Les dernières données de consommation alimentaire de la population française démontrent que les apports nutritionnels en acide eicosapentaénoïque (EPA) et en acide docosahexaénoïque (DHA) sont nettement inférieurs aux recommandations fixées par l’Agence nationale de sécurité sanitaire, de l’alimentation, de l’environnement et du travail (ANSES). Compte tenu de leurs rôles physiologiques, l’amélioration de leur biodisponibilité est devenue une priorité nutritionnelle. La maitrise des formes de vectorisation des acides gras polyinsaturés à longue chaine de la série n-3 (AGPI-LC n-3) représente une piste d’intérêt afin de répondre à cette problématique. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse, visant à étudier l’influence de la forme moléculaire (phospholipides (PL) vs triglycérides (TG)) et/ou supramoléculaire (phase continue, émulsion, liposomes) de vectorisation des AGPI-LC n-3 sur leur devenir métabolique.La démarche expérimentale adoptée a consisté, dans un premier temps, à caractériser les différentes formes de vectorisation des AGPI-LC n-3 par un couplage de méthodes d’analyse physico-chimiques (microscopie optique, granulométrie, mesure des produits primaires et secondaires d’oxydation, lipolyse enzymatique). Les données obtenues ont permis de poser des hypothèses mécanistiques pour l’étude de la biodisponibilité chez le rat. Ainsi, dans un deuxième temps, l’étude in vivo a permis d’aborder (1) l’absorption intestinale des acides gras (AG) suite à un apport en bolus de lipides et (2) l’accrétion tissulaire suite à un régime de 8 semaines.Les résultats indiquent que la forme moléculaire de vectorisation des AGPI-LC n-3 (TG marins vs PL marins, en phase continue) n’influence pas leur absorption intestinale mais plutôt leur incorporation dans les lipides lymphatiques, principaux transporteurs des AG alimentaires dans l’organisme. A l’inverse, la structuration des PL marins en milieu aqueux (émulsion ou liposomes), permet d’améliorer l’absorption de l’EPA et du DHA, de façon spécifique à la nature de la structuration supramoléculaire. Les résultats de l’accrétion tissulaire montrent qu’au terme des 8 semaines de régime, l’enrichissement tissulaire en AGPI-LC n-3 s’effectue de façon différente selon leur forme moléculaire de vectorisation. Ainsi, la consommation de TG marins favorise l’incorporation des AGPI-LC n-3 dans les lipides hépatiques, alors que la supplémentation des régimes en PL marins permet d’orienter le DHA vers le cerveau et la rétine.L’ensemble de ces résultats montre que le choix de la forme moléculaire de vectorisation des AGPI-LC n-3 (PL vs TG) peut être un moyen d'orienter leur incorporation tissulaire, alors que leur structuration supramoléculaire (émulsion ou liposomes), une stratégie pour moduler leur absorption intestinale. / The latest data from the cross-sectional national French dietary study show that dietary intakes of eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) are significantly lower than those recommended by the French Agency for Food, Environmental and Occupational Health & Safety (ANSES). Considering their physiological roles, improving their dietary intake has became a nutritional priority. The control of the different forms of n-3 long chain polyunsaturated fatty (n-3 LC-PUFA) intake represents an interesting way to address this issue. In this context, this thesis aims at studying the influence of the molecular form (phospholipids (PL) vs triglycerides (TG)) and/or supramolecular form (continuous phase, emulsion, liposomes) of n-3 LC-PUFA towards their bioavailability.The experimental approach consisted in characterizing the different forms of n-3 LC-PUFAs by coupling various physicochemical methods (optical microscopy, granulometry, measurement of primary and secondary oxidation products, enzymatic lipolysis). The data obtained made it possible to propose some mechanistic hypothesis for the bioavailability studies conducted in rat. Thus, in a second step, the in vivo study made addresses (1) the intestinal absorption of fatty acids following a single dose of lipids and (2) the lipid tissue accretion following an 8-week diet.The data obtained from the intestinal absorption study indicate that the molecular form of n-3 LC-PUFA targeting (marine TG vs marine PL, in continuous phase) does not influence their intestinal absorption but rather their incorporation into lymphatic lipids, which are the main carriers for dietary fatty acids in the