Le microbiote intestinal humain a été fortement corrélé avec la santé humaine et les maladies et a montré un potentiel dans les développements thérapeutiques. La métagénomique a déjà montré qu'elle était capable de générer beaucoup de données, dont certaines sont dénuées de sens et constituaient la "matière noire". Alors culturomics a été développée pour compléter la métagénomique en ciblant des espèces bactériennes précédemment non cultivées. En utilisant la culturomics, nous avons décrit le microbiote intestinal humain des Pygmées et réussi à isoler un nombre significatif d'espèces bactériennes parmi lesquelles 38 étaient de nouvelles espèces. En comparant les résultats métagénomiques aux données culturomics, on constate que seulement 26% des espèces isolées ont été récupérées par métagénomique et que jusqu'à 59% des Operational taxonomic units détectées correspondaient à de nouvelles espèces bactériennes isolées par culturomique dans cette étude ou dans les précédentes. / The human gut microbiota has been correlated in general health and diseases. Thus its description became mandatory to better understand its role and therapeutic potential. However, metagenomics has previously showed to be able to generate a lot of data, of which some are meaningless and constituted the “Dark matter”. Thus, culturomics was developed to complement metagenomics by targeting previously uncultured bacterial species. Using culturomics, we described the human gut microbiota of Pygmy people and succeeded in isolating a significant number of bacterial species out of which 38 were new species. Comparing metagenomics results to culturomics data, we see that only 26% of the isolated species were recovered by metagenomics and that up to 59% of the Operational taxonomic units detected corresponded to new bacterial species isolated by culturomics either in this study or in previous ones.

Depuis la fin des années 1980, de nombreuses études épidémiologiques ont montré une association positive et indépendante entre les maladies cardiovasculaires et les maladies parodontales. Les maladies parodontales, responsables de bactériémies transitoires et répétées, ont la capacité d’initier ou d’aggraver les lésions d’athérosclérose. Deux mécanismes pathogéniques majeurs sont aujourd’hui avancés. L’un est indirect par augmentation des médiateurs de l’inflammation induite par les parodontites et l’autre est direct lié au microbiote oral. Cette hypothèse majeure repose sur deux mécanismes non exclusifs, la translocation des bactéries parodontales au sein des plaques d’athérosclérose par la circulation générale et sur la modification du microbiote intestinal. L’objectif de la thèse était d'explorer l'association entre l’exposition systémique aux bactéries parodontales et leur présence au sein des plaques d’athérosclérose sur les complications cardio- et neuro-vasculaires chez l’homme. Les résultats obtenus montrent que les bactéries parodontales sont associées à un phénotype vulnérable des plaques d’athérosclérose coronariennes et carotidiennes. Les lésions d’athérosclérose compliquées par des hémorragies intraplaques sont le siège d’une activation plus intense des neutrophiles. Les effets délétères des leucocytes sur les tissus vasculaires sont potentiellement augmentés et entretenus par les bactéries majorant la vulnérabilité à la rupture des plaques d’athérosclérose. La confirmation clinique de la relation biologique entre le microbiote parodontal et les complications cardio- et neuro-vasculaires de l’athérosclérose est une perspective importante de cette thèse. / Since the late 1980s, many epidemiological studies have shown a positive and independent association between cardiovascular disease and periodontal disease. Periodontal disease inducing transient bacteraemia, can initiate or worsen atherosclerotic lesions. Two major pathophysiologic mechanisms are supported by evidence. One is by indirect increase in inflammatory systemic periodontitis-induced mediators and the other is directly related to the oral microbiota. This major hypothesis is based on two non-exclusive mechanisms, the translocation of periodontal bacteria in atherosclerotic plaques by the general circulation and the impact on the gut microbiota.The aim of the thesis was to explore the association between systemic exposure to periodontal bacteria and their presence in atherosclerotic plaques on the cardiovascular and neurovascular complications in human.The results obtained show that periodontal bacteria are associated to a vulnerable phenotype of coronary and carotid atherosclerotic plaques. Atherosclerotic lesions complicated by intraplaque haemorrhage are the trigger of a super activation of neutrophils. The deleterious effects of leukocytes to the vascular tissues are potentially increased and maintained by the bacteria which increase the atherosclerotic plaques vulnerability to rupture.The clinical confirmation of the biological relationship between periodontal microbiota and cardio- and neurovascular complications of atherosclerosis is an important perspective of this thesis.

