Que ce soit par la production de biomolécules actives ou encore via une action probiotique, les Lactobacilles peuvent être utilisés pour le traitement de plusieurs affections. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est la recherche d’applications santé, applicables à la prévention de l’ostéoporose, à partir de Lactobacilles. Dans ce but, deux approches ont été définies, la première consiste en l’utilisation des souches en tant que probiotiques, la seconde approche concerne la production de peptides bioactifs issus de l’hydrolyse des protéines laitières par ces Lactobacilles. Après criblage et sélection de souches potentiellement probiotiques, la capacité des souches à moduler l’absorption du calcium au niveau intestinal a été étudiée. Pour l’approche peptides, différents criblages ont également été réalisés comprenant une stratégie de criblage originale basée sur l’analyse multiparamétrique de la protéolyse en lait. Ces travaux ont permis de sélectionner 3 souches pour la suite du projet, et différents hydrolysats peptidiques ont été produits par fermentation du lait en bioréacteur. Les hydrolysats produits ont été testés pour différentes activités en lien avec la prévention de l’ostéoporose comme l’inhibition de l’enzyme de conversion de l’angiotensine ou la modulation de l’absorption intestinale du calcium. Différentes activités ont ainsi été mises en évidence pour les différents hydrolysats. De ces résultats, un procédé en continu utilisant un bioréacteur à membrane, a été développé afin de produire un hydrolysat peptidique d’intérêt. Ces travaux ont permis de mettre en évidence différentes applications santé à partir d’une collection de souches de Lactobacilles. / Lactobacilli are bacteria of major interest for health applications. These species are able to produce different active biomolecules by fermentation or exert a probiotic action. Thus, Lactobacilli represent a source of different ingredients which could be used for various health purposes. The objective of the present research is to study the potential of different lactobacilli to be use as ingredients dedicated to osteoporosis prevention. This work is based on a collection of 170 Lactobacillus strains isolated from dairy products in Mongolia. Two different strategies were undertaken: the use of lactobacilli as probiotics or the production of bioactive peptides by fermentation of milk proteins. A screening based on some probiotic characteristics allowed to select Lactobacillus strains which were studied for their capacity to modulate the intestinal calcium absorption. In the same way, screenings were used to select strains with important proteolytic abilities. Particularly, an original screening strategy, based on a multiparametric analysis of proteolysis occurring in milk was developed in this study. Milk protein hydrolysates were produced using the selected strains by batch fermentation of milk in bioreactor. The resulting products were then studied for different biological activity linked to bone health like angiotensin-converting enzyme inhibition or modulation of intestinal calcium absorption. By these results, an integrated continuous process, using a membrane bioreactor, was developed to produce an active ingredient by fermentation. This work highlights the potential health applications of some lactobacilli.

L’augmentation de la population mondiale, l’amélioration des niveaux de vie font que la demande en protéines animales devrait doubler d’ici à 2050. Ceci aura pour conséquence l’augmentation de la surface des terres agricoles entrainant des effets néfastes sur le climat et la biodiversité. Il est urgent de mieux qualifier les protéines agroalimentaires et d’en diversifier les sources pour pallier aux problèmes liés à la demande mondiale en protéines. Le marché du pet food, connait également une croissance constante, du fait de l’augmentation de la population des chiens et chats, et d’une relation entre le maître et l’animal de plus en plus humanisée. Les conditions de vie s’en trouvent modifiées, ce qui génère souvent des troubles métaboliques chez le chat et le chien. La digestion gastro-intestinale des protéines a longtemps été considérée exclusivement pour son rôle de fourniture d’acides aminés ; néanmoins, de nombreux travaux ont mis en évidence l’implication de peptides bioactifs, générés au cours de la digestion, dans de nombreuses fonctions biologiques comme l’homéostasie énergétique. Ils modulent notamment la sécrétion des hormones intestinales telles que les cholécystokinines (CCK) et le Glucagon-Like Peptide 1 (GLP-1) qui sont des signaux de régulation à court terme de la prise alimentaire. L’objectif principal de cette thèse a été de mesurer les effets sur la régulation de l’homéostasie énergétique de deux hydrolysats protéiques, issus d’un criblage préalable (une source poisson, PWF et une source carnée, XVP 15035), pour une application pet food. Dans un premier temps, un modèle de digestion gastro-intestinale in vitro simulant la digestion du chien a été mis au point. Une étude a ensuite été menée afin de caractériser le devenir des hydrolysats au cours de la digestion in vitro et de déterminer l’effet de ces digestats sur la régulation de la prise alimentaire à court terme, d’une part par leur capacité à réguler la sécrétion des CCK et du GLP-1 produits par les cellules entéroendocrines, et d’autre part, par leur pouvoir d’inhibition de l’activité de l’enzyme dipeptidyl peptidase-4 (DPP-IV) modulant l’activité du GLP-1. De nouveaux peptides bioactifs capables de stimuler la sécrétion des hormones intestinales et d’inhiber l’activité de la DPP-IV ont ensuite été identifiés grâce à des méthodes séparatives couplées à la spectrométrie de masse. Une étude in vivo, menée en parallèle chez le rat nourri en régime riche en graisse, a permis notamment de mettre en évidence l’effet inhibiteur de la prise alimentaire à court terme de l’hydrolysat PWF. / The increase in the world population and the improvement in living standards mean that the demand for animal protein is expected to double by 2050. This will result in an increase in the surface area of agricultural land, with