organism. Conversely, structuring marine PL (emulsion or liposomes) improves the EPA and DHA absorption, but differently according to the supramolecular form. The results concerning tissue accretion show that, after 8-week diet, the tissue enrichment in n-3 LC-PUFA is different according to the molecular form of targeting. The consumption of marine TG favours the incorporation of n-3 LC-PUFA into hepatic lipids, while the supplementation of diets with marine PL targets DHA preferentially to brain and retina.All these results show that the molecular form of targeting (PL vs TG) of n-3 LC-PUFA can be a way for managing their tissue incorporation, whereas the supramolecular organization (emulsion or liposomes) can be envisaged to monitor their intestinal absorption.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SMILE de Microphyt qui vise à proposer une gamme d’ingrédients naturels issus de microalgues afin de répondre à deux enjeux sociétaux majeurs : le surpoids/obésité et le déclin des fonctions cognitives liées à l’âge (DCLA). Les acides gras polyinsaturés oméga-3 (AGPI-w3) et la fucoxanthine (Fx) ont des activités prouvées contre les voies métaboliques liées à la prise de poids et aux DCLA. C’est dans ce contexte que les efforts se sont tout d’abord focalisés vers la sélection de deux espèces de microalgues brunes dont le critère principal a été la productivité en ces molécules d’intérêts. Deux souches des espèces Tisochrysis lutea et Phaeodactylum tricornutum ont alors été sélectionnées du fait de leurs fortes teneurs et productivités en AGPI-w3 et Fx, pour être par la suite cultivées à l’échelle de 5000 L dans des photobioréacteurs (PBR) industriels Camargue©. Dans un second temps, les travaux ont porté sur l’optimisation des procédés post-culture pour les deux espèces, c’est-à-dire, de la récolte de la biomasse à l’obtention d’un extrait, afin de garantir la sécurité, la stabilité et l’efficacité des produits finis. L’étude des procédés de récolte/concentration de la culture a montré leur influence sur les classes lipidiques et l’apparition d’acides gras sous forme libre (AGL), engendrés par les stress mécaniques et thermiques subis par la biomasse lors de cette étape. La formation de ces AGL a pu être limitée par l’utilisation de la filtration tangentielle et de la centrifugation dans certaines conditions. De plus, le lien entre procédé et activité a été souligné via une étude sur modèle cellulaire CaCo2 : les AGL pourraient être à l’origine d’une cytotoxicité accrue des extraits. Enfin, l’optimisation des conditions de co-extraction des AGPI-w3 et de la Fx a abouti à la sélection d’un solvant éco-compatible (éthanol) et a mis en lumière le fort impact de la granulométrie et du ratio solvant/biomasse sur les rendements d’extractions. / This thesis is part of Microphyt's SMILE project, which aims to propose a range of natural ingredients derived from microalgae. The main objective of this project is to respond to two major societal issues: overweight/obesity and the decline of age-related cognitive functions (DCLA). Omega- 3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) and fucoxanthin (Fx) have proven activities against the metabolic pathways associated with weight gain and DCLA. In this context, the first efforts were initially directed towards the selection of two species of brown microalgae with their productivity in these molecules of interest as the main criterion. Two strains of the species Tisochrysis lutea and Phaeodactylum tricornutum were then selected as raw materials rich in PUFAs and Fx and were grown at a 5,000 L scale in Camargue© photobioreactors. The work then focused on optimizing the downstream processing steps to the cultivation of microalgae in order to guarantee the safety, stability and efficiency of the final products. Harvesting processes had, in particular, through the mechanical stress generated, an impact on lipid classes and the appearance of free fatty acids (FFA) in the studied species. A CaCo2 cell model study has suggested that FFA may be responsible for increased cytotoxicity of extracts. The formation of FFA during the concentration stage could be limited by the use of tangential filtration and centrifugation under certain conditions. Finally, the optimization of the co-extraction conditions of PUFAs and Fx resulted in the selection of an eco-friendly solvent (ethanol) and highlighted the strong impact of particle size and solvent/biomass ratio on extraction yields.

