Selon la FAO, 2 milliards de personnes souffrent de la « faim cachée » qui correspond aux carences en micronutriments incluant la carence en vitamine A, principale cause de cécité dans le monde. Par ailleurs, une alimentation excédentaire est source de stress oxydant pour le corps, facteur de risque de nombreuses maladies non transmissibles comme le diabète et les maladies cardiovasculaires. Contenus dans les produits végétaux, certains caroténoïdes représentent une source indirecte de vitamine A et pourraient participer aux effets bénéfiques de la consommation de fruits et légumes via des propriétés antioxydantes. Dans cette thèse, le comportement in vitro des caroténoïdes et rétinoïdes pendant la digestion a été étudié, depuis leur libération de la matrice alimentaire jusqu'à leurs interactions avec les cellules intestinales. Mes recherches s'articulent autour de la micellisation : processus clé de l'absorption des caroténoïdes et rétinoïdes. Dans un premier temps, la stabilité et la bioaccessibilité en digestion in vitro de ces composés purs ont été comparées à celles de leurs homologues issus d'un jus de carotte, d'épinards crus et cuits et d'une farine fortifiée. Dans un deuxième temps, un nouveau modèle d'oxydation de nano-émulsions intestinales à base de sels biliaires (SB) a été développé. Les relations entre structure des micelles mixtes, réactivité à l'oxydation et protection par des antioxydants ont été étudiées grâce notamment au suivi de la dégradation des acides gras. Enfin, des expériences préliminaires ont été menées sur la réactivité enzymatique de cellules coliques (Caco-2) à divers oxydants et aux micelles mixtes. Pendant la digestion in vitro, le β-carotène et palmitate de rétinyl purs étaient particulièrement instables contrairement à la lutéine et à l'acétate de rétinyl. De plus, la matrice alimentaire protège ces composés et favorise leur bioaccessibilité surtout lorsqu'elle est broyée ou cuite. En effet, les prétraitements ont un impact conséquent sur la libération des caroténoïdes et doivent être considérés comme des moyens sérieux pour optimiser les apports. Les nano-émulsions intestinales mises au point se composaient de micelles mixtes sphériques ou cylindriques, ces dernières étant les moins résistantes à l'oxydation. En effet, la distribution des molécules de SB doit être différente selon la morphologie de la micelle, impactant ainsi leur réactivité. Dans nos conditions expérimentales, l'AAPH fut le seul oxydant efficace. L'α-tocophérol et la lutéine ont significativement ralenti la dégradation des acides gras contrairement au β-carotène. Leur place au sein de la micelle (cœur ou bordure) pourrait expliquer ces observations. Enfin, aucun des oxydants testés n'a significativement modifié l'activité catalase des cellules Caco-2. En revanche, la mise en contact avec les micelles à base de SB ont significativement diminué l'activité des 3 enzymes suivies. L'effet était positivement corrélé à la concentration en SB dont la conjugaison fut un élément déterminant. Finalement, le β-carotène, la lutéine, et l'acétate de rétinyl présents dans ces micelles ont en partie rétabli l'activité de la catalase contrairement au rétinol, palmitate de rétinyl et à l'α-tocophérol. / According to the FAO, two billions of people suffer from the « hidden hunger » which corresponds to micronutrient deficiencies and includes the vitamin A deficiency, principal cause of blindness throughout the world. Besides, an excessive food consumption entails an oxidative stress for the organism which increases the risk to develop non communicable diseases such as diabetes and cardiovascular diseases. Present in numerous fruits and vegetables, some carotenoids are an indirect source of vitamin A and could also contribute to the health benefits of the consumption of fruits and vegetables via antioxidant properties. In this thesis, in vitro behaviour of carotenoids and retinoids during in vitro digestion (IVD) has been studied, from their release from dietary matrices to their interactions with intestinal cells. My research is structured around micellisation: key process of carotenoid and retinoid absorption. First, stability and bioaccessibility during IVD of these pure compounds have been compared with those of their homologues from carrot juice, raw and cooked spinach and fortified flour. Second, a new model of oxidation of intestinal bile salt (BS)-based nanoemulsions has been developed. Relations between mixed micelles structure, reactivity to oxidation and protection by antioxidants have been studied using fatty acid degradation monitoring. Finally, preliminary experiment were carried out on enzymatic reactivity of colon cells (Caco-2) to various oxidants and mixed micelles. During IVD, pure β-carotene and retinyl palmitate were particularly unstable conversely with lutein and retinyl acetate. Moreover, the dietary matrix protected these compounds and favoured their bioaccessibility especially when it was grounded or cooked. Indeed, pre-treatment have a significant impact on carotenoid release and should be considered as serious means to optimize intake. Developed intestinal nanoemulsions constituted of spherical or cylindrical micelles, the latter being less resistant to oxidation. Distribution of BS molecules is likely to differ according to the micelle morphology, thereby influencing their reactivity. In our experimental conditions, AAPH only was efficient as oxidant. Lutein and α-tocopherol significantly slowed fatty acid degradation, conversely with β-carotene. Their location within the micelle (core or border) could explain these observations. Besides, none of the tested oxidant significantly modified the catalase activity of Caco-2 cells. However, the contact with BS-based nanoemulsions significantly decreased the activity of the three tested enzymes. This effect was positively correlated with BS concentration whose conjugation revealed determining. Finally, β-carotene, lutein and retinyl acetate in micelles partly re-established catalase activity, conversely with retinol, retinyl palmitate and α-tocopherol. To conclude, IVD is an easy tool which allows independent comparisons of several parameters on micronutrient behaviour during digestion. Furthermore, the confrontation of different matrices may help to develop relevant strategies against vitamin A deficiency. Proposed nanoemulsions displayed various physical and chemical characteristics, thereby influencing their reactivity to oxidation. The antioxidant capacity of lutein and α-tocopherol could be observed in this new model. Lastly, the preliminary results on Caco-2 cells revealed some interesting interactions between micellised BS and antioxidant enzymes. Numerous questions arose that could not be addressed in this work but open perspectives for the future.

