Sulforaphane is an isothiocyanate found in high concentrations in cruciferous vegetables like broccoli. Sulforaphane has received much attention due to the evidence that it inhibits phase I carcinogen-bioactivating enzymes and/or induces phase II antioxidant enzymes as well as metallothioneins (MTs) (Perocco et al., 2006; Clarke et al., 2008; Yeh & Yen, 2009). Since MTs and antioxidant enzymes are involved in the scavenging of reactive oxygen species (ROS), the question was raised whether sulforaphane can provide protection against increased oxidative stress and if sulforaphane exposure of a human hepatocellular carcinoma cell line, like HepaRG cells, will have a negative impact on phase I and II biotransformation in these cells. Oxidative stress was exogenously induced in HepaRG cells with tert- Butyl hydroperoxide (t-BHP). Phase I and phase II biotransformation pathways were assessed with caffeine, paracetamol, aspirin, sodium benzoate, and paraaminobenzoic acid, respectively, as probe substances. Through the use of a liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS) assay, the biotransformation of caffeine in phase I and the formation of paracetamol, aspirin, sodium benzoate and para-aminobenzoic acid conjugates in phase II were investigated. This involved elucidating the time it took for the whole probe to be completely biotransformed during phase I biotransformation and the unique conjugates formed during phase II biotransformation in HepaRG cells. The optimal t-BHP concentration and exposure time in HepaRG cells were standardized with a 3-(4, 5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. LC-ESI-MS/MS assays to monitor phase I and phase II biotransformation were optimized and validated. The optimal sulforaphane concentration and exposure time in HepaRG cells were standardized with a MTT assay. To evaluate the possible protective effect of sulforaphane against oxidative stress, HepaRG cells were pre-incubated with sulforaphane followed by the induction of oxidative stress with t-BHP and the quantification of the amount of viable cells with a MTT assay. To investigate the effect of sulforaphane on phase I and phase II biotransformation pathways, HepaRG cells were first pre-incubated with sulforaphane followed by the addition of a specific probe substance and the assessment of the biotransformation of the probe with a LC-ESI-MS/MS assay. The results partially supported the hypothesis of the study that sulforaphane will protect HepaRG cells against oxidative stress without negatively influencing phase I and phase II biotransformation. The results indicated that sulforaphane provided partial protection against t-BHP induced oxidative stress and had no effect on phase II paracetamol biotransformation in HepaRG cells. / Thesis, MSc (Biochemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

Sulforaphane is an isothiocyanate found in high concentrations in cruciferous vegetables like broccoli. Sulforaphane has received much attention due to the evidence that it inhibits phase I carcinogen-bioactivating enzymes and/or induces phase II antioxidant enzymes as well as metallothioneins (MTs) (Perocco et al., 2006; Clarke et al., 2008; Yeh & Yen, 2009). Since MTs and antioxidant enzymes are involved in the scavenging of reactive oxygen species (ROS), the question was raised whether sulforaphane can provide protection against increased oxidative stress and if sulforaphane exposure of a human hepatocellular carcinoma cell line, like HepaRG cells, will have a negative impact on phase I and II biotransformation in these cells. Oxidative stress was exogenously induced in HepaRG cells with tert- Butyl hydroperoxide (t-BHP). Phase I and phase II biotransformation pathways were assessed with caffeine, paracetamol, aspirin, sodium benzoate, and paraaminobenzoic acid, respectively, as probe substances. Through the use of a liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS) assay, the biotransformation of caffeine in phase I and the formation of paracetamol, aspirin, sodium benzoate and para-aminobenzoic acid conjugates in phase II were investigated. This involved elucidating the time it took for the whole probe to be completely biotransformed during phase I biotransformation and the unique conjugates formed during phase II biotransformation in HepaRG cells. The optimal t-BHP concentration and exposure time in HepaRG cells were standardized with a 3-(4, 5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. LC-ESI-MS/MS assays to monitor phase I and phase II biotransformation