Staphylococcus aureus a été classé parmi les bactéries les plus pathogènes du genre Staphylococcus. Ce pathogène est responsable d'infections localisées (plaies chroniques, infections sur prothèses) voire de septicémies et d’infections nosocomiales. L’objectif principal de ce projet est d’élaborer des vecteurs colloïdaux biocompatibles à base de polysaccharides, chargés en principe actif antibactérien, et ciblant spécifiquement des biofilms de S. aureus. La méthode de complexation polyélectrolytes entre polysaccharides de charge opposée (chitosane/alginate et chitosane/dextrane sulfate) a été sélectionnée pour élaborer des particules de taille micrométrique. Ces microparticules n’étant pas stables, elles ont été stabilisées par réticulation chimique. Un antibiotique à large spectre d’activité de la famille des fluoroquinolones, la ciprofloxacine, a été séquestrée dans les microparticules. Des essais microbiologiques ont été réalisés en planctonique et sur biofilms, sur une souche de S. aureus et une souche de Pseudomonas aeruginosa. La ciprofloxacine encapsulée présente une activité antibactérienne (CMI, CMB et CMEB) plus importante que la ciprofloxacine libre. Par ailleurs, les MPs à base de chitosane/alginate sont plus actives que celles constituées de chitosane/dextrane sulfate. Enfin, un greffage d’un anticorps anti-protéine A a été réalisé sur les microparticules chitosane/alginate chargées en ciprofloxacine. Ces microparticules présentent une activité antibactérienne sur le biofilm de S. aureus légèrement améliorée par rapport aux microparticules dépourvues d’anticorps. / Staphylococcus aureus has been classified as one of the most pathogenic bacteria of the Staphylococcus genus. This bacterium is responsible for localized infections (chronic wounds, infections on artificial joints) or even septicemia and nosocomial infections. The main objective of this project is to develop biocompatible colloidal vectors based on polysaccharides, loaded with antibacterial active compound, and specifically targeting Staphylococcus aureus biofilms. The polyelectrolyte complexation between polysaccharide of opposite charge (chitosan / alginate and chitosan / dextran sulfate) has been selected to produce micrometric particles. By varying the total concentration of polysaccharide and the charge ratio between polyanion and polycation, it is possible to obtain variable sizes. As these microparticles were not stable, they were stabilized by chemical crosslinking. An antibiotic of the fluoroquinolone family, ciprofloxacin, with a large spectrum of activity, was entrapped in the micoparticles. Microbiological tests were carried out in planktonics and biofilms on different strains of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Loaded ciprofloxacin exhibits greater antibacterial activity (MIC, CMB and CMEB). Moreover, the chitosan / alginate-based MPs are more active than those consisting of chitosan / dextran sulfate. Finally, a grafting of an antiprotein A antibody was carried out on chitosan / alginate microparticles loaded with ciprofloxacin. These modified microparticles exhibit a slightly improved antibacterial activity compared to loaded ciprofloxaxin microparticles whitoutantibody.

