L’obésité et les maladies métaboliques associées, telles que les stéatopathies hépatiques (ou NAFLD, pour non-alcoholic fatty liver disease), sont en constante augmentation dans la population mondiale. La stéatose hépatique, correspondant au premier stade de la NAFLD et caractérisée par une simple accumulation de lipides dans le foie est considérée comme bénigne. Cependant, cette pathologie est susceptible d'évoluer en stéatohépatite (ou NASH, pour non-alcoholic steatohepatitis), bien plus grave puisqu’elle est additionnée d’une nécrose et d’une inflammation. L’origine de cette évolution est multifactorielle : l’alcool ou les médicaments peuvent en être à l’origine, mais de plus en plus d’études font part du rôle probable que pourraient avoir les contaminants de l’environnement. Ainsi dans cette étude, nous nous sommes intéressés à l’impact de la co-exposition à l’éthanol et au benzo[a]pyrène (B[a]P), un xénobiotique de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques, sur la progression de la NAFLD vers la NASH. Pour cela, nous avons utilisé la lignée cellulaire hépatique humaine HepaRG. Nous avons établi, sur cette lignée, un modèle de NAFLD en incubant les cellules avec un mélange d’acides gras pendant 14 jours, nous permettant de réaliser des investigations chroniques sur les effets du B[a]P et de l’éthanol. Au terme de ces traitements, nous avons constaté que l’alcool potentialisait la cytotoxicité du B[a]P uniquement sur les cellules HepaRG stéatosées. Cette cytotoxicité était également accompagnée d’une production de cytokines pro-inflammatoires, témoignant d’un état pouvant être apparenté à une NASH. Nous avons également mis en évidence une modification du profil de métabolisation du B[a]P, accompagnée d’une sur production de ROS, un dysfonctionnement global de la chaîne respiratoire mitochondriale et une induction de la voie apoptotique. Enfin, ces observations étaient absentes ou minorées lorsque l’exposition était individuelle et lorsque les cellules n’étaient pas stéatosées. Ainsi, ces résultats suggèrent l’importance de la prise en compte d’une exposition multifactorielle à des xénobiotiques dans la progression de la NAFLD, mais également du fait que la présence de NAFLD pourrait à elle seule aggraver la toxicité de xénobiotiques. / Obesity and associated metabolic diseases such as non-alcoholic fatty liver diseases (NAFLD) are steadily increasing in the global population. Fatty liver (also called steatosis) which is the first stage of NAFLD described by a retention of lipids in the liver is considered to be benign. However, this pathology is likely to evolve into non-alcoholic steatohepatitis (NASH), much more severe since it is supplemented with necrosis and inflammation. This evolution is multifactorial in origin: alcohol or drugs may be involved, but more and more studies have mentioned the likely role of environmental contaminants. Thus, in this study we were interested in the impact of an alcohol/benzo[a]pyrene (B[a]P, a xenobiotic of the family of polycyclic aromatic hydrocarbons) co-exposure on the progression of NAFLD towards NASH. To this end, we used the human hepatic cell line called HepaRG. In this cell line, we established an in vitro model of NAFLD by incubating the cells with a mixture of fatty acids for 14 days, whereby we would carry out some chronic investigations about the effects of B[a]P and ethanol. At the end of these treatments, we found that alcohol potentiated B[a]P cytotoxicity on steatotic HepaRG cells. This cytotoxicity was also combined with pro-inflammatory cytokine production, suggesting the presence of a NASH condition. We also demonstrated a change in the metabolic profile of B[a]P, in addition to a ROS production, a global dysfunction of the mitochondrial respiratory chain and an induction of apoptosis. Finally, these observations were absent or decreased when the exposure was individual and when the cells were not steatotic. Thus, these results suggest the importance to consider multifactorial exposure to xenobiotics in the progression of NAFLD as well as the fact that the presence of NAFLD alone could exacerbate xenobiotic toxicity.