Ce travail porte sur la préparation de matériaux silicatés à porosité hiérarchisée pour l'encapsulation de molécules d'intérêt dans le domaine de la pharmacie et en tant que biocatalyseur. Afin d’atteindre cet objectif, les nano-émulsions sont choisies comme empreinte pour créer les macropores du matériau en raison de la taille homogène et réduite des gouttelettes de l’émulsion (inférieure à 100 nm). Pour cela le système Remcopal 4/décane/eau est investi en déterminant les conditions les plus optimales de formation de nano-émulsion, via les méthodes d'inversion de phases. L’ajout de micelles aux nano-émulsions ne déstabilise pas les émulsions et permet la formation d’un réseau de mésopores organisés selon une symétrie hexagonale. Les matériaux hybrides issus des matériaux poreux contenant encore la phase organique sont dopés par le ketoprofène en vue d’étudier la libération de ce dernier. Celle-ci se révèle sensible au pH. De plus, cette étude de la libération du kétoprofène à partir du matériau méso-macroporeux indique qu'elle est assistée par les micelles qui sont solubilisées dans la solution réceptrice. Le deuxième objectif de ce travail est d'utiliser ces matériaux poreux en tant que biocatalyseur pour la synthèse de biodiesel à partir d'huile de colza. Pour cette application, il est nécessaire que les matériaux résistent à l’immersion dans des milieux aqueux. L’étude de la stabilité hydrothermale a montré que le matériau calciné présente la meilleure stabilité dans l’eau bouillante. Par ailleurs, le matériau peut résister jusqu’à 550°C, la structure ne subissant que des dégradations mineures. Nous avons également utilisé un matériau silicaté à double mésoporosité préparé à partir de micelles fluorées et hydrogénées coexistant dans une même solution. L'évaluation thermique et hydrothermale indique que ces matériaux présentent deux cinétiques de déstructuration qui correspondent à chacune des deux matrices ayant deux tailles de pores différents. L’immobilisation de la lipase Mml est étudiée sur le matériau méso-macroporeux calciné et sur le matériau à double mésoporosité. Les isothermes d'adsorption ont permis de mettre en évidence que le matériau à double mésoporosité peut encapsuler plus d’enzymes que son homologue méso-macroporeux. L’activité enzymatique, au regard des réactions de transestérification, est de façon inverse plus importante avec le matériau méso-macroporeux calciné / This work concerns the preparation of silica materials with hierarchical porosity for the encapsulation of molecules of interest in the field of drug delivery and as biocatalysts. In order to reach this goal, the nano-emulsions were chosen as templates for the macropores of the material because of the homogeneous and small size of the emulsion droplets (less than 100 nm). The system Remcopal 4/decane/water was investigated and the optimal conditions for which nano-emulsion is formed via the phase inversion methods were determined. Adding micelles to the nano-emulsions does not affect its stability and can form a network of mesopores organized with a hexagonal symmetry. Hybrid materials which are hierarchically porous materials where the organic phase is still present, were doped with ketoprofen to study its release, which proved to be pH sensitive. Moreover, the study of the release of ketoprofen from the meso-macroporous material indicates that it is assisted by the micelles which are solubilized in the release medium. The second objective of this work was to use these porous materials as a biocatalyst for biodiesel synthesis from colza oil. For this application it was necessary that the materials are resistant to immersion in aqueous media. The study of the hydrothermal stability shows that the calcined material has the best stability in boiling water. Moreover, the material can withstand up to 550 ° C, the structure undergoes only minor damages. We also used a dual-mesoporous silica material prepared from hydrogenated and fluorinated micelles coexisting in the same solution. Thermal and hydrothermal evaluation indicates that these materials have two different decay kinetics corresponding to each of the two matrices having different pore sizes. The immobilization of lipase Mml was studied on the meso-macroporous calcined material and the dual-mesoporous material. The adsorption isotherms were used to demonstrate that the dual-mesoporous material can encapsulate more enzymes than its meso-macroporous counterpart. On the other hand, the enzyme activity, evaluated by the transesterification reactions, is more important for the calcined meso-macroporous material

