Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SMILE de Microphyt qui vise à proposer une gamme d’ingrédients naturels issus de microalgues afin de répondre à deux enjeux sociétaux majeurs : le surpoids/obésité et le déclin des fonctions cognitives liées à l’âge (DCLA). Les acides gras polyinsaturés oméga-3 (AGPI-w3) et la fucoxanthine (Fx) ont des activités prouvées contre les voies métaboliques liées à la prise de poids et aux DCLA. C’est dans ce contexte que les efforts se sont tout d’abord focalisés vers la sélection de deux espèces de microalgues brunes dont le critère principal a été la productivité en ces molécules d’intérêts. Deux souches des espèces Tisochrysis lutea et Phaeodactylum tricornutum ont alors été sélectionnées du fait de leurs fortes teneurs et productivités en AGPI-w3 et Fx, pour être par la suite cultivées à l’échelle de 5000 L dans des photobioréacteurs (PBR) industriels Camargue©. Dans un second temps, les travaux ont porté sur l’optimisation des procédés post-culture pour les deux espèces, c’est-à-dire, de la récolte de la biomasse à l’obtention d’un extrait, afin de garantir la sécurité, la stabilité et l’efficacité des produits finis. L’étude des procédés de récolte/concentration de la culture a montré leur influence sur les classes lipidiques et l’apparition d’acides gras sous forme libre (AGL), engendrés par les stress mécaniques et thermiques subis par la biomasse lors de cette étape. La formation de ces AGL a pu être limitée par l’utilisation de la filtration tangentielle et de la centrifugation dans certaines conditions. De plus, le lien entre procédé et activité a été souligné via une étude sur modèle cellulaire CaCo2 : les AGL pourraient être à l’origine d’une cytotoxicité accrue des extraits. Enfin, l’optimisation des conditions de co-extraction des AGPI-w3 et de la Fx a abouti à la sélection d’un solvant éco-compatible (éthanol) et a mis en lumière le fort impact de la granulométrie et du ratio solvant/biomasse sur les rendements d’extractions. / This thesis is part of Microphyt's SMILE project, which aims to propose a range of natural ingredients derived from microalgae. The main objective of this project is to respond to two major societal issues: overweight/obesity and the decline of age-related cognitive functions (DCLA). Omega- 3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) and fucoxanthin (Fx) have proven activities against the metabolic pathways associated with weight gain and DCLA. In this context, the first efforts were initially directed towards the selection of two species of brown microalgae with their productivity in these molecules of interest as the main criterion. Two strains of the species Tisochrysis lutea and Phaeodactylum tricornutum were then selected as raw materials rich in PUFAs and Fx and were grown at a 5,000 L scale in Camargue© photobioreactors. The work then focused on optimizing the downstream processing steps to the cultivation of microalgae in order to guarantee the safety, stability and efficiency of the final products. Harvesting processes had, in particular, through the mechanical stress generated, an impact on lipid classes and the appearance of free fatty acids (FFA) in the studied species. A CaCo2 cell model study has suggested that FFA may be responsible for increased cytotoxicity of extracts. The formation of FFA during the concentration stage could be limited by the use of tangential filtration and centrifugation under certain conditions. Finally, the optimization of the co-extraction conditions of PUFAs and Fx resulted in the selection of an eco-friendly solvent (ethanol) and highlighted the strong impact of particle size and solvent/biomass ratio on extraction yields.