Le présent mémoire décrit le développement d’une méthode de synthèse des hélicènes catalysée par la lumière visible. Les conditions pour la formation de [5]hélicène ont été établies par une optimisation du photocatalyseur, du solvant, du système d’oxydation et du temps réactionnel. Suite aux études mécanistiques préliminaires, un mécanisme oxydatif est proposé. Les conditions optimisées ont été appliquées à la synthèse de [6]hélicènes pour laquelle la régiosélectivité a été améliorée en ajoutant des substituants sur la colonne hélicale. La synthèse de thiohélicènes a aussi été testée en utilisant les mêmes conditions sous irradiation par la lumière visible. La méthode a été inefficace pour la formation de benzodithiophènes et de naphtothiophènes, par contre elle permet la formation du phenanthro[3,4-b]thiophène avec un rendement acceptable. En prolongeant la surface-π de la colonne hélicale, le pyrène a été fusionné aux motifs de [4]- et [5]hélicène. Trois dérivés de pyrène-hélicène ont été synthétisés en utilisant les conditions optimisées pour la photocyclisation et leurs caractéristiques physiques ont été étudiées. La méthode de cyclisation sous l’action de la lumière visible a aussi été étudiée en flux continu. Une optimisation du montage expérimental ainsi que de la source lumineuse a été effectuée et les meilleures conditions ont été appliquées à la formation de [5]hélicène et des trois dérivés du pyrène-hélicène. Une amélioration ou conservation des rendements a été observée pour la plupart des produits formés en flux continu comparativement à la synthèse en batch. La concentration de la réaction a aussi été conservée et le temps réactionnel a été réduit par un facteur de dix toujours en comparaison avec la synthèse en batch. / The present work describes the development of a visible-light-mediated method for the synthesis of helicenes. The conditions for the formation of [5]helicene were established in a batch process as a result of an extensive optimization of the photosensitizer, solvent, oxidant system and reaction time. Following preliminary mechanistic studies, an oxidative reaction mechanism was proposed. The optimized conditions were applied to the synthesis of [6]helicenes and the regioselectivity of the reaction was improved through substitution along the helicene backbone. Synthesis of thiohelicenes was also explored under the same conditions and although ineffective for the formation of benzodithiophenes and naphthothiophene, it did provide phenanthro[3,4-b]thiophene in a moderate yield. In an effort to extend the π-surface of the helical backbone, a pyrene moiety was fused to the [4]- and [5]helicene core. Three pyrene-helicene hybrid derivatives were synthesized under the visible-light-mediated cyclization conditions and their physical properties investigated. The visible-light-mediated method for the formation of helicenes was also explored using the continuous flow method. An optimization of the reaction set up, the reaction medium as well as the light source was conducted with the [5]helicene model system. The optimal conditions were applied to the formation of various pyrene-helicene derivatives. In most cases the reaction yields were maintained or significantly improved when compared with the batch process. Also, the reaction concentration was conserved while the reaction time was decreased tenfold from the batch method to the continuous flow process.

