Sentinelle Nord

CHANTIER THÉMATIQUE 3
Microbiomes: sentinelles de l'environnement
et de la santé dans le Nord

 
 
 
 

Chantier thématique 3: Microbiomes: sentinelles de l'environnement et de la santé dans le Nord

Les microbiomes sont prédominants dans l'atmosphère, l'hydrosphère, la cryosphère, les sols, la faune et les humains. Avec comme objectif principal de déterminer les rôles des microbiomes dans l'écosystème humain-environnement nordique, ce chantier de recherche est composé de 8 sous-projets complémentaires qui regroupent trois domaines: les écosystèmes (terres, eau douce, eau de mer), la qualité des aliments (produits marins et terrestres) et la santé (cardiométabolique, respiratoire et mentale). Cette large collaboration transdisciplinaire entre les secteurs de la physique, de la chimie, de la biologie, de la médecine et de l'ingénierie aidera au développement de modèles pour évaluer comment des composantes nutritionnelles importantes telles que les acides gras ω-3 passent dans les chaînes alimentaires de l'Arctique ainsi qu'à la conception et au développement de nouveaux instruments légers pour le monitorage microbiologique dans des modèles environnementaux, animaux et des hôtes humains.

Plus particulièrement, les livrables du chantier sont: 1) le développement de nouveaux capteurs photoniques pour les écosystèmes, la nutrition et la santé dans le Nord; 2) une meilleure compréhension du système couplé homme-environnement du Nord; 3) de nouvelles méthodes de capture et d'analyse d'un large éventail de données microbiologiques pour le diagnostic précoce et le développement durable et de la santé dans le Nord; et 4) la formation d'une nouvelle génération de scientifiques possédant l'expertise transectoriellle pour concevoir et appliquer de nouvelles technologies photoniques pour les applications environnementales et biomédicales.

Cet effort réunira près de 75 professeurs de 6 facultés, 18 départements et 21 centres et instituts de recherche de l'Université Laval travaillant de pair avec de nombreux partenaires internationaux, nordiques et industriels au sein de 8 sous-projets.

 
 
 

3.1 Microbiomes sentinelles pour la santé des écosystèmes Arctiques

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Daniel Côté, Warwick F. Vincent

Co-chercheurs
Claudine Allen, Denis Boudreau, Alexander Culley, Nicolas Derome, Jesse Greener, Connie Lovejoy

Collaborateurs
Dermot Antoniades, Jacques Corbeil, Patrick Desrosiers, André Marette, Pierre Marquet, Sylvain Moineau, Jean-Sébastien Moore, Mohammed Taghavi

Collaborateurs hors UL
Abdel El Abed (France), Anne Jungblut (Royaume-Uni), Weidong Kong (Chine), Isabelle Laurion (INRS), Rachael Morgan-Kiss (Floride), Milla Rautio (UQAC), Yukiko Tanabe (Japon)

Résumé du projet
L'Arctique se réchauffe à un taux plus de deux fois supérieur à la moyenne mondiale, et des changements beaucoup plus importants sont prévus pour les hautes latitudes nordiques d'ici la fin du siècle. Cette demande cible la question: quelles propriétés des microbiomes des milieux marins et d'eau douce nordiques peuvent être utilisées pour améliorer la surveillance de la santé des écosystèmes arctiques face à ces perturbations croissantes? Nous exploiterons un large éventail d'expertises à l'Université Laval, et étendrons nos activités en collaboration avec l'industrie et les centres de recherche nordique. Notre premier objectif sera d'identifier la composition, les propriétés de type ‘systèmes complexes' et la résilience des deux classes de microbiomes arctiques: planctoniques et biofilms. Notre approche exploitera la force de la métagénomique pour combler les lacunes de connaissances sur la façon de définir les microbiomes sentinelles pour l'Arctique et pour identifier les propriétés microbiennes pouvant être utilisées pour déterminer les changements dans la santé des écosystèmes arctiques. Nous ciblerons: i) les microbiomes environnementaux dans un ensemble d'écosystèmes marins et d'eau douce du Nord; et ii) les microbiomes associés à un hôte spécifiquement avec une espèce de poisson emblématique du Nord, l'omble chevalier, en mettant l'accent sur l'impact des espèces pathogènes indigènes et envahissantes sur la productivité et la durabilité de cette ressource importante. Notre deuxième objectif d'importance est de développer deux types d'instruments optiques nouveaux dans un but central de surveillance de l'environnement aquatique: i) un système opto-fluidique multimodal qui permet de détecter et de trier des groupes spécifiques de cellules planctoniques; et ii) un système d'imagerie hyperspectrale portable du type Raman pour quantifier la biomasse microbienne via les lipides cellulaires, ainsi que pour obtenir des signatures lipidiques de la structure des communautés de biofilms libres et associés avec un hôte.