Ce travail de thèse a été conduit dans le but d’élaborer des papiers résistants à l’eau liquide et ayant des propriétés antifongiques, ce par utilisation de composés biosourcés. Deux approches ont été proposées : soit une modification en surface par enduction, soit une modification des fibres de cellulose. Dans le cas de la modification en surface, deux formulations d’enductions ont été étudiées. La première, composée de chitosane et de carbonate de calcium précipité (PCC) modifié, a été utilisée pour limiter le développement de moisissures et améliorer la résistance des papiers à l’eau. La formulation incorporant 20 % de PCC modifié a montré un retard de croissance significatif de la souche fongique sélectionnée en tant que souche cible. La seconde formulation, destinée à améliorer la résistance à l’eau des papiers, par enduction d'un latex prévulcanisé d’hévéa, a montré de très bons résultats, conduisant à une réduction de près de 95 % de l’absorption d’eau liquide. Toutefois, une perte d’opacité des papiers a été observée après pénétration de l’eau dans le matériau. Par conséquent, une seconde approche a été proposée, basée sur la modification physico-chimique des fibres de cellulose. Un procédé d’hybridation a été utilisé, permettant l’adsorption d’acide stéarique sur le PCC synthétisé in situ à la surface des fibres de cellulose. Un compromis entre la rétention des charges, la résistance à l’eau et les propriétés mécaniques a pu être proposé. Après détermination des conditions optimales de mise à l’échelle industrielle du procédé d’hybridation, un essai industriel a pu être réalisé et a conduit à des résultats prometteurs. / The present work investigates the creation of water-resistant and antifungal papers by using biobased compounds. Two approaches were developed: A surface modification by coating or a cellulose fibre modification. For the coating approach, two formulations were studied. The first one, consisting in chitosan and modified precipitated calcium carbonate (PCC) was mainly used to limit the development of molds while improving paper water resistance. The formulation incorporating 20 % of modified PCC showed a significant increase of the lag phase of the target fungal strain. The second coating formulation, especially designed to improve papers water resistance by a coating layer of prevulcanized natural rubber latex, showed very positive results, leading to 95 % reduction of liquid water absorption but with a negative impact on the material opacity after water penetration. As a consequence, physico-chemical modification of cellulose fibre was investigated in a second approach. An hybridization process was used, leading to stearic acid adsorption on in situ PCC synthesized at the surface of cellulosic fibres. A compromise between fillers retention, water resistance and mechanical properties was found. After determination of optimal conditions carried out to an industrial scale up, an industrial pilot was performed and gave promising results.

Le chitosane est un polysaccharide naturel, généralement reconnu pour sa biocompatibilité et biodégradabilité. Sa notoriété se doit non seulement à la diversité de ses applications biomédicales, mais aussi à la disponibilité des groupes fonctionnels qui permettent la modification de ses caractéristiques physicochimiques. Dans le contexte de la thérapie génique, le chitosane est reconnu pour son potentiel en tant que nanovecteur, pour transporter du matériel génique à l’intérieur des cellules. Notre laboratoire a mis au point la synthèse d’un diéthylaminoéthyl-chitosane-polyéthylène glycol-acide folique (DEAE12-CH-PEG-FA2), qui a déjà démontré sa capacité de transfection in vitro sur plusieurs lignées cellulaires et son potentiel thérapeutique en tant que nanoparticule dans un modèle animal d’arthrite. Ces résultats prometteurs ont encouragé la suite de nos recherches. Ainsi, l’évaluation des propriétés cytotoxiques et hémotoxiques de notre chitosane modifié et de ses nanoparticules s’est avérée une étape essentielle pour continuer vers une potentielle application clinique. Étant donné les résultats contradictoires des rapports sur les caractéristiques hémocompatibles de ce polymère, en plus du manque de témoins d’interférence, de l’absence de données sur le niveau de contamination aux endotoxines des formulations et l’hétérogénéité des protocoles expérimentaux dans la littérature, nous avons employé les lignes directrices de l’ISO, l’ASTM et le NCL pour estimer son profil toxicologique. Dans cette étude, nous avons approfondi les connaissances sur l'hémocompatibilité des nanoparticules de DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA dans un cadre contrôlé et informatif. Cette évaluation a montré une faible réponse hémolytique et d’agrégation