Ce projet s'inscrit dans le programme UVILUQ, le terme inuktitut pour « moule », dont l'objectif est de développer l'utilisation des biopsies liquides chez la moule associée à la bancarisation sur cartes FTA pour le suivi de l'état de santé des écosystèmes côtiers. Cette nouvelle plateforme d'échantillonnage idéale pour les études en milieux éloignés donne accès à une panoplie d'informations sous la forme d'acides nucléiques, dont des biomarqueurs potentiels pour le suivi de l'état de santé des moules. Ce projet s'intéresse à l'un de ces derniers, soit le microbiote bactérien de l'hémolymphe. L'étude du microbiote bactérien chez les espèces sentinelles telles que la moule bleue est un domaine de recherche en expansion. Toutefois, pour pouvoir l'utiliser comme biomarqueur, il est essentiel d'avoir une compréhension étayée de sa variabilité spatiale naturelle à petite échelle afin d'établir des comparaisons de sites valides. Ce mémoire se penche sur la variabilité spatiale à petite échelle de la communauté bactérienne de l'hémolymphe des moules bleues (Mytilus spp.) ainsi que sur les processus biogéographiques sous-jacents. Le premier et seul chapitre présente une étude réalisée dans la moulière de Pointe-Mitis, retrouvée sur la rive sud de l'estuaire du Saint-Laurent, au Canada. Le microbiote de l'hémolymphe de moules provenant de plusieurs aires de la moulière présentant des caractéristiques d'habitat contrastées y a été caractérisé par métataxonomie basée sur l'ARNr 16S, permettant de définir les échelles spatiales de variation et d'avoir un aperçu de l'origine de ces différences. La conclusion générale de ce mémoire revient sur les résultats de cette étude ainsi que sur leur portée quant à l'utilisation potentielle du microbiote bactérien de l'hémolymphe comme biomarqueur. Les perspectives de recherche révélées par cette étude sont également abordées à travers la brève présentation de la deuxième partie de ce projet non incluse dans ce mémoire. Ce projet constitue ainsi un pas de plus vers l'utilisation du microbiote bactérien de l'hémolymphe comme biomarqueur accessible par biopsie liquide pour suivre l'état de santé des écosystèmes côtiers. / This project is part of the UVILUQ program, which mean "mussel" in Inuktitut, aiming to develop the use of liquid biopsy combined with FTA cards to monitor the functional integrity of coastal marine ecosystems. This new sampling method, ideal for remote regions studies, grants access to a large array of potential nucleic acids-based biomarkers to assess how stress factors or xenobiotics impact mussels' health. This project focus on hemolymph bacterial microbiota as one of these potential biomarkers. Studying bacterial microbiota in sentinel species such as blue mussels (Mytilus spp.) is an emerging field of research. However, to use it as a biomarker to evaluate the impact of stress factors, it is essential to have a good understanding of the natural variability at small spatial scales in order to establish valid spatial comparisons. Thus, this thesis is about the small-scale spatial variability of the blue mussels' hemolymph bacterial community and the underlying biogeographical processes. The first and only chapter is a study of the spatial heterogeneity of mussels' microbiota conducted in a local mussel bed in the Canadian St. Lawrence estuary. The hemolymph bacterial community of mussels from different areas presenting contrasting habitat characteristics has been characterized through 16S rRNA gene meta-taxonomy, allowing to identify significant scales of variation and to have a better understanding of the processes behind this variability. The general conclusion of the thesis discusses the results of this study and their implications for the potential use of the hemolymph bacterial microbiota as a biomarker. The research perspectives revealed by this project are also discussed through the brief presentation of the second part of the project that is not included in this thesis. This thesis is another step toward the use of the hemolymph bacterial microbiota through liquid biopsy to monitor the marine coastal ecosystems' integrity.