Les omégas trois ont un bénéfice prouvé dans la prévention de maladie cardiovasculaire et l’inflammation. Un apport optimal peut être réalisé avec des modifications diététiques simples permettant d’avoir un enrichissement des membranes cellulaires et un effet métabolique. Le tissu adipeux de part son rôle important dans la genèse du syndrome métabolique semble être une cible importante du traitement par oméga trois. Les patients avec une maladie rénale chronique (MRC) ont un risque cardiovasculaire accru et cumulent les perturbations métaboliques comme le syndrome métabolique et un état micro inflammatoire. Des doses supra physiologiques d’oméga trois ont été utilisés dans le passé dans des études de prévention rénale ou traitement de dyslipidémie. Or l’effet métabolique en fonction de la dose d’oméga 3 n’est pas connu. En accord, avec les études chez le sujet sain, en fonction de la dose administrée, les omégas 3 ont un impact différent métabolique et sur l’expression génique. Des études complémentaires sont nécessaires pour vérifier la faisabilité et l’impact métabolique d’une modification de régime afin de diminuer le rapport n-6/n-3, ainsi que l’effet à long terme des omégas trois chez ces patients. Par ailleurs, les mécanismes impliqués dans les différences de dose réponse devront être caractérisés sur un modèle animal / Omega 3 fatty acids play an important modulatory role in metabolic and inflammatory responses, the progression of atherosclerosis and gene expression. Recent studies suggest their beneficial impact on adipocyte morphology and function. Chronic kidney disease (CKD) patients have an increased cardiovascular morbi-mortality and suffer from a cluster of metabolic disorders. On the basis of previous studies there are reasons to suggest that omega 3 supplementation may offer a host of benefits to CKD patients. Unfortunatly, published studies on the effect of such supplementation are characterized by supra physiological omega 3 doses, that may be difficult to implement for extended periods in one hand and in the other hand the metabolic effect of different doses of omega 3 hasn’t been studied in detail. Simple dietary modifications can help achieve the recommended n-6/n-3 ratio in healthy subjects. In CKD patients supplementation with n-3 shows a differential dose response effect. Further studies are required to test the faisability and metabolic impact of dietary modifications in order to decrease n-6/n-3 ratio and to assess the long term effect of omega supplementation in CKD patients. Finally the molecular pathways implicated in this differential dose response should be assessed in animal models

Yes / Abstract Objective Omega-3 polyunsaturated fatty acids (PUFAs) have anticolorectal cancer (CRC) activity. The intestinal microbiota has been implicated in colorectal carcinogenesis. Dietary omega-3 PUFAs alter the mouse intestinal microbiome compatible with antineoplastic activity. Therefore, we investigated the effect of omega-3 PUFA supplements on the faecal microbiome in middle-aged, healthy volunteers (n=22). Design A randomised, open-label, cross-over trial of 8 weeks’ treatment with 4 g mixed eicosapentaenoic acid/docosahexaenoic acid in two formulations (soft-gel capsules and Smartfish drinks), separated by a 12-week ‘washout’ period. Faecal samples were collected at five time-points for microbiome analysis by 16S ribosomal RNA PCR and Illumina MiSeq sequencing. Red blood cell (RBC) fatty acid analysis was performed by liquid chromatography tandem mass spectrometry. Results Both omega-3 PUFA formulations induced similar changes in RBC fatty acid content, except that drinks were associated with a larger, and more prolonged, decrease in omega-6 PUFA arachidonic acid than the capsule intervention (p=0.02). There were no significant changes in α or β diversity, or phyla composition, associated with omega-3 PUFA supplementation. However, a reversible increased abundance of