Encapsulation de substances naturelles à effets anti-infectieux et/ou anti-inflammatoire

par Tamsir Niang

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Benjamin Carbonnier et de Abdoulaye Gassama.

Thèses en préparation à Paris 12 en cotutelle avec l'Université de Ziguinchor (UDZ) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est (laboratoire) et de Chimie Moléculaire et Matériaux Macromoléculaires (equipe de recherche) depuis le 01-04-2021 .


  • Résumé

    La valorisation des bio-ressources constitue un des enjeux planétaires majeurs des prochaines décennies avec pour projection une population mondiale d'environ 9 milliards d'individus à l'horizon 2050 et des prévisions d'évolution de la consommation énergétique, de denrées alimentaires, de matières premières et matériaux en forte hausse. L'exploitation durable des ressources naturelles constitue un vecteur important de progrès social et de croissance économique dans des vecteurs aussi variés que la construction, l'agro-alimentaire, l'énergie et la santé. Les infections résistantes aux médicaments, qualifiées par l'Organisation Mondiale de la Santé de menaces pour la santé publique, peut-être accentuées par la crise sanitaire actuelle liée à la Covid-19, ne cessent de se développer. L'administration répétée d'antibiotiques chez l'homme ou l'animal a créé une pression de sélection sur les populations bactériennes ainsi que les conditions favorables au développement et à la dissémination de souches résistantes aux antibiotiques. Face à cette menace persistance de l'anti-biorésistance, qui est la cause de plus de 700.000 victimes par an dans le monde, dont 25.000 en Europe, un bilan qui devrait s'élever à 10 millions d'ici 2050, de nouvelles stratégies thérapeutiques doivent aujourd'hui être explorées pour lutter contre les infections microbiennes. Une approche originale et prometteuse consiste à utiliser des molécules de la pharmacopée naturelle utilisées dans les médecines traditionnelles. Les terpènes et terpénoïdes, molécules aromatiques issues de la résine de nombreuses plantes dont les conifères, sont des constituants majeurs des huiles essentielles et possèdent un large spectre de propriétés thérapeutiques avérées telles que des effets analgésique, antibactérien, antidiabétique, anti-inflammatoire, anti-insomnie, antimutagène, antipsychotique, antispasmodique, chimio-préventive, anticancérigène, anti-oxydante… La diversité de ces propriétés thérapeutiques s'explique par la diversité chimique des terpènes/terpénoïdes qui sont largement utilisés dans les industries des arômes, parfums, lubrifiants de haute qualité, biocarburants, produits chimiques agricoles et médicaments. Toutefois, ces molécules sont sensibles à des stress environnementaux tels que la température, la lumière et l'oxydation, entrainant leur volatilisation ou leur dégradation chimique et ayant, in fine, un impact négatif sur la préservation des formulations médicales et paramédicales. L'encapsulation des terpènes/terpénoïdes dans des systèmes de transport de taille nanométrique est une approche efficace pour préserver et booster leurs propriétés thérapeutiques. Deux grandes stratégies ont été utilisées pour l'encapsulation des terpènes/terpénoïdes : (i) encapsulation moléculaire dans des molécules cages comme les cyclodextrines et (ii) encapsulation dans des nanoparticules organiques biodégradables. Ce projet de thèse ambitionne d'explorer une voie originale et prometteuse pour l'encapsulation de terpènes/terpénoïdes dans des nanoparticules à base de polymères de cyclodextrine. Ces nanoparticules pourront notamment être préparées sous la forme de nanoparticules creuses, ou nanocapsules, par auto-assemblage couche-par-couche de polysaccharides polyélectrolytes sur des gabarits nanoparticulaires. Ces derniers seront éliminés par simple dissolution après l'assemblage donnant accès facilement à des nanocapsules de taille et composition chimique variées mais contrôlées. De tels nano-objets offrent des possibilités particulièrement intéressantes pour l'encapsulation de molécules thérapeutiques via soit l'inclusion dans les cavités de cyclodextrine, soit des interactions