negative effects on climate and biodiversity. There is an urgent need to better qualify agri-food proteins and diversify their sources to address the problems associated with global protein demand. The pet food market is also growing steadily, due to the increase in the population of dogs and cats, and an increasingly humanized relationship between the owner and the animal. As a result, living conditions have evolved, ultimately possibly leading to metabolic disorders in cats and dogs. Gastrointestinal digestion of proteins has long been considered exclusively for its role in providing amino acids; nevertheless, many studies have shown the involvement of protein-derived bioactive peptides, generated during digestion, in many biological functions such as energy homeostasis. They modulate the secretion of intestinal hormones such as cholecystokinins (CCK) and Glucagon-Like Peptide 1 (GLP-1), which are short-term signals involved in the regulation of food intake. The main objective of this thesis was to measure the effects on the regulation of energy homeostasis of two protein hydrolysates, resulting from prior screening (a fish source, PWF and a meat source, XVP 15035), intended for the pet food applications. As a first step, an in vitro gastrointestinal digestion model simulating dog digestion was developed. A study was then conducted to characterize the fate of hydrolysates during in vitro digestion and to determine the effect of these digestates on the regulation of short-term food intake, both by their ability to regulate the secretion of CCKs and GLP-1 produced by enteroendocrine cells, and by their ability to inhibit the activity of the enzyme dipeptidyl peptidase-4 (DPP-IV) modulating GLP-1 activity.Novel bioactive peptides able to stimulate the secretion of intestinal hormones and to inhibit the DPP-IV activity were then identified using separation methods coupled with mass spectrometry. An in vivo study, conducted in parallel in high-fat diet fed rats, revealed in particular the inhibitory effect of PWF hydrolysate on short term food intake.

Les bicycles peptidiques possèdent des propriétés structurales et pharmacologiques très attrayantes pour le développement de composés bioactifs et sont d’excellents candidats pour la création de chimiothèques visant la découverte d’agents thérapeutiques. Ce type de structure se retrouve dans de nombreux produits naturels démontrant des activités biologiques très variées. Malgré leur grand potentiel, peu d’approches synthétiques efficaces et donnant accès à une grande diversité moléculaire ont été décrites jusqu’à maintenant dans la littérature. Ce mémoire décrit le développement d’une nouvelle approche synthétique sur support solide utilisant la réaction multicomposante de Ugi-Smiles pour préparer des bicycles peptidiques inspirés du Bouvardin et de ses analogues, une famille de produits naturels des plantes Rubiaceae avec des activités anticancéreuses et antimicrobiennes. L’approche présentée donne accès à des systèmes bicycliques complexes et permet l'introduction d’une grande diversité moléculaire. Dans un premier temps, la réaction de Ugi-Smiles a été utilisée pour simultanément ancrer et coupler les deux premiers acides aminés à une résine par leur chaîne latérale. Une étude sur les réactifs et les paramètres a permis d’effectuer les ajustements fonctionnels et structurels sur les composantes qui étaient nécessaires pour une réaction de Ugi-Smiles permettant le clivage de la résine en milieu acide. Par la suite, une première macrocyclisation tête-à-queue suivi de l’élongation du peptide devait permettre une seconde macrocyclisation pour générer un bicycle peptidique pouvant être clivé de la résine. Or,il a été observé que la première cyclisation ne se déroule pas comme prévu et que le système bicyclique désiré n’a pas été obtenu. Une étude a permis d’identifier les éléments problématiques de l’approche et des ajustements sont proposés pour éviter les difficultés de la première macrocyclisation. Malgré tout, des avancements importants ont pu être effectués dans ce projet et l’application des correctifs proposés dans ce mémoire permettra de générer les bicycliques peptidiques ciblés. / Peptide bicycles display very attractive structural and pharmtacological properties for the development of bioactive compounds and are excellent candidates for the creation of chemical libraries for the discovery of therapeutic agents. This type of structure is found in a great number of natural products with a wide variety of biological activities. Despite their great potential, very few effective synthetic approaches giving access to a large molecular diversity have been described in the literature. This document describes the development of a new synthetic approach on solid support using a Ugi-Smiles multicomponent reaction to prepare peptide bicycles inspired by Bouvardin and its analogs, a family of natural products from Rubiaceae plants with antitumoral and antimicrobial activities. The described approach gives access to complex bicyclic systems and allows the introduction of a large molecular diversity. In a first step, the Ugi-Smiles reaction is used to simultaneously anchor and link the first two amino acids to a resin by their side chain. A study on the reagents and reaction parameters made it possible to carry out functional and structural adjustments on the components allowing the Ugi-Smiles reaction and the cleavage from the resin in an acid medium. Subsequently, a first head-to-tail macrocyclization followed by the elongation of the peptide was supposed to allow a second macrocyclization to generate a peptide bicycle, which can be cleaved from the resin. However, the first cyclization did not go as planned and the desired bicyclic system has not been obtained. A study has identified the problematic elements of the approach and adjustments are proposed to avoid the difficulties of the first macrocyclization. Despite this failure, significant progress has been made in this project and application of the corrections proposed in this document will surely allow the successful synthesis of the targeted bicyclic peptides.

