Functional Dendritic Structures from Bile Acids: Supramolelcular Hosts, Light Harvesters and Drug Carriers Chapter 1. An Overview of Functional Dendrimers. Dendrimers are welldefined, hyperbranched macromolecules that are prepared by highly controlled iterative methodologies. The ability to modulate the size, molecular weight, chemical functionalities and the position and number of functional groups in dendrimers make them promising candidates for a wide variety of applications. In this chapter, three areas 1) hostguest chemistry 2) light harvesting and 3) drug delivery, where dendrimers are increasingly finding applications, are discussed with selected examples. Chapter 2. Hydroxyl Terminated Dendritic Oligomers from Bile Acids: Synthesis and Properties. Bile acids are excellent building blocks for dendritic construction because of their many interesting features. They are readily available, chiral, facial amphiphiles with complementary functionalities. Moreover, due to the large size of the bile acid units, a dendritic structure consisting of only a few such repeat units can have an extended structure with multiple functionalizable groups. (figure 1) The high reactivity of the chloroacetyl group has been exploited for the synthesis of bile acid based first and second-generation dendrons with glycolate linkers and multiple hydroxyl groups. The synthesis involves only a few steps and avoids the use of protecting groups for the terminal hydroxyl groups. The synthesis of a bile acid tetramer is shown here as an example (Figure 1). Carboxyl protected cholic acid was reacted with chloroacetylchloride to generate the trischloroacetylated derivative. This compound on reaction with excess of sodium cholate generated the tetramer with nine hydroxyl groups via displacement of the chlorides. In order to synthesize higher generation dendritic structures, perchloroacetylated firstgeneration dendrons were first synthesized. These were subsequently reacted with excess of sodium deoxcholate to generated secondgeneration dendrons with multiple hydroxyl groups (Figure 2). All the compounds were characterized by H NMR, C NMR, IR, ESIMS/MALDI-TOF, HPLC and elemental analysis(wherever possible) Figure 2. Structure of tridecamer. These dendritic structures with facially amphiphilic bile acid backbones on the periphery were able to solubilize cresol red, a hydrophilic dye, in a nonpolar solvent, thus exhibiting reverse micellar characteristics. Chapter 3. Multiple Naproxen Appended Bile Acid Dendrimers as Light Harvesters and Drug Carriers. Part I. Synthesis and Characterization. Using the same synthetic strategy as in Chapter 2, bile acid based dendritic structures appended with multiple bioactive (S)naproxens were generated as potential drug carriers. The construction of these dendrimers was accomplished using per(chloroacetylated) bile acid dendrons and conveniently displacing all the chlorides with naproxen units. Since naproxen is photoactive with a high fluorescence quantum Figure 3. Structures of secondgeneration dendrimers and a monomer with multiple naproxens. yield, the photophysical properties of these multichromophoric dendrimers could be further explored (Figure 3). By functionalizing the carboxyl group on the side chain with an anthracenyl moiety the energy transfer properties of these dendrimers could be studied. In this section the synthesis of first and secondgeneration dendritic structures with multiple naproxen units at the periphery and benzyl/anthracenyl moiety on the side chain are described (Figure 3). Model compounds using monomeric bile acid units were synthesized for comparison with the dendritic structures. All the compounds were characterized by H NMR, C NMR, IR, ESIMS/MALDITOF, HPLC and elemental analysis (wherever possible). Part II: Absorption, Fluorescence and Intramolelcular Energy Tranfer Studies. Absorption studies showed that the molar extinction coefficients increase linearly with increasing number of naproxen units and the absorption spectra of anthracenyl moiety remain unchanged in all the dendritic systems. These indicated the absence of ground state interaction between the chromophores. In the 275-290 nm absorption region, the molar extinction coefficient of naproxen is much greater than that of the 9-anthracenylmethyl chromophore. Hence excitation in this region would mainly excite the naphthalene chromophore. Upon excitation at 275 nm, there was predominant emission from the anthracenyl moiety in the dendritic structures (containing both chromophores) and the fluorescence intensity increased with increasing number of naproxens(Figure4). This indicated that the dendrimers act as efficient light harvesters with energy transfer from naproxen to anthracene (intramolecular nature of the energy transfer was confirmed through control experiments). (Figure 4: Refer PDF File) The fluorescence and energy-transfer properties were further investigated by time-resolved fluorescence spectroscopy. The presence of fast decay component(s) in the naproxen decay in dendritic structures (containing both chromophores) indicates that its fluorescence is quenched in the presence of anthracene due to energy transfer ((λex 275 nm, λem 350 nm (Figure 5). This was further confirmed by monitoring the fluorescence of the sensitized anthracenyl chromophore (λex 275 nm, λem 436 nm) which exhibited a fast rise comparable to he quenched naproxen lifetime(s). The efficiency of energy transfer was estimated by donor quenching by both steadystate and timeresolved techniques. The dendritic structures exhibited high energy transfer efficiencies (~ 70 – 90 %) with the net efficiency decreasing from the first to second-generation. Part III. In vitro Study of Hydrolysis of Naproxen Appended Bile Acid Prodrugs by Chemical and Enzymatic Methods. The naproxen appended bile acid dendrimers consist of hydrolyzable ester and glycolate linkers. Hence the chemical stability and enzymatic degradation with possible release of naproxen was studied. Two compounds, monomer appended with two naproxens and trimer with four naproxens have been used for the initial investigations (Figure 6). The compounds were found to be highly stable towards chemical hydrolysis and did not show any hydrolysis in phosphate buffer, pH = 7.4 even after 7 days. Since the compounds were not soluble in water, Arabic gum and TritonX were used for emulsification. Figure 6. Structures of monomer and trimer. (Refer PDF File) The enzymatic hydrolysis of the compounds was then studied using Candida Rugosa Lipase. In both cases, there was slow hydrolysis of the substrate and intermediates were formed (with release of free naproxen) which were detected by HPLC (reverse phase column with a UV detector). The trimer underwent much slower hydrolysis compared to the monomer. The intermediates were characterized by absorption and mass (ESIMSQTOF) spectrometry.