électrostatiques avec les polysaccharides constitutifs de l'écorce polymère de la nanocapsule, soit par encapsulation dans le cœur de la nanocapsule. Ces voies d'interactions permettent l'encapsulation dans un même système nanopaticulaire de différentes molécules bioactives. L'objectif premier de ce travail visera l'encapsulation de terpènes/terpénoïdes dans les cavités de cyclodextrine et les perspectives à ce travail pourront considérer une encapsulation « cocktail » de molécules thérapeutiques différentes. La complémentarité des deux laboratoires porteurs de ce sujet de thèse dans les domaines de la chimie des molécules naturelles bioactives et de l'élaboration et la caractérisation de systèmes d'encapsulation particulaires à base de polymères naturels et à perméabilité contrôlée constitue un atout indéniable pour la réussite de ce projet de thèse. Le programme de travail s'organisera autour de trois grandes tâches qui seront placées sous la responsabilité d'un des laboratoires partenaires ou sous la responsabilité conjointe des deux laboratoires. Tâche 1 : Extraction et caractérisation de terpènes/terpénoides Laboratoire responsable : Laboratoire Chimie et Physique des Matériaux (LCPM), Université Assane Seck de Ziguinchor L'objectif sera de développer des méthodes originales et inspirées par les principes de la chimie verte pour extraire des terpènes/terpénoides à partir de ressources naturelles locales et disponibles au Sénégal. Après extraction et isolement, la structure chimique desdits terpènes/terpénoides sera déterminée par une combinaison de méthodes (IR, UV, RMN, GC-MS…). Les techniques de caractérisation disponibles sur les plateformes technologiques de l'ICMPE pourront être utilisées. Tâche 2 : Elaboration de nanocapusles à base de cyclodextrine Laboratoire responsable : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, Université Paris-Est Créteil L'objectif sera de préparer des nanocapusles de taille contrôlée en utilisant des polymères de cyclodextrine qui seront synthétisés à l'ICMPE et des polysaccharides biodégradables. Les propriétés d'encapsulation de ces nanocapsules seront évaluées vis-à-vis des terpènes/terpénoïdes obtenus à la tâche 1. Les nanocapsules seront caractérisées par les méthodes adaptées (potentiel zêta, DLS, MEB, TEM) et un des objectifs sera de comparer les différents nanosystèmes développés en termes notamment d'efficacité et capacité d'encapsulation. Un point important consistera a étudié les propriétés de relargage des terpènes/terpénoïdes.   Tâche 3 : Evaluation des propriétés thérapeutiques de terpènes/terpénoïdes enapsulés Laboratoires responsables : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, Université Paris-Est Créteil & Laboratoire d'Analyse et de Traitement de l'Eau, Université Assane Seck de Ziguinchor L'objectif final de ce projet de thèse est de développer des systèmes d'encapsulation nanoparticulaires pour exalter les propriétés thérapeutiques de terpènes/terpénoïdes. Deux propriétés seront initialement étudiées, les propriétés antibactériennes et anti-inflammatoires. Ces études seront menées sous la responsabilité conjointe des deux laboratoires et pourront faire appel à des collaborations au sein des deux Universités. Les propriétés antibactériennes seront évaluées via des méthodes classiques vis-à-vis de bactéries à gram positif et négatif (Staphylococcus aureus, Escherichia coli…). L'activité anti-inflammatoire des nanoformulations à base de terpènes/terpénoïdes sera testée sur la lipoxygénase, une enzyme impliquée dans l'inflammation. Il est aussi envisager de démontrer l'activité anti-oxydante des terpénes/terpénoïdes encapsulés par les méthodes DPPH (2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl) et/ou ABTS (2,2-'-azinobis [acide 3-éthylbenzothiazoline-6-sulfonique]. Les résultats seront comparés à ceux obtenus avec la quercétine utilisée comme références. En fonction de l'état d'avancement des travaux décrits sommairement dans les tâches 1-3, il sera possible d'envisager le développement de vecteurs pharmaceutiques plus élaborés, répondant à des stimuli et permettant ainsi un relargage ciblé des terpènes/terpénoïdes.

