Une augmentation de la prévalence des maladies cardiométaboliques (CMD) et mentales est observée au sein des populations autochtones du Nord du Canada. Le passage d'une alimentation traditionnelle à une diète de type occidental pourrait être responsable d'une déstabilisation du microbiote intestinal, un ensemble de microorganismes participants à des processus physiologiques clé incluant la régulation du système immunitaire. Le suivi de l'évolution de biomarqueurs du tractus gastrointestinal en temps réel et de manière longitudinale permettrait de supporter l'élucidation des liens entre les habitudes alimentaires de l'hôte et sa diète. Cependant, cela est entravé par les méthodes d'analyse classiques relativement longues qui reposent sur le prélèvement d'échantillons sanguins ou de fèces, acheminés ensuite vers des laboratoires spécialisés. L'objectif général de ce projet consiste à développer une sonde permettant l'analyse des processus microbiens du tractus gastrointestinal en temps réel en se basant sur l'utilisation d'une fibre optique fonctionnalisée avec des nanoparticules fluorescentes. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous avons démontré la possibilité d'utiliser l'agrégation de fluorophores avec des nanoparticules plasmoniques pour la détection d'acides lysophosphatidiques (LPA), des métabolites d'intérêt étant donné leur implication dans de nombreux processus, incluant la signalisation cellulaire, et dont une dysbiose est reliée à certains cancers. Tout d'abord, des sondes possédant une portion styrylpyridinium à titre de tête fluorescente ont été synthétisées afin d'optimiser l'interaction complémentaire avec les LPA tout en permettant leur immobilisation sur des particules plasmoniques. Une architecture cœur-coquille a été produite en combinant la croissance de germes pour l'obtention de particules d'argent, suivie d'un procédé Stöber modifié pour y déposer une fine coquille de silice d'épaisseur contrôlée. Leur fonctionnalisation avec les sondes moléculaires a été réalisée par l'utilisation de silanes afin de leur conférer une exaltation de fluorescence en plus d'une meilleure photostabilité. Dans le cas des sondes moléculaires, l'ajout de LPA cause une extinction de fluorescence pour de faibles concentrations d'analyte, mais une augmentation subséquente du signal pour des quantités plus élevées. Des analyses mécanistiques, incluant le titrage à calorimétrie isotherme de même que des analyses de temps de vie de fluorescence, ont permis d'investiguer le mécanisme de détection, en particulier la formation d'excimères. Dans le cas des suspensions colloïdales, c'est plutôt une amplification de signal qui est obtenue. Une caractérisation par suivi de nanoparticules a montré une agrégation des particules lors de l'ajout de LPA, indiquant une contribution potentielle du couplage plasmonique sur la tendance obtenue. Les perspectives du projet sont surtout reliées à l'immobilisation des particules fluorescentes sur une lamelle de microscopie ou même l'extrémité d'une fibre optique à titre de cathéter afin d'étudier l'impact de ce confinement sur les performances analytiques. La méthode d'analyse sera ensuite validée dans le but d'obtenir les concentrations métaboliques résolues spatialement et dans le temps. / Cardiometabolic disorders (CMD) and mental illnesses are increasingly prevalent pathologies found among indigenous populations of the northern Canada. Ongoing changes in their nutrition from country food to a western-type diet could give rise to a dysregulation of their gut microbiota, i.e., micro-organisms ongoing key physiological processes such as immune system regulation. Monitoring the longitudinal evolution of gut biomarkers in real-time would help decipher the links between the hosts diet and health. However, this is currently hampered by classical a posteriori analysis of fecal or gut samples. The overarching goal of the project is to develop an optical nanoprobe to monitor microbial processes in the gastrointestinal tract based on the use of an optical fiber functionalized with luminescent nanoparticles. During my thesis, we have demonstrated the possibility to use aggregation-based fluorescent transduction with the combination of plasmonic nanoparticles for lysophosphatidic acid (LPA) detection. LPA constitute targets of significant interest since they are involved in several processes, including cellular signalization, and of which a dysbiosis is related to several cancers. To begin with, molecular probes composed of a styrylpyridinium fluorescent head followed by a hydrophobic chain were synthesized to optimize the complementarity of interactions with LPA and allowing for their further immobilization on plasmonic nanoparticles. A core-shell nanoarchitecture was obtained by combining a seed-growth method for the silver nanoparticles core with a modified Stöber process to generate a silica shell of controlled thickness. Their surface functionalization with the fluorescent probe was achieved through the use of silane chemistry to bestow them with enhanced fluorescence intensity and photostability. In the case of the free molecular probes, adding LPA to the medium induces fluorescence quenching for small target concentrations, whereas a subsequent fluorescence enhancement is observed at higher LPA concentrations. Mechanistic investigations involving isothermal titration calorimetry and time-resolved fluorescence spectroscopy provided information on the potential transduction mechanism which would be related to the formation of excimers of the dyes. In the case of colloidal suspensions, a signal enhancement is obtained during titration with LPA. Nanoparticle tracking analysis revealed an aggregation of the nanoparticles when they interact with LPA, suggesting that plasmonic coupling is one of the contributions to the overall trend; the other mechanism would come from the local environment change at the surface of the particles. For the future works of the project, the fluorescent plasmonic nanoparticles will be immobilized on a glass substrate (microscope glass slide or optical fiber) to determine the impact of this constraint on the analytical performances of the sensor. The analytical method will further be validated in complex matrices to allow real-time and spatially-resolved measurements of gut metabolites in vivo.

