La biodisponibilité d'un composé minéral dépend de sa solubilité in vivo contrôlée par ses propriétés physicochimiques. Cependant, les caractéristiques physicochimiques qui influencent la solubilité et la biodisponibilité des produits utilisés en nutrition animale ne sont pas clairement connues. L'oxyde de zinc (ZnO) est un additif alimentaire couramment utilisé pour satisfaire le besoin en zinc (Zn) des animaux monogastriques. L'objectif de ce projet était de caractériser plusieurs types de ZnO utilisés en nutrition animale pour mieux appréhender leur devenir dans le tractus digestif et leur biodisponibilité. Les différentes sources de ZnO ont des propriétés physicochimiques variables qui influencent leurs cinétiques de dissolution. Une quarantaine d'échantillons de ZnO collectés à travers le monde auprès d'industries de la nutrition animale ont été caractérisés en termes de densité, densité tassée, taille de particules, forme, aire spécifique et cinétiques de dissolution. Une analyse en composantes principales (ACP) a été réalisée pour identifier les caractéristiques les plus pertinentes et classer les échantillons par familles. La nature des paramètres les plus pertinents suggère un mécanisme en deux étapes : dissolution de ZnO en ions Zn2+ à la surface des particules, suivie d'une diffusion vers la solution. La vitesse de dissolution détermine probablement le devenir de ZnO dans le tractus gastro-intestinal et pourrait donc expliquer les différences de performances. Une étude in vivo de produits représentatifs de chaque famille a permis de déterminer les effets des caractéristiques physicochimiques sur la biodisponibilité. Une étude dose-réponse a été réalisée sur des poulets Cobb en croissance (8 à 23 jours d'âge) soumis à un régime de base contenant 23 ppm de zinc ou à 14 régimes supplémentés à raison de 6 ou 12 ppm de ZnO (6 sources différentes) ou de sulfate de Zn. La teneur en zinc du tibia a été utilisée pour estimer la biodisponibilité relative des différentes sources de ZnO par rapport au sulfate de Zn utilisé comme référence (100%). La biodisponibilité des différentes sources variait entre 49% à 160%. La taille des agrégats et la surface spécifique expliquent une large part de la variabilité sur la biodisponibilité. En conclusion, les propriétés physicochimiques de ZnO permettent d'expliquer partiellement la variabilité observée des biodisponibilités du zinc car la complexité des phénomènes physiologiques rend difficile une telle prédiction / The bioavailability of a trace mineral source is related to its in vivo solubility, which in turn is determined by its physicochemical properties. It is still not clear which characteristics are more relevant in affecting solubility and bioavailability of feed compounds. Zinc Oxide (ZnO) is a common feed additive used to supplement zinc in the diet of monogastrics animals. However, different sources have shown different responses in animal bioavailability. This project aims to characterize different feed grade ZnO to better clarify their fate in the digestive tract and explain differences in bioavailability. It was hypothesized that the different sources of feed grade ZnO have various physicochemical properties that lead to distinct dissolution kinetics. Over 40 samples of ZnO have been collected from the feed industry worldwide. Samples were analyzed for density, tapped density, particle size, shape, specific area and dissolution kinetics. A principal component analysis (PCA) was performed to define the most relevant characteristics and categorize the samples into groups. The results showed that there is not only one variable influencing the kinetics of dissolution. It suggests a dissolution mechanism in 2 steps, in which there is the dissolution of ZnO into Zn ions in the surface of the particle, followed by a diffusion to the bulk solution. The speed of dissolution can determine the fate of zinc oxide products in the gastrointestinal tract and therefore may explain the different results in animal performance. Representative products from each family were selected for an in vivo trial to measure the effect of their characteristics on the zinc bioavailability. Male Cobb broilers were used in a dose-response experiment from 8 to 23 days of age. Treatments consisted of a basal diet with 23 ppm of zinc and 14 diets supplemented with 6 or 12 ppm of Zn in the form of different oxides or sulfate. Bone zinc was used to determine zinc bioavailability. The bioavailability of the different sources varied from 49 to 160% considering zinc sulfate as the reference. Aggregate size and specific surface area explain a large part of the variability observed on values of bioavailability. In conclusion, physicochemical properties of ZnO can partly explain the variability observed in terms of Zn biological value. However, the complexity of physiological processes makes difficult the prediction of Zn bioavailability based only on these characteristics