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales. / Bile acids are natural compounds in the body. Their biocompatibility, facial amphiphilicity, rigidity of steroid nucleus, and ease of chemical modification make them excellent candidates as building blocks for making biodegradable materials used in drug delivery and tissue engineering applications. We have prepared main-chain bile acid-based polymers having high molecular weights. Macrocyclic monomers were synthesized from dienes, which consist of flexible alkyl chains attached to a bile acid core through either ester or amide linkages, via ring closing metathesis using first-generation Grubbs catalyst. They were polymerized using entropy-driven ring-opening metathesis polymerization using second-generation Grubbs catalyst. Copolymers were also prepared from monolactone of ricinoleic acid and cholic acid-based cyclic triester monomer via the same method. The thermal and mechanical properties and degradation behaviours of these polymers have been investigated. The properties can be tuned by varying the chemical linking with the bile acid moiety and by varying the chemical composition of the polymers such as copolymerization with ricinoleic acid lactones. The tunability of the physical properties of these biocompatible polymers gives access to a range of interesting attributes. For example, shape memory properties have been observed in some samples. This may prove useful in the design of materials for biomedical applications.

Les acides biliaires sont reconnus comme des tensioactifs d’origine biologique potentiellement applicables dans le domaine pharmaceutique. Leurs structures en font une plateforme idéale pour l’obtention de nouvelles architectures polymères. Des composés synthétisés par polymérisation anionique de dérivés d’oxirane comme l’oxyde d’éthylène, offre des dérivés amphiphiles pegylés démontrant des propriétés d’agrégation intéressantes en vue d’une amélioration de la biocompatibilité et de la capacité d’encapsulation médicamenteuse. Une large gamme d’acides biliaires pegylés (BA(EGn)x) a été préparée avec comme objectif premier leurs applications dans la formulation de principes actifs problématiques. Pour cela, une caractérisation rigoureuse du comportement de ces dérivés (modulation de la longueur (2 < n < 19) et du nombre de bras (2 < x < 4) de PEG) en solution a été réalisée. Dans le but d’améliorer la biodisponibilité de principes actifs lipophiles (cas de l’itraconazole), des nanoémulsions spontanées, composées de BA(EGn)x et d’acide oléique, ont été développées. L’évaluation in vitro, de la toxicité (cellulaire), et de la capacité de solubilisation des systèmes BA(EGn)x, ainsi que les paramètres pharmacocinétiques in vivo (chez le rat), suggèrent une livraison contrôlée par nos systèmes auto-assemblés lors de l’administration orale et intraveineuse. Aussi, la synthèse de copolymères en blocs en étoile à base d’acide cholique pegylés a été effectuée par polymérisation anionique par addition d’un second bloc au caractère hydrophobe de poly(éther d’allyle et de glycidyle) (CA(EGn-b-AGEm)4). Selon le ratio de blocs hydrophiles-hydrophobes CA(EGn-b-AGEm)4, des réponses thermiques en solution (LCST) ont été observées par un point de trouble (Cp) entre 8 oC et 37 oC. Un mécanisme de formation d’agrégats en plusieurs étapes est suggéré. La thiolation des allyles des PAGE permet une fonctionnalisation terminale à haute densité, comparable aux dendrimères. Les caractérisations physico-chimiques des CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 et CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 indiquent la formation de structures auto-assemblées en solution, sensibles à la température ou au pH. Cette fonctionnalisation élargie le domaine d’application des dérivés d’acides biliaires pegylés en étoile vers la transfection d’ADN, la livraison de siRNA thérapeutiques ou encore à une sélectivité de livraison médicamenteux (ex. sensibilité au pH, greffage ligands). / Bile acids are natural compounds and may have potential for pharmaceutical applications. Their structures provide an interesting platform for polymerization to obtain well-defined architectures. The anionic polymerization of oxirane derivatives, mainly PEG derivatives, endowed new aggregation properties and improvement of biocompatibility of the new amphiphilic polymers based on bile acids. A library of pegylated bile acids (BA(EGn)x) was prepared for the formulation of lipophilic drugs. The aqueous physicochemical behaviors of these derivatives (modulation of the length (2 < n < 19) and the number (2 < x < 4) of PEG arm) were investigated. In order to improve the bioavailability of insoluble active compounds (itraconazole, an antifungal drug), a binary system based on the association of BA(EGn)x and oleic acid, formed self-emulsifying drug delivery systems. The in vitro evaluation of cell toxicity and solubilization capacities of the BA(EGn)x systems followed by the in vivo evaluation in rats of the pharmacokinetic parameters demonstrated the advantages of our self-assembled system for controlled drug delivery for both oral and intravenous administration. Star-shaped block copolymers of pegylated cholic acid (CA(EGn-b-AGEm)4) were prepared by the introduction of a second hydrophobic block of PAGE poly(allyl glycidyl ether). They demonstrated thermosensitivity (8 oC < LCST < 37 oC) in aqueous solution, suggesting a mechanism based on the formation of aggregates in two steps. The PAGE block with pendant groups may facilitate futher functionalization. The thiolation of allyl yields a new class of charged PEGylated star polymers (with multiple amines or carboxylic groups). CA(EGn-b-AGEm-NH2)4 and CA(EGn-b-AGEm-COOH)4 derivatives showed self-assembled structures in solution with temperature and pH responsiveness, respectively. This functionalization may lead to broader application of pegylated star derivatives in DNA transfection systems, siRNA delivery systems or as selective delivery system (pH-dependent).