Chez les Mammifères, le recrutement du microbiote débute in utero, ce qui restait à démontrer chez d'autres classes de Vertébrés. L'objectif général du projet était de tester si un tel recrutement se produit chez un Vertébré non Mammifère. Nous avons testé, chez le Poisson vivipare Brachyistius frenatus, l'hypothèse selon laquelle la poche utérine est colonisée par un microbiote transmissible aux alevins, conférant à leur propre microbiote une ontogenèse semblable à celle des Mammifères. Le projet visait l'atteinte des objectifs suivant: i) caractériser le mode de transmission du microbiote, ii) établir la composition, la diversité et les relations des communautés bactériennes du microbiote des femelles, des juvéniles et de leur environnement et iii) déterminer l'ontogenèse du microbiote chez B. frenatus. Ce projet a permis de caractériser le mode de transmission du microbiote, sa séquence de recrutement, ainsi que la contribution respective de différentes communautés sources en caractérisant la diversité bactérienne du microbiote des femelles, des juvéniles et de leur environnement avec une approche métagénomique de type code barre. La région V4 du gène de l'ARNr 16S a été ciblée comme marqueur taxonomique bactérien pour identifier les taxons des différents échantillons. Cette étude nous a permis d'identifier le premier cas d'une transmission verticale du microbiote in utero chez un vivipare non Mammifère et les résultats sous-entendent que B. frenatus est peut-être un tout nouveau modèle d'ontogenèse du microbiote. Cette étude a permis l'acquisition des connaissances sur la transmission du microbiote et, dans le contexte de convergence évolutive de la viviparité, elle ouvre à de nouvelles perspectives quant aux avantages évolutifs d'une telle transmission de symbiotes microbiens. / In Mammals microbial recruitment starts in utero, something that had not been shown in any other Vertebrate class. The main goal of this project was to test whether this type of recruitment happens in a non-mammalian Vertebrate. We tested in the viviparous fish Brachyistius frenatus the hypothesis under which the uterine pouch is colonized by a microbiome transmissible to the juveniles, conferring them an ontogeny similar to Mammals. This project also aimed to i) characterize the mode of transmission of the microbiota, ii) establish the composition, diversity and relationships between the microbial communities of pregnant females, juveniles and their environment and iii) determine the ontogeny of the microbiota in B. frenatus. We characterized the mode of transmission of the microbiome, explored its recruitment and the contribution of different source communities with a metagenomic approach (bar coding). We targeted the hyper variable region V4 of the small subunit (16S) rRNA gene to determine the presence of a vertical transmission of the microbiome In this study, we confirmed the presence of a vertically transmissible microbiome in the viviparous fish B. frenatus. We documented for the first time an in utero transmission of the microbiota in a non-mammalian viviparous species. Our results also hint that B. frenatus might be a new model of microbiota ontogeny. This study contributes to the acquisition of knowledge on microbiome transmission and, in the context of evolutionary convergence of viviparity, allows the formulation of hypotheses concerning the evolutionary advantages of in utero microbiome transmission.

**Problématique :** L'accumulation excessive des acides biliaires (AB) est incriminée dans la pathogénie de plusieurs maladies hépatiques et intestinales. Il a été démontré que la β-glucuronidation hépatique favorise l'élimination et la détoxification des AB. Cependant, l'action des enzymes β-glucuronidase (GUS) de la flore intestinale contrecarre ce processus d'inactivation. **Objectif :** Mettre en évidence l'action des enzymes GUS du microbiote intestinal sur les acides biliaires glucuronoconjugués (AB-G) et la possibilité du moduler cette action par des interventions nutritionnelles et pharmacologiques. **Méthodes :** Des essais enzymatiques *in vitro* dans des conditions expérimentales adaptées ont été réalisés sur différents groupes d'échantillons de fèces humaines, incluant des individus sains, des individus atteints de maladies hépatiques, ainsi que des échantillons de selles et contenus intestinaux de souris axéniques et conventionnelles, et des crottes de rats après diverses chirurgies bariatriques. De plus, deux molécules amoxapine et inhibiteur 1 de la β-glucuronidase ont été utilisés pour explorer *in vitro* leurs effets en tant qu'inhibiteurs GUS sur la réaction GUS-AB-G. En outre, l'effet d'une supplémentation de 50g/j de poudre de bleuet lyophilisée (PBL) pendant 8 semaines chez des adultes humains (n=24) sur cette réaction a également été caractérisé. **Résultats :** Le microbiote intestinal GUS (β-glucuronidase), provenant des échantillons testés, a la capacité de déconjuguer les AB-G avec des variations entre individus, entre genres et entre espèces. Les acides biliaires glucuronidés en position 24 (AB-24G) sont déconjugués de manière plus efficace que leurs analogues en position 3 et 6 (AB-3G, AB-6G). *In vitro* l'amoxapine a montré une inhibition plus marquée des enzymes GUS *d'E.coli*, humains et murins que l'inhibiteur 1 de la β-glucuronidase, avec une IC50 de 34.74 ±1.09 µM (IC50 ± SD) pour GUS d'*E.coli* envers β-MCA-24G. La supplémentation par PBL a diminué de manière significative (p<0.01) l'activité GUS envers les AB-G mais uniquement chez les hommes avec des changements dans les valeurs de Km et Vmax. **Conclusion :** Nos résultats confirment le rôle des enzymes GUS du microbiote intestinal dans la retoxification des AB et révèlent la possibilité de moduler cette activité. Cette modulation pourrait contribuer à établir ces enzymes comme une nouvelle cible pour potentialiser l'effet détoxifiant de la glucuronidation envers les AB et réduire leur toxicité. / **Background:** Excessive accumulation of bile acids (BA) is implicated in the pathogenesis of many hepatic and intestinal diseases. Hepatic glucuronidation has been shown to promote the elimination and detoxification of BA. However, the action of β-glucuronidase (GUS) enzymes in the intestinal flora counteracts this inactivation process. **Objective:** To demonstrate the action of GUS enzymes in the intestinal microbiota on bile acid glucuronides (BA-G) and the possibility of modulating this action through nutritional and pharmacological interventions. **Methods:** *In vitro* enzymatic assays under adapted experimental conditions were performed on different