Les Polychlorobiphenyls (PCBs) sont des polluants organiques persistants (POPs). L’exposition humaine à ces composés est associée à un accroissement du risque de développement du diabète de type 2 (DT2). D’autres composés présents dans l’alimentation, comme les hydrocarbures aromatic polycyclic (PAH) tel que le benzo (a) pyrene (BaP), sont des ligands du récepteur aryl-hydrocabures (AhR) et augmentent ce risque. Le premier travail rapporté est une étude in vitro, sur les 3T3-L1, des effets "cocktail" de l’exposition à des PCBs (PCB118 et 153) et au BaP. Sur ce modèle, il apparait que le BaP et les PCBs réduisent en partie l’expression des gènes de l’adipogénèse (ADGG) et stimulent l’expression des gènes de l’inflammation (INFG). La seconde étude réalisée chez la souris, a permis d’évaluer les effets "cocktail" d’une exposition chronique au PCB118 et au BaP. Des paramètres biochimiques et l’expression des ADGG et INFG ont été mesurés dans différents tissus. Après ingestion de BaP, l’expression de deux ADGG (Glut4 and Lipin1) et trois INFG (MCP1, CXCL10, IFNγ) sont augmentés dans le tissue adipeux. Ces effets sont soit abolis, soit réduits en réponse à une co-exposition simultanée avec le PCB118. Ceci indique que les effets de chacun des composés peuvent être masqués l’un par l’autre. Dans les autres tissus, on observe également une modulation globale négative par le PCB des effets du BaP. L’ensemble de ces résultats sont discutés en référence au risque de TD2 induits par les POPs, ainsi qu’aux cibles moléculaires potentielles du BaP comme AhR et des PCBs comme CAR et PXR. On discute du rôle possible de l’IFNγ produit par les cellules immunitaires associées au tissu adipeux / The Polychlorobiphenyls (PCBs) are one of the persistent organic pollutants (POPs). Human exposure to these compounds is associated with an increased risk of developing of type 2 diabetes (DT2). Other chemical compounds, such as polycyclic aromtic hydrocarbon (HAP) such as the benzo (a) pyrene (BaP), that presented in food chain are ligands of the aryl hydrocarbon receptor (AhR) and they increase this risk. The first work reported is an in vitro study on the model of pre-adipocyte, 3T3-L1, on the "cocktail" effects of co-exposure to PCBs (PCB118 and 153) and BaP. On this model, it appears that BaP and PCBs partially reduce the expression of genes related to adipogenesis (ADGG) and stimulate the expression of genes related to inflammation (INFG). The second study was conducted in vivo which allow us to evaluate the "cocktail" effects of a chronic exposure to PCB118 and BaP in mice. Biochemical parameters and the expression of ADGG and INFG were measured in different tissues. After the ingestion of BaP, expression of two ADGGs (Glut4 and Lipin1) and three INFGs (MCP1, CXCL10, IFNγ) were increased in the adipose tissue. These effects are either abolished or reduced in response to simultaneous co-exposure with PCB118. This indicates that the effects of each compounds can be masked by one another. In the other tissues, there is also a global negative modulation by PCB on the effects induced by BaP. All these results are discussed with reference to the risk of DT2 induced by POPs, as well as potential molecular targets of BaP (such as AhR) and PCBs (as CAR and PXR). The possible role of IFNγ, produced by the immune cells, associated with adipose tissue is discussed

Le contrôle de l'hydrophobie de surface et de l'adhésion à l'eau est un outil fondamental pour diverses applications. L'électropolymérisation est une méthode très polyvalente qui peut être utilisée pour contrôler ces paramètres et pour la production de matériaux nanostructurés à façon. Ici, nous montrons qu'en différentiant le noyau polymérisable (thienothiophène ou pyrène), des morphologies et des mouillabilités de surface variées sont produites par un procédé direct d'électropolymérisation. Des nanotubes et des structures en forme d'arbre sont obtenus en utilisant des dérivés de thienothiophène sans utiliser de membrane structurante. En fonction de la méthode d'électrodéposition et des paramètres, différents types de nanotubes sont obtenus. La méthode électrochimique et le substituant greffé jouent un rôle important dans la structuration de surface. Les surfaces affichent différents angles de contact, mais toujours une forte adhésion à l'eau. D'autre part, des pyrènes avec divers substituants sont utilisés pour conduire à des propriétés hydrophobes/superhydrophobes, fluorescentes et, pour la première fois, à des applications en anti-bioadhesion et anti-biofilm. Des copolymères de pyrène ont été électrodéposés pour donner des surfaces avec une sensibilité au pH et une adhérence contrôlable à l'eau. Une nouvelle méthode utilisant un système de catapult a été mise en œuvre pour mesurer le comportement adhésif de surfaces collantes et non collantes. Ainsi, il a été montré le rôle important du noyau de monomère sur les propriétés finales des surfaces ouvrant de nouvelles portes pour explorer ce domaine dans le domaine des sciences de surface et de leurs applications. / Controlling surface hydrophobicity and water adhesion is a fundamental tool for various applications. Electropolymerization is a very versatile method that can be used to control these parameters and for the production of tunable nanostructured materials. Here, we show that by differentiating the polymerizable core (thienothiophene or pyrene), varied surface morphologies and wettabilities are produced by a direct electropolymerization process. Nanotubes and tree-like structures are obtained starting from thienothiophene derivatives without using any template. Depending on the electrodeposition method and parameters, different kinds of nanotubes are obtained. The electrochemical method and the grafted substituent play an important role on the surface structuration. The surfaces display different contact angles, but always with high water adhesion. On the other hand, pyrenes with various substituents are employed to produce hydrophobic/ superhydrophobic and fluorescent surfaces and, for the first time, with anti-bioadhesion and anti-biofilm properties. Copolymers of pyrenes were electrodeposited to yield surfaces with pH-responsivity and controllable water adhesion. A new method using a catapult system was implemented to measure the adhesive behavior of sticky and non-sticky surfaces. Thus, it has been shown the important role of the monomer core on the final properties of the surfaces opening new doors to explore this domain in the surface science field and applications.