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Les bétaïne lipides (BL) sont des lipides polaires qui se distinguent des phospholipides (PL)par l’absence de phosphore (P). La réorientation métabolique induite par une limitation en P chez des microalgues produisant des BL (Tisochrysis lutea et Diacronema lutheri, Haptophytes) ou en produisant peu (Phaeodactylum tricornutum, Bacillariophyte) a été comparée à celle induite par une limitation en azote (N). Le devenir et le flux de carbone dans différentes voies de biosynthèse ont été étudiés par une approche pluridisciplinaire.La limitation nutritive en P ou en N affecte différemment le métabolisme du carbone selon les espèces microalgales. La limitation en P réduit fortement l’activité photosynthétique et la respiration chez P. tricornutum et T. lutea. Par conséquent, l’accumulation de carbone est plus élevée que sous limitation en N chez ces deux espèces. Les deux limitations stimulent en particulier la synthèse des lipides neutres et / ou des glucides. Le remplacement des PL par les BL a été observé chez P. tricornutum en condition de limitation en P. Ce résultat est en accord avec une augmentation de la transcription du gène codant la bétaïne lipide synthase. En revanche, cette limitation ne modifie pas les teneurs en BL rapportées au carbone chez T. lutea et D. lutheri. La composition en acides gras des différentes classes lipidiques est modifiée selon l’espèce microalgale et l’élément nutritif limitant. Une attention particulière a été portée aux acides gras de la série oméga-3, notamment l’acide eicosapentaénoïque (EPA, 20:5 ω3) et l’acide docosahexaénoïque (DHA, 22:6 ω3) dont les proportions varient en fonction de l’élément limitant,de l’espèce et de la classe lipidique. L’augmentation de la production des lipides neutres et / ou des lipides polaires, notamment des bétaïne lipides, riches en DHA et/ou EPA induite par un stress nutritif laisse envisager une valorisation de ces molécules d’intérêt dans différents domaines dont la nutrition et la santé. / Betaine lipids (BL) are P-free polar lipids, conversely to phospholipids (PL). The metabolic reorientation induced by phosphorus (P) limitation in microalgae producing BL (Tisochrysis lutea and Diacronema lutheri, Haptophyta) or producing low levels of BL (Phaeodactylum tricornutum, Bacillariophyta) was compared to that induced by nitrogen (N) limitation. The carbon destiny and flow in different biosynthetic pathways were studied with a multidisciplinary approach. P or N limitation differently affected carbon metabolism according to microalgal species. P limitation highly decreased photosynthetic activity and respiration of P. tricornutum and T. lutea. Consequently, carbon accumulation was higher than under N limitation in these two species. Both limitations stimulated the synthesis of neutral lipids and / or carbohydrates. Replacement of PL by BL was observed in P. tricornutum under P limitation. This result is in agreement with a transcription increase of the gene encoding BL synthase. On the other hand, this limitation did not modify BL contents in reference with carbon in T. lutea or D. lutheri. Fatty acid composition of the different lipid classes was modified according to the microalgal species and the limiting nutrient. Particular attention was paid to the fatty acids of the omega-3 series, notably eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5 ω3) and docosahexaenoic acid (DHA, 22:6 ω3), the proportions of which vary according to the limiting element, species and lipid class. The increase in the production of neutral lipids and / or polar lipids, especially betaine lipids, rich in DHA and / or EPA induced by nutritive stress suggests a valorization of these molecules of interest in various areas including nutrition and health.

La consommation chronique et modérée d'éthanol (CCME) est associée à une réduction de la<br />mortalité cardiaque et à une élévation des acides gras oméga 3 (ω3) dans le sang et les<br />cellules. Les ω3 d'origine alimentaire sont connus pour réduire la mortalité cardiaque chez<br />l'homme, induire une cardioprotection chez l'animal et s'incorporer dans les membranes<br />notamment de la mitochondrie, siège important de la cardioprotection. Comme l'éthanol et les<br />ω3 semblent induire des effets cardioprotecteurs similaires, nous avons déterminé si une<br />CCME pouvait mimer le remodelage lipidique mitochondrial induit par une supplémentation<br />en ω3. Ces modifications structurales pourraient modifier la fonction mitochondriale et<br />expliquer la cardioprotection par l'éthanol. A partir d'un modèle de coeur isolé perfusé de rat,<br />nous avons montré que l'éthanol et les ω3 protègent de manière similaire le myocarde en<br />limitant la taille de l'infarctus après une ischémie/reperfusion. Après avoir vérifié qu'une<br />supplémentation en ω3 induit un enrichissement en ω3 des membranes mitochondriales<br />cardiaques, nous avons démontré qu'une CCME induit une augmention des ω3 dans la<br />cardiolipine et la phosphatidylcholine mitochondriales mais sans conséquence sur la fonction<br />mitochondriale. Dans le plasma et les membranes cellulaires, une CCME augmente les<br />teneurs en ω3 et réduit la concentration en palmitate, un acide gras pro-apoptotique. En<br />conclusion, une CCME protège le myocarde contre la nécrose cellulaire, augmente la teneur<br />en acides gras cardioprotecteurs (ω3) et diminue la concentration en acide gras proapoptotique<br />(palmitate). La cardioprotection induite par une CCME pourrait donc résulter<br />d'une interaction entre l'éthanol, la voie des ω3 et celle de l'apoptose.

