Stress et transit intestinal, sujet de métropole, juin 2024, exercice 2

Énoncé

Exercice sur 8 points

Un stress aigu est souvent associé à des troubles intestinaux, notamment une accélération du transit intestinal, c'est-à-dire que les produits issus de l'alimentation progressent plus rapidement qu'en situation normale dans l'intestin grêle puis dans le gros intestin.

QUESTION :

Proposer une explication au fait que le stress aigu accélère le transit intestinal chez les rongeurs.

Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles.

Document 1 : mesure de la concentration sanguine de corticostérone

Afin de les exposer à une situation de stress, des souris ont été soumises au stress de l'évitement de l'eau, c'est-à-dire qu'elles ont été placées sur une plate-forme surélevée à 1 cm au-dessus du niveau de l'eau, au centre d'un réservoir en plastique, pendant 1 h, 4 jours de suite.
Les concentrations sanguines en corticostérone de ces souris ainsi que celles de souris non soumises à ce stress ont été mesurées. La corticostérone est un équivalent du cortisol chez l'être humain. Chaque point du graphique correspond à la mesure réalisée chez une souris.

Control : souris non soumises au stress de l'évitement de l'eau
WAS (Water avoidance stress) : souris soumises au stress de l'évitement de l'eau
**** : significativement différent
Source : d'après Blin et al. (2023). Psychological stress induces anincrease in cholinergic enteric neuromuscular pathways mediates by glucocorticoid receptors

Document 2 : étude des neurones du plexus myentérique, impliqués dans le transit intestinal

Document 2a : localisation du plexus myentérique dans l'intestin

Coupe transversale de l'intestin


Source : d'après T. Lebouvier (2008). Système nerveux entérique et maladie de Parkinson* – Thèse pour le Diplôme d'État de Docteur en Médecine – Université de Nantes*

Les produits issus de l'alimentation, après être passés par la bouche, l'œsophage et l'estomac, progressent dans la lumière de l'intestin grêle puis du gros intestin. Leur avancée, que l'on appelle transit intestinal, est permise par des cycles de contraction-relâchement des muscles circulaires et longitudinaux lisses situés dans la paroi des intestins. Les plexus myentériques et sous-muqueux sont constitués de neurones regroupés en ganglions.

Document 2b : mesure de l'activité des neurones du plexus myentérique

Des fragments de gros intestin provenant de rats soumis au même protocole que les souris du document 1 ont été récupérés puis marqués par immunohistochimie afin de mettre en évidence la présence de la protéine Fos, qui est un marqueur de l'activité des neurones. La protéine Fos apparaît en gris clair sur les photographies. Les expériences ont été réalisées sur le début du gros intestin (= partie proximale) et sur la fin du gros intestin (= partie distale).
Photographies au microscope de ganglions du plexus myentérique de la partie proximale (a et b) et distale (c et d) du gros intestin de rats

Groupe témoin : rats non soumis au stress de l'évitement de l'eau
WAS (Water avoidance stress) : rat soumis au stress de l'évitement de l'eau
Les résultats présentés ici sont représentatifs pour l'ensemble du gros intestin.
Source : d'après Miampamba et al. (2007). Water avoidance stress activates colonic myenteric neurons in female rats

Document 2c : mesure de la concentration d'acétylcholine dans le plexus myentérique

Des neurones du plexus myentérique, dans lesquels ont été mis en évidence des récepteurs à la corticostérone, produisent de l'acétylcholine. Le CORT 108297 est un antagoniste des récepteurs à la corticostérone, c'est-à-dire qu'il peut se fixer durablement sur ces récepteurs sans les activer et en empêchant la corticostérone de s'y fixer. Des mesures de la concentration d'acétylcholine dans le plexus myentérique de souris ont été réalisées dans différentes conditions.

