Au cours des dernières décennies, les antimicrobiens naturels d'origine bactérienne, telles que les bactériocines et la reutérine, ont reçu une attention considérable entant que conservateurs alimentaires ou comme alternatives aux antibiotiques pour les secteurs humain et animal. L'approbation des bactériocines et de la reutérine entant que bio-conservateurs ou assainisseurs par les organismes réglementaires repose non seulement sur les preuves d'efficacité mais également sur des données crédibles de cytotoxicité et de comportement dans l'environnement gastro-intestinal. Bien que les activités antimicrobiennes des bactériocines et de la reutérine soient largement documentées dans la littérature, très peu de données sont disponibles sur leur biodisponibilité dans les matrices biologiques et sur leur toxicité pour les différentes applications. Par conséquent, l'objectif général de cette thèse est d'évaluer, à travers différents modèles in vitro, la stabilité gastro-intestinale, l'activité biologique et la toxicité des bactériocines et de la reutérine en vue de leur utilisation dans différentes applications alimentaire, médicale et vétérinaire. Le premier objectif spécifique était de produire, purifier et évaluer l'activité antimicrobienne des bactériocines et de la reutérine seules et en combinaison contre un large panel de organismes pathogènes et d'altération d'intérêt pour les différents secteurs. Cinq consortia synergiques différents ont été identifiés, dont trois -microcine J25 + l'acide citrique + l'acide lactique, microcine J25 + reutérine + acide citrique, et microcine J25 + reutérine + acide lactique- ont montré une activité significative contre Salmonella enterica subsp. enterica serovar Newport ATCC6962 (indice FIC = 0,5). Deux autres combinaisons- pédiocine PA-1 + acide citrique+ acide lactique, et reutérine + acide citrique + acide lactique- ont montré des effets partiellement synergiques contre Listeria ivanovii HPB28 (indice FIC = 0,75). Le deuxième objectif spécifique était d'évaluer la stabilité gastro-intestinale de la reutérine à l'aide d'un modèl simulant des conditions digestives chez l'humain ainsi que l'activité hémolytique et la cytotoxicité in vitro de la reutérine par dosage au rouge neutre et dosage colorimétrique à la lactate déshydrogénase (LDH) en utilisant la lignée cellulaire Caco-2. La reutérine s'est révélée biologiquement très stable los du transit gastro-intestinal. L'exposition des cellules Caco-2 à différentes concentrations de réutérine n'a montré aucun effet négatif sur la viabilité ni sur l'intégrité des cellules à des concentrations allant jusqu'à 1080 mM. De plus, aucune hémolyse n'a été observée sur les cellules sanguines exposées à des concentrations allant jusqu'à 270 mM de reutérine. En conséquence, cette étude nous a permis de démontrer que la réutérine peut être utilisée de façon très sécuritaire à des concentrations n'excédant pas 270 mM, dans différentes applications. Le troisième objectif était d'évaluer la stabilité gastro-intestinale et l'activité de la microcine J25, de la pédiocine PA-1, de la bactofencine A et de la nisine à l'aide de modèles in vitro. De plus, la cytotoxicité et l'activité hémolytique de ces bactériocine sont été étudiées sur des cellules Caco-2 et des érythrocytes de rat, respectivement. Nos résultats ont montré que la pédiocine PA-1, la bactofencine A et la nisine sont dégradées à différents niveaux lors du transit gastro-intestinal, tandis que la microcine J25 n'est que partiellement dégradée. D'autre part, les études réalisées sur les cellules Caco-2 n'ont montré aucun effet cytotoxique jusqu'à des concentrations de 400 µg/mL. L'étude sur les érythrocytes de rat a montré un effet, hémolytique significatif lorsque la pédiocine PA-1, la bactofencine A et la nisine sont utilisées à des concentrations supérieures à 50 µg/mL, tandis que la microcine J25 n'a montré aucun effet hémolytique Dans le quatrième objectif, la toxicité cutanée de la reutérine, de la microcine J25, de la pédiocine PA-1, de la bactofencine A et de la nisine Z a été étudiée in vitro en utilisant des tests de libération de rouge neutre et de LDH sur des cellules NHEK. Les potentiels de sensibilisation et d'irritation cutanée de ces mêmes bactériocine sont également été déterminés en utilisant respectivement le test h-CLAT et le modèle épidermique humain EpiDerm™. Les essais réalisés sur les cellules NHEK ont montré que l'exposition de ces cellules aux bactériocines et à la reutérine à des concentrations allant à 400 µg/mL et 80 mg/mL respectivement, n'a entrainé aucun effet cytoxique. De plus, la microcine J25 et la reutérine n'ont montré aucune sensibilisation cutanée à des concentrations allant à 100 µg/mL et 40 mg/mL, respectivement, tandis que la pédiocine PA-1, la bactofencine A et la