Le Benzo(a)pyrène (BaP), appartenant à la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) est cancérigène pour l'homme. Nous avons développé une approche protéomique quantitative nanoLC-MS/MS label-free pour identifier des biomarqueurs liés à l'exposition au BaP dans le sécrétome des cellules hépatiques humaines exposées au BaP vs. des cellules non exposées et exposées au Benzo(e)pyrène (BeP). Le BeP, agent non classifié comme cancérigène pour l'homme, est choisi comme contrôle négatif afin de distinguer les protéines spécifiques du BaP de celles des HAP. 847 protéines ont été identifiées et quantifiées, et 55 ont été fortement surexprimées avec un ratio supérieur à 5 : la plupart de ces protéinessurexprimées sont précoces et liées au cancer. Une validation ultérieure de l'expression de ces protéines dans le plasma de la population exposée au BaP aidera dans le développement de biomarqueurs qui permettront d'améliorer la détection précoce, le pronostic et prévention.

L'objectif de cette étude consiste à développer des bio-architectures à base de nanotubes de carbone mono-feuillet à visées électroanalytiques. Pour ce faire, différentes méthodes de fonctionnalisation de nanotubes de carbone ont été proposées à savoir la fonctionnalisation en solution, par trempage et par électropolymérisation en se servant des interactions π entre les nanotubes de carbone et des molécules π-conjugués (le pyrrole-biotine, le pyrène-biotine et le pyrèneadamantane). Les matrices utilisées pour la conception des biocapteurs sont basées sur les systèmes d'affinité entre l'avidine et la biotine, et entre l'adamantane et la β- cyclodextrine. La comparaison des performances des différents biocapteurs a permis de déterminer la méthode la plus adéquate pour la fonctionnalisation des nanotubes de carbone. Cette dernière consiste à former une monocouche de monomères par simple trempage puis de la renforcer par électropolymérisation oxydative dans une solution exempte de monomère. Cette stabilisation de la couche adsorbée préserve une excellente accessibilité à la surface de l'électrode sous-jacente. Les surfaces fonctionnelles qui en résultent ont été caractérisées par des méthodes physico-chimiques d'analyse.