Les écosystèmes aquatiques sont un récepteur privilégié des micro-polluants. Ils contiennent aussi des matières organiques (MO) naturelle ou anthropiques. Les interactions entre les contaminants et les MO déterminent en grande partie la biodisponibilité des polluants. Par le passé, de nombreux travaux ont été consacrés à l'étude des interactions entre les contaminants et les MO humiques, très hydrophobes et non dégradables. Cependant, les MO des milieux anthropisés sont généralement plus hydrophiles et sujettes à la dégradation bactérienne. Ce travail s'intéresse à l'influence des MO des milieux anthropisés sur la biodisponibilité des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et l'évolution de cette influence au cours de la biodégradation des MO. Une mise en évidence expérimentale en laboratoire et in situ et une modélisation de l'influence de la MO sur la biodisponibilité des HAP et de son évolution au cours de la minéralisation bactérienne sont proposées.

Le zinc est un élément essentiel, un métal polluant et une ressource non renouvelable. Les phytates sont identifiés comme facteur alimentaire principal qui limite la biodisponibilité du Zn chez le monogastrique. Le Zn sous forme organique (DZNO) est supposé moins interagir avec les phytates que celui de forme inorganique (DZNI). La biodisponibilité du Zn alimentaire a été étudiée en fonction des phytates chez le rat, le poulet et le porcelet pour mieux comprendre les mécanismes liés à cette interaction. Les expériences in vivo et les méta-analyses ont permis de mettre en évidence que : 1) L'absorption de DZNO est améliorée par rapport à DZNI, en présence de phytate de sodium qui suggère une protection, de DZNO contre cet antagoniste. 2) La biodisponibilité de DZNO n'est pas améliorée par rapport à DZNI chez le poulet et le porc nourri avec des aliments contenant des phytates d'origine végétale. L'antagonisme des phytates végétales agit sur le Zn natif seulement. 3) L'antagonisme des phytates végétales sur la biodisponibilité du Zn est plus prononcé chez le porc que chez le poulet. Contrairement au porc, le pH gastrique faible chez le poulet serait capable de valoriser le Zn natif, initialement lié aux phytates. 4) Pour une supplémentation optimale du Zn chez le porc, nous suggérons, en plus de la teneur en Zn native, la prise en compte d'une nouvelle variable " P phytique non hydrolysé ". Celle-ci tient compte de l'activité phytasique végétale et microbienne de l'aliment. La supplémentation en Zn peut ainsi être adaptée en fonction du potentiel antagoniste des phytates non hydrolysées. La capacité naturelle du poulet à valoriser le zinc natif limite la marge de progrès.

Dans le contexte réglementaire de la Directive Cadre sur l'Eau, il est nécessaire d'évaluer l'impact de la contamination métallique sur les milieux aquatiques pour pouvoir établir un diagnostic des masses d'eau. Intégrer dans ce diagnostic, la biodisponibilité des métaux par une mesure de la bioaccumulation dans des organismes modèles, permet d'évaluer plus finement le risque pour l'environnement. Cependant le lien entre la bioaccumulation et la contamination chimique du milieu reste difficile à établir puisqu'il dépend de paramètres physico-chimiques et physiologiques. Afin de faire ce lien chez la moule zébrée, nous avons utilisé un modèle cinétique de bioaccumulation: le modèle biodynamique. Des expositions en laboratoire ont permis d'étudier l'influence de la physico-chimie de l'eau (concentration en calcium, zinc et matière organique dissoute) sur les constantes d'accumulation du modèle par voie dissoute et de mettre au point un protocole d'exposition permettant de déterminer les constantes d'assimilation par voie trophique. L'effet compétiteur des ions (Ca et Zn) sur l'accumulation du Cd et du Ni par voie dissoute a été mis en évidence et intégré au modèle biodynamique par une approche s'inspirant du modèle du ligand biologique (BLM). Des suivis de contamination de dreissènes transplantées, de 2 mois et 1 an, ont mis en évidence la capacité du modèle à relier la contamination métallique du milieu à celle des organismes, en prenant en compte la physicochimie du milieu (notamment le niveau trophique) et la physiologie de l'organisme (taux de filtration, taux de croissance).