 

3.2 Suivi environnemental et valorisation dans le Nord: Des molécules aux microorganismes

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheur principal
Jacques Corbeil

Co-chercheurs
Michel Allard, Thierry Badard, Alexander Culley, Benoit Gosselin, François Laviolette, Younès Messaddeq, Sylvain Moineau, Dave Richard, Normand Voyer

Collaborateurs
Patrick Lague, Warwick Vincent

Résumé du projet
L'objectif principal de ce programme de recherche est de comprendre comment la perturbation des écosystèmes affecte les micro-organismes des sols arctiques. Pour ce faire, nous utiliserons l'EcoChip, un outil de culture microbienne in situ permettant d'evaluer la croissance et ultimement d'identifier des micro-organismes dans leur milieu naturel tout en mesurant en temps réel les métadonnées environnementales. Les sites à l'étude pour l'utilisation de l'EcoChip ont été sélectionnés sur 30 degrés de latitude dans les régions nordiques, en collaboration avec le réseau environnemental SILA, afin d'identifier des bactéries sentinelles et d'étudier comment les caractéristiques spatio-temporelles de l'environnement affectent ces micro-organismes. Nous développerons ensuite des approches analytiques intégratives basées sur la génomique, la bioinformatique, la localisation et l'apprentissage machine pour quantifier l'état de santé des écosystèmes nordiques en analysant en temps réel des marqueurs microbiens clés. Ces travaux permettront d'établir des prédictions de l'impact à grande échelle de changements environnementaux sur le fonctionnement des écosystèmes terrestres. La culture in situ de micro-organismes avec l'EcoChip permettra aussi d'élaborer des modèles métabolomiques performants pour évaluer la diversité moléculaire nordique et de découvrir de nouveaux composés ayant des applications médicales, par exemple dans le traitement de la tuberculose. Nous utiliserons des approches de spectrométrie de masse à haut débit, couplées à l'apprentissage-machine, afin d'accélérer le processus d'identification de molécules ayant des propriétés médicales d'intérêt. Nous exploiterons donc constructivement le potentiel de produits biologiques avec des modèles permettant une évaluation métabolomique complète pour des fins clinique ou industrielle. Avec ces outils, nous pourrons caractériser l'impact de changements environnementaux sur le nord et valoriser efficacement les micro-organismes trouvés dans ces environnements, ce qui améliorera notre compréhension de l'environnement nordique et de son impact sur la santé humaine.

 

3.3 Lumière et Océan Arctique en changement: comprendre les liens complexes entre les changements globaux et la santé des Inuits (BriGHT)

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Jean-Eric Tremblay, Mélanie Lemire

Co-chercheurs
Dermot Antoniades, Philippe Archambault, Pierre Ayotte, Louis Bernatchez, Johann Lavaud, Michel Lucas, Frédéric Maps, Guillaume Massé

Collaborateur
Christopher Fletcher, Louis Fortier, Frédéric Laugrand, François Laviolette, Jean-Sébastien Moore, Gina Muckle