	Groupe témoin	WAS	WAS + CORT 108297
Concentration d'acétylcholine dans le plexus myentérique (en μmol/μg de protéines)	1	1,5 *	0,8 °

Source : d'après Blin et al. (2023). Psychological stress induces anincrease in cholinergic enteric neuromuscular pathways mediates by glucocorticoid receptors
Groupe témoin : souris non soumises au stress de l'évitement de l'eau
WAS (Water avoidance stress) : souris soumises au stress de l'évitement de l'eau
CORT 108297 : souris à qui on a injecté du CORT 108297
* : différence significative par rapport au groupe témoin
° : différence non significative par rapport au groupe témoin

Document 3 : étude du transit intestinal dans différentes conditions

Document 3a : mesures de la capacité des muscles de la paroi de l'intestin à se contracter

Des bandes de paroi intestinale ont été récupérées sur des souris soumises à un stress de l'évitement de l'eau. Leur force de contraction a été enregistrée en continu à l'aide de capteurs de force isométrique. À un moment donné, ces bandes ont été soumises à une stimulation électrique (EFS), ce qui active les neurones du plexus myentérique.
La réponse a été enregistrée d'une part, en laissant les récepteurs à l'acétylcholine fonctionnels (à gauche) ou en les bloquant à l'aide d'un antagoniste de ces récepteurs, l'atropine (à droite). Les récepteurs à l'acétylcholine sont situés sur les cellules des muscles lisses de l'intestin.
La « hauteur » des signaux représente la force de contraction de la bande de paroi intestinale.


Source : d'après Blin et al. (2023). Psychological stress induces an increase in cholinergic enteric neuromuscular pathways mediates by glucocorticoid receptors

Document 3b : comptage du nombre de boulettes fécales émises

Les boulettes fécales (crottes) émises par différents lots de souris soumises au stress de l'évitement de l'eau ont été comptées avant d'être soumises au stress (D0) et après la période de stress (D4). Certaines ont au préalable subi une injection de CORT 108297. Chaque point du graphique correspond à la mesure réalisée chez une souris.

WAS (Water avoidance stress) : souris soumises au stress de l'évitement de l'eau
CORT 108297 : souris à qui on a injecté du CORT 108297
*** : significativement différent
Source : d'après Blin et al. (2023). Psychological stress induces an increase in cholinergic enteric neuromuscular pathways mediates by glucocorticoid receptors

Il s'agit d'un sujet dont la résolution nécessite la construction d'un raisonnement rigoureux, qui s'appuie sur l'analyse précise des documents. Ici, l'exploitation des documents peut s'effectuer selon l'ordre fourni par l'énoncé.

Conseils

1- Identifiez le problème scientifique posé par l'énoncé.
2- Prenez connaissance des informations apportées par les documents.
3- Élaborez au brouillon un plan détaillé qui présente le raisonnement construit à partir des informations issues des documents et mises en relation avec les quelques connaissances nécessaires.
4- Vérifiez que le raisonnement ainsi construit est rigoureux et aboutit à la résolution du problème scientifique.
5- Rédigez directement sur votre copie, en présentant la réponse sous forme d'une introduction (posant la problématique), d'un développement structuré en différents paragraphes et d'une conclusion (présentant la réponse au problème et une ouverture).
6- Faites soigneusement référence aux documents lors de leur exploitation. Citez des valeurs chiffrées issues des documents, en précisant si les différences observées sont significatives ou non.
7- Ajoutez si besoin des schémas suffisamment grands, en couleur et accompagnés d'un titre (facultatif).
8- Relisez votre réponse pour corriger la rédaction et l'orthographe.
Exemple de plan détaillé à construire au brouillon