Ce travail de thèse porte sur l'encapsulation du β-carotène (βC) dans des nanocapsules lipidiques (NCLs) formulées avec des constituants de grade alimentaire, afin d'augmenter sa biodisponibilité. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence, in vitro, que les NCLs étaient dégradées par l'association de sels biliaires et d'enzymes pancréatiques. La déstabilisation des NCLs pourrait rendre le βC accessible à l'absorption grâce à son inclusion dans des structures de type micellaire. Dans un deuxième temps, la modélisation des propriétés rhéologiques et électriques de l'interface des NCLs a été réalisée par tensiométrie et zétamétrie. Ces études ont montré que l'encapsulation du βC n'avait pas d'impact sur les propriétés rhéologiques et électrophorétiques de l'interface. Une étude sur matrice modèle (émulsion alimentaire complexe) a montré que l'inclusion du βC dans les NCLs protégeait le βC et augmentait ses propriétés antioxydantes. Enfin, des études in vivo chez le rat ont souligné que l'encapsulation d'un composé radiomarqué lipophile augmentait son absorption intestinale. Ce système devrait par conséquent augmenter la biodisponibilité du βC grâce à sa solubilisation dans le coeur lipidique et la dispersion fine de la phase huileuse dans un milieu digestif.

La maintenance des voies navigables par dragage génère de grands volumes de sédiments, souvent contaminés en métaux. Pour certains d'entre eux, un traitement par phytoextraction pourrait être envisagé. Le premier volet de ce travail vise à étudier le devenir du Cd présent dans un sédiment de curage contaminé par des métaux lors de la culture d'A. halleri, plante hyperaccumulatrice de Zn et Cd. Pour cela, un suivi des teneurs en Cd a été réalisé dans le sédiment, les parties aériennes de la plante et les lixiviats lors de la culture en pot. La présence de plantes diminue la quantité de Cd lixivié, mais ne modifie ni la fraction échangeable ni le pool phytodisponible en Cd. La spéciation a été étudiée par spectroscopie EXAFS et µXANES, la localisation par µXRF et MEB-EDX, et la biodisponibilité par DGT et extraction au Ca(NO3)2. Avant culture, le Cd est présent sous forme d'un sulfure mixte de Zn, Cd et Fe. Après 5 mois de culture, cette espèce est totalement oxydée en présence de plantes et presque totalement dans les pots sans plante. Les espèces de Cd néoformées sont des complexes Cd-acides organiques et du Cd-phosphate. Le second volet de ce travail porte sur les mécanismes d'accumulation du Cd dans les parties aériennes d'A. halleri. Après culture en hydroponie, l'analyse des parties aériennes par autoradiographie en utilisant 109Cd montre que le métal est transféré aussi bien dans les feuilles jeunes que les matures, ces dernières montrant un enrichissement des tissus périphériques. L'analyse des feuilles par spectroscopie EXAFS a montré que le Cd était lié principalement à des ligands organiques de type COOH/OH, et de façon minoritaire à des ligands de type thiols.

Dans le contexte actuel, il devient nécessaire de trouver des énergies alternatives et de préserver les sols agricoles pour la production de ressources alimentaires. Ainsi, ce travail avait pour objectif majeur d'étudier la potentielle adaptation et utilisation d'une plante bioénergétique, le Miscanthus x giganteus, sur sites et sols fortement contaminés en métaux et métalloïdes, donc impropres à toute activité alimentaire. Le site d'étude choisi est un ancien site minier situé dans le Limousin sur lequel le traitement de l'or dans les années 60 a induit des dépôts fortement contaminés, et où un couvert végétal est actuellement en développement. Les résultats de culture mettent clairement en évidence les capacités d'adaptation de cette plante, avec un faible transfert d'éléments potentiellement toxiques, même sur des sols acides fortement contaminés (As jusqu'à 83000 mg.kg-1, Pb - 15000 mg.kg-1 et Sb - 1100 mg.kg-1) et ayant de faibles propriétés agronomiques. De plus, la biodisponibilité des métaux ne représente que 1 à 5% des teneurs totales en fonction de l'extractant utilisé, ce qui représente de très importantes valeurs, étant donné les teneurs totales. Ceci est directement lié à la minéralogie du site. La réponse du M. x giganteus au stress métallique met en évidence une forte réduction du rendement de biomasse, une faible perturbation de la photosynthèse nette, une réduction de la conductance stomatique et de la concentration intracellulaire en CO2. De plus, la plante modifie la réponse potentielle des bactéries et archées rhizosphériques oxydatrices de l'ammonium en nitrite dans la réaction de nitrification. Comme attendu, plus la contamination est importante, et plus la réponse de M. x giganteus est marquée. En dépit d'un transfert d'As, Sb et Pb très réduit vers les parties aériennes de la plante, les concentrations mesurées ne permettraient pas une revalorisation industrielle rapide du site mais la culture de la plante serait plutôt stabilisatrice du sol. Des amendements de type agronomiques seraient susceptibles d'améliorer les rendements en vue d'une revalorisation industrielle.