Collaborateurs hors UL
Ellen Avard, Michael Kwan (Makivik); Tommy Pallisser, Kaitlin Breton-Honeyman (NMRWB); Mike Hammil, Véronique Lesage (MPO); Shawn Donaldson (Santé Canada); Jim Berner (Alaska); Stig Falk-Petersen (Norvège); Julien Mainguy (MFFP); Alphonso Mucci (McGill U.); Gert Mulvad (Groenland); Frédéric Olivier (France); CJ Mundy, Tim Papakyriakou, Gary Stern, Feiyue Wang (U. Manitoba); Pal Weihe (Danemark)

Résumé du projet
En Arctique, les aliments de la mer récoltés localement (AML) occupent une place primordiale dans la culture et la subsistance des Inuits. Toutefois, l'océan Arctique change et les Inuits voient des signes que les AML sont différents et sont de moins en moins accessibles. Les Inuits font des choix alimentaires selon leurs préférences et selon l'accessibilité, l'abondance, l'apparence visuelle et la valeur nutritive des AML. Ces quatre caractéristiques sont étroitement liées à la lumière via la production photosynthétique de micro-algues, dont la biomasse constitue la principale voie d'entrée de l'énergie, des contaminants et de nombreuses molécules vitales ou bénéfiques dans le réseau alimentaire. Or nous ignorons comment la quantité et la proportion de ces substances dans les algues, le zooplancton et les AML répondent aux changements de l'englacement, de l'éclairement et des propriétés physicochimiques de l'eau de mer arctique, et comment cette réponse modifie les choix alimentaires des Inuits, leur santé et leur bien-être. BriGHT 1) évaluera les effets synergiques de la lumière, du réchauffement, de l'acidification et des nutriments sur l'accumulation de contaminants et la production de molécules bénéfiques chez les micro-algues, 2) modélisera la propagation de ces substances dans le réseau alimentaire, 3) quantifiera ces substances dans les AML et le sang des Inuits en lien avec leur profil de consommation des AML, l'aspect visuel de ces derniers, et divers indicateurs de sécurité alimentaire, de bien-être et de santé, et 4) déploiera de nouveaux outils génomiques pour suivre les changements de disponibilité des AML. BriGHT intègrera des campagnes océanographiques, de l'optique, de la modélisation numérique et une étude métagénomique de l'alimentation de l'omble chevalier au Nunavik en synergie avec l'Enquête de santé Qanuilirpitaa 2017. Les résultats permettront d'établir des trajectoires plausibles des caractéristiques des AML et de leur impact probable sur la santé et le bien-être des Inuits, appuyant ainsi la formulation de stratégies d'adaptation locales visant à promouvoir les systèmes et la sécurité alimentaire au Nunavik.

 

3.4 Outils innovants pour le suivi de la qualité alimentaire dans les environnements nordiques

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Co-leaders
Dominic Larivière, Jean Ruel

Co-chercheurs
Pierre Ayotte, André Bégin-Drolet, Denis Boudreau, Jesse Greener, Mélanie Lemire, Gina Muckle

Collaborateurs hors UL
Ellen Avard, Michael Kwan (Makivik)

Résumé du projet
Les avantages pour la santé des aliments traditionnels ainsi que les effets nocifs des contaminants qui peuvent se trouver dans certains d'entre eux sont bien documentés au Nunavik. Certaines caractéristiques des aliments traditionnels nécessitent une étude plus approfondie à l'échelle communautaire. Par exemple, les niveaux de contaminants dans les truites de lac peuvent changer d'un poisson à l'autre en fonction de l'emplacement, l'âge et la taille. Rassemblant des expertises transdisciplinaires en chimie analytique, en matériaux photoniques, en ingénierie et en instrumentation, en microfluidique, en toxicologie, en psychologie et en santé publique, en partenariat avec le Centre de recherche du Nunavik, une plateforme d'analyse portable sera développée pour quantifier divers contaminants des aliments. Développée en partenariat avec la Régie régionale de la santé et des services sociaux du Nunavik, une interface utilisateur simple permettra d'appuyer la prise de décision pour les membres de la communauté locale et les professionnels de la santé sur la qualité des aliments. Les espèces sentinelles chimiques analysées seront le mercure et le plomb. L'instrument sera conçu pour analyser des échantillons solides ou liquides par lecture optique et permettra l'enregistrement des données, ce qui en fera un appareil convivial et facilement utilisable. Les performances analytiques seront atteintes par l'intégration d'approche de capture sélective et l'utilisation de matériaux photoniques chimiosensibles dans des dispositifs microfluidiques. La plateforme et les outils de prise de décision seront testés sur le terrain et améliorés sur la base des rétroactions avec les organismes communautaires locaux. L'objectif ultime est de favoriser l'émergence de capacités locales d'analyse et d'information sur la qualité des aliments, qui permettra d'améliorer l'autonomie des Inuits en matière de choix alimentaires et souligner les avantages et la sécurité de leurs aliments et, à plus long terme, aider à améliorer la sécurité alimentaire, la santé et le bien-être au Nunavik.