Les estrogènes confèrent aux femmes une protection cardiovasculaire jusqu’à la ménopause. En effet, la perte des fonctions ovariennes engendre plusieurs désordres du profil lipidique qui s’accompagnent d’une accumulation de triglycérides au foie appelée stéatose hépatique. Le retrait des estrogènes perturbe de nombreuses voies de contrôle de la cholestérolémie, provoquant simultanément une hypercholestérolémie et une stéatose hépatiques. Toutefois, à ce jour, les mécanismes d’action du retrait des estrogènes sur le métabolisme du cholestérol favorisant le stockage de triglycérides au foie demeurent imprécis. À cet égard, les travaux de cette thèse visaient à clarifier l’ensemble des effets du retrait des estrogènes sur le métabolisme du cholestérol pouvant mener à la pathogenèse de la stéatose hépatique. Lors de la première étude, l’ovariectomie (Ovx) chez la rate, un modèle bien établi de la stéatose, avait permis d’identifier la voie d’assemblage des lipoprotéines à très faible densité (VLDL) comme élément contributif à la stéatose. La voie des VLDL reliant étant également une voie de transport du cholestérol, l’étude suivante a été réalisée afin de comprendre le rôle du cholestérol alimentaire sur les lipides hépatiques. Dans cette deuxième étude, le modèle de la diète riche en lipides et en cholestérol (HFHC), aussi reconnu pour induire une stéatose hépatique, a permis d’établir des liens étroits entre le métabolisme du cholestérol et celui des lipides hépatiques. Étonnamment, de manière similaire à l’Ovx, la diète HFHC perturbait la voie d’assemblage des VLDL. En outre, les données recueillies au cours de ces travaux indiquaient qu’une dysrégulation du métabolisme des acides biliaires avait contribué à la sévérité de la stéatose hépatique induite par cette diète HFHC. Dans la continuité de ces deux premiers projets, nous nous sommes intéressés aux effets concomitants du retrait des estrogènes et d’une diète HFHC sur la stéatose hépatique. De manière intéressante, lorsque combinés, l’Ovx et la diète HFHC potentialisaient non seulement l’accumulation de lipides hépatiques, mais également les perturbations moléculaires des voies sous-jacentes à la stéatose, dont l’assemblage des VLDL et de la sécrétion d’acides biliaires. Dans l’ensemble, les données présentées dans la revue de littérature et dans les trois études reliées à cette thèse indiquent qu’une dysrégulation du métabolisme du cholestérol en réponse au retrait des estrogènes entraîne des complications favorisant l’accumulation de lipides dans le foie. / Estrogens confer to women a cardiovascular protection until menopause. Indeed, the loss of ovarian functions leads to several lipid disorders along with hepatic triglycerides accumulation called hepatic steatosis. Estrogen withdrawal disrupts several cholesterol metabolism pathways that results in both hypercholesterolemia and hepatic steatosis. However, to date, the precise mechanisms by which estrogen withdrawal affect cholesterol metabolism pathways that favour lipid storage in the liver are unclear. In this regard, works in the present thesis aimed at elucidate the effects of estrogen withdrawal on cholesterol metabolism involved in hepatic steatosis pathogenesis. In the first study, estrogen withdrawal by ovariectomy (Ovx), a well established model for hepatic steatosis and hypercholesterolemia, had enabled the identification of very low density lipoprotein (VLDL) pathway as a contributory element for hepatic steatosis. Since the VLDL pathway relates lipids and cholesterol metabolism, we conducted the second study to explore the role of dietary cholesterol on hepatic lipids. In the second study, the high fat/high cholesterol (HFHC) diet, also recognized as a model for hepatic steatosis development, was used to explore links between cholesterol metabolism and hepatic fat accumulation. Surprisingly, HFHC diet also disrupted the VLDL pathway. Additionally, data provided in this study indicated that a dysregulation of bile acids metabolism might have contributed to the severity of hepatic steatosis induced by the HFHC diet. As a continuation of these projects, we were interested in the concomitant effects of estrogen withdrawal and HFHC diet on hepatic lipid accretion. Interestingly, when combined, Ovx and HFHC diet not only potentiated hepatic lipid accumulation but also molecular disruptions involved in underlying pathways for hepatic steatosis including the VLDL pathway and bile acid secretion. Overall, data presented in the review of litterature and provided by the three studies related to the present thesis indicate that cholesterol metabolism dysregulation following estrogen withdrawal result in complications that favour hepatic lipid accumulation.