La peau l’un des plus grands organes du corps humain avec une superficie moyenne de 1,5m2 à 2m2 est à l’interface avec le monde extérieur et régule les échanges entre les deux milieux. Avec ses nombreuses invaginations et des apports nutritifs constants cet écosystème favorise la colonisation par des microorganismes. Les études taxonomiques basées sur le séquençage du gène rrs après amplification PCR à partir de l’ADN extrait ont permis de découvrir la diversité des différentes populations microbiennes qui colonisent la peau humaine dont peu sont cultivables in vitro. A côté des espèces communes à tous les individus une certaine spécificité individuelle a été trouvée de même qu’il a été montré que la surface du corps humain se différencie en régions avec des spécificités physico-chimiques propres pour lesquelles des correspondances taxonomiques du microbiote ont été détectées. Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d’un contrat CIFRE avec la société LibraGen a eu pour but d’aborder le volet fonctionnel du microbiote cutané grâce à l’application de l’approche séquençage haut débit de l’ADN metagénomique bactérien extrait de la peau humaine. Cet objectif a nécessité le développement d’une méthode de prélèvement‐extraction de l’ADN afin de remédier aux contraintes spécifiques de l’écosystème étudié, une faible densité microbienne et la putative présence de contamination par l’ADN humain. Les données de séquence obtenues nous ont permis de caractériser le potentiel fonctionnel du microbiote cutané des différents sites cutanés et, par comparaisons inter-environnementales de déterminer les fonctions spécifiquement rencontrées dans ce microbiote lié à l’homme. Les applications de ces travaux sont importantes comme par exemple la démonstration d’un effet sur le microbiote d’une application quotidienne d’onctions qui modifie tant la diversité taxonomique que le potentiel fonctionnel du microbiote cutané. / Skin is one of the largest human organs, with an average surface of 1.8 m2. At the interface between the human body and its external environment, skin is continually exposed to chemical and biological aggression and provides efficient protection of the human body. Its appearance is a good indicator of internal health, as skin reacts very rapidly to any change. Historically, skin microbiology was limited to the study of microorganisms isolated from skin pathologies, including those that provoke the pathological state and those that result from the pathology. However, the presence of skin microorganisms extends far beyond these pathological aspects, as non-pathological bacteria are detected everywhere on the skin, with up to 107 bacterial cells by cm2 in some areas. Skin is not a sterile human organ, but acts as an ecological niche for commensal microor- ganisms whose presence participates in protection against pathogens by preventing their colonization. Skin microbiology had been studied long before consid- ering the commensal skin bacteria, the majority of which could not be cultivated in vitro and the role of which was neglected until these new approaches, based on amplification and sequencing of DNA directly extracted from skin, were applied. Metagenomics revolutionized the study of microbiology in numerous environments where most bacteria are difficult to isolate. The first result of this approach was a more accurate estimation of microbial diversity, which had been underestimated by traditional approaches. However, interest in metagenomics exceeds a simple inventory of bacteria by providing information on their activity, function and interrelationship with other organisms.Our objective in this work realized in a CIFRE collaboration with Libragen company, was to study the functional profiles of the human skin microbiome with the application of metagenomic tools. This approach required first developing a method for the sampling and the dna extraction in order to overcome the constraints specific to this microbiome. Then, the sequencing data allowed characterizing the functional potential of the skin microorganisms in comparison to other environmental metagenome, and to find specificities of their local adaptations among three different skin sites. Applications of this work can be very important and one application tried in this thesis was the demonstration of the effect of several cutaneous cosmetic applications that modified the microflora at the taxonomic level and at the functional potential level.