groups of human fecal samples, including healthy individuals, individuals with liver diseases, as well as stool samples and intestinal contents from germ-free and conventional mice, and rats fecal samples after various bariatric surgeries. Additionally, two molecules, amoxapine and β-glucuronidase inhibitor 1, were used to explore *in vitro* their effects as GUS inhibitors on the GUS-BA-G reaction. Furthermore, the impact of a supplementation of 50g/day of freeze-dried highbush blueberry powder (BBP) for 8 weeks in adult humans (n=24) on this reaction was also characterized. **Results:** The GUS (β-glucuronidase) enzymes of intestinal microbiota from the samples tested efficiently deconjugate BA-G with variations between individuals, genera, and species. Bile acid glucuronides at position 24 (BA-24G) are deconjugated more efficiently than their analogues at positions 3 and 6 (BA-3G, BA-6G). *In vitro*, amoxapine showed more marked inhibition of human, murine and *E.coli* GUS enzymes than β-glucuronidase inhibitor 1, with an IC50 of 34.74 ±1.09 µM (IC50 ± SD) for *E.coli* GUS towards β-MCA-24G. BBP supplementation significantly (p<0.01) decreased GUS activity towards BA-G but only in males with changes in Km and Vmax values. **Conclusion:** Our results confirm the role of β-glucuronidase (GUS) enzymes from the intestinal microbiota in the re-toxification of BA and reveal the potential to modulate this activity. This modulation could help establish these enzymes as a new target to enhance the detoxifying effect of glucuronidation towards BA and reduce their toxicity.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La prévalence de l'obésité a atteint des proportions pandémiques et représente un facteur de risque majeur pour une variété de désordres métaboliques, dont la résistance à l'insuline et la dyslipidémie, ce qui contribue l'apparition de troubles cardiométaboliques comme le diabète de type 2 et la stéatose hépatique non-alcoolique. Pour tenter de freiner la prévalence de l'obésité et les comorbidités qui y sont associées, plusieurs stratégies nutritionnelles ont été élaborées. Pourtant, l'efficacité de ces approches est encore limitée, ce qui renforce l'urgence d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Une abondante littérature scientifique a établi une relation entre le microbiote intestinal et les maladies cardiométaboliques. Ainsi, les travaux de cette thèse regroupent plusieurs interventions nutritionnelles visant à étudier la relation entre le microbiote intestinal et la progression de ces désordres métaboliques chez la souris et l'humain. D'une part, les polyphénols suscitent un important intérêt dans le contexte de l'amélioration du profil métabolique et du microbiote intestinal. L'impact des anthocyanines et des proanthocyanidines isolés de bleuets en corymbe (*highbush*) sur la santé métabolique et le microbiote intestinal a été évalué chez la souris dans le premier chapitre de cette thèse. Ces travaux ont montré que les polyphénols prévenaient la détérioration du profile métabolique, et que certains paramètres étaient transmissibles par transplantation fécale. Des études animales antérieures ont aussi montré qu'un extrait de camu-camu riche en polyphénols prévenait le gain de poids, protégeait contre la stéatose hépatique en modifiait la composition du microbiote intestinal dans un modèle de souris obèse, mais aucun essai clinique n'avait encore étudié l'impact du camu-camu sur ces paramètres. Chez des sujets présentant une détérioration métabolique, la supplémentation en camu-camu s'est traduite par une diminution de la graisse hépatique et des niveaux circulants de marqueurs de lésions hépatiques. Ces changements étaient également associés à une modification dans la composition du microbiote intestinal. D'autre part, la consommation excessive de sucres ajoutés est reconnue comme étant néfaste pour la santé cardiométabolique. Pourtant, les méta-analyses indiquent que leur remplacement par des édulcorants artificiels non-caloriques ne se traduit pas systématiquement par une diminution de la prévalence des désordres métaboliques. Le stévia est un édulcorant naturel associé à des effets neutres ou bénéfiques sur la santé métabolique, mais son arrière-goût décourage plusieurs consommateurs. L'isolation des composantes sucrées du stévia au profil gustatif amélioré, dont les rebaudiosides A (RebA) et D (RebD), représente une alternative, mais leur impact sur la santé reste peu étudié à ce jour. L'objectif du chapitre trois était d'étudier l'impact du RebA et du RebD sur la santé métabolique et le microbiote intestinal chez la souris. Le RebD a diminué le gain de poids, la stéatose hépatique et un marqueur d'endotoxémie métabolique en plus de modifier le métabolisme des acides biliaires et la composition du microbiote intestinal. Le RebA a eu un effet neutre sur ces paramètres. Une autre stratégie nutritionnelle identifiée pour se prémunir des effets néfastes associés à la surconsommation de sucres ajoutés est de remplacer les sucres raffinés par des sucres moindrement transformés et riches en composés phytochimiques, comme le sirop d'érable. Dans le quatrième chapitre de cette thèse, la substitution de sucres raffinés par une dose équivalente de sirop d'érable représentant 10% de l'apport calorique total chez la souris s'est traduite par une moins grande détérioration de la résistance à l'insuline, une diminution de la stéatose hépatique et par des changements dans la composition et les fonctions du microbiote intestinal. Enfin, le cinquième chapitre de cette thèse visait à étudier l'impact d'une substitution de sucres raffinés par une dose équivalente de sirop d'érable correspondant à 5% de l'apport calorique total sur les paramètres cardiométaboliques et le microbiote intestinal fécal de sujets présentant une détérioration métabolique. Cette étude a montré que le sirop d'érable réduisait plusieurs facteurs de risque cardiométabolique, dont la tension artérielle systolique, l'aire sous la courbe de la glycémie lors du test de tolérance au glucose et la graisse abdominale androïde, en plus de tendre à réduire la pression artérielle diastolique par rapport au placébo. Les travaux de cette thèse montrent qu'il existe une relation étroite entre l'alimentation, le microbiote intestinal et la santé métabolique. Ce manuscrit propose des pistes d'interventions nutritionnelles susceptibles d'enjoindre la population à effectuer de meilleurs choix alimentaires pour prévenir les désordres métaboliques. / The prevalence of obesity has reached pandemic proportions and represents a major risk factor for a variety