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées. / Hepatic steatosis and plasma lipid profile deterioration are metabolic diseases favored by post-menopausal estrogen deficiency. However, mechanisms underlying these diseases have not been systematically adressed. The aim of this thesis was to investigate molecular mechanisms causing hypercholesterolemia and lipids (triglycerides: TG and cholesterol) accumulation in the liver using animal model of menopause, the ovariectomized (Ovx) Sprague Dawley rat. We also examined whether lifestyle modifications such as physical activity can prevent or correct changes induced by Ovx. Finally, rosuvastatin (statine) was used as a pharmacological therapy of hypercholesterolemia in order to understand its effect at the molecular level in Ovx rats. The first study was designed to determine how the Ovx may affect levels of TG and cholesterol in the liver of rats fed a high-fat diet (HF: 42% fat). Rats were submitted to a HF or a normal diet for 6 weeks prior to Ovx or being sham operated, and then kept on the same diets for another 6 weeks. The Ovx increased liver TG content, but not the HF diet alone. However, the combination of Ovx and HF diet resulted in a greater liver TG accumulation than that observed in Ovx submitted to normal diet. The mRNA levels of CPT-1, PGC1 and PPARα involved in liver lipid oxidation significantly increased in rats fed the HF diet (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectively); but this increase was substantially less if HF fed rats were Ovx (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectively), thus favouring TG accumulation in the liver. The combination of HF diet and Ovx also induced hypercholesterolemia and an increase in liver total cholesterol content, in spite of the reduction of liver HMGCoA-r gene expression, the key enzyme for cholesterol synthesis. This was also associated with a decrease of liver CYP7a1 gene expression, suggesting a reduction in bile acids synthesis. Having found in the first study that the Ovx increases liver and plasma cholesterol levels, we aimed in the second study at determining the effects of Ovx on gene expression of hepatic and intestinal transporters and enzymes involved in cholesterol and bile acids metabolism; and to verify whether treadmill exercise could prevent or correct changes induced by Ovx. The Ovx resulted in hypercholesterolemia associated with a reduction in gene expression of hepatic low-density lipoprotein receptor (LDL-R), lipoprotein remnants receptor (LRP1), SREBP-2 and PCSK9, suggesting a failure in the clearance of plasma lipoproteins particles. The Ovx also inhibited the expression of MTP and stimulated that of SR-B1 in the liver, but no change was observed with CYP7a1. These molecular changes might, therefore, favor cholesterol accumulation in the liver. Exercise training did not correct the deleterious effects caused by Ovx on gene expression of these molecular markers in the liver with the exception of SREBP-2. However, in the intestine (ileum) treadmill exercise reduced gene expression of molecular markers involved in the absorption of bile acids (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) and cholesterol (LXRα, NCP1L1) in Sham trained rats compared to sedentary rats. This could prevent the development of cholestasis and hypercholesterolemia protecting partially against the onset of atherosclerosis. In view of the deleterious effects (hypercholesterolemia and decreased in gene expression of LDL-R, PCSK9, LRP1, SREBP-2 and HMGCoA-r in the liver) caused by Ovx on cholesterol metabolism observed in the second study, the 3rd study was designed to test the effect of rosuvastatin (Ros) on gene expression of these molecular markers in Ovx sedentary rats or in Ovx rats submitted to voluntary training. Ros was injected to Ovx rats subcutaneously at dose of 5mg/kg/day during 21 days from the ninth week after ovariectomy. Ros failed to decrease plasma LDL-C and TC in Ovx rats. In contrast, Ros increased (P ˂ 0.05) PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r and ACAT2 but not significantly (P ˂ 0.3) LDL-R mRNA in the Ovx sedentary and trained rat liver. Ros failed to decrease plasma LDL-C in Ovx rats probably because of a stronger induction of PCSK9 than LDL-R gene expression. However by increasing LRP1 expression, Ros could decrease circulating lipoprotein remnants and, therefore, protects partially against the onset of cardiovascular diseases. In conclusion, the studies of this thesis indicate that the decrease of ovarian estrogen levels causes radical changes in hepatic TG and cholesterol metabolism caused by alterations in the expression of key genes associated with metabolic pathways.

