L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de la toxicité de diverses nanoparticules de synthèse (ENPs) pour l'homme et l'écosystème. Les travaux réalisés s’appuient sur la combinaison de données toxicologiques et d’un modèle environnemental - le modèle USEtox. En tant qu'élément important de l'évaluation de l'impact du cycle de vie, le facteur de caractérisation (CF) a été utilisé, dans ce travail, comme indicateur de toxicité pour l'homme et l'écosystème. Pour avoir accès aux courbes dose-réponse et à différentes données toxicologiques, des expériences in vitro ont été réalisées en exposant des neutrophiles porcins fraîchement isolés à trois types de nanoparticules de synthèse. Les modifications morphologiques, les taux de mortalité et la chimioluminescence des neutrophiles ont été évaluées. De plus, pour estimer le temps de persistance des nanoparticules de synthèse dans l'écosystème eau douce, un modèle basé sur la science des colloïdes a été développé. Il prend en compte les comportements spécifiques des nanoparticules de synthèse et inclut des recommandations sur le choix des paramètres hydrologiques régionaux. Enfin, une enquête documentaire exhaustive a été réalisée pour recueillir les données écotoxicologiques de diverses nanoparticules de synthèse. Dans le cadre du modèle USEtox, le CF toxicologique non cancérogène pour cuivre NPs et les CF écotoxicologiques pour 14 ENPs sont recommandés. Ces valeurs des CF pourraient être utiles à l'avenir pour évaluer les impacts environnementaux des produits contenant des ENPs. / The objective of this thesis is to improve understandings of toxicity of various engineered nanoparticles (ENPs) to human and ecosystem. It is realized via coordinating toxicological data and a scientific consensus environmental model -- the USEtox model. As an important element in life cycle impact assessment, the characterization factor (CF) is employed as a toxicity indicator for human and ecosystem in this work. To obtain the firsthand dose-response phenomena and human toxicological data, in vitro experiments have been conducted by exposing freshly isolated porcine neutrophils to three kinds of ENPs (i.e. copper, nickel and aluminum oxide nanoparticles). The morphologies, mortality rates, and chemiluminescence, of neutrophils are observed or monitored. Additionally, to estimate the persistence time of ENPs in freshwater ecosystem, a fate model on the basis of colloid science is developed. It takes nano-specific behaviors of ENPs into account and includes recommendations of regionalized hydrological parameters. Finally, a comprehensive literature survey is accomplished to collect the ecotoxicological data of various ENPs. Under the framework of USEtox model, the non-carcinogenic human toxicological CFs for Copper NPs and the ecotoxicological CFs for 14 ENPs are recommended. These CF values could be useful in the future when evaluating the environmental impacts of products containing ENPs.

Une nouvelle méthode de détection sans marquage des interactions biomoléculaires a été développée. Elle est basée sur la conception d’une couche sensible supportée innovante réalisée par la technique de Langmuir‐Blodgett. Cette couche est composée d'un lipide à tête polaire immobilisant un cation métallique divalent capable (i) de chélater une molécule possédant une affinité pour ce type de cation et (ii) de catalyser la réaction de chimiluminescence du luminol. L'intensité du signal chimiluminescent est modulée par la présence de biomolécules fixées en surface de la couche sensible, qui modifient l'environnement immédiat du cation métallique. La variation du signal chimiluminescent (issu de la catalyse par le cation immobilisé) a pu être quantifiée et corrélée à une gamme de concentration d’histamine et d’anticorps. Les potentialités de cette approche ont finalement été exploitées pour développer une puce de PMMA de type macropuce immobilisant la monocouche de lipides. / A new label‐free detection method for biomolecular interactions was developed. It is based on the development of an original sensitive layer performed with the Langmuir‐ Blodgett technique. This layer is composed of a lipid which immobilized a bivalent metallic cation on his polar head, able (i) to chelate a molecule which has an affinity for this cation and (ii) to catalyze the luminol chemiluminescent reaction. The chemiluminescent signal intensity is modulated by the presence of immobilized biomolecules on the sensitive layer surface, which modifies the immediate environmentof the metallic cation. The chemiluminescent signal variation (from catalysis by the metallic cation) has been quantified and correlated to a histamine and antibody concentration range. The potentialities of this approach have finally been employed to achieve a PMMA chip (macroarray type), immobilizing the lipid monolayer.

