 defects lead to alterations of the intestinal microbiota and mucosal responses, contributing to IBD development in the context of CGD. We first studied host-microbe interactions at the intestinal barrier, focusing on how gut microbes shape the epithelium and immune responses to maintain homeostasis. Using CGD mouse models, we compared intestinal microbiota composition and immune responses between wild-type mice, representing a state of homeostasis, and with different CGD genotypes (gp91phox-/- or p47phox-/-). Our results suggest that altered microbiota contributes to genotype-specific colitis susceptibility in mice with CGD, driven by distinct mechanisms at the intestinal barrier. In gp91phox-/- mice, increased NLRP3 activation was observed in intestinal epithelial cells with pro-inflammatory immune responses, while a compensatory increase in epithelial ROS was measured in p47phox-/- mice. These findings highlight the critical interplay between genetic factors and microbiota in driving intestinal inflammation while identifying key genotype-specific mechanisms with therapeutic potential. We next investigated a specific therapeutic target to treat CGD-associated IBD: the NLRP3 inflammasome. Beta-hydroxybutyrate (βHB), a ketone body produced by the liver during fasting or adherence to a low-carbohydrate ketogenic diet, is a known inhibitor of the NLRP3 inflammasome. The ketogenic diet has also been shown to induce changes in the intestinal microbiota reducing inflammatory responses at the intestinal barrier. To evaluate this therapeutic potential, we studied the development of intestinal inflammation in wild-type and gp91phox-/- mice supplemented with βHB via a ketogenic diet. Our findings suggest that the ketogenic diet reduces colitis susceptibility in mice with CGD by blocking NLRP3 inflammasome activation, altering the intestinal microbiota and modulating immune responses, thereby restoring intestinal homeostasis. Furthermore, we demonstrated in CGD mice and patient-derived peripheral blood mononuclear cells that βHB can alleviate intestinal inflammation as a standalone supplement. Current treatments for CGD-associated IBD are limited and can carry significant health risks. Our findings bring forward two novel therapeutic approaches for CGD-associated IBD, and potentially conventional IBD, through a simple and relatively safe dietary intervention. Future studies exploring host-microbe interactions hold significant potential to improve treatment efficacy by modulating the intestinal microbiota, advancing personalized medicine.