L’abiratérone (Abi) est un inhibiteur de synthèse des androgènes de type stéroïdien utilisé dans le traitement du cancer de la prostate. Le métabolisme de l’Abi entraîne la formation de métabolites pharmacologiquement actifs agissant soit comme inhibiteur de synthèse, antagoniste ou agoniste du récepteur androgénique. Leur concentration plasmatique est très variable alors que la suppression androgénique suivant le traitement varie considérablement. L’action de la voie métabolique de glucuronidation sur ces composés de type stéroïdien n’est pas connue. Cette voie enzymatique, médiée par les enzymes UGT, représente une étape clé du métabolisme des médicaments et de l’homéostasie de nombreuses molécules endogènes incluant un rôle primordial dans la régulation des voies hormonales ciblées par l’Abi. L’objectif de mes travaux était d’évaluer le métabolisme de l’Abi par la voie de glucuronidation, d’étudier l’effet potentiel de la variabilité génétique de cette voie et enfin, d’explorer une possible interaction avec la glucuronidation des stéroïdes. Les données recueillies révèlent que l’Abi et ses métabolites actifs sont conjugués par l’enzyme hépatique UGT1A4 in vitro et confirment que ces nouveaux métabolites sont présents en circulation chez les patients traités. Plusieurs variations polymorphiques du gène UGT1A4 entraînent une perte de fonction de l’enzyme et une réduction significative de l’inactivation de l’Abi et de ses métabolites in vitro, suggérant que les patients porteurs de ces polymorphismes génétiques pourraient être exposés à des concentrations plus élevées des composés pharmacologiques actifs. L’importance de cette voie métabolique demeure à être établie in vivo. De plus, nos données révèlent que l’Abi et ses métabolites sont des inhibiteurs puissants de l’inactivation des androgènes et de leurs précurseurs surrénaliens par la voie des UGT tant au niveau du foie que des cellules cancéreuses prostatiques. Ces découvertes laissent présager que la relation entre l’exposition à l’Abi et à ses métabolites, la suppression androgénique subséquente en cours de traitement à l’Abi et, ultimement, la réponse clinique des patients est complexe. Une étude plus approfondie des facteurs génétiques et pharmacologiques ainsi qu’un profilage plus complet des hormones stéroïdiennes chez les patients traités est nécessaire afin d’identifier de nouveaux marqueurs prédictifs de la réponse à la thérapie antihormonale. / Abiraterone (Abi) is a selective steroidal inhibitor of androgens biosynthesis used for the treatment of advanced prostate cancer. Abi is known to be metabolised into pharmacologically active metabolites having either androgen synthesis inhibitor activity or antagonistic/agonistic activity toward the androgen receptor. Plasma concentration of these metabolites and androgen suppression are highly variable between treated patients. The activity of UGT enzymes toward these steroidal molecules is currently unknown. This pathway mediated by UGT enzymes is a key step in the metabolism of drugs and endogenous molecules. These enzymes have a primary role in the regulation of hormonal pathway targeted by Abi. We aimed to study the metabolism of Abi by the glucuronidation pathway, the genetic variability of UGT enzymes as well as the impact of this pathway on steroids inactivation. Data obtained point out UGT1A4 as the main enzyme implicated in the glucuronidation of Abi and its metabolites in the liver and they also show significant circulating levels of these new metabolites within treated patients. Moreover, many polymorphisms in this metabolic pathway lead to a loss of function of UGT1A4 and to the abrogation of the inactivation of Abi and its metabolites, suggesting that carriers of these polymorphisms might be exposed to higher concentrations of pharmacologically active metabolites. Finally, additional data revealed potent inhibitor activity of Abi and its metabolites toward androgens and adrenal precursor’s inactivation by UGTs expressed in liver and prostatic tissues. Our study shows that the relationship between the exposition to Abi and its metabolites, the androgenic suppression and the clinical response observed in treated patients is complex and suggest that genetic, pharmacologic and metabolomic analysis could allow the identification of new predictive biomarquers of the response toward the antihormonal therapy in patients treated with Abi.