L'Infarctus du myocarde (IM) provoque, chez le rat, une augmentation de l'apoptose dans le système limbique en plus d'induire des symptômes qui s'apparentent à la dépression chez l'humain. Nous avons démontré qu'une diète élevée en oméga-3 ou la prise de probiotiques pouvaient être efficaces pour réduire ces effets si ces interventions débutaient avant l'induction de l'ischémie myocardique. Cette étude a pour objectif de déterminer l'efficacité de ces interventions si elles débutent après l'ischémie myocardique. L’IM a été induit chez le rat mâle Sprague-Dawley par l’occlusion de l’artère coronaire descendante antérieure gauche pendant 40 minutes. À la suite de l’ischémie, les rats ont reçu des probiotiques (1 billion de bactéries vivantes de L. helveticus R0052 et de B. longum R0175) ou un véhicule dans leur eau de boisson en présence d'une diète élevée ou faible en oméga-3. À 3 jours post-IM, l’activité enzymatique de la caspase-3 et le nombre de cellules dUTP nick-end labelling (TUNEL) positives sont diminués dans les régions CA1 et le corps godronné de l’hippocampe ainsi que dans l’amygdale en présence de la diète élevée en oméga-3. La prise de probiotiques atténue également l’activité de la caspase-3 et le nombre de cellules TUNEL positives dans le corps godronné et l’amygdale médiane. À 2 semaines post-IM, le comportement dépressif évalué par 3 tests comportementaux (test d’interaction sociale, test de nage forcée et test d’évitement passif) a été observé chez le groupe recevant la diète faible en oméga-3 sans probiotiques et le comportement dépressif a été atténué avec la diète élevée en oméga-3 et/ou la prise de probiotiques. Les probiotiques ont augmenté les niveaux plasmatiques d’interleukine-4 (IL- 4) tandis que la diète élevée en oméga-3 a montré une diminution de la protéine chimiotactique monocytaire 1 (MCP-1). Ces résultats indiquent qu’une diète élevée en oméga-3 ou la prise de probiotiques, débutant à la suite de l’IM, s’avèrent bénéfiques pour atténuer la dépression et l’apoptose dans le système limbique. / Proinflammatory cytokines play a central role in depressive-like behavior and apoptosis in the limbic system after myocardial infarction (MI). Polyunsaturated fatty acids (PUFA) omega-3 diet or the combination of Lactobacillus helveticus R0052 and Bifidobacterium longum R0175 probiotics, when given before ischemic period, reduce circulating proinflammatory cytokines as well as apoptosis in the limbic system. This study was designed to determine if the same nutritional interventions maintain their beneficial effects when started after the onset of the reperfusion period and attenuate depressive-like behavior. MI was induced by the occlusion of the left anterior descending coronary artery for 40 minutes in rats. After the onset of reperfusion, animals were fed with a high or low PUFA omega-3 diet, combined or not with 1 billion live bacteria of L. helveticus R0052 and B. longum R0175. At 3 days post-MI, caspase-3 enzymatic activities and terminal dUTP nickend labelling (TUNEL)-positive cells were decreased in the CA1, dentate gyrus and amygdala with the high PUFA omega-3 diet as compared to the other diet. Probiotics attenuated caspase-3 activity and TUNEL-positive cells in the dentate gyrus and the medial amygdala. At 2 weeks post-MI, depressive-like behaviour, evaluated by 3 behavioural tests (social interaction, passive avoidance and forced swim test), was observed in the low PUFA omega-3 diet without probiotics and this behavior was attenuated with the high PUFA omega-3 diet or/and probiotics. Probiotics increased interleukin-4 plasmatic concentrations while high PUFA omega-3 diet decreased monocyte chemotactic protein 1 (MCP-1). These results indicate that a high PUFA omega-3 diet or the administration of probiotics, starting iii after the onset of reperfusion, are beneficial to attenuate post-MI depression and apoptosis in the limbic system.

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L’identification des facteurs de risque de la maladie thromboembolique veineuse (MVTE) est un enjeu pour la prévention de la maladie et de sa récidive. Nous avons montré chez l’homme que le cumul des facteurs de risque cardiovasculaires d’athérosclérose (FRCV) est associé à la MVTE non provoquée, à sa gravité et au risque de récidive. Le vieillissement, FRCV et facteur de risque de MVTE, induit chez le rat une dysfonction endothéliale de la veine fémorale liée aux cyclooxygénases (COX), associée à la génération de prostanoïdes au profil pro-thrombogène. Chez le rat obèse ZSF1 jeune, le cumul des FRCV induit une dysfonction endothéliale veineuse précoce liée aux COX-1 et 2. Un traitement par Ω-3 chez le rat vieillissant permet de moduler le métabolisme de l’acide arachidonique pour générer des prostanoïdes moins délétères COX-2-dépendants pouvant réduire le risque thrombogène, faisant des Ω-3 un traitement adjuvant potentiel de la MVTE. / Identification of risk factors for venous thromboembolism (VTE) is a major concern for the prevention of the disease and its recurrence. We have shown in humans that the cumulative cardiovascular risk factors (CVFR) for atherosclerosis were associated with unprovoked VTE, its severity and the risk of recurrence. Aging, CVRF and VTE risk factor, induced an endothelial dysfunction in the rat femoral vein involving cyclooxygenases (COX) associated with potential pro-thrombogenic prostanoids generation. In the young obese ZSF1 rat, cumulative CVRF induced early venous endothelial dysfunction related to COX-1 and 2. Omega-3 treatment in aging rats modulates arachidonic acid pathway leading to COX-2-mediated formation of less deleterious prostanoids, associated with a decreased thrombogenic risk, making omega-3 a potential adjuvant treatment for VTE.