were optimized and validated. The optimal sulforaphane concentration and exposure time in HepaRG cells were standardized with a MTT assay. To evaluate the possible protective effect of sulforaphane against oxidative stress, HepaRG cells were pre-incubated with sulforaphane followed by the induction of oxidative stress with t-BHP and the quantification of the amount of viable cells with a MTT assay. To investigate the effect of sulforaphane on phase I and phase II biotransformation pathways, HepaRG cells were first pre-incubated with sulforaphane followed by the addition of a specific probe substance and the assessment of the biotransformation of the probe with a LC-ESI-MS/MS assay. The results partially supported the hypothesis of the study that sulforaphane will protect HepaRG cells against oxidative stress without negatively influencing phase I and phase II biotransformation. The results indicated that sulforaphane provided partial protection against t-BHP induced oxidative stress and had no effect on phase II paracetamol biotransformation in HepaRG cells. / Thesis, MSc (Biochemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

Les polyesters aliphatiques, comme le poly(acide malique) et ses dérivés, sont une famille de polymères aux propriétés de bio(comptabilité) et de bio(dégradabilité) remarquables, qui en font des candidats de choix pour l'élaboration de systèmes de vectorisation de principes actifs. Généralement, ces polymères sont synthétisés via des réactions de polymérisation utilisant des amorceurs, voir des catalyseurs, organiques, organométalliques ou métalliques. La présence de ces molécules, même à l'état de traces, peut être à l'origine d'une toxicité non souhaitée. Par conséquent, l'utilisation de biocatalyseurs, comme les lipases, se développe pour apporter une solution à cet inconvénient. Cependant, cette voie de synthèse enzymatique fait face à d'autres problèmes, tels qu'une polymérisation moins bien maîtrisée et des polymères de masses molaires faibles. Cette thèse a donc pour objectif de mettre au point une voie de polymérisation du malolactonate de benzyle utilisant la lipase de pancréas de porc (PPL) comme amorceur. Dans un premier temps, nous avons optimisé certains paramètres réactionnels permettant d'obtenir des poly(malate de benzyle) , PMLABe, de masses molaires suffisamment élevées pour que ces polymères puissent être utilisés dans la formulation de vecteurs de principes actifs, grâce à l'utilisation et l'extrapolation d'un plan d'expérience. Nous nous sommes ensuite intéressés à la compréhension du mécanisme réactionnel de la polymérisation enzymatique du malolactonate de benzyle, une β-lactone β-substituée. Les différentes études menées ont permis d'approfondir notre connaissance dans ce domaine. Deux mécanismes ont été proposés et des expériences sont en cours pour confirmer l'un d'entre eux. Finalement, comme l'objectif initial est de proposer une méthode de synthèse de dérivés du PMLA plus biocompatibles conduisant à des polymères sans résidus d'amorceurs chimiques toxiques, nous avons comparé les activités biologiques de nanoparticules préparées à partir de PMLABe synthétisés par voie chimique et par voie enzymatique. Pour cela, nous avons mesuré la captation de ces nanoparticules, encapsulant une sonde de fluorescence, par des cellules hépatiques HepaRG. Puis, nous avons évalué la toxicité aiguë et la toxicité chronique de ces nanoparticules vis-à-vis des cellules HepaRG. Ces études ont permis de mettre en évidence certaines propriétés des nanoparticules ayant une influence sur la survie cellulaire et le métabolisme des cellules HepaRG. De la compréhension théorique aux applications potentielles, cette thèse apporte des connaissances sur la polymérisation enzymatique des lactones substituées, un domaine peu décrit dans la littérature. / Aliphatic polyesters, like poly(malic acid)and its derivatives, are a family of polymers with outstanding properties, such as bio(degradability) and bio(compatibility). Therefore, these polyesters can be considered as excellent candidates for the design of drug carriers. These kinds of polymers are usually synthesized thanks to polymerization reactions using organic, organometallic or metallic initiators or catalysts. The presence of such molecules, even in trace amounts, can cause undesired toxicities. Therefore, the use of biocatalysts, like lipases, is attracting more and more interest and research work to circumvent this problem. However, this enzymatic polymerization method has to face to