Les larves de Lymantria dispar asiatica (la spongieuse Asiatique) sont des insectes polyphages envahissants qui se nourrissent de plus de 600 espèces végétales. Elles ont pour cibles des espèces de feuillus comme le chêne (Quercus spp.) ou encore les saules (Salix spp), qui sont reconnus comme ses hôtes préférés. Toutefois, dans la forêt boréale du Canada, certaines espèces de conifères sont des espèces à risque face au développement des larves de la spongieuse Asiatique. Généralement, les conifères répondent aux attaques des bio-attaqueurs, par la formation de canaux de résines et de cellules parenchymateuses poly-phénoliques qui sont des structures anatomiques spécialisées dans la production et le stockage des composés de défenses. Ainsi, il est bien établi que dans une population d'arbres, certains individus de résistance apparente vont avoir une différence dans la composition de composé de défenses de leur feuille ou aiguille par rapport aux individus plus fréquemment attaqués par des pathogènes ou insectes. Au travers de tests d'alimentations des larves de la spongieuse, plusieurs études ont déjà permis la catégorisation d'espèces végétales en trois catégories différentes : favorable, intermédiaire et non favorable. Certaines espèces de conifères sont donc plus susceptibles aux attaques de la spongieuse Européenne et Asiatique et les attaques de la spongieuse ont alors un effet important sur la valeur économique des espèces de conifères dans l'industrie du bois. L'étude du profilage métabolique permettrait donc la découverte de métabolites spécifiques qui agiraient chez les conifères comme prédicteurs d'espèces à risque contre de potentiels stress biotiques et abiotiques. Au niveau des peuplements naturels, l'étude des différences entre les profils métaboliques d'individus de résistance apparente et d'individus plus vulnérables permettrait de favoriser les croisements entre parents porteur des gènes responsable du phénotype de résistance à l'herbivorie. Ainsi, l'objectif de ce projet de Maîtrise était d'établir un lien entre le rôle que jouent les métabolites secondaires constitutifs dans la susceptibilité d'une espèce de conifère dans le développement des larves de spongieuse Asiatique. Nous avons donc étudié le développement des larves de la spongieuse Asiatique sur dix espèces de conifères à l'aide d'une expérience d'alimentation artificielle. Nous avons également effectué des extractions de métabolites secondaires en utilisant deux protocoles différents pour les extractions de terpènes et d'acides phénoliques, en utilisant une technique de chromatographie à phase gazeuse et liquide couplé à un spectromètre de masse (respectivement GC et LC-MS). Nos résultats démontraient que parmi les conifères, deux espèces, Pseudotsuga menziesii var. menziesii et Pinus contorta sont des espèces favorables au développement des larves de spongieuse pour deux sous-populations traitées, Beijing et Harbin. Sur quelques espèces de conifères, les sous-populations de Harbin ont un gain de masse et un stade larvaire plus élevés que les sous-populations de Beijing. Cela suggère que les sous-populations de Harbin sont mieux adaptées ou démontrent une meilleure utilisation des espèces nord-américaines. Lors de l'étude des profils de métabolites secondaires, il s'est avéré que les espèces favorables au développement des larves de spongieuse présentaient des différences dans leur profil biochimique à la fois pour les terpènes et les phénols, par rapport aux espèces défavorables telles que Picea abies. Nos résultats devraient aider à fournir les informations nécessaires aux autorités locales de conservation et aux aménagistes forestiers pour déduire de meilleurs plans de contrôle de la propagation de la spongieuse Asiatique en Amérique du Nord. / Lymantria dispar asiatica (Asian gypsy moth) larvae are invasive polyphagous insects that feed on over 600 plant species. Their preferred targets are deciduous species such as oak (Quercus spp.) or willows (Salix spp). However, in Canada's boreal forest, certain conifer species may be at risk for the successful development of Asian gypsy moth larvae. Generally, conifers respond to the attacks of bio-attackers, by the formation of resin channels and poly-phenolic parenchymal cells which are anatomical structures specialized in the production and storage of defense compounds. Thus, it is well established that in a population of trees, certain individuals with apparent resistance will have a difference in the composition of the defense compound of their leaf or needle compared to individuals more frequently attacked by pathogens or insects. Through feeding tests of gypsy moth larvae, several studies have already issued the categorization of plant species into three different categories: favorable, intermediate, and unfavorable. Some conifer species are therefore more susceptible to European and Asian gypsy moth attack and gypsy moth attack then has a significant effect on the economic value of conifer species in the timber industry. The study of metabolic profiling would allow the discovery of specific metabolites which would act in conifers as predictors of species at risk against potential biotic and abiotic stresses. At the level of natural stands, the study of the differences between the metabolic profiles of individuals with apparent resistance and more vulnerable individuals would make it possible to promote crosses between parents carrying the genes responsible for the herbivory resistance phenotype. Thus, the objective of this master's project was to establish a link between the role that constituent secondary