of metabolic disorders, such as insulin resistance and dyslipidemia, which contribute to the development of cardiometabolic disorders such as type 2 diabetes (T2D) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). To decrease the prevalence of obesity and its associated comorbidities, several nutritional strategies have been developed. However, the effectiveness of these approaches is still limited, which reinforces the urgency of identifying new therapeutic targets. An abundant scientific literature has established a relationship between the gut microbiota and cardiometabolic diseases. This thesis gathers several nutritional interventions aimed at studying the relationship between the gut microbiota and the progression of these metabolic disorders in both mice and humans. Polyphenols are attracting significant interest in the context of improving metabolic health and modifying the gut microbiota composition. The impact of anthocyanins and proanthocyanidins isolated from highbush blueberry on metabolic health and gut microbiota was assessed in mice in the first chapter of this thesis. This work showed that polyphenols prevented the deterioration of the metabolic profile, and that certain parameters were transmissible by fecal transplantation. Previous animal studies have also shown that a polyphenol-rich camu-camu extract prevented weight gain, protected against fatty liver disease, and altered the composition of the gut microbiota in an obese mouse model, but no clinical trial had further studied the impact of camu-camu on these parameters. In subjects presenting mild metabolic deterioration, camu-camu supplementation resulted in decreased liver fat and lower circulating markers of liver injury. These changes were also associated with changes in the gut microbiota composition. Excessive consumption of added sugars is known to be detrimental to cardiometabolic health. However, meta-analyses indicate that their replacement by non-caloric artificial sweeteners does not systematically result in a decrease in the prevalence of metabolic disorders. Stevia is a natural sweetener associated with neutral or beneficial effects on metabolic health, but its bitter aftertaste discourages many consumers. The isolation of the sweet components of stevia with an improved taste profile, including rebaudiosides A (RebA) and D (RebD), represents an interesting alternative, but their impact on health remains poorly studied to date. The objective of chapter three was to investigate the impact of RebA and RebD on metabolic health and gut microbiota in mice. RebD decreased weight gain, hepatic steatosis, and a marker of metabolic endotoxemia in addition to altering bile acid metabolism and gut microbiota composition. RebA had a neutral effect on these parameters. Another nutritional strategy identified to prevent the harmful effects associated with the overconsumption of added sugars is to replace refined sugars with sugars that are less processed and rich in phytochemicals, such as maple syrup. In the fourth chapter of this thesis, the substitution of refined sugars by an equivalent dose of maple syrup representing 10% of the total caloric intake in mice was less deleterious on insulin resistance and hepatic steatosis and was associated with changes in the composition and functions of the gut microbiota. Finally, the fifth chapter of this thesis aimed to study the impact of substituting refined sugars by an equivalent dose of maple syrup corresponding to 5% of the total caloric intake on cardiometabolic parameters and the gutmicrobiota composition of subjects with mild metabolic deterioration. This study showed that maple syrup reduced several cardiometabolic risk factors, including systolic blood pressure, area under the glucose tolerance test, and android abdominal fat, and tended to decrease diastolic blood pressure compared to placebo. The work of this thesis shows that there is a close relationship between the diet, the gut microbiota and metabolic health. This manuscript proposes avenues for nutritional intervention likely to enjoin the population to make better food choices to prevent metabolic disorders.

L'axe microbiote-intestin-cerveau a été associé avec de nombreuses pathologies comme le trouble du spectre de l'autisme et la stéatose hépatique non alcoolique. Au cœur de cet axe se trouve le microbiote intestinal qui semble jouer un rôle important dans la physiopathologie de ces maladies. Ainsi, moduler la composition et la fonctionnalité du microbiote intestinal avec des composés riches en polyphénols, molécules aux effets prébiotiques, représente une piste thérapeutique prometteuse. Les travaux de cette thèse portent sur l'implication du microbiote intestinal et sa modulation par les polyphénols dans un contexte de maladies métaboliques et neurodéveloppementales. Dans le chapitre 1, nous avons développé et construit un modèle *in vitro* pour cultiver et étudier le microbiote intestinal. Nos travaux démontrent que notre modèle *in vitro* fournit un environnement favorable à la croissance du microbiote intestinal humain et imite sa réponse à un prébiotique comme l'amidon résistant de type 2. Dans le chapitre 2, nous avons déterminé la composition bactérienne des microbiotes intestinaux et la production associée de métabolites microbiens provenant de jumeaux monozygotes avec un diagnostic opposé pour le trouble du spectre de l'autisme. Nos données suggèrent qu'en l'absence de facteurs confondants (génétique, environnement, âge, sexe), le jumeau atteint de trouble du spectre de l'autisme présente des bactéries spécifiques ainsi qu'un métabolome fécal altéré avec notamment une excrétion diminuée des acides gras à courtes chaînes et des acides biliaires secondaires par rapport à son jumeau neurotypique. Nous avons cultivé dans notre modèle *in vitro* les microbiotes issus du couple de jumeaux et étudié deux produits issus du camu-camu (CC) sur la population bactérienne et la production d'acides gras à courte chaîne sur ces microbiotes. Nos résultats suggèrent que les effets de type prébiotiques du CC semblent dépendre de leur composition en sucres et en polyphénols soulignant la nécessité de considérer la composition des produits aux effets prébiotiques pour leur utilisation future en tant qu'approche thérapeutique des symptômes associés au trouble du spectre de l'autisme. Dans le chapitre 3, nous avons étudié si une supplémentation en CC offrait chez l'humain les mêmes effets que dans une étude précédente préclinique avec une prévention du gain de poids, une protection contre la stéatose hépatique associée à une modulation du microbiote