Actuellement, le traitement des pathologies infectieuses chez les bovins et les animaux de compagnie est menacé par l’accroissement de l’antibiorésistance et des bactéries multirésistantes. Il est donc primordial pour les entreprises pharmaceutiques vétérinaires de développer de nouvelles gammes d’agents antibactériens spécifiques au domaine animale. Dans ce contexte, il a été montré que certains polyaminostérols naturels tels que la squalamine possèdent un fort potentiel antimicrobien. Ainsi, l’objectif de ce travail de thèse est de répondre à la problématique présentée par la société Virbac dans le traitement des mammites (bovins) et des otites/pyodermites (chien) par le développement d’une nouvelle classe de dérivés polyaminostéroïdiens synthétiques à large spectre antimicrobien. Pour cela, nous avons constitué une chimiothèque de composés originaux préparés à partir de différents acides biliaires selon des voies de synthèse inédites. Ces composés ont été évalués in vitro pour leur cytotoxicité et leurs activités antibactériennes contre diverses bactéries à Gram positif et à Gram négatif et nous avons pu établir la preuve de concept in vitro de leur potentiel thérapeutique en tant qu’agents antibactériens ou adjuvants d’antibiotiques. De plus, nous avons montré que l’un de ces nouveaux dérivés, la claramine A1, agit sur l’intégrité physique des membranes bactériennes et sur les performances d'efflux des pompes AcrAB-TolC. Ainsi, il apparaît finalement que ces dérivés polyaminostéroïdiens au mode d’action non conventionnel pourraient constituer une nouvelle classe d’agents antibactériens pour un usage en tant que substituts d’antibiotiques en médecine vétérinaire. / Currently, the treatment of infectious pathologies in cattle and pets is threatened by the growing antimicrobial resistance and the development of multidrug-resistant bacteria. Thus it is necessary for the veterinary pharmaceutical firms to develop new lines of antibacterial agents. In this context, some natural polyaminosterols such as squalamine have gained interest due to their potent antimicrobial activities. Thus the aim of this PhD work is to provide an answer in the treatment of mastitis (cattle) and otitis/pyoderma (dog) by the development of a new class of synthetic polyaminosterols with a broad spectrum of antibacterial activity. In this purpose, a chemical library of original compounds has been prepared starting from various bile acids by using unprecedented synthesis procedures. These compounds were evaluated for their in vitro cytotoxicity on CHO cells as well as their antibacterial activities against Gram-positive and Gram-negative bacteria and we have establish the in vitro proof of concept of the therapeutic potential of this family of molecules as antibacterial agent or antibiotic adjuvant. Additional investigations were then conducted on one of these novel derivatives namely claramine A1 to deepen knowledge of its mechanism of action and showed that claramine A1 acts on the physical integrity of bacterial membranes and the efflux performance of AcrAB-TolC pumps. Based on the results of claramine A1, it finally appears that these new polyaminosterol derivatives possessing a non-classical mode of action pertain to a new class of antibacterial agents and could constitute a substitute for traditional antibiotics in veterinary medicine.

Chapter 1. Supramolecular Gels and their Applications Supramolecular gels are viscoelastic materials composed of a solid like three dimensional fibrillary network that is embedded in a liquid. Supramolecular gels are derived from low molecular weight compounds (typically MW < 3000). In the 1990s, the investigations on gels were mainly focused on designing new gelator molecules. However, during the last decade, research focus shifted towards designing functional gels and their applications. As a result of extensive work in this area, gels have been found to have varied applications in the templated synthesis of inorganic nanomaterials, hybrid materials, light harvesting systems, as responsive system and sensors, and also in drug delivery, tissue engineering etc. This chapter gives an introduction to supramolecular hydrogels/organogels and relevant bile acid chemistry touching upon the gelation properties of the bile acid derivatives. Diverse applications of the supramolecular gels are also illustrated with several examples. Scheme 1. Various applications of functional supramolecular gels Chapter 2. Bile Acid derived novel Hydrogelators Part 1. Hydrogelation of Bile acid protected Amino acids and Hybrid Materials Hydrogels from low molecular weight molecules have significant importance in biomedical applications. In this chapter, we report injectable hydrogel formation from bile acid conjugates of various amino acids. Hydrogel formation was found to be dependent on multiple factors such as bile acid backbone structure, linkage between the bile acid and the amino acid, pH etc. Single crystal structures of lithocholyl phenylalanine, lithocholyl-glycine, lithocholyl-L valine and lithocholyl-L alanine were also determined. Finally, the hydrogel frameworks were utilized to produce hybrid materials with Gold and ZnO nanoparticles. Scheme 2. (a) Crystal structure of LC-LF-OH gelator molecule, (b) photograph of gel, (c) SEM and (d) AFM image of LC-LF-OH xerogel Part 2. Hydrogelation of bile acid-dipeptide