metabolites play in the susceptibility of a conifer species in the development of Asian gypsy moth larvae. We therefore studied the development of Asian gypsy moth larvae on ten species of conifers using an artificial feeding experiment. We also performed secondary metabolite extractions using two different protocols for terpene and phenolic acid extractions, using GC and LC-MS, respectively. Our results showed that among conifers, two species, Pseudotsuga menziesii var. menziesii and Pinus contorta are favorable species for the development of gypsy moth larvae from the two studied subpopulations, Beijing and Harbin. Among a few conifer species, Harbin subpopulations have higher mass gain and larval stage than Beijing subpopulations. This suggests that the Harbin subpopulations are better adapted or demonstrate better utilization of North American conifer species. When studying secondary metabolite profiles, it was found that species favorable to the development of gypsy moth larvae had differences in their biochemical profile for both terpenes and phenols, compared to unfavorable species such as Picea abies. Our results should help provide the information needed by local conservation authorities and forest managers to devise better plans for controlling the eventual spread of Asian gypsy moths in North America.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La consommation de (poly)phénols est fréquemment associée à une réduction du risque de développer des maladies chroniques sociétales. Cependant, les variations du microbiote intestinal peuvent affecter les métabolites phénoliques bioactifs produits à partir de ces composés, ce qui impacte leur potentiel bénéfique. À cet égard, les bactéries probiotiques capables de métaboliser les (poly)phénols représentent une stratégie potentielle. C'est le cas de Lactiplantibacillus plantarum, une bactérie à potentiel probiotique qui possède un large éventail d'enzymes catalysant les (poly)phénols. Néanmoins, certaines de ces activités enzymatiques sont spécifiques à certaines souches et il existe peu d'information sur celles-ci. Cette thèse vise à identifier les souches de L. plantarum capables de métaboliser différents types de (poly)phénols, y compris les gallotanins, ellagitanins et flavan-3-ols, tout en approfondissant notre compréhension de leurs profils métaboliques et génomiques. Dans un premier volet, l'étude s'est focalisée sur le potentiel de L. plantarum dans la conversion des gallotanins. Afin de faciliter la détection de souches possédant cette capacité métabolique, nous avons développé une méthode spectrophotométrique pour mesurer la tannase extracellulaire (TanA), l'enzyme responsable de cette biotransformation. Parmi 115 isolats de L. plantarum évaluées, six ont montré une production de TanA (TanA+) (PROBI S126, PROBI S204, RKG 1-473, RKG 1-500, RKG 2-219, et RKG 2-690). Lorsque ces souches ont été cultivées avec de l'acide tannique (un gallotanin), elles ont libéré une quantité significativement supérieure d'acide gallique par rapport à une souche de référence qui ne possède pas cette activité (WCFS1). Après le séquençage des souches TanA+ (WGS) et l'analyse de leurs attributs génomiques, il s'est révélé qu'elles présentent une grande similarité entre elles, notamment en ce qui concerne leurs gènes associés à leur biosécurité, ainsi que ceux associés à leur potentiel probiotique et technologique, comme les gènes codant pour les bactériocines. Le deuxième volet a exploré le potentiel métabolique de cette espèce bactérienne face à la grande diversité des ellagitanins présents dans le fruit du camu-camu (Myrciaria dubia). En plus des souches L. plantarum TanA+, nous avons identifié et séquencé (WGS) des souches produisant l'Est_1092 (Est_1092+), une estérase précédemment associée à l'hydrolyse des tannins. Les analyses de spectrométrie de masse des surnageants obtenus après la fermentation ont révélé que parmi les souches Est_1092+ et TanA+, seule ces dernières étaient capables d'hydrolyser les ellagitanins galloylés présents dans le camu-camu (tri-galloyl-HHDP-glucose et différents isomères de [di]HHDP-galloyl-glucose). En conséquence, les souches TanA+ ont libéré de structures de base des ellagitanins et de l'acide gallique. Toutefois, ni les souches Est_1092+ ni celles TanA+ n'ont modifié les structures de base des ellagitanins ni de structures d'ellagitanins complexes comme la vescalagine ou la castalagine. Le dernier volet a examiné la capacité des différentes souches de L. plantarum à métaboliser les flavan-3-ols en diphénylpropan-2-ols. Après le criblage de 47, douze se sont révélées capables d'ouvrir le noyau C d'un flavan-3-ol [(+)-catéchine] en libérant du 3-(3',4'-dihydroxyphényl)-1- (2,4,6-trihydroxyphényl)-propan-2-ol (une forme de diphénylpropan-2-ol) à partir de (+)-catéchine : ATCC 8014, ATCC 14917, PROBI 56-12, PROBI 56-24, PROBI 59-12, PROBI S204, RKG 1-473, RKG 1-500, RKG 1-611, RKG 2-212, RKG 2-219 et RKG 2-690. Ces souches ont ensuite été évaluées par leur capacité