Dans les zones humides, un déclin dramatique des populations d’amphibiens a été observé au niveau mondial depuis les années 80. Malgré de nombreuses études suggérant que les amphibiens sont très sensibles aux pressions anthropiques cumulées, le rôle joué par les perturbateurs endocriniens dans le déclin de leurs populations reste incertain. Parmi les perturbateurs endocriniens contaminants les zones humides, le benzo[a]pyrène (BaP) et le triclosan (TCS) sont couramment retrouvés. Au cours de ce travail, nous avons étudié la réponse physiologique de xénopes (Xenopus tropicalis) exposés à court terme (24 heures) et à long terme (du têtard à l’adulte mature) au BaP et au TCS à des concentrations réalistes d’un point de vue environnemental. En combinant une approche transcriptomique à haut débit et une caractérisation des modifications cellulaires et physiologiques, nous avons mis en évidence que le BaP, le TCS et leur mélange perturbent la physiologie globale du foie. Ce trouble est caractérisé par un phénotype semblable à de l’insulino-résistance et à une stéatopathie non alcoolique (NAFLD) associé à une hépatotoxicité médiée par une altération du métabolisme lipidique. Outre les effets directs sur le métabolisme des individus exposés, il apparaît que les perturbateurs endocriniens étudiés affectent également le succès reproducteur de ces individus et le développement de leur descendance. Prises dans leur ensemble, nos observations apportent ainsi des débuts de réponse quant aux rôles de la contamination chronique des milieux sur le déclin des populations d’amphibiens. / In wetlands, dramatic decline in amphibian populations have been described worldwide since the 80s. Despite numerous studies suggesting that amphibians are highly sensitive to cumulative anthropogenic stresses, the role played by endocrine disruptors in the decline of amphibian populations remains unclear. Among the endocrine disruptors contaminating wetlands, benzo[a]pyrene (BaP) and triclosan (TCS) are recurrently found. In this work, we studied the physiological response of Xenopus tropicalis exposed to environmentally realistic concentrations of BaP and TCS during a short-term (24 hours) and long-term (from tadpole to mature adult) period. By combining a high throughput transcriptomic approach and a characterization of cellular and physiological modifications, we showed that BaP, TCS and their mixture disrupt overall liver physiology highlighted by insulin resistance-like and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD)-like phenotypes together with hepatotoxicity due to the impairment of lipid metabolism. Additionally to direct metabolic impact observed on exposed individuals, the studied endocrine disruptors affected their fitness and their progeny development. Altogether, our observations bring new insights into the role plays by chronic contamination of wetlands on amphibian population decline.

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

L’avancée des infrastructures informatiques a permis l’émergence de la modélisation moléculaire. À cet effet, une multitude de modèles mathématiques sont aujourd’hui disponibles pour simuler différents systèmes chimiques. À l’aide de la modélisation moléculaire, différents types d’interactions chimiques ont été observés. À partir des systèmes les plus simples permettant l’utilisation de modèles quantiques rigoureux, une série d’approximations a été considérée pour rendre envisageable la simulation de systèmes moléculaires de plus en plus complexes. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps a été utilisée pour simuler les énergies d’excitation de molécules photoactives. De manière similaire, la DFT indépendante du temps a permis la simulation du pont hydrogène intramoléculaire de structures analogues au 1,3,5-triazapentadiène et la rationalisation de la stabilité des états de transition. Par la suite, la dynamique moléculaire et la mécanique moléculaire ont permis de simuler les interactions d’un trimère d’acide cholique et d’un pyrène dans différents solvants. Cette même méthodologie a été utilisée pour simuler les interactions d’un rotaxane-parapluie à l’interface d’un système biphasique. Finalement, l’arrimage moléculaire et les fonctions de score ont été utilisés pour simuler les interactions intermoléculaires entre une protéine et des milliers de candidats moléculaires. Les résultats ont permis de mettre en place une stratégie de développement d’un nouvel inhibiteur enzymatique. / The evolution of computer systems has led to the emergence of molecular modeling. To this end, a variety of mathematical models are now available to simulate various chemical systems. Using molecular modeling, different types of chemical interactions were observed. From the simplest systems allowing the use of rigorous quantum models, a series of approximations were considered in order to make possible the simulation of increasingly complex molecular systems. First, time-dependent density fonctional theory has been used to simulate the excitation energies of photoactive molecules. Similarly, time-independent DFT has enabled the simulation of intramolecular hydrogen bonding in the 1,3,5-triazapentadiene system and the rationalization of the stability of the transition states. Subsequently, molecular dynamics and molecular mechanics were used to simulate the interactions of a trimer of cholic acid with a pyrene in different solvents. This methodology was then used to simulate the interactions of an umbrella-rotaxane at the interface of a biphasic system. Finally, molecular docking and the concept of scoring functions were used to simulate the intermolecular interactions between a protein molecule and thousands of potential ligands. The results were then used to create a strategy for the development of a new enzyme inhibitor.