several genera, including Bifidobacterium, Roseburia and Lactobacillus was observed with one or both omega-3 PUFA interventions. Microbiome changes did not correlate with RBC omega-3 PUFA incorporation or development of omega-3 PUFA-induced diarrhoea. There were no treatment order effects. Conclusion Omega-3 PUFA supplementation induces a reversible increase in several short-chain fatty acid-producing bacteria, independently of the method of administration. There is no simple relationship between the intestinal microbiome and systemic omega-3 PUFA exposure. / NIHR/EME Yorkshire Cancer Research (YCR)

La présente étude évalue la capacité de la formulation d’oméga-3 EPA:DHA 6:1, une formulation capable d’induire la formation continue de monoxyde d’azote par la NO synthase endothéliale, à améliorer la dysfonction endothéliale liée à l’âge établie chez le rat. La dysfonction endothéliale liée à l’âge est caractérisée par une altération des composantes de la relaxation et une augmentation des réponses contractiles dépendantes de l’endothélium. L’âge augmente le stress oxydant vasculaire, l’expression de la NADPH oxydase, COX-2, eNOS, ACE, AT1R, et des marqueurs de senescence, alors que la COX-1 est sous-exprimé. La formulation EPA:DHA 6:1 améliore la composante NO, diminue l’EDCF et le stress oxydant vasculaire, et normalise l’expression des protéines cibles. En conclusion, la consommation chronique de EPA:DHA 6:1 améliore la dysfonction endothéliale liée à l’âge chez le rat, probablement en prévenant l’activation du système angiotensine locale et le stress oxydant en résultant. / EPA:DHA 6:1 omega-3 formulation has been shown to induce a sustained endothelial NO synthase-derived formation of nitric oxide. This study examined if the intake of EPA:DHA 6:1 improves an established ageing-related endothelial dysfunction. Ageing-related endothelial dysfunction was characterized by a blunted NO-mediated component of relaxation, abolished EDH-mediated component and increased COX-derived endothelium-dependent contractile responses. Ageing increased vascular oxidative stress, expression of NADPH oxidase subunits, COX-2, eNOS, ACE, AT1R, and senescence markers, whereas COX-1 was down-regulated. Chronic intake of EPA:DHA 6:1 improved the NO-mediated relaxations, reduced EDCFs, vascular oxidative stress and normalized the expression of protein markers. In conclusion, chronic intake of EPA:DHA 6:1 prevented the ageing-related endothelial dysfunction in old rats, most likely by preventing activation of the local angiotensin system and the subsequent vascular oxidative stress.

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Contexte : La dysfonction du tissu adipeux blanc (TAB) favorise les facteurs de risque de diabète de type 2 (DbT2), c’est-à-dire la résistance à l’insuline (RI), l’hyper sécrétion d’insuline glucostimulée (SIGS), le délai de clairance des gras et les concentrations élevées d’apoBlipoprotéines (apoB plasmatique) incluant les lipoprotéines de faible densité (LDL). De récentes études de notre laboratoire et d’autres suggèrent que le niveau élevé d’apoB plasmatique (hyperapoB) est une cause et non seulement une conséquence de la dysfonction du TAB. De plus, une internalisation augmentée d’apoB-lipoprotéines via les récepteurs tels que le récepteur aux LDLs (LDLR) et le cluster de différenciation 36 (CD36), favorise le risque de DbT2. Cependant, les mécanismes sous-jacents de même que les interventions nutritionnelles pour les cibler demeurent incertains. L'activation de la voie de l’inflammasome NLRP3/ interleukine (IL) -1β favorise la dysfonction du TAB et les facteurs de risque de DbT2 et est activée par les LDLs oxydées dans les cellules immunitaires. L'acide eicosapentaénoïque (AEP) et l'acide docosahexaénoïque (ADH) réduisent l'hyperapoB, l'activité de l’inflammasome NLRP3 dans les cellules immunitaires et les facteurs de risque de DbT2 chez l’humain. Ils sont synthétisés de façon endogène