Thèse (M.Ress.Renouv..) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2008. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ressources renouvelables. CaQQUQ Comprend des réf. bibliogr. (f. [59]-64). Publié aussi en version électronique. CaQQUQ

Thèse (M.Ress.Renouv.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ressources renouvelables. CaQCU Bibliogr.: f. [68]-75. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M.Ress.Renouv.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2007. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ressources renouvelables. CaQCU Bibliogr.: f. 59-66. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Le cruor bovin, la matière solide du sang, est un déchet des abattoirs produit en très grande quantité dans le monde. Ce coproduit est composé principalement d'hémoglobine, une protéine riche en peptides bioactifs après son hydrolyse enzymatique. Cependant, lors de l'hydrolyse conventionnelle par la pepsine, des agents chimiques sont nécessaires pour ajuster et réguler le pH de la solution et, les hydrolysats finaux produits contiennent des niveaux élevés en sels minéraux. Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé d'appliquer dans cette étude, pour la première fois, une technologie verte, appelée électrodialyse avec membrane bipolaire (EDMB), comme méthode alternative à l'hydrolyse enzymatique conventionnelle de l'hémoglobine afin d'obtenir des peptides bioactifs purifiés. Les objectifs de cette thèse étaient de tester la faisabilité de ce nouveau procédé pour la production de peptides bioactifs à partir d'hémoglobine bovine, d'établir les conditions optimales, d'éviter le colmatage membranaire et d'appliquer un nouveau procédé original d'EDMB à « multiple-étapes » permettant la production de peptides bioactifs déminéralisés sans ajout de produits chimiques. Des configurations bipolaires/monopolaires (anioniques ou cationiques) utilisant les ions H⁺ et OH⁻ générés par les membranes bipolaires pour réguler le pH ont été étudiées et comparées à un procédé conventionnel utilisant des acides et des bases chimiques. La configuration d'EDMB formée avec les membranes cationiques a permis la production d'hydrolysats contenant une faible concentration en sels minéraux mais avec la présence d'un colmatage sur la membrane cationique, alors que la configuration d'EDMB utilisant des membranes anioniques a permis la production d'hydrolysats sans colmatage mais avec une concentration en sel similaire à celle de l'hydrolyse conventionnelle (contrôle). En se basant sur ces résultats, une nouvelle configuration d'EDMB à trois compartiments a été mise en place et étudiée pour dénaturer l'hémoglobine, inactiver la réaction enzymatique et déminéraliser l'hydrolysat peptidique en simultané. Une déminéralisation de 85% a été atteinte. Cependant, un colmatage a encore été observé sur la membrane anionique en raison de la précipitation de l'hème. Pour cette raison, une étape supplémentaire de décoloration a été réalisée avant la déminéralisation pour éviter le colmatage en utilisant l'acide électro-généré. Les peptides décolorés et déminéralisés récupérés ont montré une activité antioxydante, une activité antibactérienne contre plusieurs souches bactériennes (Gram+ et Gram-) et pour la première fois une activité antifongique contre de nombreuses souches de moisissures et de levures. Dans un contexte d'économie circulaire, cette technologie durable s'avèrerait efficace pour effectuer plusieurs opérations simultanément et présente un potentiel important au niveau industriel pour l'hydrolyse du sang, puisqu'elle produit des bio-peptides purifiés ayant une faible teneur en sels minéraux et pouvant être utilisés comme conservateurs naturels sur la viande. / Bovine cruor, a slaughterhouse waste, is produced in large quantities all around the world. This co-product is mainly composed of hemoglobin, a protein rich in bioactive peptides after its enzymatic hydrolysis. However, during conventional hydrolysis, chemical agents are necessary to adjust or regulate the pH of the solution and the final hydrolysates produced contain high levels of mineral salts. Therefore, in this study we applied for the first time a green technology named electrodialysis with bipolar membrane (EDBM) as an alternative method to the conventional enzymatic hydrolysis of hemoglobin to obtain purified bioactive peptides. The main objectives of the present thesis were to test the feasibility of this new process to produce bioactive peptides from bovine hemoglobin, to establish the optimal conditions while avoiding membrane fouling and to apply a new original « multiple-step » EDBM process allowing the production of demineralized bioactive peptides without the addition of chemical salts. Bipolar and monopolar (anionic or cationic) configurations using the H⁺ and OH⁻ generated by the bipolar membranes to regulate the pH were investigated and compared to a conventional process using chemical acid and base. The EDBM configuration formed with cationic membranes allowed the production of hydrolysates containing a low concentration of mineral salts but with fouling formation on the cationic membrane, while EDBM configuration formed with anionic membranes allowed the production of hydrolysates without fouling but with a salt concentration similar to the control. Based on these results, a new three-compartment EDBM configuration was carried-out to denaturate the hemoglobin, inactivate the enzymatic reaction, and demineralize the hemoglobin hydrolysate simultaneously. A demineralization level of 85% has been achieved. However, fouling was still observed on the anionic membrane due to hem precipitation. For this reason, an additional step of discoloration was tested before the demineralization to avoid fouling using the electrogenerated acid. The discolored and demineralized peptides recovered showed antioxidant activity, antibacterial activity against multiple bacterial strains (Gram+ and Gram-), and for the first time, antifungal activity against several molds and yeasts strains. Moving towards a circular economy, this sustainable technology was found to be effective in performing multiple operations simultaneously and has a great potential for industrial hydrolysis of blood, since it produces purified biopeptides with a low mineral content that can be used as natural preservatives on meat.