D'étiologie inconnue, les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin, telles que la maladie de Crohn ou la rectocolite hémorragique, semblent résulter d'une réaction immunitaire inappropriée vis-à-vis de la flore commensale chez des individus génétiquement prédisposés. De ce fait, la modulation du microbiote par des probiotiques, majoritairement des bactéries lactiques commensales (lactobacilles et bifidobactéries), représente une alternative thérapeutique intéressante et a déjà conduit à un certain nombre d'essais cliniques concluants. Cependant, les effets thérapeutiques des bactéries probiotiques se sont avérés spécifiques de la souche utilisée et les mécanismes d'action de ces micro-organismes restent encore méconnus. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés au rôle du peptidoglycane et de la voie de signalisation NOD2 dans les capacités anti-inflammatoires de certains lactobacilles probiotiques. Dans un modèle murin de colite expérimentale mimant la pathologie humaine, nous avons tout d'abord montré que les capacités protectrices de la souche anti-inflammatoire Lactobacillus salivarius Ls33 nécessitent la présence du récepteur NOD2. Ce récepteur reconnaissant les produits de dégradation du peptidoglycane, nous avons préparé du peptidoglycane hautement purifié de la souche Ls33 et montré que l'administration de ce composant, par voie intrapéritonéale ou orale, protège les souris de la colite expérimentale. Nous avons également mis en évidence que l'effet protecteur du peptidoglycane de Ls33 implique la production d'IL-10, la voie immunosuppressive de l'indoleamine 2,3-dioxygénase et le développement, au sein des ganglions mésentériques, de cellules dendritiques régulatrices CD103+ et de cellules T régulatrices CD4+FoxP3+. Nous avons montré que le peptidoglycane de Ls33 favorise, in vitro, la différentiation de cellules dendritiques naïves en cellules dendritiques productrices d'IL-10, capables de protéger, après transfert adoptif, les souris de la colite de façon NOD2-dépendante. Les capacités protectrices n'ayant pas été obtenues avec le peptidoglycane de la souche non anti-inflammatoire L. acidophilus NCFM, nous avons ensuite réalisé une analyse structurale des deux peptidoglycanes. Alors que les deux souches arborent le muropeptide M-tri-Lys-D-Asn, nous avons identifié un muropeptide additionnel libéré uniquement par Ls33, le M-tri-Lys. Bien que les deux muropeptides synthétiques activent NOD2 in vitro, seule l'administration systémique du M-tri-Lys protège les souris de la colite. Cette protection est dépendante du récepteur NOD2 mais ne nécessite pas la présence de l'adaptateur principal des récepteurs de type Toll ou TLR, MyD88. En conclusion, nos résultats indiquent que le peptidoglycane et certains de ses dérivés sont des composants actifs dans la fonctionnalité des lactobacilles probiotiques et représentent une nouvelle stratégie thérapeutique pour le traitement des maladies inflammatoires chroniques de l'intestin.

La dermatite atopique (DA) est une maladie inflammatoire et prurigineuse de la peau, très fréquente chez les enfants et dont la prévalence augmente dans les pays industrialisés. La physiopathologie complexe de cette maladie met en jeu un défaut de la barrière cutanée et/ou des défauts génétiques résultant en une hypersensibilité aux allergènes de l'environnement tels que ceux issus d'acariens. Récemment, des études sur les interactions entre le système immunitaire et les bactéries commensales et pathogènes de la peau ont révélé leur importance dans cette maladie. Pour étudier le rôle du microbiote cutané dans la réponse T CD4+, des cohortes de jeunes enfants, atteints de DA et sensibilisés aux allergènes d'acariens (Der p) ou non DA (population contrôle), ont été recrutées. L'analyse du microbiote (MALDI-TOF) et du profil transcriptomique cutanés, ainsi que la quantification des T CD4+ anti-Derp (ELISpot) ont montré que la présence de S. aureus sur la peau inflammatoire des sujets AD était associée à des taux élevés d'IgE, des transcrits caractéristiques d'une orientation Th2/Th22 et à une réponse périphérique Th2. Des cellules dendritiques dérivées de monocytes (moDC) de donneurs sains produisent respectivement de l'IFN-gamma et de l'IL-10 en présence de sécrétomes issus