Notions	Documents étudiés	Connaissances
Un stress aigu entraine une augmentation de la concentration sanguine en corticostérone.	Document 1	Stress aigu : ensemble de réactions de courte durée d'un organisme en réponse à un agent stresseur.
Les contractions des muscles reliés aux neurones du plexus myentérique sont à l'origine du transit intestinal.	Document 2a
Le stress aigu augmente l'activité des neurones du plexus myentérique de l'intestin.	Document 2b
Le stress aigu augmente la concentration d'acétylcholine du plexus myentérique du gros intestin. Cette augmentation n'a pas lieu en présence d'antagoniste des récepteurs à la corticostérone.	Document 2c	Stress aigu : activation de l'axe hypothalamo-hypophyso-corticosurrénalien
Bilan : le stress aigu, en activant l'axe hypothalamo-hypophyso-corticosurrénalien, entraine une augmentation de la concentration sanguine en corticostérone, activant les neurones du plexus myentérique, qui produisent davantage d'acétylcholine.
La stimulation électrique des muscles de la paroi de l'intestin entraine leur contraction. Cette contraction n'a pas lieu en présence d'antagoniste des récepteurs l'acétylcholine.	Document 3a	Acétylcholine : neurotransmetteur produit par les neurones et se fixant sur des récepteurs des cellules musculaires.
Le stress aigu entraine une augmentation de l'émission de boulettes fécales. Cette augmentation est réduite en présence d'un antagoniste des récepteurs à la corticostérone.	Document 3b
Bilan : le stress aigu entraine une augmentation de la concentration sanguine en corticostérone, activant les neurones du plexus myentérique, qui produisent davantage d'acétylcholine. La fixation de l'acétylcholine sur ses récepteurs des cellules des muscles lisses de l'intestin entraine leur contraction, d'où une accélération du transit intestinal à l'origine d'une émission accrue de boulettes fécales.