  • Titre traduit

    Encapsulation of natural substances with anti-infective and/or anti-inflammatory effects


  • Résumé

    The development of bio-resources is one of the major global challenges of the coming decades, with a projected world population of around 9 billion people by 2050 and a sharp increase in the consumption of energy, food, raw materials and materials. The sustainable exploitation of natural resources is an important vector of social progress and economic growth in areas as varied as construction, food processing, energy and health. Drug-resistant infections, described by the World Health Organization as a threat to public health, perhaps accentuated by the current health crisis linked to Covid-19, are continuing to develop. The repeated administration of antibiotics to humans or animals has created selection pressure on bacterial populations and conditions favorable to the development and dissemination of antibiotic-resistant strains. Faced with this persistent threat of anti-bio-resistance, which is the cause of more than 700,000 victims per year worldwide, including 25,000 in Europe, a toll that is expected to reach 10 million by 2050, new therapeutic strategies must now be explored to fight against microbial infections. An original and promising approach consists of using molecules from the natural pharmacopoeia used in traditional medicines. Terpenes and terpenoids, aromatic molecules derived from the resin of many plants, including conifers, are major constituents of essential oils and have a wide range of proven therapeutic properties such as analgesic, antibacterial, antidiabetic, anti-inflammatory, anti-insomnia, and antimutagenic effects, antipsychotic, antispasmodic, chemopreventive, anticarcinogenic, antioxidant... The diversity of these therapeutic properties is explained by the chemical diversity of terpenes/terpenoids which are widely used in the flavor, fragrance, high quality lubricants, biofuels, agricultural chemicals and drug industries. However, these molecules are sensitive to environmental stresses such as temperature, light and oxidation, leading to their volatilization or chemical degradation and ultimately having a negative impact on the preservation of medical and paramedical formulations. The encapsulation of terpenes/terpenoids in nano-sized transport systems is an effective approach to preserve and boost their therapeutic properties. Two main strategies have been used for the encapsulation of terpenes/terpenoids: (i) molecular encapsulation in cage molecules such as cyclodextrins and (ii) encapsulation in biodegradable organic nanoparticles. This thesis proposal aims to explore an original and promising way for the encapsulation of terpenes/terpenoids in nanoparticles based on cyclodextrin polymers. These nanoparticles could be prepared in the form of hollow nanoparticles, or nanocapsules, by layer-by-layer self-assembly of polyelectrolyte polysaccharides on nanoparticle templates. These will be removed by simple dissolution after assembly, giving easy access to nanocapsules of various but controlled sizes and chemical composition. Such nano-objects offer particularly interesting possibilities for the encapsulation of therapeutic molecules via either inclusion in cyclodextrin cavities, electrostatic interactions with the polysaccharides constituting the polymeric bark of the nanocapsule, or encapsulation in the core of the nanocapsule. These interaction pathways allow the encapsulation of different bioactive molecules in the same nanopatic system. The primary objective of this work will be the encapsulation of terpenes/terpenoids in cyclodextrin cavities and the prospects for this work may consider a "cocktail" encapsulation of different therapeutic molecules. The complementarity of the two laboratories carrying this thesis topic in the fields of the chemistry of natural bioactive molecules and the elaboration and characterization of particle encapsulation systems based on natural polymers and controlled permeability is an undeniable asset for the success of this thesis project. The work program will be organized around three main tasks that will be placed under the responsibility of one of the partner laboratories or under the joint responsibility of both laboratories. Task 1: Extraction and characterization of terpenes/terpenoids Laboratory responsible: Laboratory of Chemistry and Physics of Materials (LCPM), Assane Seck University of Ziguinchor The objective will be to develop original methods inspired by the principles of green chemistry to extract terpenes/terpenoids from local natural resources available in Senegal. After extraction and isolation, the chemical structure of the said terpenes/terpenoids will be determined by a combination of methods (IR, UV, NMR, GC-MS...). The characterization techniques available on the ICMPE technology platforms will be used. Task 2: Elaboration of cyclodextrin-based nanocapusles Laboratory responsible: Institute of Chemistry and Materials Paris-Est, Paris-Est Créteil University The objective will be to prepare size controlled nanocapsules using cyclodextrin polymers that will be synthesized at ICMPE and biodegradable polysaccharides. The encapsulation properties of these nanocapsules will be evaluated against the terpenes/terpenoids obtained in Task 1. The nanocapsules will be characterized by the adapted methods (zeta potential, DLS, SEM, TEM) and one of the objectives will be to compare the different nanosystems developed in terms of efficiency and encapsulation capacity. An important point will be to study the release properties of terpenes/terpenoids. Task 3: Evaluation of the therapeutic properties of encapsulated terpenes/terpenoids Laboratories responsible: Institute of Chemistry and Materials Paris-Est, Paris-Est Créteil University & Laboratory of Water Analysis and Treatment, Assane Seck University of Ziguinchor The final objective of this thesis project is to develop nanoparticle encapsulation systems to enhance the therapeutic properties of terpenes/terpenoids. Two properties will initially be studied, antibacterial and anti-inflammatory properties. These studies will be conducted under the joint responsibility of the two laboratories and may involve collaborations within the two Universities. The antibacterial properties will be evaluated by classical methods against gram positive and negative bacteria (Staphylococcus aureus, Escherichia coli...). The anti-inflammatory activity of terpene/terpenoid-based nanoformulations will be tested on lipoxygenase, an enzyme involved in inflammation. It is also envisaged to demonstrate the antioxidant activity of encapsulated terpenes/terpenoids by DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) and/or ABTS (2,2-'-azinobis [3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid]) methods. The results will be compared to those obtained with the quercetin used as reference. Depending on the state of progress of the work described briefly in tasks 1-3, it will be possible to comtemplate the development of more elaborate pharmaceutical vectors, responding to stimuli and thus allowing a targeted release of terpenes/terpenoids.