Depuis plusieurs années, il est devenu plus aisé de détecter et d’étudier les mécanismes biologiques in cellulo grâce aux techniques d’imagerie optique que sont la fluorescence, la bioluminescence et la chimiluminescence. Bien que la fluorescence soit la technique la plus employée de nos jours, la bioluminescence et la chimiluminescence, qui sont la conséquence d’une cascade de réactions (bio)chimiques, sont très étudiées depuis quelques décennies. En effet, elles permettent de contourner la source des problèmes rencontrés dans l’utilisation d’un fluorophore : la lumière excitatrice. La chimiluminescence est par conséquent une méthode de choix pour s’affranchir de l’auto-fluorescence tissulaire. Le 1,2-dioxétane est un des motifs chimiluminescent qui, par décomposition, peut générer un état excité sur un fluorophore auquel il est connecté, autorisant ainsi sa luminescence intrinsèque. Ainsi, le but de ce projet de thèse a été de développer et d’étudier des nouvelles sondes chémiluminescentes à motif 1,2-dioxétane à coeurs naphtolique et phénolique, compatibles avec le vivant pour une détection ciblée de complexes enzymatiques. La stratégie envisagée passait par la préparation d'une plateforme chimiluminescente comportant un motif 1,2-dioxétane thermiquement stable, sur laquelle il est possible de faire varier le déclencheur (i.e. possibilité d'adapter cette plateforme à l'analyte ou événement que l'on souhaite détecter) et d'accrocher un fluorophore NIR. Deux méthodes ont été tentées : d’une part une greffe d’une version hydrosoluble d’un fluorophore connu (i.e. le Nile red) pour réaliser un transfert d’énergie à travers les liaisons (i.e. TBET), et d’autre part un couplage à un complexe de lanthanide permettant un transfert d’énergie à travers l’espace (i.e. CRET). / Since several years, it is easier to exploit biological phenomena in cellulo through technologies dealing with bioimaging. This method gathers fluorescence, bioluminescence and chemiluminescence. Even though fluorescence is the most employed technic, bioluminescence and chemiluminescence, being the consequence of (bio)chemical reaction, have been widely studied for decades. In fact, they can avoid the main problems encountered in fluorophore use: exciting light. Chemiluminescence is thus the appropriate approach to avoid biological autofluorescence. 1,2-dioxetane is one of the moieties that, upon decomposition, can generate an excited state on a connected fluorophore, giving rise to its intrinsic luminescence. The aim of our project was to develop and study new 1,2-dioxetan chemiluminescent probes based on phenol or naphthol moieties, for targeted enzymatic complexes detection with in cellulo and in vivo bioimaging. The strategy relied on the synthesis of chemiluminescent scaffolds comprising thermally stable 1,2-dioxetan, on which the trigger and the connected NIR fluorophore can be easily diversified. Two methods have been attempted: 1) coupling to a water-soluble version of a known fluorophore (i.e. Nile red) allowing an energy transfer through bonds (i.e. TBET) 2) connection with a lanthanide complex giving rise to an energy transfer through space (i.e. CRET).

La valorisation des effluents gazeux à faible pouvoir calorifique, sous-produits de différents procédés industriels (gazéification du charbon ou de la biomasse, rejets industriels) apparait aujourd’hui comme une solution alternative pour accroître l’efficacité globale des systèmes de combustion par réduction des coûts énergétiques et contrôle des rejets dans l’environnement. Dans ce contexte, une étude expérimentale d'oxyflammes d'un gaz à très bas pouvoir calorifique, le gaz de haut fourneau (BFG), est réalisée pour évaluer l'effet conjoint de l'oxycombustion et du préchauffage des réactifs pour la stabilisation des flammes turbulentes. La configuration du brûleur consiste en un jet annulaire de gaz de haut fourneau (BFG), entouré de deux injections d’oxygène (interne ‘O2i’ et externe ‘O2e’). Son dimensionnement s’appuie sur une méthodologie originale basée sur la détermination d’une vitesse de convection critique UC* à l’extinction de flamme, dérivée d’une valeur expérimentale d'un nombre de Damköhler critique Dac*. Les structures de flammes sont caractérisées par imagerie de chimiluminescence OH* et les propriétés thermiques et chimiques sont évaluées par mesures de température et flux thermique à la paroi et de la composition des fumées. Les champs aérodynamiques 2D des écoulements réactifs sont mesurés par PIV. Quatre principales topologies de flamme sont observées avec cette configuration de brûleur et classées suivant leur mode de combustion. Sans préchauffage, les deux flammes concentriques, interne ‘O2i-BFG’ et externe ‘BFG-O2e’, sont attachées au brûleur à basse puissance (Type A) ; la flamme BFG-O2e peut présenter une stabilité intermittente (Type B), ou