à convertir différentes structures de flavan-3-ols. Une analyse hiérarchique en grappes a révélé deux groupes de souches métabolisant les flavan-3-ol : les productrices « élevées » et « faibles » de diphénylpropan-2-ols. De quatre structures simples de flavan-3-ols [(+)-catéchine, (−)-épicatéchine, (−)-épigallocatéchine, (+)-gallocatéchine], l'épicatéchine était la plus métabolisée. Toutes les souches ont hydrolysé le gallate de (−)- épigallocatéchine, mais n'ont pas réussi à métaboliser les procyanidines A2 et B2. En somme, cette thèse met en lumière le rôle de L. plantarum dans le métabolisme de divers types de (poly)phénols, notamment les gallotanins, les ellagitanins et les flavan-3-ols. Elle fournit également des informations sur les attributs génomiques des souches capables de réaliser ces conversions métaboliques. Les souches sélectionnées dans cette étude ont le potentiel de libérer de métabolites phénoliques bioactifs, tels que l'acide gallique et les diphénylpropan-2-ols, et pourraient être considérées comme des candidats pour des probiotiques de précision visant à maximiser les bienfaits de ces composés phénoliques. / The consumption of (poly)phenols is frequently associated with a reduced risk of developing non-communicable diseases. However, variations in the intestinal microbiota can affect the bioactive phenolic metabolites produced from these compounds, impacting their potential benefit. In this regard, probiotic bacteria capable of metabolizing (poly)phenols represent a possible strategy. This is the case of Lactiplantibacillus plantarum, distinguished by its wide range of enzymes that catalyze (poly)phenols. Nevertheless, some of these enzymatic activities are strain-specific, and little information is available about them. This thesis aims to identify L. plantarum strains capable of metabolizing various types of (poly)phenols, including gallotannins, ellagitannins, and flavan-3- ols, while deepening our understanding of their metabolic and genomic profiles. In the first part, the study focused on the potential of L. plantarum in converting gallotannins. To facilitate the detection of strains with this metabolic capacity, we developed a spectrophotometric method to measure the extracellular tannase (TanA), the enzyme responsible for this biotransformation. Among 115 L. plantarum isolates evaluated, six showed TanA production (TanA+) (PROBI S126, PROBI S204, RKG 1-473, RKG 1-500, RKG 2-219, and RKG 2-690). When these strains were cultured with tannic acid (a gallotannin), they released a significantly higher amount of gallic acid than a reference strain without this activity (WCFS1). After sequencing the TanA+ strains (WGS) and analyzing their genomic attributes, they were found to exhibit great similarity, especially regarding their safety-related genes and those associated with their probiotic and technological potential, such as bacteriocin-encoding genes. The second part of this thesis explored the metabolic potential of this bacterial species towards the great variety of ellagitannins present in camu-camu fruit (Myrciaria dubia). In addition to the L. plantarum TanA+ strains, we identified and sequenced (WGS) strains producing Est_1092 (Est_1092+), an esterase previously associated with tannin hydrolysis. Mass spectrometry analyses of the supernatants obtained after fermentation revealed that among the Est_1092+ and TanA+ strains, only the latter were able to hydrolyze the galloylated ellagitannins present in camu-camu (tri-galloyl-HHDP-glucose and various [di]HHDP-galloyl-glucose isomers). As a result, TanA+ strains released ellagitannin base structures and gallic acid. However, neither the Est_1092+ nor the TanA+ strains modified the ellagitannin base structures or complex ellagitannin structures such as vescalagin or castalagin. The last part of this work examined the ability of various L. plantarum strains to metabolize flavan-3-ols into diphenylpropan-2-ols. After screening 47 isolates, twelve were found capable of opening the C-ring of a flavan-3-ol [(+)-catechin], releasing 3-(3',4'-dihydroxyphenyl)-1-(2,4,6- trihydroxyphenyl)-propan-2-ol (a form of diphenylpropan-2-ol) from (+)-catechin: ATCC 8014, ATCC 14917, PROBI 56 12, PROBI 56 24, PROBI 59 12, PROBI S204, RKG 1 473, RKG 1 500, RKG 1 611, RKG 2 212, RKG 2 219, and RKG 2 690. These strains were then evaluated for their ability to convert different flavan-3-ol structures. A hierarchical cluster analysis revealed two strain groups metabolizing flavan-3-ols: "high" and "low" diphenylpropan-2-ol producers. Of the four simple flavan-3-ol structures [(+)-catechin, (−)-epicatechin, (−)-epigallocatechin, (+)- gallocatechin], epicatechin was the most metabolized. All strains hydrolyzed (−)-epigallocatechin gallate but failed to metabolize procyanidins A2 and B2. In summary, this thesis highlights the role of L. plantarum in the metabolism of various types of (poly)phenols, particularly gallotanins, ellagitannins, and flavan-3-ols. It also provides insights into the genomic attributes of the strains capable of performing these metabolic conversions. The strains selected in this study have the potential to release bioactive phenolic metabolites, such as gallic acid and diphenylpropan-2-ols. Such strains emerge as prime candidates for precision probiotics aiming to maximize the health benefits derived from these phenolic compounds.