intestinal. Nous avons réalisé une étude clinique randomisée, contrôlée par placebo, en chassé-croisé avec des périodes d'intervention de 12 semaines sur 32 sujets en surpoids et hypertriglycéridémiques. La supplémentation en CC a diminué la teneur relative en graisse hépatique de 14,6 % et a diminué les taux circulants d'aspartate et d'alanine aminotransférases, qui sont des marqueurs de lésions hépatiques. Ces changements étaient associés à des modifications du microbiote intestinal. Ce chapitre montre la pertinence clinique du CC pour la prévention de la stéatose hépatique chez des personnes en surpoids avec une détérioration métabolique. Les travaux de cette thèse ont permis d'avancer nos connaissances sur le lien entre des pathologies comme le trouble du spectre de l'autisme ou la stéatose hépatique non alcoolique et le microbiote intestinal chez l'humain, et d'évaluer les effets bénéfiques d'un produit riche en polyphénols aux effets prébiotiques. / The microbiota-gut-brain axis has been associated with numerous pathologies such as autism spectrum disorder and non-alcoholic fatty liver disease. At the heart of this axis is the intestinal microbiota, which seems to play an important role in the pathophysiology of these diseases. Thus, modulating the composition and functionality of the intestinal microbiota with compounds rich in polyphenols, molecules with prebiotic effects, represents a promising therapeutic avenue. The work of this thesis focuses on the involvement of the intestinal microbiota and its modulation by polyphenols in the context of metabolic and neurodevelopmental diseases. In Chapter 1, we developed and constructed an *in vitro* model to cultivate and study the gut microbiota. Our work improved that our *in vitro* model provides a favorable environment for the growth of human gut microbiota and mimics its response to a prebiotic like resistant starch type 2. In Chapter 2, we determined the bacterial composition of gut microbiota and the associated production of microbial metabolites from monozygotic twins with an opposite diagnosis for autism spectrum disorder. Our data show that in the absence of confounding factors (genetic, environment, age, sex), the twin with autism spectrum disorder presents specific bacteria as well as an altered fecal metabolome with in particular a reduced excretion of short chain fatty acids and secondary bile acids compared to its neurotypical twin. We cultivated the microbiota from the pair of twins in our *in vitro* model and studied two products from camu-camu (CC) on the bacterial population and the production of short-chain fatty acids on these microbiotas. These results revealed that the prebiotic-like effects of CC seem to depend on their composition of sugars and polyphenols necessarily the need to consider the composition of the prebiotic effects for their future use as a therapeutic approach to the symptoms associated with the autism spectrum disorder. In Chapter 3, we studied whether CC supplementation offered the same effects in humans as in a previous preclinical study with prevention of weight gain, protection against hepatic steatosis associated with modulation of the intestinal microbiota. We performed a randomized, placebo-controlled, crossover clinical study with 12-week intervention periods in 32 overweight and hypertriglyceridemic subjects. CC supplementation decreased relative hepatic fat content by 14.6% as compared to placebo, and decreased circulating levels of aspartate and alanine aminotransferases, which are markers of liver damage. These effects were associated with changes in the gut microbiota. This chapter shows the clinical relevance of CC for the prevention of hepatic steatosis in overweight people with metabolic deterioration. The work of this thesis has advanced knowledge of the link between pathologies such as autism spectrum disorder or non-alcoholic fatty liver disease and the intestinal microbiota in humans, and further evaluated the beneficial effects of a product rich in polyphenols with prebiotic effects.

Les cellules monocytaires et les macrophages sont des cibles du virus de l’immunodéficience humaine (VIH-1) et du virus de l’immunodéficience simienne (VIS). D’une part, il a été proposé que les monocytes sanguins sont essentiels dans la réponse immune intestinale. D’autre part, les cellules monocytaires circulants reconstituent et repeuplent la région intestinale, qui est la première cible du VIH-1 et du VIS. Par conséquent, les cellules monocytaires intestinales pourraient contribuer à la dissémination virale dans l’organisme mais aussi représenter un réservoir viral sous thérapie antirétrovirale (TAR). Dans ce contexte, nous avons abordé la contribution des monocytes intestinaux dans le maintien des réservoirs viraux (VRs) chez le macaque rhésus (MR) infecté par la souche SIVmac251. Nos résultats montrent que la TAR précoce contrôle efficacement l’infection virale des cellules monocytaires, aussi bien dans le sang que dans l’intestin. Parallèlement au rebond viral après l'interruption du traitement, nous avons observé l'infection précoce des monocytes, qui présentent non seulement de l'ADN viral, mais également de l'ARN viral. Ces résultats indiquent que les sous-ensembles de cellules monocytes ne peuvent pas être considérés comme des VRs majeurs sous TAR, mais peuvent contribuer à la production virale et à la dissémination du virus une fois que celui-ci est interrompu. / Monocytic cells and macrophages are targets of human immunodeficiency virus (HIV-1) and simian immunodeficiency virus (SIV). On the one hand, it has been proposed that blood monocytes are essential in the intestinal immune response. On the other hand, circulating monocytic cells reconstitute and repopulate the intestinal tract, which is the primary target of HIV-1 and SIV. Therefore, intestinal monocytic cells could contribute to the viral dissemination but also represent a viral reservoir under antiretroviral therapy (ART). In this context, we discussed the contribution of intestinal monocytes in the maintenance of viral reservoirs (VRs) in rhesus macaque (RM) infected with SIVmac251. Our results show that early ART effectively controls the viral infection of monocytic cells, both in the blood and in the intestine. Along with viral rebound after treatment interruption, we have observed early infection of monocytes, which not only display viral DNA, but also viral RNA. These results indicate that subsets of monocyte cells cannot be considered as major VRs under ART, but may contribute to viral production and viral dissemination once treatment is interrupted.

