Le microbiote intestinal est un écosystème complexe de micro-organismes jouant un rôle essentiel dans le maintien de la santé, notamment en contribuant à la maturation du système immunitaire et à la protection contre les agents pathogènes. À l’inverse, un déséquilibre de cet écosystème, appelé dysbiose, est associé à diverses pathologies, telles que les troubles gastro-intestinaux, les maladies auto-immunes, l’obésité et les allergies. L’administration orale de probiotiques, des micro-organismes vivants aux effets bénéfiques sur la santé, constitue une stratégie prometteuse pour corriger la dysbiose. Toutefois, les formulations actuelles, telles que les gélules gastro-résistantes ou les systèmes d’encapsulation comme les microparticules, présentent des limites liées à la faible viabilité des bactéries dans les conditions défavorables du tractus gastro-intestinal. Il est donc nécessaire de développer des vecteurs capables de protéger les probiotiques et d'assurer leur libération en quantité suffisante au niveau de l’intestin.
Dans ce contexte, la première partie de cette thèse porte sur le développement d’organogels microporeux comme nouveaux vecteurs oraux de probiotiques. Ces matériaux sont des matrices tridimensionnelles poreuses semi-solides, dans lesquelles un liquide organique est immobilisé au sein d’un réseau formé par l’autoassemblage d’un organogélifiant. Ils ont été élaborés à partir de cire de carnauba, d’huile de soja et d’un porogène hydrosoluble (sucre ou sel). Leur caractérisation structurale, réalisée par microscopie électronique à balayage, microtomographie à rayons X et mesures de drainage, a mis en évidence des réseaux poreux fortement interconnectés, dont l’architecture dépend de la nature et de la taille du porogène. Cette structure favorise les échanges de nutriments, le développement bactérien et leur protection. Par ailleurs, l’analyse des propriétés mécaniques a montré que la rigidité des matériaux augmentait avec la teneur en cire et était également modulée par l’architecture poreuse, mettant ainsi en évidence des relations claires entre la structure et les propriétés mécaniques. Enfin, une évaluation biologique réalisée avec Lactiplantibacillus Plantarum, comme probiotique modèle, a démontré une colonisation efficace de l’ensemble du réseau poreux. Les matériaux à base de sel ont permis l’immobilisation d’environ 1 × 10⁹ bactéries, tandis que les matériaux à base de sucre ont permis l’immobilisation d’environ 5 × 10⁹ bactéries. La protection des bactéries vis-à-vis des conditions du tractus gastro-intestinal, ainsi que leur libération ciblée au niveau du côlon, ont également été démontrées à l’aide d’un système digestif artificiel. Les matériaux à base de sel se sont distingués par de meilleures performances en termes de survie bactérienne, avec 33 % de bactéries viables immobilisées (soit environ 2 × 10⁸ bactéries) contre les 7 % retenues (environ 5 × 10⁷ bactéries) par les matériaux à base de sucre. Ces premiers résultats démontrent ainsi le potentiel des organogels microporeux comme vecteurs innovants pour l’administration orale de probiotiques.
Cependant, bien que l’administration de probiotiques vivants présente un intérêt thérapeutique, elle est plus difficile à réaliser et peut entraîner un risque de dissémination bactérienne. Une autre alternative consiste à administrer directement leurs métabolites bioactifs (pharmabiotiques), responsables d’une partie de leurs effets bénéfiques. Néanmoins, leur isolement et leur administration ciblée restent des défis majeurs. Grâce à leur forte capacité de drainage, les organogels microporeux, déjà utilisés pour capter et concentrer des composés hydrophobes, pourraient également servir de capteurs et concentrateurs sélectifs de métabolites lipophiles produits par les probiotiques. Dans une seconde partie de cette thèse, et grâce à l’utilisation d’une molécule modèle fluorescente lipophile, cette approche a pu faire l’objet d’une première évaluation.
|
The gut microbiota is a complex ecosystem of microorganisms that plays an essential role in maintaining human health, notably by contributing to the maturation of the immune system and protecting the host against pathogens. Conversely, disruption of this ecosystem, known as dysbiosis, has been associated with a wide range of diseases, including gastrointestinal disorders, autoimmune diseases, obesity, and allergies. Oral administration of probiotics, which are live microorganisms that confer health benefits to the host, represents a promising strategy for restoring microbial balance. However, current formulations, such as enteric-coated capsules and encapsulation systems based on microparticles, are limited by the poor survival of probiotic bacteria under the harsh conditions of the gastrointestinal tract. Therefore, there is a need to develop delivery systems capable of protecting probiotics and ensuring their efficient release in the intestine.
In this context, the first part of this thesis focuses on the development of microporous organogels as novel oral carriers for probiotics. These materials are semi-solid, porous three-dimensional matrices in which an organic liquid is immobilized within a network formed through the self-assembly of an organogelator. They were prepared from carnauba wax, soybean oil, and a water-soluble porogen (either sugar or salt). Their structural characterization, performed using scanning electron microscopy, X-ray microcomputed tomography, and drainage measurements, revealed highly interconnected porous networks whose architecture depends on the nature and size of the porogen. This porous structure promotes nutrient diffusion, bacterial growth, and bacterial protection. Furthermore, mechanical characterization showed that the stiffness of the materials increased with wax content and was also modulated by the porous architecture, highlighting clear relationships between structure and mechanical properties. Finally, biological evaluation using Lactiplantibacillus plantarum as a model probiotic demonstrated efficient colonization throughout the porous network. Salt-based materials enabled the immobilization of approximately 1 × 10⁹ bacteria, whereas sugar-based materials immobilized approximately 5 × 10⁹ bacteria. Protection of the bacteria against gastrointestinal conditions, as well as their targeted release in the colon, was also demonstrated using an artificial digestive system. Salt-based materials exhibited superior performance in terms of bacterial survival, with 33% of the initially immobilized bacteria remaining viable (approximately 2 × 10⁸ bacteria), compared with only 7% (approximately 5 × 10⁷ bacteria) for sugar-based materials. These findings demonstrate the potential of microporous organogels as innovative carriers for the oral delivery of probiotics.
Although the administration of live probiotics offers significant therapeutic potential, it is more challenging to implement and may entail a risk of bacterial dissemination. An alternative strategy is the direct administration of their bioactive metabolites, known as pharmabiotics, which are responsible for part of their beneficial effects. However, the isolation and targeted delivery of these metabolites remain major challenges. Owing to their high drainage capacity, microporous organogels, which have already been used to capture and concentrate hydrophobic compounds, could also serve as selective capture and concentration platforms for lipophilic metabolites produced by probiotics. In the second part of this thesis, this concept was evaluated for the first time using a lipophilic fluorescent model compound.
|