Plusieurs études ont rapporté l'activité antimicrobienne et anti-oxydante d'extraits de sous-produits végétaux. Le recours à l'utilisation de ces extraits dans les produits alimentaires pourrait constituer une stratégie innovante et prometteuse. Les résidus de fruits et légumes peuvent être une source potentielle de composés bioactifs. L'enjeu de cette étude était d'initier des recherches qui pourront aboutir au développement d'agents anti-oxydants-antimicrobiens à partir des sous-produits végétaux destinés à la conservation des aliments, comme une alternative aux produits chimiques synthétiques. L'étude initiale a été d'identifier des extraits de fruits et légumes qui possèdent à la fois de grandes propriétés antimicrobiennes et anti-oxydantes. Enfin, des moyens simples pour augmenter l'activité antimicrobienne de ces extraits ont été étudiés. Environ 160 extraits aqueux de sous-produits de fruits et légumes ont été criblés pour évaluer leur potentiel antimicrobien et anti-oxydant. L'activité antimicrobienne a été déterminée par l'inhibition de la croissance d'Escherichi coli et de Bacillus subtilis. L'activité anti-oxydante a été mise évidence par le test au DPPH (2,2-diphenyl -1-picrylhydrazyl). L'étude a conduit à l'identification des extraits présentant à la fois un potentiel antimicrobien et des propriétés anti-oxydantes. Les propriétés bioactives des extraits sont influencées par le pH de l'extrait, le type de tissu (fruits, feuilles et racines) et le type physiologique des fruits (climactérique). Les résultats ont montré l'existence d'une relation entre les propriétés anti-oxydantes et antimicrobiennes des extraits de plantes. De ce fait, l'indice anti-oxydant-antimicrobien développé pourrait être utile dans le choix des sources végétales bioactives. Les extraits de plantes aux propriétés antimicrobiennes et anti-oxydantes présentent un potentiel comme agent de conservation sécuritaire, bénéfique pour la santé et économique. La considération de la vitesse de piégeage des radicaux (facteur du temps) pour définir l'efficacité réelle (capacité) du système anti-oxydant a été considérée comme la meilleure manière d'exprimer avec plus de fiabilité le pouvoir anti-oxydant réel. La nouvelle expression, le pouvoir antiradicalaire - ARP, produite à partir du test DPPH, peut être plus utile pour identifier l'activité anti-oxydante des échantillons biologiques. Certains échantillons présentaient une valeur ARP élevée tels que les extraits de rambutan, feuille de canneberge, feuille de bleuet, feuille de vigne (sauvage), feuille de framboise, feuille de bétel, avocat, grenade et cherimoya. Les extraits de feuilles possèdent, en général, une valeur d'ARP supérieure à celle des fruits tandis que, les extraits de racines présentent les plus faibles ARP. De plus, cette étude montre également que le nombre moyen d'oxydation du carbone de mélanges complexes tels que des extraits de plantes peut prédire leur pouvoir anti-oxydant, en dépit de la disparité entre les tissus de feuilles et de fruits. Le spectre d'activité anti-radicalaire d'extraits sélectionnés a été exploré. L'activité anti-oxydante a été évaluée par différentes méthodes incluant, capacité anti-oxydante équivalente de Trolox (TEAC), essai de radicaux libres (DPPH), test du pouvoir réducteur d'ion ferrique (FRAP), mesure du potentiel d'oxydoréduction, réduction du peroxyde d'hydrogène, du radical hydroxyle, d'anion superoxyde, d'oxyde nitrique et de l'activité de chélation du fer. Les teneurs totales en composés phénoliques (TPC) et en flavonoïdes (TFC) des extraits ont également été déterminées. Les extraits de feuille de bétel, fruit de bleuet, feuille de cassis, feuille de canneberge ont montré une bonne activité de piégeage des radicaux (essai TEAC); ceux de pomme, oseille, vigne rouge et racine de pissenlit étaient efficaces contre SOA; ceux de feuilles de canneberge, feuille de bleuet, cassis et romarin contre le radical hydroxyle; ceux de bette à carde, panais, brocoli et orange contre H2O2; et ceux de pomme de terre, banane, oseille, feuille d'argousier contre l'oxyde nitrique. Les extraits de feuille et fruit de bleuet, grenade, cassis et feuille de bétel ont montré un bon pouvoir réducteur d'ion ferrique. Les extraits possédant la capacité élevée de chélation du fer étaient: feuille d'argousier, radis, panais, feuille de bétel et mangoustan. L'extrait de feuille de bétel présentait des activités élevées, y compris de fixation du fer et de piégeage de divers radicaux, à l'exception de l'oxyde nitrique, où l'activité était néanmoins modérée. Les essais de TEAC, de DPPH et de FRAP fournissent essentiellement la même réponse concernant l'activité anti-oxydante des extraits de plantes, ce qui suggère que l'un de ces essais serait suffisant pour évaluer leur capacité anti-radicalaire. / Cette étude suggère également que l'activité anti-oxydante d'une substance, déterminée par un ou plusieurs essais, ne donne pas une image complète de son efficacité contre les diverses espèces de radicaux oxygénés; et elle montre que la détermination du spectre de l'activité anti-radicalaire serait nécessaire. L'activité antimicrobienne des extraits de plantes sélectionnés a été évaluée en détail par turbidimétrie en milieu liquide et par diffusion en milieu solide (gel). L'activité antimicrobienne a été exprimée dans la première méthode par l'inhibition de la croissance (GI), par la concentration minimale inhibitrice (MIC) et par une nouvelle expression, dénommée index antimicrobien (AMI). Dans la seconde méthode, l'activité a été exprimée en zone d'inhibition. L'AMI prend en compte les trois phases de croissance des bactéries. Bien que les méthodes turbidimétriques