Titre de l'écran-titre (visionné le 1 novembre 2023) / Longtemps, les effets bénéfiques sur la santé des flavan-3-ols, la classe de (poly)phénols la plus consommée dans la diète occidentale, ont été associés à leur effet antioxydant dans l'organisme. Toutefois, moins de 10% de ces molécules sont absorbées dans l'intestin grêle, ce qui ne permet pas de procurer un effet antioxydant significatif dans l'organisme. Puisque la majorité des flavan-3-ols (> 90%) se rend jusqu'au côlon, l'interaction bidirectionnelle entre les flavan-3-ols et le microbiote intestinal expliquerait plutôt leurs effets sur la santé. D'une part, certaines bactéries du microbiote intestinal sont en mesure de dégrader les flavan-3-ols en métabolites bioactifs et biodisponibles. D'autre part, les flavan-3-ols peuvent moduler la composition du microbiote intestinal en favorisant la croissance des bactéries bénéfiques et en inhibant les bactéries pathogènes. De plus, les résultats des grandes études cliniques visant à démontrer l'effet des flavan-3-ols sur la santé sont souvent très hétérogènes en raison de la grande variabilité inter-individuelle de la capacité du microbiote intestinal à convertir ces molécules en métabolites. Afin de caractériser cette variabilité inter-individuelle, il a été proposé de stratifier la population en phénotypes métaboliques définis par la production de métabolites issus de la dégradation de (poly)phénols spécifiques par le microbiote intestinal, nommés métabotypes, mais aucune définition claire n'a encore été obtenue avec les flavan-3-ols. Le but de cette thèse est de caractériser l'interaction bidirectionnelle entre les flavan-3-ols et le microbiote intestinal, ainsi que la variabilité inter-individuelle qui en découle. Plus spécifiquement, ces travaux visent à améliorer les méthodes d'analyses des métabolites microbiens de flavan-3-ols, à définir les métabotypes associés au métabolisme des flavan-3-ols par le microbiote intestinal et à évaluer la capacité de ces molécules à moduler positivement la composition du microbiote intestinal. Dans un premier temps, une technique d'hydrolyse enzymatique a été mise au point afin de pouvoir quantifier efficacement les métabolites microbiens de flavan-3-ols dans l'urine à l'aide de standards analytiques abordables et disponibles commercialement. De plus, une nouvelle méthode de quantification à haut débit a été développée afin de réduire le temps d'analyse d'environ 15 minutes à seulement quelques secondes. Ensuite, cette approche a été appliquée à une étude clinique où 39 sujets ont consommé un extrait de canneberge riche en flavan-3-ols durant 4 jours. De plus, les échantillons fécaux prélevés avant l'intervention ont permis d'effectuer une cinétique de dégradation in vitro (i) d'épicatéchine, un flavan-3-ol monomérique pur servant de modèle, et des extraits purifiés en flavan-3-ols polymériques (ii) d'aronie et (iii) de canneberge durant 24h. L'étude du métabolisme microbien de l'épicatéchine a mis en évidence que les sujets se regroupaient en métabotypes sur la base de leur vitesse de métabolisation de ce substrat et de leur production de métabolites spécifiques. En effet, des métabolisateurs lents et rapides, ainsi que trois profils métaboliques distincts, associés à des microbiotes intestinaux spécifiques, ont pu être identifiés. Toutefois, il n'a pas été possible de définir des métabotypes associés au métabolisme des flavan-3-ols d'aronie et de canneberge. Ces cinétiques ont plutôt mis en évidence que les flavan-3-ols polymériques d'aronie et de canneberge n'étaient que très peu dégradés (< 1%) par le microbiote intestinal. Ce résultat a également été confirmé par l'analyse de l'excrétion urinaire des métabolites microbiens de flavan-3-ols avant et après la supplémentation avec l'extrait de canneberge. Toutefois, l'étude métataxonomique des échantillons fécaux des 39 sujets suite à la supplémentation en flavan-3-ols de canneberge a permis de démontrer un effet bifidogénique, c'est-à-dire une stimulation de la croissance des espèces bactériennes associées au genre Bifidobacterium. De plus, ces travaux ont permis de démontrer que l'extrait de canneberge modulait différemment le microbiote intestinal des individus, dépendamment de sa composition initiale. En effet, l'extrait de canneberge permettait de favoriser la croissance de Fæcalibacterium chez les sujets ayant Prevotella dans leur microbiote initial. Ces résultats confirment que les flavan-3-ols polymériques sont capables de moduler le microbiote intestinal, et ce malgré leur faible métabolisation. En somme, l'approche multidisciplinaire, allant de la chimie analytique à la