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Le syndrome d’apnées obstructives du sommeil (SAOS) est une pathologie caractérisée par des épisodes d’hypoxie intermittente (HI) nocturnes et est un problème de santé publique par sa prévalence dans la population générale (5-20%) et ses nombreuses complications métaboliques et cardiovasculaires. La répétition des épisodes d’HI est considérée comme le facteur principal responsable de cette morbidité cardiovasculaire dont l’athérosclérose fait partie. Le traitement de référence du SAOS par la pression positive continue présente dans certains cas une efficacité limitée, en particulier sur les conséquences cardiovasculaires qui nécessitent d’autres thérapeutiques plus spécifiques. Les mécanismes reliant SAOS et athérosclérose ne sont pas encore totalement connus. Cependant, des perturbations du métabolisme des acides gras (AG) en lien avec le processus athéromateux ont déjà été rapportées au cours du SAOS. Elles concernent en particulier le métabolisme de l’acide arachidonique (AG n-6) avec une augmentation d’eicosanoïdes pro-inflammatoires. Par ailleurs, les AG n-3 peuvent avoir une influence sur le développement et la progression des maladies cardiovasculaires, notamment grâce à une modification de la balance AG n-6 / AG n-3. Ainsi l’objectif de ce travail a donc été dans un premier temps de caractériser expérimentalement l’effet d’une supplémentation en AG n-3 sur le développement de l’athérosclérose dans le contexte d’HIC, et d’évaluer cliniquement la distribution AG n-6 / AG n-3 au niveau érythrocytaire chez des patients atteints d’un SAOS. Nous avons démontré que la supplémentation en AG n-3 permet de prévenir l’accélération de l’athérosclérose dans le contexte de l’HIC et est associée à une modulation de l’expression de certains médiateurs inflammatoires. Ces résultats prometteurs incitent à envisager une étude interventionnelle chez les patients SAOS. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au métabolisme des AG, via la β-oxydation mitochondriale, et aux métabolites intermédiaires produits, les acylcarnitines (ACs). Ces métabolites sont de plus en plus étudiés dans le contexte des pathologies cardiovasculaires. Nous avons étudié l’impact du SAOS sur la β-oxydation et ses conséquences sur la fonction vasculaire. L’étude de ces métabolites semble prometteuse et permettra peut-être l’émergence de marqueurs biologiques en relation avec l’état cardiovasculaire des patients. / Obstructive sleep apnea (OSA) syndrome is a disease characterized by recurrent episodes of nocturnal intermittent hypoxia (IH). OSA is a major public health problem due to its frequency in general population (5 to 20%) and its numerous metabolic and cardiovascular complications. Repetitive apneas lead to IH which is responsible of early atherosclerosis and cardiovascular complications. Gold standard treatment of OSA, that is to say continuous positive airway pressure, has poor effects on OSA cardiovascular consequences in some patients, underlining the need of alternative therapeutic strategies. Underlying mechanisms linking OSA to atherosclerosis are still poorly understood. Nevertheless, a link between polyunsaturated fatty acids (PUFAs) metabolism changes and atheromatous process has already been report during OSA syndrome. Arachidonic acid (n-6 PUFA) metabolism leads to increased biosynthesis of pro-inflammatory eicosanoids during OSA. Moreover, n-3 PUFAs influence cardiovascular complications progression especially by modifying n-6 FA / n-3 FA balance. The aim of this work was first to evaluate the influence of n-3 PUFAs supplementation on a CIH induced atherosclerosis progression model, and to clinically evaluate erythrocyte n-6 PUFA / n-3 PUFA distribution in OSA patients. We have shown that n-3 PUFAs supplementation prevents atherosclerosis acceleration in CIH exposed mice and is associated with a modulation of inflammatory mediators. These promising results encourage us to consider an interventional clinical study in OSA patients. In a second time, we have studied FA mitochondrial β-oxidation metabolism via acylcarnitines (ACs) metabolites. These ACs are increasingly studied especially in cardiovascular diseases context. OSA impact on β-oxidation metabolism and its vascular function consequences have been evaluated. ACs study is promising and will perhaps allow biological markers emergence in relation to cardiovascular pattern.