Les sphéroïdes multicellulaires tumoraux (SMT) constituent un outil prometteur dans le domaine de l’étude biologique des tumeurs. Le but de la thèse était de développer une technique de la formation de SMT et de démontrer la disponibilité de ces sphéroïdes comme modèle in vitro 3D pour tester l’efficacité de principes actifs anticancéreux ainsi que celle de formulations de délivrance de médicaments. L'effet d’auto-assemblage de cellules induit par une addition des peptides RGD cycliques a été étudié pour 16 lignées cellulaires de différentes origines. Le peptide cyclique RGDfK et sa modification avec le cation triphenylphosphonium (TPP) ont permis de mettre en évidence l’induction de formation de sphéroïdes. Les sphéroïdes ont été employés comme modèles pour évaluer la cytotoxicité de principes actifs antitumoraux (doxorubicine, curcumine, temozolomide) et un certain nombre de formulations nano- et micrométriques (microréservoirs, nano-émulsions et micelles). / Multicellular tumor spheroids (MTS) are a promising tool in tumor biology. The aim of the Thesis was to develop a novel highly reproducible technique for MTS formation, and to demonstrate the availability of these spheroids as 3D in vitro model to test anticancer drugs and drug delivery vehicles. Cell self-assembly effect induced by an addition of cyclic RGD-peptides directly to monolayer cultures was studied for 16 cell lines of various origin. Cyclo-RGDfK peptide and its modification with triphenylphosphonium cation (TPP) were found to induce spheroid formation. The spheroids were used as a model to evaluate the cytotoxicity of antitumor drugs (doxorubicin, curcumin, temozolomide) and a number of nano- and micro- formulations (microcontainers, nano-emulsions and micelles).

L’objectif de cette thèse est de réaliser un agent de contraste vasculaire pour tomodensitométrie utilisable en préclinique. En collaboration avec le laboratoire de biogalénique de Strasbourg, ce travail a permis d’obtenir des nano-émulsions iodées produites par diffusion spontanée de surfactif et des nanoparticules iodées produites par ”émulsion - diffusion de solvant”, comme agent de contraste vasculaire. Ces émulsions et particules polymériques présentent en effet, un temps de rémanence vasculaire de plusieurs heures, un pouvoir contrastant suffisant pour un usage en tomodensitométrie (compris entre 170 et 400 HU), la possibilité de les administrer par intraveineuse et une stabilité de plusieurs mois. Les nano-émulsions, notamment celles produites à partir de Lipiodol®, sont les plus prometteuses comme agents de contraste vasculaire de par leur forte radiopacité (475 ± 30 HU) et leur rémanence vasculaire (T1/2 of 4.1 ± 1.10 h). Les nanoparticules iodées à base de PCL présentent un pouvoir contrastant inférieur (168 ± 13 HU) mais elles sont connus pour leur capacité à modifier la libération du principe actif encapsulé. De ce fait même si les agents de contraste de nature lipidique ou ceux inorganiques sont plus performant, elles restent intéressantes pour une visualisation rapide de la distribution du principe actif dans l’organisme. Cette thèse par ailleurs, apporte plusieurs éléments pour la compréhension de la formulation des nano-émulsions obtenues par diffusion spontanée de surfactif et celle des nanoparticules produites par ”émulsion - diffusion de solvant”. Concernant les nano-émulsions, l’influence de l’iodation des huiles et du surfactif a été étudiée autant sur le plan pharmacotechnique que ceux toxicologique et pharmacocinétique. Concernant les nanoparticules à base de PCL, nous avons montré que l’impact du type d’huile et de l’iodation, des polymères PCL et PCL-mPEG et de diverses méthodes de concentration sur la formulation / The aim of this thesis is to formulate a blood pool contrast agent for preclinical X-ray imaging application. In collaboration with the galenic laboratory of Strasbourg, this work has allowed to obtain iodinated nano-emulsions produced by spontaneous diffusion of surfactant and nano-particles produced by iodine ”emulsion - solvent diffusion” as blood pool contrast agent. These emulsions and polymer particles present indeed a vascular persistence of several hours, a sufficient contrast to be use in computed tomography (between 170 and 400 HU), the ability to be administered intravenous and stability of several months. Nano-emulsions, including those produced from Lipiodol®, are the most promising as blood pool contrast media by their high radiopacity (475 ± 30 HU) and vascular persistence (T1/2 of 4.1 ± 1.10 h). Iodinated nano-particles of PCL have a lower X-ray attenuation (168 ± 13 HU), but they are known for their control release of the encapsulated substances. Therefore even if inorganic or lipidic contrast agents show a better contrast, they remain attractive for rapid visualization of the co-encapsulated substance distribution in the body. This thesis also introduced several features for understanding the formulation of nano-emulsions obtained by spontaneous diffusion of surfactant and the nano-particles produced by ”emulsion - solvent diffusion.”