plaquettaire, et aucun effet sur le système du complément et sur le temps de coagulation du plasma. Également, la mesure du niveau de radicaux libres (ROS et NO) n’a pas décelé une réponse biologique reliée au stress oxydatif. Cependant, la viabilité cellulaire et le niveau de libération de la lactate déshydrogénase (LDH) ont révélé une relation en fonction de la concentration, du temps d’exposition et du type cellulaire étudié. Enfin, l’expression de cytokines telles que le TNF-α, l’IL-6, l’IL-4 et l’IL-10 ont été comparables à ceux du témoin négatif, le PBS. Dans cette quête de l’estimation des propriétés biocompatibles de notre chitosane, notre projet s’est dirigé vers l’étude des mécanismes moléculaires. C’est ainsi que nous avons étudié les voies de signalisation reliées aux récepteurs de surface cellulaire susceptibles de reconnaître le chitosane, notamment le récepteur toll-like 4 (TLR-4) et les récepteurs de lectine de type C (CLR). Nos données révèlent que les nanoparticules de DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA, à différentes concentrations et à différentes périodes d’incubation, n’activent pas les voies de signalisation des IKK/NF-κβ, MAPKs, AKT et SYK. Ces résultats ont été supportés par l’absence d’une réponse pro-inflammatoire mesurée à partir de l’expression de médiateurs clés comme le TNF-α, IL-1β, IL-6, COX-2 et iNOS. Au vu de nos découvertes, nous pouvons déduire le potentiel d’innocuité de notre chitosane modifié (DEAE12-CH-PEG-FA2), indispensable pour son application dans la thérapie génique. Également, nous suggérerons la possibilité que des récepteurs cellulaires qui n’ont pas encore été identifiés soient impliqués dans la reconnaissance et l’internalisation du chitosane, ce qui mérite la réalisation d’études plus approfondies. / Chitosan is a natural polysaccharide, generally known for its biocompatibility and biodegradability. Its notoriety is due not only to the diversity of its biomedical applications but also to the presence of functional groups in its chain, which allow the modification of its physiochemical properties. In gene therapy applications, chitosan is known for its potential as a nanovector to transport genetic material to cells. Our laboratory has synthesized a modified-chitosan diethylaminoethyl-chitosan-polyethylene glycol-folic acid (DEAE12-CH-PEG-FA2), which has already shown in vitro transfection efficiency in several cell lines and a therapeutic potential as a nanoparticle in an animal arthritis model. These promising results encouraged further research. Thus, the evaluation of the cytotoxic and hemotoxic properties of our modified chitosan and its nanoparticles became an essential step to continue towards potential clinical applications. Given the existing contradictory outcomes about the hemocompatible characteristics of this polymer, as well as the lack of interference controls, the absence of data on endotoxin levels in nanoformulations and the diversity of the experimental protocols, we used ISO, ASTM and NCL’s guidelines to estimate its toxicological profile. In this study, we discovered new information about DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA nanoparticle hemocompatibility, in a controlled and informative framework. This evaluation showed low hemolytic properties, low platelet aggregation capacity with no effect on the complement and coagulation systems. Moreover, detection of free radical levels (ROS and NO) did not show a biological response related to oxidative stress. Nevertheless, cell viability and the levels of lactate dehydrogenase (LDH) release revealed concentration-, incubation time- and cell-dependent outcomes. Regarding cytokine expression, TNF-α, IL-6, IL-4 and IL-10 levels were equivalent to those of the negative control, PBS. In the quest to evaluate the biocompatible properties of chitosan, our project focused on the study of its molecular mechanisms. Therefore, we studied signaling pathways related to receptors that have been associated to chitosan recognition such as toll-like receptor 4 (TLR-4) and C-type lectin receptors (CLRs). Our data revealed that DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA nanoparticles, at the studied concentrations and time courses, did not activate the IKK/NF-κB, MAPKs, AKT nor SYK signaling pathways. These results were supported by the absence of an inflammatory response measured by the expression of key mediators such as TNF-α, IL-1β, IL-6, COX-2 and iNOS. In view of our findings, we deduced the safety potential of our modified chitosan (DEAE12-CH-PEG-FA2) which is mandatory for gene therapy applications. Moreover, we suggest the involvement of unidentified cellular receptors in the recognition and uptake of chitosan which warrant further investigation.