soient fiables dans l'évaluation de l'activité antimicrobienne des substances, la nouvelle expression (AMI) semble être plus significative car, elle comprend l'information sur l'interaction entre la substance et le micro-organisme et sa vitesse de croissance en présence de cette substance. De plus, l'AMI démarque l'activité des échantillons, même ceux qui sont très actifs. Le spectre d'activité antimicrobienne des extraits de plantes sélectionnés a été également étudié. Seulement quelques extraits ont montré un spectre d'activité antimicrobienne assez large. En effet, seul l'extrait de feuille de bétel a un large spectre d'activité contre les bactéries, les levures et les champignons, suivis des extraits de grenade et de fruits d'argousier qui semblent être efficaces contre les bactéries et les levures. L'extrait de cassis est effectivement une substance antibactérienne. Finalement, différentes stratégies pour améliorer l'activité antimicrobienne d'extraits anti-oxydants-antimicrobiens sélectionnés ont été explorées. Trois approches, incluant l'extraction par solvants sélectifs, le mélange binaire des extraits et l'addition de composés végétaux, ont été étudiées. L'activité anti-oxydante-antimicrobienne et le profil phytochimique ont été analysés. Le résultat montre que l'eau chaude peut être utilisée comme solvant pour l'extraction d'agents anti-oxydants-antimicrobiens d'origine végétale, bien qu'un solvant polaire extrait en préférence les substances phénoliques et modestement les substances non polaires comme les terpénoïdes. Toutefois, compte tenu du rendement et de l'activité des extraits, l'eau semble être appropriée, et elle peut être considérée comme un solvant efficace pour les fruits qui sont riches en substances phénoliques. Néanmoins, d'autres solvants sélectifs doivent être considérés pour l'extraction des substances actives non-polaires issues de matière première végétale comme les feuilles. Certaines augmentations de l'activité antimicrobienne sont possibles par le mélange de deux extraits de plantes ou par l'addition de composés végétaux. On a aussi observé que la composition des mélanges peut être importante, car les interactions synergiques ou antagonistes se retrouvent dans certaines proportions. Le mélange des extraits de grenade et cassis d'une part et le mélange des extraits de thé vert et pomme de cajou d'autre part ont montré une amélioration d'activité. L'ajout de glyoxal de méthyle et mono-caprine a également produit une augmentation de l'activité des extraits de plantes. L'addition de glyoxal de méthyle à 25 % (p/p) a amélioré l'activité des extraits de grenade et de cassis. Dans l'ensemble, ce travail a exploré le potentiel des extraits des sous-produits de fruits et de légumes comme agent anti-oxydant-antimicrobien. Les extraits de plantes montrant des potentiels anti-oxydants et antimicrobiens regroupent: olive, canneberge, noni, feuille de bétel, cassis, grenade, citronnelle, épinard, raisin vert (vin), cassis (résidu), aubergine, ramboutan, prune indienne, feuille de canneberge, feuille de romarin, feuille de vigne (sauvage), thé vert, mangoustan et feuille de framboise. Cependant, de cette liste, seuls quelques extraits (feuille de bétel, grenade, résidus de cassis) présentent un large spectre d'activité anti-oxydante et antimicrobienne. En outre, cette étude a introduit de nouvelles expressions pour l'activité anti-oxydante (ARP) et antimicrobienne (AMI) des mélanges complexes tels que les extraits de plantes. Ces expressions peuvent être utiles pour le criblage de matériels d'origine végétale dans la recherche de ces activités. Un autre enseignement de cette étude est que l'amélioration de l'activité antimicrobienne des extraits de plantes ne peut pas être possible simplement par le mélange d'extraits, en raison des interactions potentielles entre les composants des extraits. La connaissance de la composition phytochimique est essentielle pour comprendre de telles interactions, dans la sélection des mélanges et pour déterminer les approches possibles pour améliorer l'activité antimicrobienne. / Les sous-produits de végétaux peuvent être une source potentielle d'antioxydant-antimicrobiens pour une application dans la conservation des aliments, comme alternative aux agents synthétiques, mais beaucoup de travaux sont encore nécessaires pour atteindre ce but, ce qui nécessiterait une approche systémique. / There is a growing interest in the development of strategies to use agricultural and industrial residues as a source of high value-added, including bioactive products. The residues of fruits and vegetables may be a potential source of bioactive compounds. The major objective of this work is to conduct studies to pave the way for the development of antioxidant-antimicrobials from plant by-products for use in food preservation, as alternative to synthetic chemicals. The starting point was the identification of extracts of fruit and vegetable extracts exhibiting high antimicrobial and antioxidant properties. The selected extracts were then characterized for their spectrum of antioxidant and antimicrobial activities. Finally, simple ways of enhancing the antimicrobial activity of the selected extracts were examined. Aqueous extracts of about 160 fruit and vegetable by-products were evaluated for their potential as antimicrobial and antioxidant agents. The growth inhibiting activity of all the 160 extracts were tested against Escherichia coli, and Bacillus Subtilis; and the antioxidant activity was determined by DPPH radical scavenging assay. The pH of the extract, type of tissue (fruit, leaf and root) and physiological type of fruits (climacteric) had impact on the