nisine Z ontprovoqué une sensibilisation à des concentrations supérieures à 100 µg/mL. La viabilité des tissus n'a pas été affectée en présence de bactériocines et de reutérine à des concentrations allant jusqu'à 200 µg/mL et 40 mg/mL, respectivement. L'ensemble de ces résultats montre que certaines bactériocines et la reutérine pourraient être incorporées en toute sécurité comme ingrédient antimicrobien dans différentes préparations topiques destinées à des applications humaines et animales Finalement, le dernier chapitre de la thèse a été consacré au développement et à la caractérisation de différents hydrogels à activité antimicrobienne et ayant comme principe actif des bactériocines ou de la réutérine. La reutérine, la pédiocine PA-1 et la microcine J25 ont été incorporées dans des formules d'hydrogel développées à partir de biopolymères à base de chitosan (1,5% , 2,5%) ou de carboxymethle cellulose (CMC 3% , 5%). Les hydrogels développés ont été caractérisés en termes d'aspect général, de viscosité, d'activité antimicrobienne et de stabilité pendant lors de l'entreposage à température ambiante. Les résultats obtenus ont montré que le chitosane à 1,5 % et 2,5 % contenant de la microcine J25 ou de la pédiocine PA-1demontré une activité inhibitrice significative durant toute la période d'entreposage. L'effet inhibiteur de la microcine J25 et de la reutérine dans les hydrogels CMC 3% et 5% est resté inchangé tandis que la pédiocine ajouté aux hydrogels de CMC 3% et 5% a perdu son activité dès la première semaine. En termes de viscosité, l'ajout d'antimicrobiens aux hydrogels n'a pas affecté leur viscosité et toutes les formules sont restées stables pendant les quatre semaines d'entreposage. Les résultats obtenus montrent que les formules développées présentent un fort potentiel d'application dans les secteurs alimentaire, médical et vétérinaire. En conclusion, le travail décrit dans cette thèse a permis de générer des résultats uniques sur le comportement, l'activité biologique, la stabilité et la toxicité de plusieurs composés antimicrobiens d'origine bactérienne incluant différentes bactériocines et la reutérine. Différents modèles in vitro récents et protocoles expérimentaux ont alors été utilisés et adoptés pour notre étude. Les résultats obtenus sont très pertinents et sont indispensable dans les démarches d'homologation de ces composés naturels par les différents organismes règlementaires pour différentes applications que ce soit pour le secteur alimentaire, médicale et/ou vétérinaire. En conclusion, le travail décrit dans cette these a permis de générer des résultats uniques sur le comportement, l'activité biologique, la stabilité et la toxicité de plusieurs composés antimicrobiens d'origine bactérienne incluant différentes bactériocines et la reutérine. Différents modèles in vitro récents et protocoles expérimentaux ont alors été utilisés et adoptés pour notre étude. Les résultats obtenus sont très pertinents et sont indispensable dans les démarches d'homologation de ces composés naturels par les différents organismes règlementaires pour différentes applications que ce soit pour le secteur alimentaire, médicale et/ou vétérinaire. / In recent decades, natural antimicrobials produced by bacteria, such as bacteriocins and reuterin, have received considerable attention as food preservatives or as alternatives to antibiotics for the human and animal sectors. Approval of bacteriocins and reuterin as bio-preservatives or sanitizers by regulatory agencies is based not only on evidence of efficacy but also on sufficient data on cytotoxicity and behavior in the gastrointestinal conditions. Although the antimicrobial activities of bacteriocins and reuterin have been widely studied, very little data is available on their behavior in biological matrices and their toxicity for different applications. Therefore, the general objective of this thesis was to evaluate the gastrointestinal stability, the biological activity, and the toxicity of bacteriocins and reuterin using different in vitro models for their intended use in food, medical, and veterinary applications. The first specific objective was to produce, purify and evaluate the antimicrobial activity of bacteriocins and reuterin alone and in combination against a wide range of pathogenic and spoilage organisms of interest to different sectors. Five different synergistic consortia were identified, of which three of them (microcin J25 + citric acid + lactic acid, microcin J25 + reuterin + citric acid, and microcine J25 + reuterin + lactic acid) showed significant activity against Salmonella enterica subsp. enterica serovar Newport ATCC 6962 (FIC index = 0.5). Two other combinations (pediocin PA-1 + citric acid + lactic acid, and reuterin + citric acid + lactic acid) showed partially