Corrigé

Chez les animaux, le stress biologique est l'ensemble des réactions de l'organisme qui se mettent en place en réponse à un agent stresseur, c'est-à-dire à une perturbation de l'environnement. Ce stress biologique permet à l'individu de produire un comportement adapté pour répondre à la situation stressante. Un stress de courte durée est qualifié d'aigu. Chez les rongeurs, comme chez les souris et les rats, une des réactions d'un stress aigu est l'accélération du transit intestinal, qui se manifeste par une émission accrue de boulettes fécales. Comment expliquer que chez les rongeurs, le stress aigu accélère le transit intestinal ? Pour répondre à cette question, nous analyserons les résultats d'expériences visant à d'étudier chez des rongeurs l'effet d'un stress aigu sur l'activité des neurones associés aux muscles lisses de l'intestin et sur l'activité de ces muscles lisses.
Afin d'étudier au laboratoire le stress aigu chez des rats ou des souris, des rongeurs sont soumis à un même test, appelé WAS (pour Water Avoidance Stress) ou stress d'évitement de l'eau. Dans ce test, les rongeurs sont placés sur une plateforme située 1 cm au-dessus de la surface de l'eau contenue dans un réservoir. Cette situation stressante d'une durée d'une heure est répétée 4 jours de suite. Le document 1 présente la mesure de la concentration sanguine en corticostérone, équivalent du cortisol humain, chez les rongeurs exposés ou non au test de l'évitement de l'eau. Chez les souris témoins, la concentration sanguine en corticostérone est de 50 $\pm$ 20 ng/mL tandis qu'elle est de 300 $\pm$ 100 ng/mL chez les souris soumis au test. Ainsi, l'exposition à un agent stresseur augmente de manière significative la concentration sanguine en corticostérone chez les souris.
Chez les rongeurs, le transit intestinal est dû aux mouvements des muscles lisses de la paroi de l'intestin. Au niveau de ces muscles lisses, des neurones regroupés en ganglions forment les plexus myentériques et sous-muqueux (document 2a). Le document 2b présente les résultats de l'étude en immunohistochimie de la présence de la protéine Fos, qui est un marqueur de l'activité des neurones des ganglions du plexus myentérique, chez des rats soumis ou non au stress de l'évitement de l'eau. Sur les photographies prises au microscope, les taches gris clair correspondant à la présence de la protéine Fos. Chez le témoin, la partie distale du gros intestin présente une tache gris clair alors que 5 taches gris clair sont visibles chez le rat stressé. La partie proximale du gros l'intestin du témoin ne présente aucune tache gris clair visible alors que celle du rat stressé présente 6 taches gris clair. Ainsi, en considérant que les résultats obtenus sont représentatifs pour l'ensemble du gros intestin, la protéine Fos est présente de manière plus importante chez le rat stressé que chez le rat non stressé. Or, la présence de la protéine Fos est d'autant plus importante que les neurones sont actifs. Ainsi, chez le rat, la survenue d'un stress aigu est associée à une augmentation de l'activité des neurones des ganglions du plexus myentérique.
Il a été mis en évidence que les neurones du plexus myentérique produisent un neurotransmetteur, l'acétylcholine. Le document 2c présente la mesure de la concentration en acétylcholine du plexus myentérique chez des rats non soumis à un stress, chez des rats soumis au stress de l'évitement de l'eau ainsi que chez des rats soumis à même ce stress et ayant reçu une injection de CORT 108297, un antagoniste de la corticostérone. L'exposition au stress est associée à une augmentation significative de la concentration en acétylcholine dans le plexus myentérique (1,5 mmol/mg de protéines chez les rats stressés par rapport à 1 mmol/mg chez les rats non stressés). De plus, chez les rats stressés en présence de l'antagoniste de la corticostérone CORT 108297, la concentration en acétylcholine dans le plexus myentérique n'est pas significativement différente de celle chez les rats non stressés (0,8 mmol/mg de protéines chez les rats stressés par rapport à 1 mmol/mg chez les rats non stressés). Or l'antagoniste de la corticostérone CORT 108297 se fixe sur les récepteurs neuronaux de la corticostérone sans activer ces récepteurs et en empêchant la corticostérone de s'y fixer. Ainsi, l'exposition à un agent stresseur entraine une augmentation de la production d'acétylcholine dans le plexus myentérique. L'antagoniste de la corticostérone exerce alors une action inhibitrice sur la production d'acétylcholine. Lors d'un stress aigu, la corticostérone se fixerait sur les récepteurs des neurones du plexus myentérique, ce qui entrainerait leur activation et la production d'acétylcholine par ces neurones.
La mise en relation des conclusions issues des documents 1, 2 et 3 permet donc d'établir que chez les rongeurs, un stress aigu, ici celui le stress de l'évitement de l'eau, entraine une augmentation de la concentration en corticostérone dans le sang. L'augmentation de cette concentration serait à l'origine d'une augmentation de l'activité des neurones du plexus myentérique, entrainant leur production accrue d'acétylcholine. En effet, nous savons que chez les Mammifères, la perception d'un agent stresseur entraine la stimulation du système limbique, qui déclenche la sécrétion par l'hypothalamus de CRH (Corticotropin Releasing Hormone) dans le sang. La CRH active alors la sécrétion par l'hypophyse antérieure de l'hormone ACTH (Adeno Cortico Tropic Hormone) dans le sang. Puis, l'ACTH stimule la sécrétion par la glande corticosurrénale de cortisol chez l'humain ou de corticostérone chez les rongeurs. Ainsi, chez les rongeurs, l'activation de l'axe hypothalamo-hypophyso-corticosurrénalien est à l'origine d'une augmentation de l'activité des neurones du plexus myentérique, qui se traduit par une production accrue d'acétylcholine. Quelle est alors l'action de l'acétylcholine au niveau de l'intestin chez les rongeurs ?