de souches de S. aureus et S. epidermidis provenant de patients. La prolifération de lymphocytes T CD4+ stimulés avec des moDC allogéniques traitées avec le sécrétome de S. aureus est atténuée par le traitement simultané des moDC avec le sécrétome de S. epidermidis. Les sécrétomes de S. aureus sont capables d'inhiber directement l'activité suppressive de lymphocytes T régulateurs en l'absence de cellule présentatrice d'antigène. L'ensemble de nos résultats nous permet de penser que S. aureus est un facteur pro-inflammatoire de la DA en exacerbant la prolifération de lymphocytes Th2 résidents et en inhibant la fonction des lymphocytes T régulateurs. Favoriser les effets anti-inflammatoires des bactéries commensales telles que S. epidermidis liés à l'induction d'une sécrétion d'IL-10 par les cellules dendritiques de la peau pourrait bénéficier aux patients atteints de DA. / Atopic dermatitis (AD) is an inflammatory and pruritic skin disease frequently affecting children. Its prevalence is increasing in industrialized countries. Its complex pathophysiology involves a skin barrier dysfunction and/or genetic abnormalities leading to sensitivity to environmental allergens such as house dust mites. Interactions between the immune system and skin bacteria, pathogens and commensals, appeared to be important in the disease. To study the influence of skin microbiota in the CD4+ T cell response, we designed a cohort of young AD children sensitized to house dust mite allergens (Der p) and their counterparts (controls). Analysis of skin microbiota (MALDI-TOF), transcripts profiling and quantification of anti-Der p CD4+ T cells showed that the presence of S. aureus on inflamed skin of AD subjects was associated with high IgE levels, Th2/Th22 transcripts and peripheral Th2 anti-Der p response. Monocyte-derived dendritic cells (moDC) were exposed to secretomes produced by S. aureus and S. epidermidis strains isolated from patients and released IFN-gamma and IL-10 respectively. Proliferation of CD4+ T cells induced by allogeneic moDC exposed to S. aureus secretome was blunted by concurrent exposure of moDC to S. epidermidis secretome. Regulatory T cells (Treg) lost their activity against conventional CD4+ T cells under the direct effect of S. aureus secretome. Overall, these results allow us to think that S. aureus is an important factor of the AD inflammation by inducing Th2 activation and silencing resident Treg. Commensals such as S. epidermidis could be used to counteract these effects by inducing IL-10 production by skin DC.

Les anticorps bloquant les rétrocontrôles inhibiteurs du système immunitaire (ICB) ont révolutionné la prise en charge des patients atteints de certains cancers. Les ICB bloquent l’axe cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA-4) ou programmed cell death protein 1/PD-L1-PD-L2 et permettent une réactivation des cellules T stimulant l’immunité anti-tumorale. Toutefois, malgré cette avancée plus de 70 % des patients finiront par progresser et ces traitements peuvent entrainer des toxicités de type auto-immunes sévères. Il est donc fondamental d’identifier des biomarqueurs prédictifs de la réponse clinique et ainsi développer une nouvelle stratégie thérapeutique efficace pour augmenter l’index thérapeutique des ICB. Plusieurs groupes ont participé à décrire le lien étroit entre le microbiote intestinal et la réponse à la chimiothérapie (cyclophosphamide), à la greffe allogénique ainsi qu’aux les thérapies immunomodulatrices (anti-CTLA4 and PD1 Abs). Mon travail de thèse vient à la suite de ces travaux princeps et a permis de montrer que la composition du microbiote intestinal est en partie responsable de l’activité anti-tumorale des ICB dans plusieurs cancers. L’analyse de 249 patients atteints d’un cancer métastatique du poumon, du rein et cancer urothelial traités par l’anti-PD-1 ou l’anti-PD-L1 les antibiotiques (ATB) diminuaient la survie sans progression (PFS) de 3.5 vs 4.1 mois (p=0.017) et la survie globale de 11.5 vs 20.6 mois (p<0.001) par rapport aux patients n’ayant pas pris d’ATB avant de débuter les ICB. Nous avons par la suite analysé par métagénomique les selles de 153 patients atteints d’un cancer du poumon et du rein traités par l’anti-PD-1. Les résultats ont montré que Akkermmansia