 

3.5 Impact des conditions environnementales sur le microbiote des voies respiratoires et la santé respiratoire dans le Nord

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
François Maltais, Marc Ouellette

Co-chercheurs
Pierre Ayotte, Michel Bergeron, Louis-Philippe Boulet, Jean-Pierre Després, Caroline Duchaine, André Marette, David Marsolais, Mathieu Morisette, Barbara Papadopoulou, Roxanne Paulin

Collaborateurs hors UL
Yves Lacasse, Philippe Leprohon, Benoit Levesque, Frédéric Raymond

Résumé du projet
Les autochtones du Nord sont aux prises avec une épidémie sans précédent de maladies respiratoires qui est intimement reliée à des changements drastiques d'habitudes de vie et à d'extrêmes conditions environnementales. La prévalence élevée du tabagisme et la promiscuité dans des maisons mal ventilées créent un terreau propice pour cette épidémie. Un aspect plus méconnu est que les maladies respiratoires coexistent fréquemment avec les maladies cardiométaboliques, produisant ainsi des problèmes de santé encore plus complexes. En comprenant mieux comment l'environnement Nordique influence le développement des maladies respiratoires chroniques, nous pourrons améliorer la santé des populations concernées. Notre hypothèse est que des modifications du microbiote respiratoire résultant de conditions de vie extrêmes est un lien plausible entre un environnement respirable de piètre qualité et le développement des maladies respiratoires. Notre objectif est d'accroître les connaissances sur les maladies respiratoires nordiques afin de proposer des stratégies de prévention et de traitement efficaces. Nous utiliserons comme levier l'enquête de santé 2017 du Nunavik qui s'intéressera à la santé respiratoire, aux habitudes de vie et à la fonction pulmonaire en i) analysant le microbiote respiratoire chez 1000 Inuits de 18 à 30 ans et chez ≈ 800 participants de l'enquête de santé de 2004 provenant des 14 communautés du Nunavik, et ii) en étudiant, dans un sous-groupe de ces deux cohortes (n = 84), le microbiote aérien de leurs habitations. Considérant que la santé cardiométabolique et le microbiote intestinal seront tous deux évalués, nous étudierons les interactions entre les maladies respiratoires et cardiométaboliques en relation avec le microbiote respiratoire et intestinal. Des expériences in vivo permettront d'explorer les mécanismes reliés au développement des maladies respiratoires dans le Nord. Nous planifions des activités de transfert des connaissances et de développement technologique, notamment en validant l'analyse des embouts spirométriques, une méthode pragmatique d'évaluer le microbiote respiratoire.

 

3.6 Le microbiome intestinal: sentinelle de l'environnement nordique et de la santé mentale des Inuits

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Richard Bélanger, Gina Muckle

Co-chercheurs
Pierre Ayotte, Michel Bergeron, Marc Hébert, Mélanie Lemire, Michel Lucas, Pierre Marquet, Chantal Mérette, Marie-Claude Vohl

Collaborateurs
Maurice Boissinot, Jacques Corbeil, Christopher Fletcher, André Marette

Collaborateurs hors UL
Olivier Boucher (U. de Montréal), Sylvaine Cordier (France), Mylène Riva (McGill U.)