La faible biodisponibilité de certaines molécules est un obstacle majeur lors de la conception de principes actifs innovateurs. L'optimisation de formulations pharmaceutiques peut améliorer de façon significative la biodisponibilité de ces molécules. Une attention particulière est donc accordée au choix et au dosage des excipients lors de la mise au point de médicaments. Afin de minimiser les études cliniques infructueuses, le potentiel d'absorption d'une molécule ayant un effet thérapeutique peut-être évalué in vitro. Des techniques qui tentent de reproduire les conditions biologiques telles que le PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) peuvent alors être utilisées. Plus spécifiquement, cette technique permet l'étude du passage d'une molécule à travers une membrane modèle par voie passive. Depuis l'introduction du PAMPA en 1998, la recherche de conditions expérimentales mimant correctement le comportement in vivo a compliqué la technique sans toutefois améliorer la pertinence des résultats. C'est pourquoi une membrane artificielle modèle simple, représentative de l'environnement biologique et adaptable à un appareil de type PAMPA sera éventuellement mise au point dans le cadre de ce projet de recherche. Les résultats de travaux préliminaires effectués lors de la mise en place de ce nouveau volet de recherche seront présentés. Auparavant, nous avons entrepris d'étudier l'impact de la formulation pharmaceutique sur le mécanisme d'absorption d'un médicament modèle, la fluvastatine (FS), dans la paroi gastro-intestinale. Les conclusions de cette étude vont permettre, ou à tout le moins faciliter, la compréhension des résultats lors des analyses de pénétration membranaire effectuées avec la technique PAMPA. L'effet de l'excipient, le bicarbonate de sodium (NaHCO₃), sur l'interaction de la FS avec des membranes modèles a donc été étudié. Pour ce faire, les spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et de résonance magnétique nucléaire (RMN) de l'état solide ont été utilisées. Nos résultats ont démontré que la FS induit une ségrégation entre les lipides anioniques et zwitterioniques composant la membrane. Cet effet est par contre altéré suite à l'addition de quantités croissantes d'excipient. Cependant, l'addition de NaHCO₃ n'affecte pas l'interaction de la FS avec une membrane entièrement zwitterionique. Nos travaux soulignent à la fois l'impact de la formulation pharmaceutique sur l'interaction entre le médicament et la membrane et l'importance de la composition de la membrane lors de ce type d'étude. En ce qui a trait à la mise au point d'une membrane artificielle modèle pour l'étude de la pénétration membranaire de médicaments, il est rapidement devenu évident que l'ampleur du projet sortait du cadre de cette maîtrise. Toutefois, les travaux effectués mettent en évidence les difficultés qui seront rencontrées dans la suite du projet tout en suggérant de possibles approches afin de surmonter ces obstacles. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : RMN de l'état solide, Spectroscopie infrarouge, Fluvastatine, Formulation pharmaceutique, Interaction médicament-membrane, Biodisponibilité de médicaments, PAMPA.