La mise en évidence de l'association entre désordres métaboliques et état dysbiotique remet aujourd'hui en cause la définition et les modes de traitement traditionnels du syndrome métabolique. Or, la composition et l'activité du microbiote intestinal étant grandement déterminées par l'alimentation, les aliments riches en fibres et composés phytochimiques, réputés pour leur action prébiotique, représentent un levier majeur pour traiter les désordres métaboliques et en prévenir le développement. La consommation de framboises a démontré des effets positifs sur les désordres métaboliques, associés dans certaines études à la modulation du microbiote intestinal. En outre, la variabilité interindividuelle constitue un obstacle majeur à l'identification des effets des interventions nutritionnelles et des mécanismes qui les sous-tendent. Ce projet avait pour objectif principal d'évaluer l'impact de la consommation de framboises sur les paramètres du syndrome métabolique, en recourant notamment à des outils omiques pour circonscrire avec davantage de précision ces effets selon les individus. Dans le cadre d'un essai randomisé contrôlé à deux bras parallèles, 28 participants présentant des désordres métaboliques consommèrent 280 g de framboises par jour pendant 8 semaines, tandis que 28 autres maintinrent leur diète habituelle. L'intervention n'a pas démontré d'effet majeur sur les paramètres du syndrome métabolique. Néanmoins, l'application d'une méthode de discrimination fondée sur la variation du transcriptome sanguin a permis d'identifier des sujets « répondeurs » et « non-répondeurs », qui se distinguaient notamment par des signatures microbiennes différentes en amont de l'intervention. Une étude exploratoire a également été menée sur une dimension spécifique de la réponse à l'intervention : les sujets ont été stratifiés en fonction de la variation de leur taux plasmatique d'oxyde de triméthylamine en réponse à la consommation de framboises et leurs signatures microbiennes ont été analysées. Il s'ensuit que les outils omiques, de par la visibilité des processus moléculaires qu'ils offrent, constituent un atout majeur dans la mise en œuvre de telles études d'intervention nutritionnelles, en facilitant la mise en évidence de leurs effets en dépit de la variabilité interindividuelle. / The discovery of the relationship between metabolic disorders and dysbiotic state calls into question both definition and treatment of the metabolic syndrome. However, since the composition and activity of the intestinal microbiota are largely determined by diet, foods rich in fibre and phytochemicals, known for their prebiotic action, represent a major lever for treating metabolic disorders and preventing their development. The consumption of raspberries has been associated with positive effects on metabolic disorders, associated in some studies with the modulation of the intestinal microbiota. In addition, inter-individual variability is a major obstacle in identifying the effects of nutritional interventions and the mechanisms underlying them. The main objective of this project was to assess the impact of raspberry consumption on the parameters of metabolic syndrome, in particular by using omics technologies to define these effects more precisely according to the individuals. In a two-arm parallel-group, randomized, controlled trial, 29 participants with metabolic disorders consumed 280 g of raspberries daily for 8 weeks, while 30 others maintained their usual diet. The intervention did not demonstrate major effects on metabolic syndrome parameters. Nevertheless, the application of a discrimination method based on the variation of whole blood transcriptome allowed to identify "responders" and "non-responders", whose microbial signatures prior to the intervention differed. An exploratory study was also conducted on a specific dimension of response to the intervention: subjects were stratified according to their changes in plasma trimethylamine N-oxide level in response to raspberry consumption and their microbial signatures were analysed. It follows that omics tools, through the visibility they offer on the molecular processes, constitute a major asset in the implementation of such nutritional intervention studies, by facilitating the highlighting of their effects despite inter-individual variability.

Le passage d'un mode de vie traditionnel à un mode de vie moderne a entraîné des changements concomitants dans tous les aspects de la vie, notamment l'introduction et la consommation croissante d'aliments industrialisés en masse. Ce changement a modifié, parmi d'autres, l'équilibre entre les acides gras oméga-3 et oméga-6, une balance qui peut être associée à une mauvaise santé cardiométabolique. Plusieurs études confirment les bienfaits des oméga-3 pour la santé, notamment les acides gras à longue chaîne tels que l'acide eicosapentaénoïque (EPA) et l'acide docosahexaénoïque (DHA). Ces acides gras peuvent avoir des effets bénéfiques sur la santé en modulant, en partie, l'endocannabinoïdome ainsi que le microbiome intestinal, qui sont tous les deux des régulateurs clés de plusieurs aspects de la santé cardiométabolique et de l'obésité. D'où l'intérêt d'incorporer des aliments riches en oméga-3 : qui sont accessibles, abordables et consommables par toute personne y compris les véganes, afin de corriger ce déséquilibre et de prévenir les complications métaboliques. Les graines de chanvre (Cannabis sativa) entières ont une valeur nutritionnelle exceptionnelle, étant très riches en acides gras essentiels (AGE) ainsi que les acides gras polyinsaturés (AGPI) dont les oméga-3. Il est aussi intéressant de noter que les graines de chanvre sont également une source riche d'acide stéaridonique (SDA), qui peut être converti en EPA. De plus, ces graines contiennent presque autant de protéines de qualité que le soja et elles sont également riches en vitamine E, en minéraux et en fibres. Cette thèse avait donc comme objectif d'évaluer, par rapport à une graine largement utilisée pour la prévention de la dyslipidémie « la graine de lin », les effets d'une supplémentation alimentaire en graines de chanvre entières sur le développement de l'obésité et des complications métaboliques dans un modèle de souris souffrant d'obésité induite par le régime alimentaire et de déterminer ses effets sur l'axe microbiome-endocannabinoïdome. L'hypothèse générale est que « les graines de chanvre améliorent les paramètres métaboliques chez les souris