Résumé du projet
Le projet s'inscrit à la suite des enquêtes de santé réalisées au Nunavik en 1992 et 2004, lesquelles ont su documenter l'exposition cumulative des communautés à l'adversité (contaminants environnementaux, insécurité alimentaire, victimisation, usage de substances) de même qu'une forte prévalence de détresse psychologique. Ciblant la cohorte des 16-30 ans participant à la prochaine enquête de santé de la population Inuit prévue en 2017, ce projet examine le rôle du microbiome intestinal face à l'adversité et son influence sur la santé mentale. Misant sur une évaluation globale de leur santé au sein de l'enquête, l'exploration des profils du microbiome intestinal des participants sera mis en relation avec le statut dépressif à l'aide d'un devis cas/témoin. Ces mêmes profils du microbiome intestinal seront également examinés selon des sources et niveaux différents d'adversité vécue par les jeunes Inuits du Nunavik, ainsi que sur plusieurs marqueurs biologiques. Comme explication possible aux associations attendues, la résilience neuronale spécifique aux Inuits du Nunavik sera également étudiée. En appui aux efforts déjà mis en place dans les communautés, ce projet prévoit au budget, en plus d'un solide plan académique transdisciplinaire pour les étudiants: 1) la collecte d'échantillons fécaux et l'analyse du microbiome intestinal, 2) l'étude du métabolome et de biomarqueurs inflammatoires, 3) l'utilisation de l'électrorétinogramme comme nouvel identificateur de problèmes de santé mentale et 4) de la culture neuronale à partir de cellules souches pluripotentes, et 5) des processus analytiques à la fine pointe de la technologie. Comme retombées, une compréhension plus large des problèmes de santé mentale, intégrant les aspects environnementaux autant externes et internes de l'exposition humaine, est souhaitée. De nouveaux marqueurs d'adversité, mais surtout de détresse psychologique, sont attendus. Les chercheurs et collaborateurs à ce projet désirent nourrir autant l'innovation que favoriser les facteurs de résilience de toute une population.

 

3.7 Investigation optogénétique de l'influence du microbiote sur le développement du cerveau et l'épigénétique

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Co-leaders
Paul DeKoninck, Sylvain Moineau

Co-chercheurs
Daniel Côté, Alexander Culley, Nicolas Derome, Arnaud Droit, Marie-Éve Paquet, Grant Vandenberg

Collaborateurs hors UL
Robert Campbell (U. Alberta), Patrice Couture (INRS)

Résumé du projet
Le microbiote intestinal de l'humain et autres vertébrés joue un rôle central pour la santé. Or, lorsque l'hôte subit un stress physiologique, l'équilibre de cet écosystème microbien est rompu, permettant la prolifération de microorganismes opportunistes. Ceux-ci déclenchent des effets négatifs sur l'hôte, incluant des infections et des perturbations physiologiques. Au cours du développement de l'hôte, un microbiote instable pourrait aussi induire des conséquences sur le développement du cerveau, affectant la santé mentale. L'intensification des activités humaines fait subir aux écosystèmes nordiques des changements environnementaux majeurs qui altèrent les systèmes hôte-microbiotes. La relation entre ces systèmes complexes est encore très mal connue. La caractérisation des interactions hôte-microbiote et leurs impacts sur la santé mentale nécessite de développer en laboratoire des modèles et des outils avec lesquels nous pouvons contrôler avec précision les variables pertinentes pour l'environnement.

Notre objectif est de développer un modèle poisson zèbre avec lequel nous pouvons contrôler les facteurs qui modulent les interactions fonctionnelles hôte-microbiote et de mesurer leur impact sur l'évolution du microbiote, le fonctionnement du cerveau et l'expression des gènes de l'hôte. Nos objectifs spécifiques sont: i) développer des outils moléculaires pour contrôler la croissance microbienne avec l'optogénétique; ii) mettre au point l'imagerie optique multispectrale de la co-évolution de plusieurs souches bactériennes; iii) étudier l'impact de la nutrition, de xénobiotiques, de phages et de souches bactériennes sur le microbiote intestinal, le développement et le fonctionnement des réseaux neuronaux, et sur la régulation épigénétique des fonctions cérébrales. Le projet proposé comprendra une approche transdisciplinaire combinant la physiologie du poisson, l'optogénétique pour le contrôle et le suivi de la microflore intestinale, l'optogénétique pour l'observation de la fonction neuronale, ainsi que la génomique et la transcriptomique pour analyser notamment les transferts horizontaux de gènes entre souches bactériennes, et finalement des analyses épigénétique sur l'hôte.