bioactive properties. There was some relationship between antioxidant and antimicrobial properties of the plant extracts. The proposed antioxidant-antimicrobial index may be useful in the selection of plant sources of bio-actives. Consideration of rate of radical quenching (time factor) to define actual efficacy (capacity) of antioxidant system was found to be a better and reliable way of expressing the real antioxidant power. The new expression, antiradical power - ARP, generated from DPPH assay may be more useful in identifying the antioxidant activity of biological samples. Some samples exhibited high ARP value such as rambutan, cranberry leaf, blueberry leaf, grape leaf (wild), raspberry leaf, betel leaf, avocado, pomegranate and custard apple. Leaf extracts possess, in general, higher ARP than fruits, and root extracts possess low ARP. In addition, this study also suggests that average carbon oxidation number of complex mixtures such as plant extracts may portend their antioxidant power, in spite of the disparity between leaf and fruit materials. In chapter 4, plant extracts selected from the original 160 were investigated for their spectrum of anti-radical activity. The antioxidant activity was evaluated by Trolox equivalent antioxidant capacity (TEAC), DPPH free radical assay (DPPH), ferric reducing power assay (FRAP), redox potential measurement, hydrogen peroxide, hydroxyl radical, superoxide anion, nitric oxide and iron chelating activities. Their total phenolic content (TPC) and total flavonoid content (TFC) were also determined. Betel leaf, blueberry fruit and black currant and cranberry leaf showed high radical scavenging activity (TEAC assay); apple, sorrel, red grape and dandelion root were effective against SOA; cranberry leaf, blueberry leaf, black currant and Rosemary against hydroxyl radical; rainbow chard, parsnip, broccoli and orange against H2O2; and potato, banana, sorrel, sea buckthorn leaf against nitric oxide. Blueberry leaf and fruit, pomegranate, black currant and betel leaf showed high ferric ion reducing power. The extracts showing high iron binding capacity were: sea buckthorn leaf, radish, parsnip, betel leaf and mangosteen. Betel leaf extract exhibited high activities, including iron binding and scavenging of various radicals except nitric oxide, where the activity was moderate. TEAC, DPPH and FRAP assays provide essentially the same response with respect to the antioxidant activity of plant extracts, suggesting that any one of them would be adequate to evaluate their anti-radical capacity. This study also suggests that antioxidant activity of a substance, determined by one or more related assays, does not give the complete picture of its effectiveness against various species of oxygen radicals; and emphasizes that determination of the spectrum of the anti-radical activity would be necessary. In chapter 5, the antimicrobial activity of selected plant extracts was evaluated in detail by turbidimetric methods in liquid medium, and by well-diffusion method in gel medium. The antimicrobial activity was expressed in the former by growth inhibition, minimum inhibitory concentration - MIC and by a new expression, the antimicrobial index – AMI; and in the latter, expressed by zone of inhibition. AMI takes into account all the three growth phases of the bacteria. Although the turbidimetric methods were in good agreement in the assessment of the activity of the substances, the new expression, AMI, appears to be more meaningful since it carries the information regarding interaction between the substance and the microorganism and the growth rate in the presence of that substance. In addition, AMI demarcates the activity of samples, even those found to be highly active. Furthermore, the spectrum of antimicrobial activity of selected plant extracts was also examined. Only a few extracts showed some broad spectrum in their activities. In effect, only betel leaf extract showed a broad spectrum of antimicrobial activity against bacteria, yeasts and fungi; whereas pomegranate and sea buckthorn fruit extracts appear to be effective against both bacteria and yeasts. Black currant extract is effectively an antibacterial substance. In chapter 6, various ways of enhancing the antimicrobial activity of selected antioxidant-antimicrobial extracts were explored. Three approaches, including selective solvent extraction, binary blending of extracts and addition of plant compounds were investigated. Antioxidant, antimicrobial activity and the profile of phytochemical classes were analyzed. The results showed that hot water could be used for solvent extraction of antioxidant-antimicrobials from plant materials, albeit a polar solvent that extracts phenolic substances preferably and only modestly non-polar substances such as terpenoids. However, considering the yield of the extracts and the activity, water appeared to be an effective solvent solvent for fruit sources that are rich in phenolic substances. Other selective solvents must be considered for extraction of active non-polar substances for plant sources such as leaves. Some enhancement in antimicrobial activity was possible by either mixing plant extracts or by the addition of plant compounds. It was also observed that the composition of blends or mixtures might be important, since synergistic or antagonistic interactions occurred at certain proportions. Pomegranate and black currant extract blends and green tea and cashew apple extract blends showed enhancement in activity. The addition of methyl glyoxal and mono-caprin also showed enhancement in the activity of plant extracts. Methyl glyoxal at 25 % (w/w) addition improved the activity of