Le document 3 présente les mesures de la capacité de contraction de bandes de la paroi intestinale constituées de muscles lisses chez des souris. Ces bandes sont soumises à une stimulation électrique pendant 10 secondes. Chez des souris dont les récepteurs des cellules musculaires à acétylcholine sont fonctionnels, la stimulation électrique déclenche une contraction d'une quinzaine de secondes et d'environ 3 N/g de tissu. Cette même stimulation électrique a été effectuée sur des bandes de paroi intestinale dont les récepteurs à acétylcholine ont été rendus non fonctionnels par exposition à l'atropine, un antagoniste de ces récepteurs. La contraction musculaire résultante est alors très faible, d'environ 1 N/g de tissu. On en déduit que la stimulation électrique des muscles de la paroi intestinale déclenche la contraction de ceux-ci. Cette contraction musculaire nécessite la fixation de l'acétylcholine sur ses récepteurs des cellules musculaires. En effet, nous savons que l'acétylcholine est un neurotransmetteur produit par les neurones présynaptiques au niveau des synapses neuromusculaires. L'acétylcholine secrétée par le neurone dans la fente synaptique se fixe sur ses récepteurs spécifiques de la membrane de la cellule musculaire, entraînant la contraction musculaire. Ainsi, lors d'un stress aigu chez les rongeurs, l'activité des neurones du plexus myentérique entrainerait une sécrétion d'acétylcholine, qui se fixe sur les récepteurs membranaires des muscles, déclenchant ainsi leur contraction.
Enfin, le document 3b présente chez des souris le comptage de boulettes fécales émises juste avant un stress d'évitement de l'eau et après 4 jours d'exposition quotidienne à ce stress. Une partie des souris a reçu une injection de CORT 108297, un antagoniste de la corticostérone. Chez les souris stressées n'ayant pas reçue de CORT 108297, l'émission en 1 h de boulettes fécales avant exposition à l'agent stresseur est de 6 $\pm$ 4. Elle est augmentée de manière significative après le stress : elle atteint la valeur de 12 $\pm$ 4 boulettes fécales émises en 1 h. L'exposition à l'agent stresseur augmente donc l'émission de boulettes fécales par les souris. Mais chez les souris ayant reçu au préalable une injection de CORT 108297, antagoniste de la corticostérone, l'exposition à l'agent stresseur n'entraine pas de différence significative du nombre de boulettes fécales émises en 1 h avant le stress (5 $\pm$ 2 boulettes fécales) et après le stress (7 $\pm$ 2 boulettes fécales). Ce résultat confirme que les mécanismes physiologiques mis en jeu lors du stress et entrainant l'accélération du transit intestinal et donc l'émission accrue de boulettes fécales nécessitent l'intervention de la corticostérone. Cette hormone produite par la glande corticosurrénale se fixe sur ses récepteurs des neurones du plexus myentérique, déclenchant une sécrétion accrue d'acétylcholine, neurotransmetteur de la synapse neuromusculaire. L'acétylcholine se fixe alors sur ses récepteurs membranaires des muscles de la paroi intestinale, entrainant la contraction de ces muscles. L'intensification cycles de contractions et relâchements des muscles lisses de la paroi des intestins active le transit intestinal, conduisant à une émission accrue de boulettes fécales. Le schéma-bilan ci-dessous résume les différents mécanismes impliqués conduisant à une accélération du transit intestinal lors un stress aigu chez des rongeurs.
Schéma bilan : les mécanismes du stress aigu conduisant à une accélération du transit intestinal chez les rongeurs
perception de l'agent stresseur : stress d'évitement de l'eau
$\downarrow$
stimulation du système limbique : sécrétion de CRH par l'hypothalamus
$\downarrow$
sécrétion de l'hormone ACTH par l'hypophyse antérieure
$\downarrow$
sécrétion de corticostérone par la glande corticosurrénale
$\downarrow$
fixation de la corticostérone sur ses récepteurs des neurones du plexus myentérique
$\downarrow$
activation des neurones du plexus myentérique,
$\downarrow$
sécrétion d'acétylcholine par les neurones du plexus myentérique
$\downarrow$
fixation de l'acétylcholine sur ses récepteurs des muscles lisses de l'intestin
$\downarrow$
contraction des muscles lisses
$\downarrow$
accélération du transit intestinal : émission accrue de boulettes fécales
Ainsi, lors d'un stress aigu chez les rongeurs, l'activation de l'axe hypothalamo-hypophyso-corticosurrénalien est à l'origine d'une augmentation de l'activité des neurones du plexus myentérique, qui se traduit par une sécrétion accrue d'acétylcholine au niveau de la synapse neuromusculaire. La fixation de l'acétylcholine sur ses récepteurs de la membrane des cellules musculaires déclenche leur contraction, accélérant ainsi le transit intestinal des rongeurs et donc l'émission de boulettes fécales. Il serait intéressant de déterminer en quoi cette accélération du transit intestinal constitue un comportement adapté permettant aux rongeurs de faire face à la situation stressante et si ces mécanismes sont généralisables aux autres Mammifères.