La thérapie génique représente l'un des défis de la médecine des prochaines décennies dont la réussite dépend de la capacité d'acheminer l'ADN thérapeutique jusqu'à sa cible. Des structures non virales ont été envisagées, dont le chitosane, polymère cationique qui se combine facilement à l’ADN. Une fois le complexe formé, l’ADN est protégé des nucléases qui le dégradent. Le premier objectif de l'étude est de synthétiser et ensuite évaluer différentes nanoparticules de chitosane et choisir la mieux adaptée pour une efficacité de transfection sélective in vitro dans les cellules carcinomes épidermoïdes (KB). Le deuxième objectif de l'étude est d'examiner in vivo les effets protecteurs du gène de l'IL-1Ra (bloqueur naturel de la cytokine inflammatoire, l’Interleukine-1β) complexé aux nanoparticules de chitosane sélectionnées dans un modèle d'arthrite induite par un adjuvant (AIA) chez le rat. Les nanoparticules varient par le poids moléculaire du chitosane (5, 25 et 50 kDa), et la présence ou l’absence de l’acide folique (FA). Des mesures macroscopiques de l’inflammation seront évaluées ainsi que des mesures de concentrations de l’Interleukine-1β, Prostaglandine E2 et IL-1Ra humaine secrétés dans le sérum. Les nanoparticules Chitosane-ADN en présence de l’acide folique et avec du chitosane de poids moléculaire de 25 kDa, permettent une meilleure transfection in vitro. Les effets protecteurs des nanoparticules contenant le gène thérapeutique étaient évidents suite à la détection de l’IL-1Ra dans le sérum, la baisse d'expressions des facteurs inflammatoires, l’Interleukine-1 et la Prostaglandine-E2 ainsi que la diminution macroscopique de l’inflammation. Le but de cette étude est de développer notre méthode de thérapie génique non virale pour des applications cliniques pour traiter l’arthrite rhumatoïde et d’autres maladies humaines. / Considered to be one of the medical challenges of the coming decade, the success of gene therapy depends on the ability to deliver therapeutic DNA to target cells. Non-viral polymers, such as chitosan (Ch), a cationic polymer, can be easily combined with DNA. Once a complex is formed, DNA is protected from degradation by nucleases. The first objective of this study was to define the characteristics of the best-suited Ch nanoparticle for maximum selective transfection in human epidermoid carcinoma (KB) cells in vitro. Nanoparticles varied by the presence or absence of folic acid (FA) and Ch’s molecular weight (MW 5, 25 and 50 kDa). They were then selected and combined with interleukin-1 receptor antagonist (IL-1Ra) gene, a natural blocker of the inflammatory cytokine interleukin-1beta (IL-1β). The second objective was to inject these carriers by the hydrodynamic method in a rat model of adjuvant-induced arthritis and to evaluate the inhibitory effects of IL-1Ra against inflammation in vivo. Ch-DNA nanoparticles with FA and Ch25 demonstrated selective transfection and significantly increased it in KB cells in vitro. The inhibitory effects of IL-1Ra gene therapy in vivo were evident from lower expression levels of inflammatory factors (IL-1 and prostaglandin E2) and decreased macroscopic limb inflammation. The results also revealed the presence of human recombinant IL-1Ra protein in rat sera. Non-viral gene therapy with Ch-PEG-FA-DNA nanoparticles containing the IL-1Ra gene appears to significantly decrease inflammation in this experimental model of arthritis.