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

Le cadmium (Cd) est un élément trace présent dans les sols agricoles qui contamine la chaîne alimentaire en étant prélevé par les plantes et accumulé dans les produits végétaux consommés. La biodisponibilité du Cd est un concept au cœur de l’évaluation des risques de transfert excessif du Cd du sol vers les plantes. Les plantes prélevant essentiellement l’ion Cd2+ dans la solution de sol, la biodisponibilité est fonction de deux principaux processus, la spéciation du Cd en solution (les différentes formes chimiques prises par le Cd en solution) et le partitionnement du Cd2+ entre la phase solide et la solution. L’objectif principal de ce travail a été d’élaborer des modèles simples à visée opérationnelle prédictifs de la concentration en Cd2+ dans la solution de sols agricoles, en modélisant soit la spéciation du Cd en solution de sol, soit le partitionnement phase solide-solution du Cd2+, celui-ci permettant de renseigner en outre la capacité de la phase à réapprovisionner la solution de sol lors de l’absorption racinaire. Nous avons également recherché des modèles pour la prédiction des teneurs en Cd2+ retrouvées dans les grains de blé dur. Nous avons développé deux approches de modélisation. La première, statistique, permet de produire des modèles simples à visée opérationnelle. La seconde, géochimique, permet de comprendre les mécanismes dominants et donc de juger de la cohérence de modèles statistiques simples pour représenter des processus physico-chimiques complexes. Ces deux approches ont montré de manière cohérente que pour les sols agricoles faiblement contaminés, le Cd qui s’échange entre la phase solide et la solution est vraisemblablement sorbé faiblement et peut-être estimé par le Cd extrait par NH4NO3 1 M minoré par une fraction fixée à des oxydes de manganèse. Les modélisations ont également montré l’importance du pH et de la teneur en Ca en solution comme variables contrôlant la solubilité de Cd2+, probablement en raison de leur rôle à régir la disponibilité des sites de sorption et de complexation vis-à-vis du Cd. Le modèle statistique le plus performant pour prédire la teneur en Cd dans le grain de blé dur reprend également ces variables, suggérant ainsi que les modèles statistiques simples de prédiction de la spéciation en solution et de partitionnement sol-solution du Cd sont des modèles pertinents pour estimer la biodisponibilité et qu’ils peuvent permettre de classer des sols en fonction des risques de transfert du Cd du sol vers une culture. Par rapport à l’évolution du contexte réglementaire, le modèle statistique prédictif de la teneur en Cd dans le grain a montré par validation croisée qu’il pourrait discerner de façon assez fiable (88 %) des différences de 0.05 mg Cd.kg-1 de grain et que sa fiabilité serait moindre (65 %) pour des différences de 0.025 mg Cd.kg-1. / Cadmium (Cd) is a trace element found in agricultural soils which can contaminate the food chain by being taken up by plants and accumulated in consumed plant products. The bioavailability of Cd is a concept at the centre of the risk assessment of Cd transfer from soil to plants. Plants, taking up essentially the free form of Cd (Cd2+) in the soil solution, bioavailability is a function of two main processes, the Cd speciation in solution (the different chemical forms taken by the Cd in solution) and the partitioning of Cd2+ between the solid phase and the solution. The main objective of this work was to develop simple predictive operational models of Cd2+ concentrations in agricultural soil solution, by modelling either Cd speciation in soil solution or Cd2+ solid-solution partitioning, the latter to further inform the ability of the phase to replenish the soil solution during root absorption. We also looked for models for the prediction of Cd2+ levels found in durum wheat grains. We have developed two modelling approaches. The first, statistical, allows to produce simple models for operational purposes. The second, geochemical, allows to understand the dominant mechanisms and thus to judge the coherence of simple statistical models to represent complex physicochemical processes. These two approaches have consistently shown that for poorly contaminated agricultural soils, the exchanged Cd between the solid phase and the solution is likely to be weakly sorbed and can be estimated by the Cd extracted by 1M NH4NO3 minus a fraction attached to amorphous manganese oxides. Modelling also showed the importance of pH and Ca content in solution as variables controlling the solubility of Cd2+, probably because of their role in controlling the sorption site availability and Cd complexation. The best-performing statistical model for predicting Cd content in durum wheat also picks up these variables, suggesting that simple statistical models for speciation in solution and soil-solution partitioning of Cd are relevant models to estimate bioavailability and that they can be used to classify soils according to the risks of the transfer of soil Cd to a crop. Compared to the evolution of the regulatory context, the statistical model predictive of the Cd content in the grain shown by cross validation that it could discern relatively reliably (88%) the differences of 0.05 mg Cd.kg-1 of grain and that its reliability would be less (65%) for differences of 0.025 mg Cd.kg-1.