conjugates and in situ synthesis of silver and gold nanoparticles in the hydrogel matrix Fabricating supramolecular hydrogels with embedded metal nanostructures are important for the design of novel hybrid nanocomposite materials for diverse applications such as bio sensing and chemo sensing platforms, catalytic and antibacterial functional materials etc. Supramolecular self-assembly of bile acid-dipeptide conjugates have led to the formation of new supramolecular hydrogels. Gelation of these molecules depends strongly on the hydrophobic character of the bile acids. Ag+ and Au3+ salts were incorporated in the hydrogels, and photo reduction and chemical reduction led to the in situ generation of Ag and Au NPs in these supramolecular hydrogels without the addition of any external stabilizing agent. The color, size and shape of silver nanoparticles formed by photo reduction depended on the amino acid residue on the side chain. Furthermore, the hydrogel-Ag nanocomposite was tested for its antimicrobial activity. Scheme 3. Bile acid based dipeptide hydrogelators and soft hybrid materials Chapter 3. Sonogels of bile salts of In(III): use in the formation of self-templated indium sulfide nanostructures In this chapter, facile hydrogel formation by Indium(III) cholate and deoxy cholate are reported. When In(III) solution was added to aqueous solutions of sodium cholate and sodium deoxy cholate and sonicated, the mixtures formed gels. The gels thus obtained were translucent/turbid and thermos irreversible. Rheological measurements showed that all of them could be classified as viscoelastic soft solids. Scanning electron microscopy and atomic force microscopy showed typical entangled three dimensional fibrous networks. The In-Ch hydrogel were further used to prepare nanostructured In2S3 in which the cholate units possibly acted as a surfactant to confine the growth of the Nano flakes. Scheme 4. In-Ch hydrogel (Photograph and SEM image of In-Ch gel) Chapter 4. Palladium-Hydrogel Nanocomposite for C-C Coupling Reactions Supported metallic nanoparticles are important composite materials owing to their enormous potential for applications in various fields. This chapter describes the in situ formation of palladium nanoparticles in a calcium-cholate (Ca-Ch) hydrogel by reduction with sodium cyan borohydride. The hydrogel matrix appeared to assist the controlled growth as well as stabilization of palladium nanoparticles. The palladium nanoparticle/Ca-Ch hydrogel hybrid was characterized by scanning and transmission electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Furthermore, PdNP/Ca-Ch hybrid xerogel was shown to act as an active catalyst for Suzuki reaction under aqueous aerobic conditions, up to 4 cycles. This PdNP/Ca-Ch xerogel retained its catalytic activities on storage for several months. Scheme 5. Palladium-hydrogel nanocomposite for C-C coupling reactions in water Chapter 5. Sensitization of Terbium/Europium in self-assembled cholate hydrogel: An approach towards the detection of amine vapours "Luminescent" lanthanides have intrinsic low molar absorptivity, although this problem can be addressed by complexing the lanthanide ion with suitable chelating ligands which improve the luminescence properties drastically. However the design of such systems often involves careful planning and laborious synthetic steps. It is therefore desirable to have a simpler way to sensitize lanthanides with high efficiency. It was observed in our group that trivalent lanthanides formed hydrogels on the addition of sodium cholate. This chapter describes the discovery of the several biphenyl derivatives (such as 4-biphenylcarbaxaldehyde, 4-acetylbiphenyl) for sensitization of Tb(III) and Eu(III) in lanthanide hydrogels. Sensitization of Tb(III) and Eu(III) were observed by doping was characterized by scanning and transmission electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Furthermore, PdNP/Ca-Ch hybrid xerogel was shown to act as an active catalyst for Suzuki reaction under aqueous aerobic conditions, up to 4 cycles. This PdNP/Ca-Ch xerogel retained its catalytic activities on storage for several months. Scheme 6. Schematic representation of the sensitization process (the arrangement of themolecules in the gel fiber is arbitrary)(For figures pl refer the abstract pdf file)

Les chirurgies de type by-pass induisent des améliorations spectaculaires de l'homéostasie glucidique indépendamment de la perte de poids chez les patients obèses et diabétiques. Elles provoquent également une diminution de la préférence pour les aliments hypercaloriques. Un mécanisme proposé pour expliquer les effets sur le contrôle glucidique de ces procédures associe une diminution de la production hépatique de glucose et une augmentation de la néoglucogenèse intestinale. Les acides biliaires, décrits comme inhibiteurs de la néoglucogenèse, voient leur biodisponibilité modifiée après ces chirurgies. Ils sont en effet absents de l'anse alimentaire tandis que leur concentration est augmentée dans le sang. Nous avons donc testé l'hypothèse selon laquelle les acides biliaires plasmatiques inhiberaient la production hépatique de glucose alors que leur absence dans l'intestin induirait la néoglucogenèse intestinale. Pour cela, nous avons réalisé des dérivations biliaires chez le rat visant à reproduire le trajet de la bile dans les chirurgies