 

3.8 Élucider les interactions microbiote-hôte présentes dans les maladies cardiométaboliques et mentales à l'aide de capteurs optiques multimodaux novateurs

 
Équipe de recherche et résumé du projet
 

Chercheurs principaux
Denis Boudreau, André Marette

Co-chercheurs
Olivier Barbier, Frédéric Calon, Daniel Côté, Vincenzo Di Marzo, Patrick Mathieu, Younès Messaddeq, Denis Richard, Denis Roy, Denis Soulet, Réal Vallée

Collaborateurs
Mohsen Agharazii, Jacques Corbeil, Yves Desjardins, Nicolas Flamand, Mélanie Lemire, Connie Lovejoy, Anna Ritcey, Elena Timofeeva, Warwick Vincent

Collaborateurs hors UL
Patrice Cani (Belgique), Emile Levy (CHU Sainte-Justine)

Résumé du projet
La prévalence de l'obésité, des maladies cardiométaboliques (CM), ainsi que des maladies mentales (MM) augmente à un rythme accéléré dans les populations autochtones du Nord canadien. Nous postulons l'hypothèse que l'exposition à divers facteurs environnementaux (regroupés sous l'appellation "exposome") et qui incluent des changements dans l'alimentation (moins traditionnelle et plus occidentale), est à l'origine de perturbations du microbiome intestinal, et constitue un lien pathogénique commun pour la prévalence accrue des désordres CM et MM dans ces populations. Cette nouvelle compréhension est à l'origine d'une révolution dans le domaine médical, qui a un urgent besoin de découvrir de meilleurs biomarqueurs prédictifs pour établir un diagnostic précoce et efficace de ces maladies prévalentes. Nous avons réuni une nouvelle équipe transdisciplinaire de scientifiques chevronnés à l'Université Laval et, avec la collaboration de prestigieux partenaires académiques et industriels, avons comme principal objectif de développer et valider de nouvelles sondes optophotoniques afin de révolutionner l'étude du microbiote intestinal. Ces sondes seront implantées dans le tractus gastro-intestinal de modèles de souris bien établis des maladies CM et MM, permettant pour la première fois de détecter in situ et en temps réel des molécules dérivées du microbiome et ce, avec une sensibilité et une résolution spatiale et temporelle inégalées. Ces outils novateurs permettront 1) d'identifier des biomarqueurs inédits du microbiome et stimuler la découverte de nouvelles cibles biologiques pour une meilleure compréhension de la relation entre l'exposome et la trajectoire développementale des désordres CM et MM et 2) d'élucider de nouveaux mécanismes qui permettent d'expliquer les effets bénéfiques de polyphénols de baies sauvages et des acides gras omega-3 de poisson, qui sont traditionnellement consommés par les populations autochtones du Nord.

 
 
 

Comité de direction du chantier thématique 3

Membres du comité de direction
André Marette, co-directeur
Département de médecine
andre.marette@criucpq.ulaval.ca

Warwick Vincent, co-directeur
Département de biologie
warwick.vincent@bio.ulaval.ca

Pierre Ayotte
Département de médecine sociale et préventive

Denis Boudreault
Département de chimie

Coordonnateur
Philippe St-Pierre
philippe.st-pierre@criucpq.ulaval.ca
418 656-8711, poste 3776

 
 
 

Chantiers thématiques

 
 

1- Décoder les interrelations entre systèmes complexes du Nord

 
 

2- La lumière comme moteur, environnement et vecteur d'information dans les milieux naturels et la santé dans le Nord

 
 

3- Microbiomes: sentinelles de l'environnement et de la santé dans le Nord

www.ulaval.ca