microbiologie, utilisée dans le cadre de cette thèse a permis de caractériser l'interaction bidirectionnelle entre les flavan-3-ols et le microbiote intestinal, autant in vitro qu'in vivo, et de mieux comprendre la variabilité inter-individuelle qui y est associée. Ces travaux pavent la voie au développement d'approches de nutrition personnalisée. / Health benefits of flavan-3-ols, the most consumed (poly)phenols class in the Western diet, were previously attributed to their antioxidant activity within the host. However, less than 10% of these molecules are absorbed in the small intestine. Hence, they cannot exert significant antioxidant activity in the host. Since the majority (> 90%) reaches the colon, their bidirectional interaction with the gut microbiota rather explains their positive effects on health. On the one hand, specific gut bacteria can convert flavan-3-ols into bioavailable and potentially bioactive metabolites. On the other hand, flavan-3-ols can positively modulate the composition of the gut microbiota by stimulating the growth of beneficial bacteria and by inhibiting the pathogenic ones. In addition, the results obtained in large clinical trials attempting to demonstrate the effect of flavan-3-ols are heterogeneous due to the high inter-individual variability of the capacity of the gut microbiota to convert these molecules into metabolites. To characterize this inter-individual variability, it has been proposed to stratify the population into metabolic phenotypes defined by the production of metabolites from the metabolism of specific (poly)phenols by the gut microbiota, so called metabotypes, but no clear definition has yet been obtained with flavan-3-ols. This thesis aimed to characterize the bidirectional interaction between flavan-3-ols and gut microbiota, as well as the resulting inter-individual variability. Specifically, the goals were to improve the methods for microbial flavan-3-ols metabolites quantification, to define the metabotypes associated with the metabolism of flavan-3-ols by the gut microbiota and to assess the capacity of these molecules to positively modulate the composition of the gut microbiota. First, a method using enzymatic hydrolysis was developed to accurately quantify microbial flavan-3-ols metabolites in urine with affordable and commercially available analytical standards. In addition, a new high-throughput method was developed to reduce the analysis time from around 15 minutes to just a few seconds. Then, this approach was applied to a clinical study involving 39 subjects who consumed a flavan-3-ols-rich cranberry extract for 4 days. In addition, fecal samples collected before the intervention were used to perform in vitro degradation kinetics of (i) epicatechin, a pure monomeric flavan-3-ol used as a model, and purified polymeric flavan-3-ols from (ii) aronia and (iii) cranberry for 24h. Results obtained from microbial metabolism of epicatechin revealed that subjects clustered into metabotypes based on their conversion rate of epicatechin and on the production of specific metabolites. In fact, slow and fast metabolizers, as well as 3 distinct metabolic profiles, associated with specific gut microbiota, were identified. However, it was not possible to define metabotypes associated with the metabolism of flavan-3-ols from aronia and cranberry. These experiments rather demonstrated that the polymeric flavan-3-ols from aronia and cranberry were only slightly degraded (< 1%) by the intestinal microbiota. This result was also confirmed by the analysis of urinary excretion of microbial flavan-3-ol metabolites before and after supplementation with the cranberry extract. However, metataxonomics analysis of the fecal samples of the 39 subjects following supplementation with cranberry extract demonstrated a bifidogenic effect, i.e. stimulation of the growth of bacterial species associated with the genus Bifidobacterium. In addition, we demonstrated that cranberry extract supplementation differently modulated the gut microbiota of the participants, depending on its initial composition. Indeed, cranberry extract promoted the growth of Fæcalibacterium in subjects with Prevotella in their initial microbiota. These results confirm that polymeric flavan-3-ols can modulate the gut microbiota, despite their low metabolism. In conclusion, the multidisciplinary approach, ranging from analytical chemistry to microbiology, used in this thesis allowed to characterize the bidirectional interaction between flavan-3-ols and the intestinal microbiota, both in vitro and in vivo, and to better understand the inter-individual variability associated with it. This work paves the way for the development of personalized nutrition approaches.