se décrocher du brûleur (Type C) à la puissance nominale de dimensionnement. Avec préchauffage des réactifs, la flamme annulaire BFG-O2e reste toujours accrochée au brûleur et la flamme centrale O2i-BFG présente une zone d’extinction locale pour des fortes valeurs de vitesse d’O2i (Type D). L’ensemble des résultats a permis de mettre en avant un bon accord entre les prédictions théoriques et les valeurs expérimentales de UC* avec un élargissement des domaines de stabilité de flamme avec le préchauffage. L'analyse aérodynamique permet de caractériser les transitions entre les structures de flammes. Une validation du critère de dimensionnement de l’oxy-brûleur est aussi effectuée par changement d’échelle, grâce à des mesures réalisées sur une installation semi-industrielle de 180 kW. / The effective utilisation of low calorific value fuel, as gaseous by-products of coal/biomass or industrial residual gases, provides not only excellent opportunities for low cost power generation but also for the reduction of environmental impact of combustion. The present work aims to consider the combination of oxyfuel combustion with fuel and/or oxygen preheating in order to increase thermal efficiency by heat recovery and enhance oxyfuel flame stabilization of blast furnace gas (BFG). This experimental study is performed with a burner consisting in an annular jet of BFG surrounded by two injections of oxygen (internal 'O2i' and external 'O2e'). Its dimensions are determined from an original design strategy based on an experimentally critical Damköhler number Dac*, which represents the theoretical limit of stabilisation of a turbulent diffusion BFG-O2 flame with preheated reactants. Flames structures are characterized by OH* chemiluminescence imaging. Thermal and chemical flame properties are evaluated by temperature and radiative flux analysis and pollutant emissions measurements. The 2D aerodynamic fields of reactive flows are determined by velocity measurements by PIV. Four LCV flames structures are resulting from this burner configuration. Without preheating, two concentric flames, internal 'O2i-BFG' and external 'BFG-O2e', are anchored at the burner (Type A) at low thermal power. When increasing the latter, the external flame BFG-O2e manifests some local fluctuations (Type B) or is lifted-off (Type C). With reactants preheating, the BFG-O2e flame is always anchored at the burner tip and the O2i-BFG flame could have local extinction zone for very high values of internal oxygen velocity (Type D). The results highlight a good agreement between theoretical and experimental critical velocity UC* which significantly increases with preheating. The aerodynamics study points out the transitions between the different flames structures. At semi-industrial scale, flames show similar structures to those obtained at laboratory scale. This validates the burner design strategy of preheated oxyfuel combustion adapted to LCV fuels, as well as the scale up criteria used.

Le présent travail a porté sur l’évaluation des propriétés anti-inflammatoires et anticancéreuses de Agelanthus dodoneifolius (Loranthaceae), communément appelée «gui africain». Cette plante hémiparasite est utilisée en médecine traditionnelle africaine pour le traitement de pathologies chroniques telles que l’asthme, l’hypertension, des gastroentérites et le cancer. Actuellement, les maladies chroniques représentent un problème mondial de santé publique. En effet, elles constituent la première cause de mortalité dans le monde surtout dans les pays à revenu faible ou intermédiaire. <p><p>Cette étude a été réalisée dans le but d’apporter une validation scientifique quant à certaines utilisations traditionnelles de Agelanthus dodoneifolius. <p>Pour évaluer l’effet anti-inflammatoire de Agelanthus dodoneifolius, nous avons testé les différentes fractions de la plante sur la production des espèces réactives de l’oxygène, la libération et l’activité spécifique de la myéloperoxydase (MPO), enzyme libérée par le neutrophile au cours de la phagocytose pour détruire les microorganismes. L’identification et la quantification des composés a été faite grâce à une combinaison des méthodes chromatographiques, spectrophotométriques et spectrométriques. L’activité anticancéreuse de Agelanthus dodoneifolius a consisté, d’abord, à déterminer l’effet d’inhibition de croissance de diverses fractions de la plante, de la quercétine ainsi que de ses dérivés sur des lignées cellulaires cancéreuses. Nous avons ensuite déterminé les effets de la quercétine sur l’activité de plus de 300 kinases. <p><p>Les résultats obtenus montrent qu’Agelanthus dodoneifolius est capable de moduler les activités biologiques des neutrophiles. En effet, le décocté aqueux et les fractions organiques de la plante inhibent de manière dose-dépendante la production des espèces réactives de l’oxygène, la