de type by-pass. Nous avons montré que les dérivations biliaires entrainent une augmentation du taux circulant d'acides biliaires. Les dérivations provoquent une forte diminution de la production hépatique de glucose et une induction de la néoglucogenèse dans les portions d'intestin dépourvus de bile. Par ailleurs, la seule modification du trajet de la bile promeut une amélioration du contrôle glucidique et une diminution de l'appétence pour les aliments riches en graisse et en sucre. Ces données nous ont donc permis d'attribuer un rôle clé à la modification du trajet de la bile dans les effets bénéfiques des chirurgies de type by-pass / Gastric bypass procedures have emerged as an effective treatment for morbid obese diabetic patientssince they provoke a rapid remission of diabetes before any weight loss has occurred. Patients also report adisinterest in high calorie food. A suggested mechanism associated a decrease in hepatic glucose production toan enhanced intestinal gluconeogenesis. Bile acids, described as inhibitors of gluconeogenesis, see theirbioavailability changed after these procedures. Indeed, they are absent in the alimentary limb while theirplasmatic concentration is increased. We therefore tested the hypothesis that plasma bile acids may inhibithepatic glucose production while their absence in the gut could induce intestinal gluconeogenesis.For this, we performed bile diversions matching the modified biliary flow occurring after gastric bypassprocedures. We showed that bile diversions lead to an increase in plasma bile acids. Bile diversions promote ablunting in hepatic glucose production whereas intestinal gluconeogenesis is increased in gut segments devoidof bile. Moreover, the modification of bile routing per se improves glucose control and dramatically decreasefood intake due to an acquired disinterest in fatty food. This data shows that bile routing modification is a keymechanistic feature in the beneficial outcomes of gastric bypass procedures

Les virus des hépatites B et C (VHB et VHC) entretiennent des liens étroits avec le métabolisme lipidique des hépatocytes. Ainsi, la réplication du VHB est dépendante de certains récepteurs nucléaires hépatiques, tels que HNF4α et PPARα, impliqués dans ce métabolisme. L’assemblage des particules virales du VHC dépend lui de la voie de synthèse des lipoprotéines de très faible densité (VLDL) et le virus circule dans le sang sous forme de lipo-viro-particules associé notamment à l’apolipoprotéine B, un composant essentiel des VLDL. Dans ce travail, nous avons d’abord étudié le rôle de FXRα, le récepteur nucléaire des sels biliaires, sur la réplication du VHB. Nous avons montré, in vitro, que les sels biliaires, via FXRα, activaient le promoteur de Core du VHB qui contrôle le niveau de réplication virale. Puis dans l’étude des liens entre les lipoprotéines et le VHC, nous avons montré que l’apoB présente sur certaines particules virales jouaient un rôle important dans l’infectiosité du virus in vitro, et que la protéine Cideb, présente en surface des gouttelettes lipidiques et impliquée dans l’assemblage des VLDL, était impliquée dans l’association du VHC avec l’apoB et influençait l’infectiosité des virions sécrétés. De plus nous avons mis en évidence l’existence de particules sub-virales chez les patients infectés, de nature lipoprotéique mais ne portant que les protéines d’enveloppes du VHC. Tous ces résultats renforcent l’idée d’une adaptation du VHB et du VHC au métabolisme lipidique hépatique. Les bénéfices éventuels qu’en retirent ces deux virus, ainsi que l’existence de possibles thérapeutiques anti-virales ciblant le métabolisme lipidique, restent à explorer / Hepatitis B and C viruses (HBV and HCV) infections are tightly linked with hepatic lipid metabolism. HBV replication depends on specific nuclear receptors, such as HNF4α and PPARα, both implicated in this metabolism. HCV assembly depends on the synthesis of Very-Low-Density Lipoproteins (VLDL), and the virus circulates in the blood as lipo-viral-particles associated in particular with apoB, an essential component of VLDL. In this study, we first studied the influence of FXRα, the nuclear receptor for bile acids, on HBV replication. We showed that, in vitro, bile acids, via FXRα, were able to activate the HBV Core promoter which controls the level of viral replication. Then, in the study of the interactions between HCV and lipoproteins, we demonstrated that apoB, which is associated with a proportion of viral particles, played an important role in HCV infectivity in vitro, and that Cideb, a protein involved in VLDL assembly, was implicated in the association between HCV and apoB and influenced the infectivity of secreted viral particles. Finally, we showed that, besides HCV infectious particles, sub-particles bearing only viral envelope glycoproteins circulated in the blood of infected patients. Interactions of HBV with the metabolism of bile acids, and of HCV with the metabolism of lipoproteins, are two examples of adaptation of a parasite to its host. The potential benefits from these interactions are still to be determined, as well as the possibility to develop anti-viral strategies targeting lipid metabolism