Le microbiote intestinal joue un rôle primordial dans l’homéostasie du tractus gastro-intestinal, et plus généralement dans celle de son hôte. A ce titre, de nombreuses pathologies humaines sont associées à une dysbiose de ce microbiote intestinal, tels que les cancers colorectaux, les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI), les troubles du métabolisme ou encore les maladies auto-immunes. Ces pathologies ont une étiologie mal connue et multifactorielle dans laquelle l’environnement semble jouer un rôle clé. Des études récentes ont ainsi mis en évidence un lien entre la pollution atmosphérique et des pathologies humaines telles que les MICI. Parmi les différentes substances polluantes répertoriées, le benzo[a]pyrène (BaP), qui fait partie de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques, est soumis à une surveillance accrue en raison de ses effets toxiques sur la santé humaine. De par ses propriétés pro-inflammatoires et mutagènes, le BaP pourrait modifier la composition du microbiote intestinal, induisant alors à une réponse inflammatoire et à une altération des fonctions intestinales. Dans le cadre de ce travail de thèse, une surexposition orale et chronique au BaP en modèle murin a conduit à une inflammation modérée principalement au niveau de la muqueuse iléale. L’analyse des amplicons du gène codant l’ARNr 16S a mis en évidence des modifications de la composition et de l’abondance relative des communautés bactériennes fécales et associées à la muqueuse intestinale avec notamment une augmentation et une diminution des taxa pro et anti-inflammatoires respectivement. Ainsi, dans des conditions de susceptibilité génétique et/ou en association avec d’autres facteurs environnementaux, l’exposition à ce polluant pourrait déclencher et/ou accélérer le développement de pathologies inflammatoires. L’identification des potentialités métaboliques des différentes populations bactériennes caractérisées précédemment et impactées par le polluant revêt donc un caractère primordial. La reconstruction de génomes directement à partir de l’écosystème microbien peut permettre d’établir ce lien entre structure et fonction. C’est également dans ce contexte, qu’une approche innovante de capture de gènes en solution a été développée. En effet, cette technique d’enrichissement permet de reconstruire de larges portions génomiques pouvant relier un biomarqueur phylogénétique à des gènes fonctionnels, y compris pour des populations bactériennes présentes en très faible abondance dans l’écosystème. / Gut microbiota plays a primordial role in gastro-intestinal tract and host homeostasis. Numerous pathologies are associated with a gut microbiota dysbioses, such as colorectal cancer, inflammatory bowel diseases (IBD), metabolism disorders or autoimmune diseases. The physiopathology of these diseases has multifactorial aetiology in which environmental factors seem to play a crucial role. Recent evidences have highlighted a link between air pollution and human diseases such as IBD. Among the different pollutant listed, benzo[a]pyrene (BaP), which belong to the family of polycyclic aromatic hydrocarbons, is subject to an increase surveillance due to its toxic effects on human health. By its pro-inflammatory and mutagenic proprieties, BaP could lead to modifications of gut microbiota composition, then inducing an inflammatory response and an alteration of intestinal functions. As part of this thesis, BaP subchronic oral exposure in murine model has led to a moderate inflammation mostly in ileal mucosa. The analysis of ARNr 16S amplicons has highlighted composition and abundance alterations of faecal and mucosa-associated microbiota, especially with increase and decrease of pro and anti- inflammatory taxa respectively. Thus, under conditions of genetic susceptibility and/or in association with other environmental factors, exposure to this pollutant could trigger and/or accelerate the development of inflammatory pathologies. Metabolic potential identification of different bacterial populations previously characterized and affected by the pollutant appears therefore primordial. Genome reconstruction directly from microbial ecosystem could allow to establish this link between structure and function. Also in this context, an innovative approach of gene capture in solution was developed. Indeed, this enrichment technique allows to reconstruct large genomic portions that could link phylogenetic biomarker and functional genes, including for bacterial populations present at very low abundance in the ecosystem.