La thérapie génique représente l'un des défis de la médecine des prochaines décennies dont la réussite dépend de la capacité d'acheminer l'ADN thérapeutique jusqu'à sa cible. Des structures non virales ont été envisagées, dont le chitosane, polymère cationique qui se combine facilement à l’ADN. Une fois le complexe formé, l’ADN est protégé des nucléases qui le dégradent. Le premier objectif de l'étude est de synthétiser et ensuite évaluer différentes nanoparticules de chitosane et choisir la mieux adaptée pour une efficacité de transfection sélective in vitro dans les cellules carcinomes épidermoïdes (KB). Le deuxième objectif de l'étude est d'examiner in vivo les effets protecteurs du gène de l'IL-1Ra (bloqueur naturel de la cytokine inflammatoire, l’Interleukine-1β) complexé aux nanoparticules de chitosane sélectionnées dans un modèle d'arthrite induite par un adjuvant (AIA) chez le rat. Les nanoparticules varient par le poids moléculaire du chitosane (5, 25 et 50 kDa), et la présence ou l’absence de l’acide folique (FA). Des mesures macroscopiques de l’inflammation seront évaluées ainsi que des mesures de concentrations de l’Interleukine-1β, Prostaglandine E2 et IL-1Ra humaine secrétés dans le sérum. Les nanoparticules Chitosane-ADN en présence de l’acide folique et avec du chitosane de poids moléculaire de 25 kDa, permettent une meilleure transfection in vitro. Les effets protecteurs des nanoparticules contenant le gène thérapeutique étaient évidents suite à la détection de l’IL-1Ra dans le sérum, la baisse d'expressions des facteurs inflammatoires, l’Interleukine-1 et la Prostaglandine-E2 ainsi que la diminution macroscopique de l’inflammation. Le but de cette étude est de développer notre méthode de thérapie génique non virale pour des applications cliniques pour traiter l’arthrite rhumatoïde et d’autres maladies humaines. / Considered to be one of the medical challenges of the coming decade, the success of gene therapy depends on the ability to deliver therapeutic DNA to target cells. Non-viral polymers, such as chitosan (Ch), a cationic polymer, can be easily combined with DNA. Once a complex is formed, DNA is protected from degradation by nucleases. The first objective of this study was to define the characteristics of the best-suited Ch nanoparticle for maximum selective transfection in human epidermoid carcinoma (KB) cells in vitro. Nanoparticles varied by the presence or absence of folic acid (FA) and Ch’s molecular weight (MW 5, 25 and 50 kDa). They were then selected and combined with interleukin-1 receptor antagonist (IL-1Ra) gene, a natural blocker of the inflammatory cytokine interleukin-1beta (IL-1β). The second objective was to inject these carriers by the hydrodynamic method in a rat model of adjuvant-induced arthritis and to evaluate the inhibitory effects of IL-1Ra against inflammation in vivo. Ch-DNA nanoparticles with FA and Ch25 demonstrated selective transfection and significantly increased it in KB cells in vitro. The inhibitory effects of IL-1Ra gene therapy in vivo were evident from lower expression levels of inflammatory factors (IL-1 and prostaglandin E2) and decreased macroscopic limb inflammation. The results also revealed the presence of human recombinant IL-1Ra protein in rat sera. Non-viral gene therapy with Ch-PEG-FA-DNA nanoparticles containing the IL-1Ra gene appears to significantly decrease inflammation in this experimental model of arthritis.