muciniphila est plus abondante chez les patients ayant une meilleure réponse clinique et une meilleure PFS. De plus, nous avons démontré que la présence d’une réponse mémoire spécifique des cellules CD4+ ou CD8+ envers A. muciniphila est associée à une plus longue PFS. Par la suite, des transplantations de microbiote fécal (FMT) avec les selles de ces patients chez des souris axéniques ou traitées par ATB montrent que les selles des répondeurs à l’anti-PD-1 entrainent une forte réponse immunitaire anti-tumorale post anti-PD-1 comparé aux selles de non-répondeurs. De plus, un gavage oral avec A. muciniphila après la FMT avec des selles de non-répondeurs restaure une forte réponse immunitaire post anti-PD-1 via la production d’IL-12 par les cellules dendritiques entrainant l’augmentation du recrutement des cellules T CD4+CXCR3+CCR9+ du ganglion mésentérique vers le site tumoral et une augmentation du ratio CD4/Treg. L’ensemble de ces résultats suggèrent que la découverte de bactérie immunogène capable de prédire le bénéfice clinique des ICB permettra de développer une stratégie thérapeutique efficace afin d’augmenter la survie des patients atteints de cancer.Mots clés : ICB, anti-PD-1, anti-PDL-1, cancer du poumon, cancer du rein, microbiote intestinal / In oncology, a novel therapeutic era based on immune checkpoint blockades (ICB) targeting cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 (CTLA-4) or programmed cell death protein 1 (PD-1) inhibitory T-cell receptors has come of age. Targeting CTLA-4 or PD-1/PDL-1/PDL-2 unleashes T cells and restores antitumor immunity. However, 70% of patients will eventually progress and drug-induced autoimmune toxicities are frequent. Therefore, predictors of clinical benefit and strategies to safely enhance ICB efficacy are urgently needed. Multiple lines of evidence have shown that conventional chemotherapy, allogeneic transplantation and immune-based therapies (IL-10R blockade, anti-CTLA4 and PD1 Abs) rely upon the composition of the gut microbiota to exert their bioactivity. During my PhD, I showed in a cohort of 249 patients with advanced NSCLC, RCC and urothelial cancer treated with anti-PD-1/PDL-1 mAb that antibiotic (ATB) prescription before ICB decreased PFS from 3.5 months vs 4.1 months (p=0.017) and OS from 11.5 months vs 20.6 months (p<0.001) compared to patients without ATB. Next, using quantitative metagenomics by shotgun sequencing, we explored the microbiota composition of 153 patients with advanced NSCLC and RCC amenable to anti-PD-1 mAb. Akkermansia muciniphila was found to be strongly associated with favorable objective response rate and longer PFS. To validate the relevance of these clinical findings, we brought up two major lines of evidence. First, we demonstrated that in NSCLC patient, the presence of specific IFNγ+ memory CD4+ and CD8+ T cells toward A. muciniphila predicted a longer PFS. Secondly, fecal microbiota transplantation (FMT) was performed using patient feces to recolonize germ-free or ATB-treated mice in two tumor models. Feces from patients with clinical response conveyed a stronger immune response against the tumor compared to feces from non-responders. Subsequently, oral supplementation with A. muciniphila post-FMT with non-responder feces restored the efficacy of PD-1 blockade. In this setting, dendritic cells secreted more IL-12, increasing the recruitment of CCR9+CXCR3+CD4+ T lymphocytes from the mesenteric lymph nodes into tumor beds as well as an increase of CD4+/Treg ratio within the tumor bed of mice co-treated with anti-PD1 mAb and A. muciniphila. The discovery of immunogenic bacteria capable of predicting and increasing clinical benefit of ICB will help for the development of novel biomarker tools and a future therapeutic concept, whereby treatment of cancer can be improved by the modulation of gut microbiota. Keywords: NSCLC, RCC, Immune checkpoint blockades (ICB), immunotherapies, Programmed Cell Death Protein-1 (PD-1), Microbiota.