synergistic effect against Listeria ivanovii HPB28 (FIC index = 0.75). The second specific objective was to evaluate the gastrointestinal stability of reuterin using an in vitro simulated digestion conditions in humans. Furthermore, the hemolytic activity, and in vitro cytotoxicity of reuterin using neutral red assay and lactate dehydrogenase (LDH) release assays were determined on assay on the Caco-2 cell line. Reuterin was observed to be very stable biologically during gastrointestinal transit. Moreover, exposure of Caco-2 cells to different concentrations of reuterin showed no negative effect on cell viability or membrane integrity at concentrations up to 1080 mM. In addition, no hemolysis was observed on erythrocytes exposed to concentrations up to 270 mM of reuterin. As a result, this study demonstrated that reuterin can be safely used at concentrations up to 270 mM, in various applications. The third objective was to assess the gastrointestinal stability and activity of microcin J25, pediocin PA-1, bactofencin A and nisin using in vitro models. In addition, the cytotoxicity and hemolytic activity of these bacteriocins were studied on Caco-2 cells and rat erythrocytes, respectively. According to the results, pediocin PA-1, bactofencin A and nisin were degraded at different levels during gastrointestinal transit, while microcin J25 was only partially degraded. Moreover, bacteriocins did not show cytotoxic effects on Caco-2 cells at concentrations up to 400 µg/mL. Finally, pediocin PA-1, bactofencin A, and nisin at concentrations higher than 50 µg/mL showed hemolytic potential, while microcin J25 did not cause hemolysis. In the fourth objective, the dermal toxicity of reuterin, microcin J25, pediocin PA-1, bactofencin A and nisin Z was studied in vitro using neutral red and LDH release assays on NHEK cells. The skin sensitization and irritation potentials of these bacteriocins and reuterin were also determined using the h-CLAT test and the human epidermal model EpiDerm ™, respectively. The results demonstrated that exposure of NHEK cells to these bacteriocins and reuterin at concentrations up to 400 µg/mL and 80 mg/mL, respectively, did not induce any cytotoxic effect. Inaddition, microcin J25 and reuterin showed no skin sensitization at concentrations up to 100 µg/mL and 40 mg/mL, respectively, while pediocin PA-1, bactofencin A and nisin Z caused sensitization at concentrations higher than 100 µg/mL. Tissue viability was not affected in the presence of bacteriocins and reuterin at concentrations up to 200 µg/mL and 40 mg/mL, respectively. Taken together, these results showed that certain bacteriocins and reuterin could be safely incorporated as an antimicrobial ingredient in various topical preparations intended for human and animal applications. Finally, the last chapter of the thesis was devoted to the development and characterization of different antimicrobial hydrogels based on bacteriocins or reuterin. Reuterin, pediocin PA-1, microcin J25 were incorporated into hydrogel formulations developed from biopolymers; chitosan (1.5%, 2.5%) or carboxymethyl cellulose (CMC, 3, 5%). The developed hydrogels were characterized in terms of general appearance, viscosity, antimicrobial activity, and stability during storage at room temperature. The results showed that the 1.5% and 2.5% chitosan containing microcin J25 or pediocin PA-1 have significant inhibitory activity throughout the storage period. The inhibitory effect of microcin J25 and reuterin in the 3% and 5% CMC hydrogels remained unchanged while the pediocin PA-1 added to the 3% and 5% CMC hydrogels totally lost its activity after one week. In terms of viscosity, the addition of antimicrobials to the hydrogels did not affect their viscosity and all formulations remained stable during the four weeks of storage. The results suggested that the formulas developed have great potential for application as sanitizer in the food, medical and veterinary sectors. In conclusion, this thesis has generated unique results on the gastrointestinal behavior, biological activity, stability, and toxicity of several bacterial drived antimicrobials including different bacteriocins and reuterin. Different in vitro models were adopted for this study. The results obtained are very relevant and are essential for the approval process of these natural compounds by the various regulatory agencies for different applications in food, medical or veterinary sector.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/71256 |
| Date | 02 February 2024 |
| Creators | Soltani, Samira |
| Contributors | Biron, Éric, Fliss, Ismaïl, Subirade, Muriel |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxviii, 237 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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