pomegranate and black currant extracts. Overall, this work explored the potential of extracts of fruit and vegetable by-products as anti-oxidant-antimicrobials. Some plant extracts having potential as antioxidant-antimicrobial agents. They include: olive, cranberry, noni, betel leaf, black currant, pomegranate, lemon grass, spinach, green grape (wine), black currant (residue), egg plant, rambutan, Indian plum, cranberry leaf, rosemary leaf, grape leaf (wild), green tea, mangosteen and raspberry leaf. However, the list is reduced to a few (betel leaf, pomegranate, black currant residue), should broad antioxidant and antimicrobial activities are taken into account. In addition, this study introduces new expressions for antioxidant (ARP) and antimicrobial (AMI) activities of complex mixtures such as plant extracts, and they can be useful in the screening of plant materials for these activities. The knowledge of the phytochemical composition is essential to understand such interactions, in the selection of mixtures and to determine possible approaches to enhance the antimicrobial activity. Plant by-product can be a potential source of antioxidant-antimicrobial for use in food preservation, as alternative to synthetic agents, but much work is needed to realize this goal, and that would require a systemic approach.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020 / Les maladies inflammatoires chroniques sont un fardeau de santé important à travers le monde. Les traitements actuellement disponibles soulagent la douleur et l’inflammation, mais leurs effets secondaires rendent leur utilisation à long terme risquée. À la lumière de cette problématique, la communauté scientifique s’intéresse au potentiel d’anti-inflammatoires naturels comme les endocannabinoïdes. Les endocannabinoïdes sont des lipides endogènes qui activent les récepteurs cannabinoïdes (CB1 et CB2). Ils régulent ainsi divers processus physiologiques tels l’appétit, l’adipogénèse et la nociception. Les deux endocannabinoïdes les mieux caractérisés, le 2-AG et l’AEA, peuvent également moduler l’inflammation en activant le récepteur CB2 à la surface des cellules immunitaires. Les souris déficientes pour le récepteur CB2 présentent un phénotype inflammatoire exacerbé, suggérant que ce récepteur est anti-inflammatoire. Cependant, le rôle des endocannabinoïdes dans l’inflammation est beaucoup plus complexe puisqu’ils peuvent être métabolisés en une grande variété de médiateurs lipidiques de l’inflammation. Leur voie de dégradation principale est leur hydrolyse en acide arachidonique (AA), qui sert de précurseur à la biosynthèse d’éicosanoïdes pro-inflammatoires comme le leucotriène B4 et la prostaglandine E2. Ils peuvent également être métabolisés directement par certaines enzymes impliquées dans la synthèse d’éicosanoïdes, pour générer des médiateurs comme les prostaglandines-glycérol (PG-G). Par conséquent, les endocannabinoïdes peuvent générer un profil unique d’effets pro- et anti-inflammatoires. Des stratégies thérapeutiques visant à bloquer l’hydrolyse des endocannabinoïdes pour amplifier leurs effets anti-inflammatoires ont été étudiées, mais une très grande proportion de cette recherche a été effectuée sur des animaux. Les façons dont les endocannabinoïdes sont synthétisés et dégradés par les leucocytes humains, ainsi les effets de leurs métabolites sur les fonctions de ces cellules, sont mal définis. Bien que les résultats obtenus dans des modèles animaux soient prometteurs, ces mécanismes doivent être mieux caractérisés chez l’humain avant qu’il ne soit envisageable de les manipuler afin de traiter les maladies inflammatoires. Le premier objectif de mon doctorat était de caractériser les voies de dégradation et de biosynthèse des endocannabinoïdes chez les leucocytes humains. Nous avons documenté l’expression de toutes les lipases hydrolysant le 2-AG, chez plusieurs types leucocytaires. Ces résultats ont souligné que chaque leucocyte exprime plusieurs 2-AG hydrolases et que les inhibiteurs sélectifs actuellement disponibles n’inhibent que partiellement l’hydrolyse du 2-AG chez ces cellules. Ces données ont également démontré que les leucocytes humains hydrolysent très efficacement le 2-AG, une découverte qui nous a permis de mettre en évidence une nouvelle voie de biosynthèse du 2-AG par les leucocytes. En présence d’inhibiteurs d’hydrolyse, les neutrophiles, éosinophiles et monocytes stimulés avec de l’AA ont produit des quantités de 2-AG environ 1000 fois supérieures aux niveaux rapportés dans la littérature. Ils ont également transformé d’autres acides gras polyinsaturés en leurs endocannabinoïdes-glycérol respectifs. Nous avons démontré que cette voie de biosynthèse est dépendante de la réacylation des acides gras dans les phospholipides membranaires, et que leur métabolisme subséquent en endocannabinoïdes implique possiblement l’acide lysophosphatidique comme intermédiaire. Cette étude est la première à rapporter une biosynthèse significative d’endocannabinoïdes par les leucocytes humains, et à démontrer que cette biosynthèse est indépendante de la voie classique de biosynthèse du 2-AG. Nous avions également pour objectif de caractériser l’impact du 2-AG et des PG-G sur les fonctions des leucocytes humains. Nous avons démontré qu’en présence d’IL-5, une cytokine impliquée dans l’inflammation éosinophilique présente dans l’asthme, le 2-AG induit une migration importante des éosinophiles. Cet effet du 2-AG requiert à la fois l’activation du récepteur CB2 et l’hydrolyse du 2-AG en AA pour produire des métabolites de la 15-lipoxygénase. Ceci souligne que l’hydrolyse du 2-AG permet la production de médiateurs causant des effets