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles. / Les maladies cardiométaboliques affectent de nombreuses populations à l'échelle mondiale, notamment les populations autochtones qui résident dans le nord du Canada. Des travaux scientifiques récents suggèrent que ces maladies peuvent avoir été causées en partie par des perturbations du microbiote intestinal. Le profilage métabolique d'acides biliaires (AB) est un moyen reconnu pour analyser le microbiote. Cependant, ces analyses sont principalement effectuées a posteriori sur des échantillons fécaux et ne fournissent aucune information spatiale ou temporelle sur les variations métaboliques au sein du tractus gastro-intestinal. Le présent projet vise à développer une méthode de détection sélective aux AB basée sur la spectroscopie Raman exaltée en surface (SERS), une technique d'identification moléculaire. Les capteurs développés à partir de cette méthode permettront une étude en temps réel du microbiote avec une résolution spatiale et temporelle inégalée. La spectroscopie Raman est une technique d'identification moléculaire non invasive et non destructive qui produit un spectre hautement spécifique avec diverses bandes corrélées à la structure moléculaire de l'échantillon. Il est possible d'améliorer sa sensibilité de détection en utilisant une surface métallique nanostructurée amplificatrice de signal, ce qui permet de mesurer différentes espèces moléculaires dans des concentrations réduites et un temps de mesure relativement court. La combinaison du SERS avec des méthodes d'apprentissage machine permet dans certains cas d'augmenter davantage les capacités de détection et de classification. Afin de détecter les AB, un microscope confocal Raman à balayage laser a été construit en laboratoire. Des substrats actifs en SERS et sélectifs aux AB ont par la suite été développés en immobilisant des nanoétoiles d'or sur des lamelles de verre. Afin de réaliser une analyse approfondie avec des algorithmes d'apprentissage machine, une base de données spectrales a été conçue en mesurant plusieurs spectres SERS provenant d'AB individuelles ou de mélanges d'AB, et ce dans diverses matrices moléculaires. Un modèle du type « réseau de neurones convolutif » a été entraîné et jumelé à plusieurs techniques de traitement spectral et d'augmentation des données afin d'effectuer la classification de différentes espèces d'AB à partir de leur spectre. Le modèle résultant a été appliqué avec succès sur cinq espèces d'AB et validé à différentes concentrations. / Cardiometabolic diseases are affecting many populations worldwide, including indigenous populations residing in northern Canada. Recent scientific evidence suggests that these diseases may be caused in part by disorders of the gut microbiota. Bile acid (BA) metabolic profiling is a recognized method for analyzing the gut microbiota. However, these analyses are mostly performed on fecal samples and do not provide any spatial or temporal information on metabolic variations in the gastrointestinal tract. The present project aims to develop an AB-selective sensing method based on Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), a molecular identification technique. The resulting sensors will allow a real time study of the microbiota with an unmatched spatial and temporal resolution. Raman spectroscopy is a non-invasive and non-destructive molecular identification technique that produces a highly specific spectrum with various bands correlated to the molecular structure of the sample. Its detection sensitivity can be improved using a signal enhancing nanostructured metal surface, which allows the measurement of various chemical species at lower concentrations and/or shorter measurement times. Combining SERS with machine learning methods can, in some cases, increase even further detection and classification capabilities. In order to detect ABs, a confocal laser scanning Raman microscope was built in the laboratory. AB-selective SERS active substrates were developed by immobilizing gold nanostars on glass coverslips. In order to perform an extensive analysis with machine learning algorithms, a database of spectra was developed by measuring several SERS spectra from individual ABs or mixtures of ABs in various molecular matrices. A convolutional neural network model was trained and combined with several spectral processing and data augmentation techniques to perform classification of different BA species based on their spectra. The resulting model was successfully applied to five species of BA and validated at different concentrations.