dégranulation du neutrophile et l’activité spécifique de la myéloperoxydase. Nous avons pu identifier et quantifier dix composés polyphénoliques dont quatre acides phénoliques :l’acide gallique, l’acide coumarique, l’acide chlorogénique et l’acide ellagique et six flavonoïdes :la quercétine, le kaempférol, la catéchine, l’isoquercitrine ou quercétine 3-O-glucoside, la rutine et la miquelianine ou quercétine-3-O-glucuronide. <p>Concernant l’activité anticancéreuse, les résultats montrent que seules les fractions à l’éther diéthylique et à l’acétate d’éthyle ont une activité antiproliférative. La quercétine a des effets inhibiteurs de croissance, cytostatiques et présente un large spectre d’activité sur plusieurs kinases surexprimées dans certains cancers. <p><p>En conclusion, l’ensemble de ces résultats constitue des bases scientifiques qui pourraient justifier certaines utilisations traditionnelles de Agelanthus dodoneifolius. <p>À notre connaissance, cette étude est la première à évaluer d’une part l’effet, in vitro, des différentes fractions de Agelanthus dodoneifolius sur des neutrophiles stimulés et sur la MPO et d’autre part l’effet inhibiteur de croissance de lignées cellulaires cancéreuses par certaines fractions de la plante. En outre, cette étude a permis pour la première fois d’identifier et de quantifier des composés polyphénoliques dans Agelanthus dodoneifolius. Les nombreuses propriétés de ces composés, notamment celles anti-inflammatoires et anticancéreuses, peuvent expliquer en partie les résultats reportés dans ce travail.<p><p>This work focused on evaluating anti-inflammatory and anticancer activities of Agelanthus dodoneifolius (Loranthaceae), commonly called "African mistletoe". This plant is used in African traditional medicine for the treatment of chronic conditions such as asthma, hypertension, gastroenteritis and cancer. Currently, chronic diseases are a global public health problem. Indeed, they are the leading cause of death worldwide, especially in countries with low and middle income.<p>The study was conducted to provide scientific validation for some traditional uses of Agelanthus dodoneifolius.<p><p>To characterize the anti-inflammatory activity of Agelanthus dodoneifolius, we tested the different fractions of the plant on reactive oxygen species production, release and the specific activity of myeloperoxidase, an enzyme released by neutrophils during phagocytosis to destroy microorganisms. The identification and quantification of compounds were made through a combination of chromatographic, spectrophotometric and spectrometric techniques. The anticancer activity of Agelanthus dodoneifolius consisted, first, to determine, the antiproliferative effect of fractions of the plant, quercetin and its derivatives on cancer cell lines. Then, we determined the effects of quercetin on the activity of more than 300 kinases.<p><p>The results show that Agelanthus dodoneifolius is capable of modulating the biological activities of neutrophils. In fact, the decoction aqueous and organic fractions of the plant inhibited in a dose-dependent manner the production of reactive oxygen species, degranulation of neutrophils and specific activity of myeloperoxidase. <p>We were able to identify and quantify ten polyphenolic compounds including four phenolic acids: gallic acid, coumaric acid, chlorogenic acid and ellagic acid and six flavonoids: quercetin, kaempferol, catechin, isoquercitrin or quercetin 3-O-glucoside, rutin and miquelianin or quercetin-3-O-glucuronide.<p>Regarding the anticancer activity, the results show that only fractions with diethyl ether and ethyl acetate have antiproliferative activity. Quercetin has antiproliferative and cytostatic effects and presents a broad spectrum of activity on several kinases overexpressed in certain cancers.<p><p>In conclusion, all these findings are scientific basis that could justify some traditional uses of Agelanthus dodoneifolius. To our knowledge, this is the first study to evaluate the effect firstly, by in vitro tests, of the different fractions of Agelanthus dodoneifolius on stimulated neutrophils and the MPO and secondly the growth inhibitory effect of cancer cell lines by certain fractions. Also, this study is the first to identify and quantify the phenolic compounds in Agelanthus dodoneifolius. The many properties of these compounds, including anti-inflammatory and anticancer, may partly explain the results reported in the present work. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse est une contribution à l’étude des flammes de méthane turbulentes non prémélangées en rotation, dites swirlées, avec ou sans enrichissement en oxygène de l’oxydant. L’étude se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes et la dynamique du jet en non réactif et réactif. Notre dispositif expérimental se compose d’un brûleur à swirler coaxial avec injection radiale de méthane au voisinage de la sortie du brûleur. Ce dernier est confiné dans une chambre de combustion. La teneur en oxygène dans l’oxydant, le nombre de swirl géométrique et la richesse globale à l’injection sont les principaux paramètres qui peuvent être précisément contrôlés. La stabilité de la flamme est caractérisée par chimiluminescence OH*. Les émissions polluantes sont mesurées par des analyseurs en ligne via un prélèvement dans les gaz brûlés. La dynamique du jet est caractérisée principalement par PIV stéréoscopique dans un plan longitudinal et plusieurs plans transverses. La diffusion du méthane dans le jet swirlé est abordée qualitativement par fluorescence induite par laser de l’acétone dans un plan. À ce jour, peu de travaux portent sur la caractérisation notamment dynamique de ces flammes swirlées avec enrichissement en O2. La mise en rotation du jet est à l’origine d’une zone de recirculation centrale qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. L’étude des émissions polluantes montre que les régimes de combustion à l’air pour lesquels la flamme est liftée stable sont aussi ceux qui produisent du CO et du CH4 résiduel en des quantités non négligeables. L’enrichissement en oxygène permet alors de convertir les imbrûlés et ce pour de faibles enrichissements tout en améliorant la stabilité de flamme via une diminution de la hauteur d’accrochage et des fluctuations associées comme le confirment de précédentes études. L’augmentation des NOx par la voie thermique a été quantifiée pour des enrichissements en oxygène inférieurs à 30 % vol. L’étude systématique en non réactif et réactif apporte des détails sur la topologie tridimensionnelle du jet swirlé suivant les paramètres de l’étude. L’étude de la décroissance des vitesses et de la décroissance du nombre de swirl dans la direction de l’écoulement permetde mettre en évidence l’effet de la flamme sur le jet swirlé. Un couplage entre l’évolution du taux d’entraînement par la recirculation externe et les émissions polluantes est mis en évidence pour expliquer l’évolution des NOx suivant la richesse globale à l’injection. Nous avons proposé une modélisation des écoulements swirlés qui repose sur les écoulements à vorticité hélicoïdale afin d’identifier les caractéristiques principales des structures hélicoïdales au sein de l’écoulement. / This thesis is a contribution to the study of turbulent non-premixed swirling methane flames with or without oxygen addition in the oxidizer. The study deals with the flame stability, the pollutant emissions and the jet dynamic behaviour in non-reacting and reacting conditions. The burner, operating in a combustion chamber, consists of two concentric tubes with a swirler placed in an annular arrangement, which supplied the oxidant flow (air or oxygen-enriched air). The central pipe delivers fuel (methane) radially just below the burner exit plane. The oxygen content in the oxidizer, the geometric swirl number and the global equivalence ratio are the main parameters, which can be precisely set. OH* chemiluminescence imaging is used to characterize flame stability. Multi-gas analyzers are used to measure pollutant emissions in the exhaust gas. The flow is characterized using stereoscopic PIV measurements in different longitudinal and transverse planes. A qualitative study dealing with the methane diffusion imaging is also conducted by use of acetone planar laser-induced fluorescence. Up to now only few studies have examined the dynamic behavior of this type of swirled flames with oxygen addition. Introducing swirl allows creating a central recirculation zone which favors lean flame stabilization at higher Reynolds numbers. The mapping of the combustion regimes combined with the pollutant emission results show that the stable lifted flames are related to high CO and residual CH4 emission levels in the exhaust gas. Oxygen addition, even by a few percent, allows improving CO and unburned hydrocarbons conversion and increasing flame stability at the same time via a decrease of liftoff heights and the related fluctuations. The NOx emissions increase via the thermal pathway with increasing the oxygen-enrichment rate up to 30 % vol. A comparative study in non-reacting and reacting conditions is conducted to give insight into the tridimensional flow field topology varying the above-mentioned parameters. Mean streamwise velocity and swirl number decay rates show the flame effects on the flow dynamics. A coupling mechanism between the entrainment rate of the surroundings via the external recirculation and the pollutant emissions is proposed to explain the NOx emission trend with the global equivalence ratio. A model is also proposed based on the helical vortices to identify the main features of helix structures in the jet in non-reacting and reacting conditions.