par l’entremise des désaturases d’acides gras δ-5 (D5D) et δ-6 (D6D). Chez l’humain, de faibles niveaux d’AEP et d’ADH circulants et d’activité de la D5D et une activité élevée de la D6D prédisent l'incidence de DbT2 et la RI par des mécanismes inconnus. Objectifs : L'hypothèse de ma thèse est que l'AEP et l’ADH améliorent les facteurs de risque de DbT2, soit la dysfonction du TAB, le délai de clairance des gras, la RI et l’hyper SIGS, ceci via une baisse de l'apoB plasmatique et de l’activité de l’inflammasome NLRP3 dans le TAB. Les objectifs sont d'examiner si: 1) les associations entre les activités de la D5D et de la D6D et les facteurs de risque de DbT2 dépendent de l'apoB plasmatique; 2) la supplémentation en AEP+ADH réduit l'apoB plasmatique, l'expression du LDLR et du CD36 dans le TAB, l'activité de l’inflammasome NLRP3 dans le TAB et les facteurs de risque de DbT2; 3) l’AEP+ADH inhibe la sécrétion d'IL-1β par le TAB humain stimulée par des signaux canoniques ou les LDLs natives. Méthodes: Des hommes et des femmes postménopausées normoglycémiques ont été testés à l’état basal et après une supplémentation en AEP (1,8 g/jour) et ADH (0,9 g/jour) de 12 semaines. Les activités de la D5D et de la D6D ont été estimées à partir des acides gras produits/précurseurs dans les phospholipides plasmatiques. Nous avons mesuré la SIGS, la RI et le disposition index lors d’un clamp Botnia. Après un repas à 66% de gras, le délai de clairance des gras a été mesuré par l’aire sous la courbe (sur 6 h) des triglycérides (TG) ou de l’apoB48 (chylomicrons) plasmatiques. Ex vivo dans une biopsie de TAB, nous avons mesuré l'expression de surface du LDLR et du CD36 par immunohistochimie, l'ARNm de NLRP3 et IL1B par RT-qPCR et la sécrétion d'IL-1β par alpha-LISA en l’absence ou en présence d’une stimulation par le lipopolysaccharide (LPS), l'adénosine triphosphate (ATP) et/ou les LDLs humaines natives et lors d’une co-incubation avec l’AEP+ADH. Résultats: À l’état basal (N=98), l'activité de la D5D corrélait négativement avec l'apoB plasmatique, la 2e phase de SIGS, la RI et le délai de clairance des chylomicrons et ces associations étaient dépendantes de l'apoB plasmatique. Inversement, l'activité de la D6D corrélait positivement avec la SIGS, la RI et le délai de clairance des chylomicrons indépendamment de l'apoB plasmatique. Chez les sujets ayant complété la supplémentation en AEP+ADH (N=30), on notait une amélioration de la 1e phase de SIGS, du disposition index et de la clairance des TGs. Des niveaux initiaux plus élevés d'apoB plasmatique, de TGs postprandiaux plasmatiques et de RI, et dans le TAB d'expression du LDLR et du CD36, de sécrétion d’IL-1β et d'ARNm de NLRP3 prédisaient une plus grande réduction de ces paramètres. En comparaison à l'acide palmitique, l’AEP+ADH inhibait la sécrétion d'IL-1β par le TAB, en l’abscence ou en présence d’une stimulation par le LPS, l'ATP et/ou les LDLs natives de ces sujets. Conclusion: Les associations inverses entre l'activité de la D5D avec les facteurs de risque de DbT2 sont dépendantes de l'apoB plasmatique. Les meilleurs répondants à la supplémentation en AEP et ADH, en termes de réduction d'apoB plasmatique, d’expression du LDLR et du CD36 dans le TAB, d'activité de l’inflammasome NLRP3 dans le TAB, de TGs postprandiaux et de RI, sont les sujets avec des niveaux initiaux élevés de ces paramètres. L’AEP et l’ADH inhibent directement la sécrétion d'IL-1β par le TAB humain induite par les LDLs natives ou d'autres signaux. Nous proposons que la supplémentation en AEP et ADH puisse cibler l'activité de l’inflammasome NLRP3 dans le TAB, induite par un niveau élevé d’apoB-lipoprotéines plasmatiques ou internalisées par les récepteurs, et ainsi aider à prévenir le DbT2. / Background: White adipose tissue (WAT) dysfunction promotes risk factors for type 2 diabetes (T2D), namely insulin resistance (IR), high glucose-stimulated insulin secretion (GIIS), delayed fat