L’étude du microbiote digestif est un enjeu important de recherche en microbiologie. La première partie de cette thèse porte sur la recherche au sein du microbiote digestif de nouveaux antibactériens, qui apparait comme une des pistes clés dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques. Les trois quarts des antibiotiques sont des produits naturels, ou dérivés, sécrétés par des microorganismes de l’environnement. Comme lui, le microbiote digestif représente un écosystème complexe où règne une grande compétition. Nous avons recherché des antagonismes de culture dans le microbiote digestif contre les bactéries les plus pathogènes pour l’homme. Nous avons trouvé une inhibition de S. aureus par P. avidum, de E. cloacae par B. fragilis, E. dispar, L. delbruckii, P. acidipropionici, S. equinus, S. gallolyticus, et enfin de E. aerogenes par B. vulgatus et E. dispar. Nous avons également trouvé des clusters de gène de métabolites secondaires dans le génome de ces bactéries. Ce travail préliminaire confirme que le microbiote digestif est une source potentielle de nouveau antibactériens. En dépit de l’explosion du nombre d’espèces isolées dans le microbiote digestif grâce à la culturomics, certaines restent fastidieuses à cultiver. Nous avons analysé par métagénomique et culturomics une selle avant et après incubation anaérobie en présence de 5% de rumen et 5% de sang de mouton. Ce travail montre une dynamique de croissance des bactéries très hétérogène. Le milieu d’enrichissement utilisé était efficace et permettait la culture d’un plus grand nombre d’espèces bactériennes. Ce travail apporte des éléments nouveaux permettant l’optimisation de cette étape de culturomics. / Gut microbiota is a major health concern for microbiologists. Its alterations were previously related to diseases. In the first step of this thesis, we have searched for new antimicrobials within the gut microbiota. Indeed, antibiotic resistance is a global health concern and research for new antibiotics is a cornerstone for fight against it, according to the WHO. Three quarter of all current antibiotics are natural products, or derived from them, synthesised by bacteria and fungi from soil. Gut microbiota is another complex ecosystem with strong competition. We have searched for antagonism in the gut microbiota species against most human pathogenic species. We found an inhibition of growth of S. aureus by P. avidum, of E.cloacae by B. fragilis, E. dispar, L. delbruckii, P. acidipropionici, S. equinus, S. gallolyticus,and an inhibition of E. aerogenes by B. vulgatus and E. dispar. We also found BGCs for all these species. This preliminary work confirm that gut microbiota is a potential source for new antibiotics. Despite the explosion of bacterial species isolated from gut, some fastidious species remains difficult to grow. We performed a metagenomic and culturomics analysis of a fresh stool sample before and after incubation into an anaerobic blood bottle supplemented with sheep blood and rumen fluid. This medium used in culturomics for enrichment was effective, allowing the isolation of higher number of species. This work show that the dynamic growth of bacteria is very variable. This work brings some precisions in the dynamic of bacterial growth that could improve the culturomics process.

Les infections digestives à Clostridium difficile nécessitent une première étape de colonisation de l’écosystème intestinal. Avant l’âge de deux ans, la colonisation par C. difficile est fréquente mais paradoxalement le plus souvent asymptomatique. Nous avons montré que plus d’un tiers des enfants de 0-3 ans, et plus de 70% de ceux de 7 à 9 mois (15% pour les souches toxinogènes), étaient porteurs sains de C. difficile à l’hôpital et dans la communauté. Deux périodes d’acquisition de C. difficile ont été identifiées : néonatale ou 3-6 mois. Les souches infantiles de C. difficile étaient identiques aux souches isolées chez l’adulte, faisant du jeune enfant un réservoir potentiel de souches infectieuses. Nous avons également montré par méthode moléculaire que des changements en espèces dominantes du microbiote étaient associés à la colonisation par C. difficile. Bifidobacterium longum caractérisait le microbiote des enfants non colonisés, et pourrait participer à la résistance à la colonisation par C. difficile. / Gastrointestinal infections with Clostridium difficile require a first step of colonization of the intestinal ecosystem. Under the age of two years, C. difficile colonization is frequent but paradoxically most often asymptomatic. We have shown that more than a third of children 0-3 years and more than 70% of those from 7 to 9 months (15% for toxigenic strains) were healthy carriers of C. difficile in the hospital and in the community. Two C. difficile-acquisition periods were identified: neonatal or 3-6 months. The C. difficile strains from infants were identical to strains isolated from adults, making infants a potential reservoir of infectious strains. We also showed by molecular method that changes in dominant species of the microbiota were associated with colonization by C. difficile. Bifidobacterium longum characterized the microbiota of children not colonized by C. difficile, and could be involved in the colonization resistance process.