other issues, such as a lower controlled of the polymerization process and polymers with lower molar masses. Therefore, this PhD research work aimed at setting up the enzymatic polymerization of benzyl malolactonate, using porcine pancreatic lipase (PPL). Firstly, we have optimized some reactional parameters allowing to obtain poly(benzyl malate), PMLABe, with molar masses adapted to their uses for the design of drug carriers, thanks to a Design of Experiments (DoE) and its extrapolation. We were then interested by the comprehension of the enzymatic polymerization mechanism of the benzyl malolactonate. The different studies we carried out allowed us to deepen our knowledges of such enzymatic polymerization. Two non-canonical mechanisms were proposed and further experiments are in progress to confirm the one which is the more probable. Finally, because our initial goal was to propose a more biocompatible polymerization method to obtain PMLABe free of traces of chemical initiator, we compared biologic activities of different nanoparticles prepared from PMLABe synthesized using chemical or enzymatic pathway. For that, we have first measured the uptake of these nanoparticles encapsulating a fluorescent dye, by the hepatic cells HepaRG. Then, we have studied the acute and chronic toxicity of the nanoparticles on the HepaRG cells. Results of these studies have highlighted that certain properties of the nanoparticles and/or of the polymers which constituted them have an influence on the cells viability and on the cells metabolism. From the theoretical mechanism to the probable applications, this thesis brings knowledge about the enzymatic polymerization of substituted lactone, a field poorly described in the literature.

Les cellules de la lignée d'hépatome HepaRG sont des progéniteurs bipotents capables de se différencier à confluence en cellules biliaires et en hépatocytes exprimant un large éventail de fonctions spécifiques du foie notamment plusieurs enzymes clés de détoxication. Ce système cellulaire constitue un modèle unique pour mieux comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires régissant le processus de différenciation du progéniteur hépatique vers l'hépatocyte ou encore certains aspects de régulation du cycle cellulaire de l'hépatocyte. Par ailleurs, il offre un modèle cellulaire alternatif aux cultures primaires d'hépatocytes humains pour des applications en pharmacotoxicologie. Cependant, ces cellules expriment un niveau relativement limité d'un important cytochrome P450, le CYP2E1, restreignant leur utilisation pour les études de toxicologie des drogues métabolisées par cette voie. Nous avions comme objectif d'établir des protocoles efficaces de transfection afin d'augmenter l'expression du CYP2E1 dans les cellules HepaRG. Des protocoles de transfection efficaces ont été établis en utilisant l'électroporation et des lipides cationiques appartenant aux lipophosphonates et lipophosphoramidates. Ces approches nous ont permis d'augmenter significativement le niveau d'expression et d'activité du CYP2E1 dans les cellules HepaRG différenciées ouvrant de nouvelles perspectives pour des études de métabolisme et de toxicité des drogues dépendantes du CYP2E1. La mise au point de ces protocoles de transfection a été mise à profit pour aborder d'autres applications notamment la répression par siARN de l'expression du récepteur aux amines aromatiques hétérocycliques AhR. Nous avons pu par électroporation dans des cellules HepaRG différenciées démontrer que AhR est au moins en partie responsable de l'induction des CYP1A1 et 1A2 par les amines aromatiques hétérocycliques PhIP et MeIQx. Toujours en utilisant un protocole d'électroporation, nous avons également établi une lignée HepaRG recombinante exprimant de façon constitutive l'hepcidine en fusion avec la Green Fluorescent Protein (GFP). Cette lignée constitue un nouvel outil d'étude du processus de maturation et de sécrétion de l'hepcidine un régulateur hormonal central du métabolisme du fer. Enfin, dans une dernière partie du travail, nous avons abordé un nouveau type de vectorisation : des nanoparticules synthétisées à partir de poly-acide malique dans le but d'encapsuler des principes actifs anticancéreux pour des applications potentielles dans le ciblage du carcinome hépatocellulaire. Une première étape a consisté à étudier la toxicité in vitro de ces particules sur plusieurs lignées cellulaires puis d'évaluer leur potentiel d'encapsulation de principe actif en utilisant la doxorubicine comme molécule de référence.