clearance and high concentrations of apoB-lipoproteins (measured as plasma apoB) including low density lipoproteins (LDL). Recent studies from our lab and others suggest that high plasma apoB (hyperapoB) is a cause and not only a consequence of WAT dysfunction. Moreover, upregulated receptor-mediated uptake of apoB-lipoproteins via LDL receptor (LDLR) and cluster of differentiation 36 (CD36), promotes the risk for T2D. However, underlying mechanisms as well as nutritional interventions to target them remain unclear. Activation of the NLRP3 inflammasome/interleukin (IL)-1β pathway promotes WAT dysfunction and risk factors for T2D and is activated by oxidized LDLs in immune cells. Eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) reduce hyperapoB, NLRP3 inflammasome activity in immune cells and risk factors for T2D in humans. They are synthesized endogenously through δ-5 (D5D) and δ-6 (D6D) fatty desaturases. In humans, low levels of circulating EPA and DHA and D5D activity and high D6D activity predict the incidence of T2D and IR by unknown mechanisms. Objectives: The hypothesis of my thesis is that EPA and DHA improve T2D risk factors, namely WAT dysfunction, delayed fat clearance, IR and high GIIS, this via a reduction of plasma apoB and WAT NLRP3 inflammasome activity. The objectives are to examine whether: 1) the associations between the levels of D5D and D6D activities and the risk factors for T2D are dependent on plasma apoB; 2) supplementation with EPA+DHA reduces plasma apoB, WAT LDLR and CD36 expression, WAT NLRP3 inflammasome activity and T2D risk factors; 3) EPA+DHA directly inhibits IL-1β secretion from human WAT stimulated by canonical signals or native LDLs. Methods: Normoglycemic men and postmenopausal women were tested at baseline and after supplementation with EPA (1.8 g/day) and DHA (0.9 g/day) for 12 weeks. The activities of D5D and D6D were estimated from the product/precursor fatty acids in plasma phospholipids. We measured GIIS, IR and disposition index by a Botnia clamp. Following a 66% fat meal, delayed fat clearance was measured as the area under the curve (over 6 h) of plasma triglycerides (TG) or apoB48 (chylomicrons). Ex vivo in a WAT biopsy, we measured LDLR and CD36 surface expression by immunohistochemistry, NLRP3 and IL1B mRNA by RT-qPCR, and IL-1β secretion by alpha-LISA either unstimulated or stimulated by lipopolysaccharide (LPS), adenosine triphosphate (ATP), and/or native human LDLs, and during co-incubation with EPA+DHA. Results: At baseline (N=98), D5D activity correlated negatively with plasma apoB, 2nd phase GIIS, IR and delayed chylomicron clearance and these associations were dependent on plasma apoB. Conversely, D6D activity correlated positively with GIIS, IR, and delayed chylomicron clearance independently of plasma apoB. In subjects who completed the EPA+DHA supplementation (N=30), there was an amelioration in 1st phase GIIS, disposition index and TG clearance. Higher baseline levels of plasma apoB, plasma postprandial TGs, IR, WAT LDLR and CD36 surface expression, WAT IL-1β secretion and WAT NLRP3 mRNA predicted a greater reduction of these parameters. In comparison with palmitic acid, EPA+DHA inhibited IL-1β secretion from WAT, either unstimulated or stimulated by LPS, ATP and/or subjects’ native LDLs. Conclusion: The negative associations of D5D activity with risk factors for T2D are dependent on plasma apoB. Best responders to EPA and DHA supplementation to reduce plasma apoB, WAT LDLR and CD36 expression, WAT NLRP3 inflammasome activity, delayed TG clearance, and IR are subjects with elevated baseline levels of these parameters. EPA and DHA directly inhibit IL-1β secretion from human WAT induced by native LDLs or other signals. We propose that EPA and DHA supplementation may target upregulated WAT NLRP3 inflammasome activity induced by high plasma concentrations, or receptor-mediated uptake, of apoB-lipoproteins, and thus help prevent T2D.