pro-inflammatoires et qu’il serait souhaitable de bloquer cette hydrolyse in vivo. Finalement, nous avons étudié l’effet de la PGE2-G sur les fonctions des neutrophiles et démontré qu’elle inhibe plusieurs fonctions effectrices de ces cellules. Cet effet inhibiteur nécessite l’hydrolyse de la PGE2-G en PGE2 par les neutrophiles, et l’activation du récepteur EP2 à leur surface. Nos travaux permettront de mieux comprendre la façon dont l’hydrolyse des endocannabinoïdes devrait être bloquée chez les humains, ainsi que tous les effets biologiques qui en découleront. Le but ultime est de développer de nouveaux traitements contre les maladies inflammatoires chroniques, qui maximiseront les effets analgésiques et anti-inflammatoires des endocannabinoïdes tout en limitant leurs effets néfastes. / Chronic inflammatory diseases are an important health burden worldwide. The currently available treatments alleviate pain and inflammation, but their numerous adverse effects make their long term use difficult. Therefore, the scientific community is studying the anti-inflammatory potential of mediators such as endocannabinoids. Endocannabinoids are endogenous lipids that activate the cannabinoid receptors, namely CB1 and CB2. In doing so, they regulate various physiological functions and cognitive processes functions such as appetite, adipogenesis and nociception. The two best-characterized endocannabinoids, 2-AG and AEA, also exert effects on immune cell functions, leading to the modulation of immunity and inflammation. They do so by activating the CB2 receptor, which is expressed in the periphery, notably on immune cells. Notably, it was shown that mice lacking the CB2 receptor display an exacerbated inflammatory phenotype, suggesting that CB2 activation by endocannabinoids is anti-inflammatory. However, the biological effects of endocannabinoids are far more complex, given that they can be metabolized into a wide variety of bioactive lipids. The main degradation pathway for 2-AG and AEA is their hydrolysis into arachidonic acid (AA), a fatty acid that acts a precursor for the biosynthesis of several pro-inflammatory eicosanoids such as leukotriene B4 and prostaglandin E2. They can also be directly metabolized by eicosanoid-biosynthetic enzymes, which generates mediators such as glyceryl-prostaglandins (PG-Gs). Therefore, endocannabinoids can generate an intriguing profile of pro- and anti-inflammatory effects, depending on the balance between their catabolic pathways and receptor activation. Therapeutic strategies aiming at blocking endocannabinoid hydrolysis to amplify their anti-inflammatory effects have been extensively studied. However, most of these studies were conducted in animals. Endocannabinoid metabolism by human leukocytes, as well as the effects of their metabolites on human leukocytes functions, are poorly defined. Although the data obtained from animal models is promising, these mechanisms must be characterized in humans before they can be manipulated to treat inflammatory diseases. Our first aim was to characterize endocannabinoid biosynthetic and hydrolytic pathways in human leukocytes. We documented the expression of several 2-AG hydrolases in human neutrophils, eosinophils, monocytes, lymphocytes and alveolar macrophages. The data we obtained underscored that each cell type expresses several 2-AG hydrolases, and that the selective inhibitors that are currently available only partially block 2-AG degradation by leukocytes. Our results also show that human leukocytes are experts at hydrolyzing 2-AG, a finding that allowed us to establish a novel 2-AG biosynthetic pathway in human leukocytes. In the presence of 2-AG hydrolysis inhibitors, neutrophils, eosinophils and monocytes stimulated with AA produced 2-AG in amounts ~ 1000 times greater than those previously reported. They also converted other polyunsaturated fatty acids into their glycerol-containing endocannabinoid counterparts. We showed that this endocannabinoid biosynthetic pathway depends on fatty acid reacylation into membrane phospholipids, and that their subsequent metabolism into endocannabinoid likely requires the production of a lysophosphatidic acid intermediate. This study is the first one to report a significant endocannabinoid synthesis by human leukocytes, and to show that this biosynthesis is independent from the classical 2-AG biosynthetic pathway. We also aimed to characterize the impact of 2-AG and PG-Gs on human leukocyte functions. We showed that in the presence of IL-5, a cytokine involved in the eosinophilic inflammation found in asthma, 2-AG induces eosinophil migration. This requires the activation of the CB2 receptor, as well as 2-AG hydrolysis into AA to produce 15-lipoxygenase metabolites. This underscores that 2-AG hydrolysis by eosinophils allows for the synthesis of mediators that have pro-inflammatory effects, and that blocking this hydrolysis in vivo may be beneficial. We also studied the biological effects of PGE2-G and found that it inhibits several effector functions of human neutrophils. This inhibitory effect requires PGE2-G hydrolysis into PGE2 by neutrophils, and the activation of the EP2 receptor on their surface. Our work will allow a better understanding of how endocannabinoid hydrolysis should be blocked in humans, and of the biological effects that will result from this inhibition. The goal is to develop new treatments against chronic inflammatory diseases, which will enhance the analgesic and anti-inflammatory effects of endocannabinoids while limiting their deleterious effects.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2005. / Titre de l'écran-titre (visionné le 23 février 2006). Bibliogr.