L'obésité est un facteur de risque majeur pour le développement de maladies psychiatriques, telles que le trouble dépressif majeur et la schizophrénie. Une consommation excessive de graisses saturées est bien connue pour provoquer non seulement des troubles métaboliques, mais également des comportements anormaux chez les modèles animaux et les humains. Les acides gras saturés augmentent l'inflammation dans divers tissus. Plusieurs études ont démontré que l'activation de la microglie en tant qu'acteur central de la neuroinflammation joue un rôle crucial dans l'anxiété liée à l'inflammation et les comportements dépressifs dans les cas d'obésité. En outre, il existe de plus en plus de preuves démontrant l'effet bénéfique de la supplémentation en acides gras polyinsaturés n-3 (AGPI n-3) sur les comportements cognitifs, anxieux et dépressifs. Nous avons précédemment montré que la supplémentation en AGPI n-3 via l'administration d'huile de poisson (FO) a des effets anxiolytiques sur les souris rendues obèses par une diète riche en gras saturés (SHFD). De plus, l'activation du récepteur couplé aux protéines G 120 (GPR120), un récepteur des AGPI n-3, dans le cerveau, attenue l'anxiété et les comportements dépressifs induits par la SHFD. Cependant, les mécanismes par lesquels GPR120 régule les changements induits par la SHFD dans les comportements liés à l'humeur ne sont toujours pas compris. Dans la présente étude, nous avons étudié le rôle du GPR120 dans les troubles anxieux et dépressifs reliés à la neuroinflammation. Parmi plusieurs types de cellules neurales, la microglie exprime fortement GPR120. Un agoniste de GPR120 (Compound A; CpdA) réduit la production et la libération de cytokines inflammatoires (IL-1B, IL-6, MCP1 et TNF-α) induites par les lipopolysaccharides (LPS) dans la microglie en culture. D'autre part, l'administration centrale de CpdA par injection intracérébroventriculaire (ICV) améliore le comportement anxieux et de malaise suite à l’injection de LPS systémique in vivo. De plus, l'acide eicosapentaénoique (EPA) et l'acide docosahexaénoique (DHA) sont des AGPI n-3 et des agonistes naturels du GPR120. L'EPA et le DHA suppriment l'inflammation dans un modèle de culture de microglies primaires, telle qu'évaluée par l'expression et la sécrétion de cytokines. Ces résultats suggèrent que l'activation du GPR120 contribue à l'amélioration de l'anxiété et des comportements de type dépressif liés à l'inflammation grâce à la régulation de la microglie. / Obesity is a major risk factor for the development of psychiatric diseases, such as major depressive disorder and anxiety. Excess intake of saturated fat is well known to cause not only metabolic diseases, but also abnormal behavior in humans and animal models. Saturated fatty acids enhance peripheral and central inflammation. Several studies have demonstrated that microglia activation as a central player in neuroinflammation plays a crucial role in inflammation-related anxiety and depressive-like behaviors in the case of obesity. Also, there is increasing evidence to demonstrate the beneficial effect of n-3 PUFAs supplementation on cognitive, anxiety and depressive-like behaviors. Previously, we reported that the n-3 PUFAs supplementation by the administration of fish oil (FO) has demonstrated anxiolytic effects on saturated high fat diet (SHFD)-induced obese mice and that, the activation of G-protein coupled receptor 120 (GPR120), a lipid sensor for n-3 poly-unsaturated fatty acids (n-3 PUFAs), in the brain rescued SHFD-induced anxiety and depressive-like behaviors. However, it is still unclear how GPR120 regulates SHFD-induced changes in mood-related behaviors. In the present study, we focused on the role of GPR120 on neuroinflammation in inflammation-related anxiety and depressive-like behaviors. Amongst the several types of brain cells, microglia demonstrated a high expression of GPR120. Compound A (CpdA), a selective agonist of GPR120, reduced lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammatory cytokine (IL-1B, IL-6, MCP1, and TNF-a) expression and release in cultured microglia. Additionally, central administration of cpdA via intracerebroventricular (ICV) injection ameliorated neuroinflammation and systemic LPS injection-induced anxiety-like and sickness behavior in vivo. Furthermore, n-3 PUFAs eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) as natural agonists of GPR120 suppressed inflammation in primary cultured microglia as assessed by cytokine expression. These results suggest that GPR120 activation contributes to the amelioration of inflammation-related anxiety and depressive-like behaviors through the regulation of microglia.