obèses en corrélation avec des niveaux circulants et tissulaires normalisés de médiateurs lipidiques de l'eCBome ainsi que des changements dans la composition du microbiote intestinal ». Dans un premier temps, et vu que notre partenaire industriel avait deux variétés de chanvre, nous avons étudié la composition nutritionnelle et cannabinoïde des graines Finola et X59 afin de choisir la meilleure variété, en point de vue nutritionnel, pour notre expérimentation in vivo. Les résultats démontrent que la variété Finola possède une meilleure composition qualitative en macro et micronutriment, par rapport à la variété X59, dont la plus importante est la composition en oméga-3. De ce fait, nous avons choisi les graines Finola pour la suite du projet. Dans un deuxième temps, nous avons évalué les effets de la supplémentation en graines de Finola mixées avec une diète High Fat High Sucrose (HFHS) dans une étude de 8 semaines chez des souris C57BL/6J, dont les groupes de contrôle étaient : HFHS, HFHS mixée avec les graines de Lin et Low Fat Low Sucrose (LFLS). Les résultats démontrent que la supplémentation en grains de chanvre produit une légère amélioration du profil métabolique et inflammatoire par rapport aux graines de lin et en comparaison avec le contrôle LFLS. En revanche, les deux graines changent sensiblement l'eCBome avec une augmentation des médiateurs oméga-3 (dont les précurseurs sont des acides gras oméga-3) et une diminution des médiateurs oméga-6, surtout dans le tissu adipeux, par rapport aux LFLS et HFHS. Exceptionnellement, le SDA et ses médiateurs ont augmenté considérablement dans le groupe des graines de chanvre. Dans un troisième temps, nous avons étudié la capacité des préadipocytes et des adipocytes 3T3-L1 traitées avec des acides gras oméga-3 ou des huiles de chanvre et de lin à produire leurs médiateurs eCBome respectifs. Les résultats démontrent que les préadipocytes et les adipocytes 3T3-L1 traités avec des acides gras oméga-3 étaient capables à produire leurs médiateurs eCBome respectifs et que le SDA était capable de se convertir en EPA ainsi que leurs médiateurs. Par conséquent, les modifications de l'endocannabinoïdome dans le tissu adipeux des souris observées dans le cadre du protocole in vivo sont probablement, au moins en partie, le résultat direct des graisses alimentaires sur ces types de cellules spécifiquement. Cette thèse a donc montré que les graines de chanvre, riche en SDA, pourraient provoquer des changements bénéfiques dans le métabolisme en altérant l'endocannabinoidome. / The shift from a traditional to a modern lifestyle has resulted in concomitant changes in all aspects of life, including the introduction and increasing consumption of mass-produced foods. This change has altered, among other things, the balance between omega-3 and omega-6 fatty acids (FAs), a balance that may be associated with poor cardiometabolic health. Several studies confirm the health benefits of omega-3 FAs, including long-chain fatty acids such as eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA). These FAs may have health benefits by, among other things, modulating the endocannabinoidome as well as the gut microbiome, both of which are key regulators of several aspects of cardiometabolic health and obesity. Hence the value of incorporating omega-3 rich foods that are: accessible, affordable and consumable by anyone including vegans to correct this imbalance and prevent metabolic complications. Whole hemp seeds (Cannabis sativa) have exceptional nutritional value, being very rich in essential fatty acids (EFAs) and other polyunsaturated fatty acids (PUFAs) including omega-3 FAs. It is also interesting to note that hemp seeds are also a rich source of stearidonic acid (SDA), which can be converted into EPA. In addition, these seeds contain almost as much quality protein as soybeans and are also rich in vitamin E, minerals and fiber. Therefore, the objective of this thesis was to evaluate, in comparison to a widely used seed for the prevention of dyslipidemia «flaxseed», the effects of dietary supplementation with whole hempseed on the development of obesity and related complications in a mouse model of diet-induced obesity and to determine its effects on the microbiome-endocannabinoidome axis. The overall hypothesis is that «hemp seeds improve metabolic parameters in obese mice in correlation with normalized circulating and tissue levels of eCBome lipid mediators as well as changes in gut microbiota composition. » As a first step, and since our industrial partner had two varieties of hemp, we studied the nutritional and cannabinoid composition of Finola and X59 hemp seeds in order to choose the best variety, from a nutritional point of view, for our in vivo experiment. The results show that the Finola variety has a better qualitative composition in macro and micronutrient, compared to the X59 variety, the most important of which is the omega-3 composition. Therefore, we chose Finola seeds for the rest of the project. In a second step, we evaluated the effects of Finola seeds mixed with a High Fat High Sucrose (HFHS) diet in an 8-week study in C57BL/6J mice, where the control groups were: HFHS, HFHS mixed with flaxseed and Low Fat Low Sucrose (LFLS). The results show that hemp seed supplementation produced a slight improvement in the metabolic and inflammatory profile compared to flax seed and the LFLS control. In contrast, both seeds significantly changed the eCBome by an increase in omega-3 mediators (whose precursors are omega-3 fatty acids) and a decrease in omega-6 mediators, especially in adipose tissue, compared with LFLS and HFHS. Exceptionally, SDA and its mediators were significantly increased in the hemp seed group. In a third step, we investigated the ability of 3T3-L1 preadipocytes and adipocytes treated with omega-3 fatty acids or hemp seed and flax seed oils to produce their respective eCBome mediators. The results show that preadipocytes and 3T3-L1 adipocytes treated with omega-3 fatty acids were able to produce their respective eCBome mediators and that SDA was able to convert to EPA as well as their mediators. Therefore, the endocannabinoidome changes in the adipose tissue of mice observed within the in vivo protocol is likely, at least in part, a direct result of dietary fats on these cell types specifically. This thesis therefore showed that hemp seeds, rich in SDA, could induce beneficial changes in metabolism by altering the endocannabinoidome.