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Ce mémoire vise à mesurer la distribution verticale de plusieurs espèces chimique du cycle du soufre dans la colonne d'eau et l'eau porale de deux lacs dont la géochimie est contrastée. À cette fin, une méthode pour la stabilisation et l'analyse des polysulfures inorganiques a été adaptée pour de petits volumes d'échantillons (~2 mL). Deux campagnes d'échantillonnage ont été menées. La première, en juillet 2021, au cours de laquelle la méthode de stabilisation et d'analyse des polysulfures inorganiques a été validée sur des échantillons de la colonne d'eau et de l'eau porale des sédiments du Lac Holland qui se situe en Gaspésie dans le sud-est de la province canadienne du Québec. Ce lac dimictique au couvert de glace saisonnier développe une anoxie sous la thermocline durant l'été. Il a été sous l'influence d'émissions atmosphériques d'une mine de cuivre proximal de Murdochville au cours du 20ᵉ siècle. L'analyse des échantillons a permis de mesurer les concentrations dissoutes de sulfate (SO₄²⁻), thiosulfate (S₂O₃²⁻), soufre élémentaire (S⁰), polysulfure (Sₙ²⁻), sulfure (HS⁻), puis celles des d'éléments majeurs (Na, Ca, Mg, Fe, Mn) et traces (Cu et As) dans la colonne d'eau et l'eau porale ainsi que le soufre volatil produit par acidification des sédiments (AVS). Les résultats montrent une abondance de Sₙ²⁻ dans la zone de recyclage rédox du S⁰ et du HS⁻. Le recyclage des intermédiaires réactifs du S était plus intense à l'interface sédiment-eau, ou la consommation de l'oxygène avait lieu. La transformation du sulfate s'opère quantitativement en S⁰ et en HS⁻. Enfin, le profil d'AVS obtenu en 2022 dans le cadre de cette maitrise suggère, lorsqu'il est comparé au profil qui a été mesuré lors d'une étude précédente, que la formation des AVS est un processus à l'état stationnaire et que ce profil ne reflète pas les variations chronologiques de la déposition du sulfate atmosphérique. La deuxième campagne d'échantillonnage, en juillet 2022, avait pour objectif de documenter la distribution verticale des métabolites inorganiques du cycle du S au Lac A qui se trouve sur l'île d'Ellesmere de l'archipel arctique canadien. Le lac A est un lac méromictique du haut arctique au couvert de glace pluriannuel, qui avait été préalablement étudié pour certains paramètres géochimiques et pour y caractériser le microbiome. Dans le contexte où les changements climatiques influencent la durée du couvert de glace et ainsi la disponibilité en oxygène, la distribution des espèces du S, sensible aux conditions d'oxydoréduction, pourrait s'avérer un traceur environnemental important. Des échantillons prélevés le long de la colonne d'eau jusqu'à 80 m de profondeur ont servis à mesurer les concentrations dissoutes de Fe (II), Mn, SO₄²⁻, S⁰$_\textup{aq}$, Sₙ²⁻ et HS⁻ ainsi que les anions tels que le fluorure (F⁻), bromure (Br⁻), nitrite (NO₂⁻) et nitrate (NO₃⁻). Les concentrations mesurées dans le Lac A ont permis de révéler, pour la première fois, la distribution verticale du S⁰$_\textup{aq}$ et des Sₙ²⁻ dans la colonne d'eau d'un lac méromictique. Les résultats montrent une succession d'espèces soufrées sur la colonne d'eau le long de l'oxycline, avec une prévalence de S⁰$_\textup{aq}$, Sₙ²⁻ et HS⁻, en accord avec les voies métaboliques précédemment identifiées à l'aide de la métagénomique. / This thesis aims to measure the vertical distribution of several species of the sulfur cycle in the water column and the pore water of two lakes with contrasting geochemistry. To this end, a method for the stabilization and analysis of inorganic polysulfides was adapted for small sample volumes (~2 mL). Two sampling campaigns were carried out. The first, in July 2021, during which the stabilization and analysis method for inorganic polysulfides was validated on samples of the water column and pore water of the sediments from Lake Holland which is in Gaspésie, in the southeast of the Canadian province of Quebec. This dimictic lake with seasonal ice cover develops anoxia below the thermocline during the summer. It has been influenced by atmospheric emissions from a copper mine proximal to Murdochville during the 20th century. The analysis of the samples made it possible to measure the dissolved concentrations of sulfate (SO₄²⁻), thiosulfate (S₂O₃²⁻), elemental sulfur (S⁰), polysulfides (Sₙ²⁻), sulfide (HS⁻), then those of major elements (Na, Ca, Mg, Fe, Mn) and traces (Cu and As) in the water column and pore water as well as volatile sulfur produced by sediment acidification (AVS). The results show an abundance of Sₙ²⁻ in the redox recycling zone of S⁰ and HS⁻. Recycling of reactive S intermediates was more intense at the sediment-water interface, where oxygen consumption occurred. The transformation of sulfate takes place quantitatively into S⁰ and HS⁻. Finally, the AVS profile obtained in 2022 suggests, when compared to the profile that was measured during a previous study, that the formation of AVS is a steady-state process and that this profile does not reflect the chronological variations of the deposition of atmospheric sulfate. The second sampling campaign, in July 2022, aimed to document the vertical distribution of inorganic metabolites of the S cycle at Lake A which is located on Ellesmere Island in the Canadian Arctic