Le récepteur CAR, Constitutive Androstane Receptor, appartient à la-famille NR1 des récepteurs nucléaires. Initialement décrit comme un récepteur orphelin, CAR est en fait activé par un grand nombre de molécules exogènes et une des fonctions principales de CAR est celle de xénosenseur. L’activation CAR par ses différents ligands stimule la transcription des enzymes de phase I, II et III nécessaires à la détoxification et à l’élimination des xénobiotiques. Parallèlement, CAR a fait l’objet de nombreux travaux indépendants qui ont démontré son implication dans le métabolisme de molécules endogènes comme les acides biliaires, la bilirubine et les hormones thyroïdiennes. Plus récemment un impact de CAR sur des voies métaboliques fondamentales comme la néoglucogenèse, la lipogenèse et le métabolisme des lipoprotéines a été mis en évidence faisant de CAR au même titre que les récepteurs du groupe NR1 (LXR et FXR) une cible potentielle pour l’étude et le traitement du syndrome métabolique et des maladies cardio-vasculaires. Dans le cadre de ce mémoire nous avons étudié l’impact d’une stimulation chronique de CAR par un agoniste spécifique le TCPOBOP sur le transport reverse du cholestérol, le métabolisme des lipoprotéines et la susceptibilité à l’athérosclérose dans un contexte de surcharge alimentaire en cholestérol. Chez les souris dyslipidémiques déficientes pour le gène du récepteur aux lipoprotéines de faible densité (Ldlr-/-) ou bien déficientes pour l’apoprotéine E l’activation spécifique de CAR par l’agoniste TCPOBOP (3,3’,5,5’-Tétrachloro-1,4-bis (pyridyloxy )benzene), 1) diminue la lipogenèse via l’induction du facteur Insig1 et la répression du facteur de transcription Srebp1c et de ses gènes cibles. Cela se traduit par une diminution de la triglycéridémie plasmatique associée à une diminution du contenu hépatique en triglycérides et une diminution de la sécrétion de lipoprotéines riches en triglycérides, 2) stimule la conversion et l’élimination fécale du cholestérol sous forme d’acides biliaires ce qui se traduit par une élimination accrue du cholestérol dérivé des HDL dans les fèces, dernière étape du transport reverse du cholestérol, 3) diminue le taux de cholestérol associé aux LDL chez les souris Ldlr-/- probablement par stimulation de l’expression hépatique du récepteur aux lipoprotéines de très basse densité. La diminution de l’athérogénicité du profil lipoprotéique et la stimulation du transport reverse du cholestérol sont associées à une réduction des lésions athéromateuses au niveau des valves et de la crosse aortique chez les souris Ldlr-/-. Une diminution des lésions athéromateuses uniquement au niveau de la crosse aortique est également observée chez les souris ApoE-/- L’ensemble des travaux présentés et les récentes études publiées suggèrent que CAR peut être considéré comme un acteur central du métabolisme lipidique et font de ce récepteur nucléaire une nouvelle cible potentielle pour l’étude et le traitement des désordres métaboliques comme le diabète, l’obésité, la stéatose hépatique et l’athérosclérose / The Constitutive Androstane Receptor (CAR) belongs to the subfamily of nuclear receptors NR1. Initially described as an orphan receptor, CAR is activated by a large number of exogenous molecules and acts as a xenosensor. The activation of CAR by these ligands stimulates transcription of phase I, II and III enzymes required for the detoxification and elimination of xenobiotics. Furthermore CAR is also involved in the metabolism of endogenous molecules such as bile acids, bilirubin or thyroid hormones. CAR has recently been the subject of numerous independent studies that have highlighted his involvement in major metabolic pathways including gluconeogenesis, lipogenesis and lipoprotein metabolism, making CAR as well as others NR1 nuclear receptors potential targets for the study and the treatment of metabolic syndrome and cardiovascular diseases. The goal of our work was to determine the impact of a chronic CAR activation on reverse cholesterol transport, lipoprotein metabolism and susceptibility to atherosclerosis in a context of dietary cholesterol overload. In dyslipidemic mice deficient for the low density lipoprotein receptor (Ldlr-/-) or for apolipoprotein E (ApoE-/-), pharmalogical activation of CAR by its specific agonist TCPOBOP (3,3',5,5'-Tetrachloro-1, 4-bis (pyridyloxy) benzene) 1) reduces lipogenesis through the induction of Insig1 and the repression of the transcription factor Srebp1c (meaning..) and its target genes. This results in a decrease in plasma triglyceride levels associated with a reduced hepatic triglycerides concentration and a decreased secretion of triglyceride-rich lipoproteins, 2) stimulates the conversion and fecal cholesterol elimination as bile acids and consequently the last step of reverse cholesterol transport, 3) in Ldlr-/- mice, CAR activation decreases LDL-cholesterol probably through the stimulation of hepatic expression of very low density lipoprotein receptor.Reduction in the atherogenicity of the lipoprotein profile and increase of reverse cholesterol transport lead to a reduction in the size of atherosclerotic lesions in heart valves and aorta in Ldlr-/- mice. Reduction of aortic lesions in aortic arches only was also observed in apoE-/- mice. The present work as well as recent studies suggests that CAR is as central player in lipid metabolism. CAR appears therefore to be a new potential target for the study and the treatment of metabolic disorders like diabetes, obesity, fatty liver and atherosclerosis