Au Canada, les abeilles sont un élément essentiel au secteur de l'agriculture en participant, en plus de leur production annuelle de miel à la pollinisation de nombreux fruits, noix et légumes. Malheureusement, le nombre des abeilles est dangereusement en baisse depuis la dernière décennie. L'intérêt du sujet et la multiplication d'initiatives de recherche dans le domaine ont fait de l'abeille un organisme modèle, notamment dans la recherche sur la dynamique hôte-microbiote. Apis mellifera possède un microbiote très spécialisé qui confère à l'abeille un large éventail de fonctions bénéfiques, allant de l'immunité à la transformation du pollen et la digestion des carbohydrates. Ce projet avait donc pour objectif de trouver des biomarqueurs prédictifs de différents traits de performance zootechniques (e.g. prévalence d'agents pathogènes et parasites, productivité) des colonies d'abeilles à partir de la composition taxonomique du microbiote intestinal. Une approche par apprentissage machine a été privilégiée afin de contourner les limitations des méthodes classiques de traiter un grand nombre de variables. Les modèles de prédiction obtenus ont permis de prédire la majorité des variables à l'étude avec succès, soulignant le potentiel de cette méthodologie dans le domaine du suivi et de la prédiction de l'état de santé des colonies d'abeilles au Canada. / The European honey bee, Apis mellifera, is an essential contributor to agriculture in Canada through the economic value of the production of honey to the extensive pollination services of numerous fruits, nuts and vegetables. Unfortunately, yearly colony losses of honey bees have seen a sharp increase during the last decade. The increasing interest and research initiatives in understanding the source of this problem have turned Apis mellifera into a model organism for research, notably in the field of host-microbiome dynamics. A. mellifera possesses a highly specialized microbiota that provides a wide array of beneficial functions to its host, from immunity to pollen processing and transformation to the metabolism of carbohydrates. This work's goal is to use the intestinal microbiome in honey bee colonies in order to discover relevant bio-markers with the capability to predict key host health and productivity metrics by using a machine learning approach in order to bypass the traditional bottleneck that is posed by classical analysis methods when dealing with high multi-dimensional problems. The models obtained in this study have successfully allowed the prediction of most variables studied (notably honey production, weight loss and gain, varroa loads, etc..), thus demonstrating the potential of this methodology as a tool to track and predict the health and performance of honey bee colonies in Canada.

Le microbiote intestinal est un écosystème complexe jouant un rôle très important dans la santé humaine. L’établissement du microbiote intestinal s’effectue dans la première année de vie. Afin de stimuler chez les enfants nourris avec des préparations infantiles les bifidobactéries et lactobacilles, les laits infantiles pourraient être supplémentés avec des probiotiques ou des prébiotiques. Cette supplémentation pourrait leur apporter une protection renforcée contre les troubles intestinaux, les infections et les risques allergiques. Les études in vivo chez les enfants étant difficiles à réaliser à cause de problèmes d’accessibilité et d’éthique, des outils permettant de faire des études in vitro ont été développés. Les systèmes de fermentation continu sont ceux qui se rapprochent le plus des conditions in vivo. Différents modèles ont été proposés, tous utilisent des bactéries fécales libres alors que la microflore bactérienne est présente à l’état planctonique et sessile dans le côlon. Peu de modèles in vitro ont été proposés pour simuler l’écosystème colique chez l’enfant. Le but de cette étude était donc de développer un nouveau modèle de fermentation colique avec cellules immobilisées pour simuler l’écosystème intestinal chez l’enfant. Nous avons montré qu’une microflore fécale pouvait être immobilisée et que sa diversité bactérienne était conservée au cours de la fermentation en continu. La composition et l’activité métabolique de la microflore bactérienne s’équilibraient en fonction des conditions de fermentation à des niveaux voisins de ceux observés in vivo chez l’enfant. Ensuite un modèle de fermentation en continu à trois réacteurs pour simuler le côlon proximal, distal et transverse chez l’enfant a été développé et validé. Ce nouveau modèle a ensuite permis de comparer les effets d’un prébiotique connu (fructooligosaccharide) et d’un exopolysaccharide produit par L. rhamnosus RW-9595M sur l’écosystème intestinal chez l’enfant. Le fructooligosaccharide testé influençait favorablement l’écosystème intestinal alors que l’exopolysaccharide n’était pas métabolisé par le microbiote intestinal chez les enfants. Ce nouveau modèle avec cellules immobilisées possède l’avantage d’obtenir une grande stabilité à la fois de la composition bactérienne et de l’activité métabolique de la microflore, faisant de ce nouveau modèle de fermentation colique un outil de travail pratique, fiable et facile à opérer. / The intestinal microbiota is a complex ecosystem playing a key role in human health. The intestinal microbiota establishment occurred during the first year of life. To stimulate bifidobacteria and lactobacilli in formula fed infants, infant formula could be supplemented with probiotics or prebiotics, food ingredient able to improve human health. This supplementation could provide to them a better protection against gastro-intestinal disorders, infections and allergic risks. In vivo studies are difficult to carry out in infants due to accessibility and ethic problems, then in vitro studies become important. Continuous fermentation systems display the closest conditions to those encountered in vivo. Different fermentation systems have been proposed, all are using free-cell cultures whereas in vivo bacteria are present in colon at planktonic and sessile states. To our knowledge only one in vitro model has been proposed to simulate infant colonic fermentation. The aim of this study was to develop a new in vitro system with immobilized cells to simulate infant colonic ecosystem. First a feasibility study was done, we showed that a complex fecal microflora could be immobilized and the inoculum bacterial diversity was conserved in the ecosystem established in the fermentation system. The bacterial composition and metabolic activities of the microbiota reached an equilibrium specific to the fermentation conditions tested. These equilibriums were closed to those detected in vivo in infant colon. Then a three-stage chemostat using immobilized fecal bacteria was developed and validate to simulate simultaneously, proximal, transverse and distal infant colon conditions. This last in vitro colonic fermentation model was used to compared the effect of a well-known prebiotic (fructooligosaccharide) with an exopolysaccharide produced by L. rhamnosus RW-9595M on the infant colonic microbiota. The fructooligosaccharide used beneficially influenced the bacterial ecosystem whereas exopolysaccharide substrate did not seem to be metabolized by infant colonic microbiota. The main advantage of this system with immobilized cells is the great stability of the bacterial composition and metabolic activities of the microflora established in the model. For this, the in vitro colonic fermentation system with immobilized cells is a very efficient tool, easy to operate and reliable.