Archipelago. Lake A is a high Arctic meromictic lake with multi-year ice cover, which had previously been studied for certain geochemical parameters and to characterize the microbiome. In the context where climate change influences the duration of the ice cover and thus oxygen availability, the distribution of S species, sensitive to redox conditions, could prove to be an important environmental tracer. Samples taken along the water column up to 80 m depth were used to measure the dissolved concentrations of iron (Fe (II)), Mn, SO₄²⁻, S⁰$_\textup{aq}$, Sₙ²⁻ and HS⁻ as well as the anions such as fluoride (F⁻), bromide (Br⁻), nitrite (NO₂⁻) and nitrate (NO₃⁻). The concentrations measured in Lake A made it possible to reveal, for the first time, the vertical distribution of S⁰$_\textup{aq}$ and Sₙ²⁻ in a meromictic lake. The results show a succession of sulfur species in the water column along the oxycline, with a prevalence of S⁰$_\textup{aq}$, Sₙ²⁻ and HS⁻, in agreement with the metabolic pathways previously evoked using metagenomics.

La direction principale des travaux de recherche de ce mémoire est de valoriser les composés phytochimiques se trouvant au cœur de la flore nordique. Cette dernière possède de nombreuses adaptations impressionnantes aux conditions climatiques extrêmes sur ces territoires. On y retrouve peu de végétation pouvant se développer dû à l'environnement particulier de ces régions. La flore nordique du Québec exploite des mécanismes de défense différents et particuliers des végétaux ne se trouvant pas dans ces conditions. Dans ce contexte, l'objectif des recherches de ce projet de maîtrise est de faire l'investigation phytochimique des métabolites secondaires de Racomitrium lanuginosum, une bryophyte très peu étudiée. Pour ce faire, nous avons utilisé un processus d'extraction par solvants de différentes polarités, suivi de différentes étapes de purification et de caractérisation. Racomitrium lanuginosum est une mousse présente dans des écosystèmes du Sud et du Nord. Les échantillons étudiés proviennent du Nunavik, plus précisément des alentours de Kuujjuarapik-Whapmagoostui. Il s'agit de la première investigation phytochimique sur cette bryophyte pour des spécimens nordiques. Notre investigation phytochimique a commencé par un processus d'extraction avec de l'hexanes, suivi du dichlorométhane, puis du méthanol. Les extraits bruts ont été soumis à la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) afin de faire l'identification putative de composés volatils. Par la suite, les extraits bruts ont été fractionnés par chromatographie liquide à moyenne pression (MPLC). Subséquemment, certaines fractions ont été soumises à la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS) afin de faire l'identification putative des composés. Des molécules n'ayant pas été identifiées putativement ont été ensuite purifiées par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) semi-préparative. Cette étape a permis d'obtenir certains métabolites secondaires purs pour en faire l'élucidation de la structure par résonance magnétique nucléaire (RMN) et par spectrométrie de masse. / The main direction of the research work of this thesis is to valorize the phytochemicals found in the heart of the northern flora. The latter has many impressive adaptations to the extreme climatic conditions in these territories. There is little vegetation that can develop due to the particular environment of these regions. The northern flora of Quebec exploits different and particular defence mechanisms of the plants not being in these conditions. In this context, the research objective of this master's project is to investigate phytochemically the secondary metabolites of Racomitrium lanuginosum, a very little studied bryophyte. To do so, we used a solvent extraction process of different polarities, followed by distinct purification and characterization steps. Racomitrium lanuginosum is a moss present in southern and northern ecosystems. The samples studied come from Nunavik, more precisely from the vicinity of Kuujjuarapik-Whapmagoostui. This is the first phytochemical investigation of this bryophyte for northern specimens. Our phytochemical investigation started with an extraction process with hexanes, followed by dichloromethane, then methanol. The crude extracts were subjected to gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for putative identification of volatile compounds. Subsequently, the crude extracts were fractionated by medium pressure liquid chromatography (MPLC). Subsequently, some fractions were subjected to liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) for putative identification of compounds. Molecules that were not putatively identified were then purified by semi-preparative high-performance liquid chromatography (HPLC). This step allowed us to obtain some pure secondary metabolites for structure elucidation by nuclear magnetic resonance (NMR) and mass spectrometry.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.