Cette étude porte sur l’analyse du mécanisme de transfert du carvacrol (molécule antimicrobienne volatile) au travers de films à base de chitosan. La composition, la structure, les paramètres de procédés et de séchage de la couche de chitosan ont été corrélés aux propriétés physico-chimiques et fonctionnelles des films. La compréhension de ces facteurs et de leurs influences est cruciale à l’optimisation de la production de films actifs à base de polyéthylène enduits de chitosan. En effet, composition, microstructure et condition environnementale (température, humidité) conditionnent la rétention puis la libération contrôlée du carvacrol. La présence d’humidité induit absorption, gonflement, et plastification du chitosan, et par conséquent influe sur la structure, ses propriétés thermiques et de surface. L’absorption d’humidité, due au changement de structure, entraîne une forte augmentation de la perméabilité aux gaz et à la vapeur d’eau, et favorise ainsi la libération du carvacrol, nécessaire à une efficacité antimicrobienne rapide. Cette dernière, ainsi que l’impact sensoriel sur l’aliment emballé, sont directement corrélés aux aspects cinétiques et de partage des vapeurs de carvacrol. Ces travaux ont ainsi mis en évidence l’importance le compréhension de mécanismes de transfert dans les emballages à base de bio-polymères sur leur production et application industrielles / The aim of this study is the analysis of structure and transfer mechanisms through chitosan based food packaging materials with incorporated carvacrol as a model of antimicrobial active substance. Integration of composition parameters, structure, processing and drying of chitosan systems is correlated to its physico chemical and functional properties. Understanding and detailed analyses of processing parameters is crucial in production of active chitosan coatings applied on conventional materials such as polyethylene. So, the knowledge of composition and microstructure in association to environmental conditions, control the retention and the release kinetics of carvacrol from chitosan film. Water vapour was crucial parameter that strongly influenced adsorption, swelling and plasticization of chitosan based films, as well as thermal, surface and mechanical properties. By changing the matrix structure, penetrating water molecules decreased gas barrier efficiency and increased release of carvacrol. Furthermore, release of carvacrol in the headspace was correlated to the antimicrobial efficiency and to the organoleptic impact on packed food products. Such investigation highlights the transfer mechanism within bio-based materials, prior to efficiency prediction for their industrial development.In dry conditions, all chitosan films were fairly good gas barriers (about 10 17 g/m∙s∙Pa). Chitosan coated polyethylene films were up to 10000 times less permeable than uncoated PE. Increase in the environmental humidity above 60% and up to 96% (that represents the conditions of a real fresh food packaging system), significantly increased gas permeability of all chitosan films. Mechanical tests confirmed that when relative humidity increased, structural changes were induced. Therefore, extensive water plasticization of chitosan matrix was observed.Diffusion coefficients of carvacrol from chitosan film increased up to 1000 times when humidity increased from 0% to 100%. Water vapour triggers the release of carvacrol in the vapour phase. This indicates the importance of controlling the environmental conditions in the packaging at the time of the application but also during the active film storage.Films with carvacrol concentrations in the vapour phase above 2x10-7 g/mLair were efficient against large spectrum of bacteria, including some Gram-positive bacteria, Gram-negative bacteria and fungi. In some instances the concentration that was required for carvacrol antimicrobial efficiency was not organoleptically acceptable to consumers. / Cilj ovog rada je analiza strukture i mehanizama prijenosa tvari kroz ambalažne materijale za pakiranje hrane na bazi kitozana s inkorporiranim karvakrolom kao modelnom aktivnom antimikrobnom tvari. Integrirani sastavni parametri, struktura, proizvodnja i sušenje kitozanskog sustava korelirani su sa njegovim fizikalno-kemijskim i funkcionalnim svojstvima. Razumijevanje i detaljna analiza procesnih parametara predstavlja ključan korak u proizvodnji aktivnih kitozanskih prevlaka na konvencionalnim materijaima kao što je polietilen. Dakle, poznavanje sastava i mikrostrukture u ovisnosti o okolnim uvjetima, osnovni je preduvjet za kontrolirano zadržavanje i otpuštanje karvakrola iz filmova na bazi kitozana. Vodena para predstavlja ključni parametar koji značajno utječe na adsorpciju, bubrenje i plastifikaciju kitozanskih filmova, kao i na njegova toplinska, površinska, i mehanička svojstva. Penetracijom (prodiranjem) molekula vode dolazi do promjene strukture matriksa, smanjuje se učinkovitost barijernih svojstava prema plinovima i povećava otpuštanje karvakrola. Otpuštanje karvakrola u zračnom prostoru u korelaciji je sa antimikrobnom učinkovitosti i organoleptičkim svojstvima upakiranih prehrambenih proizvoda. Ovo istraživanje prije svega naglašava značaj poznavanja mehanizma prijenosa tvari unutar biomaterijala koji je neophodan za predviđanje učinkovite primjene na industrijskoj razini