Application des biopolymères comme agents d'encapsulation pour la protection et la libération colonique de probiotiques de nouvelle génération

Biopolymers as encapsulating materials for the protection and colonic administration of the next generation probiotic.

• Auteur / Autrice : Ngan Dinh
• Direction : Thomas Karbowiak, Bonastre Oliete
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologies agro-alimentaires
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Institut Agro
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés Alimentaires et Microbiologiques
• Partenaire(s) de recherche : École d'inscription : L'Institut Agro Dijon (2022-....)

Mots clés

Mots clés libres

Probiotiques de nouvelle génération

Administration colique

Encapsulation

Libération contrôlée

Mécanisme de déclenchement

Biopolymère

Next-generatioin probiotics

Colonic delivery

Encapsulation

Controlled release

Release mechanism

Biopolymers

Résumé

Les probiotiques de nouvelle génération (PNG) ont été définis par Martin et Langella en 2019 comme des « micro-organismes vivants identifiés sur la base d'analyses comparatives du microbiote qui, lorsqu'ils sont administrés en quantités adéquates, confèrent un bénéfice pour la santé de l'hôte » (Martín et Langella, 2019). D'ailleurs, la physiopathologie des maladies inflammatoires de l'intestin (MICI) est liée au déséquilibre de ces souches de bactéries NGP. Par conséquent, le rétablissement de l'équilibre du microbiote intestinal a également été proposé comme méthode potentielle pour gérer les symptômes des MICI. L'approche la moins invasive pour rééquilibrer le microbiote est de fournir des probiotiques par voie orale (Coqueiro et al., 2019). Cependant, la plupart des PNG vivent dans le côlon humain, qui présente de faibles niveaux d'oxygène et un pH élevé. Par conséquent, certaines souches sont extrêmement sensibles aux environnements externes (y compris le pH, l'oxygène, les enzymes, etc.), ce qui entraîne plusieurs défis lors de la production, du stockage et de l'administration ciblée sur le côlon. L'encapsulation des probiotiques à l'aide de macromolécules comestibles peut être l'une des technologies les plus efficaces qui ont été appliquées avec succès aux industries pharmaceutiques et alimentaires. La gélification ionotropique fait partie des techniques d'encapsulation et a été choisie pour être étudiée plus en détail car elle a l'influence la moins agressive sur la survie des bactéries. En outre, la lyophilisation (pour la déshydratation) peut directement transformer la teneur en eau des bactéries de la phase solide à la phase gazeuse et maintenir l'intégrité des bactéries avec l'impact de température le plus faible. L'alginate est un matériau potentiel pour l'encapsulation de probiotiques extrêmement sensibles. L'alginate de sodium, le sel de sodium de l'acide alginique, est un polysaccharide naturel non ramifié, non toxique, biocompatible, peu coûteux, gélifiant avec les cations et dépendant du pH. En outre, il a été prouvé que l'alginate présente une tolérance élevée à l'oxygène et qu'il peut être complètement dissous dans l'environnement intestinal, ce qui contribue à la libération des matériaux centraux. Toutefois, le mécanisme de libération des matrices d'alginate n'est pas bien compris. Par conséquent, le premier objectif principal de ce projet de doctorat est de comprendre le mécanisme de libération des bactéries des matrices d'alginate. Ensuite, l'application et l'amélioration de la viabilité cellulaire des probiotiques encapsulés contre les effets létaux du traitement en ajustant la formulation et le processus. Enfin, les changements dans la fonctionnalité des bactéries délivrées seront étudiés à l'aide d'une analyse métabolomique. Le projet de doctorat sera organisé en trois grandes étapes : 1. Mécanismes de libération des matériaux encapsulés dans les matrices d'alginate : Dans cette étape, l'objectif principal sera de comprendre et d'enregistrer la cinétique de libération des probiotiques encapsulés dans une matrice d'alginate. Cette propriété essentielle garantit que tous les probiotiques à l'intérieur peuvent être protégés et livrés complètement à l'endroit ciblé. L. plantarum sera utilisé comme sujet représentant le comportement des bactéries probiotiques. En outre, des techniques d'échange d'ions seront utilisées pour confirmer si l'échange d'ions est le mécanisme central de la libération. 2. Stratégies d'administration des probiotiques : Cette étape consistera à optimiser les paramètres de traitement afin d'améliorer la viabilité et la stabilité des bactéries probiotiques au cours du traitement, du stockage et du passage dans le système gastro-intestinal. Le processus sera mené sur différentes souches bactériennes présentant des caractéristiques différentes en termes de morphologie ou de tolérance à l'oxygène, telles que L. plantarum, B. infantis, C. minuta et B. wexlerae. L'objectif est de trouver une méthode appropriée pour l'application aux probiotiques extrêmement sensibles à l'oxygène. Nous explorerons différentes formulations, en ajoutant des additifs pour assurer une survie et une fonctionnalité maximales des bactéries. 3. Fonctionnalité des bactéries administrées : La dernière étape consistera à caractériser la manière dont l'encapsulation affecte la fonctionnalité des bactéries probiotiques de survie, en particulier leur profil métabolique. Les expériences cibleront des souches bactériennes sensibles de probiotiques anaérobies à strictement anaérobies.

Next-generation probiotics (NGPs) were defined by Martin et Langella in 2019 as “live microorganisms identified on the basis of comparative microbiota analyses that, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host” (Martín and Langella, 2019). Besides, the pathophysiology of inflammatory bowel diseases (IBD) is linked to the imbalance of these NGP bacteria strains. Therefore, restoring the balance of the gut microbiota has also been proposed as a potential method for managing IBD symptoms. The least invasive approach for rebalancing is providing probiotics through oral administration (Coqueiro et al., 2019). However, most NGPs are found living in the human colon, which has low levels of oxygen and a high pH. Hence, some strains are extremely sensitive to external environments (including pH, oxygen, enzymes, etc.), leading to several challenges during production, storage, and colon-targeted delivery. Encapsulating probiotics using edible macromolecules can be one of the most effective technologies that have been successfully applied to the pharmaceutical and food industries. Ionotropic gelation belongs to encapsulation techniques, and it was chosen to be further studied since it has the least aggressive influence on bacterial survival. Besides, freeze-drying (for dehydration) can directly transform the water content of bacteria from the solid phase to gas and maintain the integrity of bacteria with the lowest temperature impact. Alginate is a potential material for encapsulating extremely sensitive probiotics. Sodium alginate, the sodium salt of alginic acid, is an unbranched natural polysaccharide that is non-toxic, biocompatible, inexpensive, gel-forming with cations, and pH-dependent. Besides, alginate has been proven to have high oxygen tolerance and could be dissolved completely in the intestinal environment, helping release core materials. However, the release mechanism from alginate matrices is not well understood. Hence, the first main goal of this PhD project is to understand the release mechanism of bacteria from alginate matrices. Then, apply and improve the cell viability of encapsulated probiotics against the lethal effects of processing by adjusting formulation and process. Finally, the changes in functionality of the delivered bacteria will be studied using metabolomic analysis. The PhD project will be organized into three major stages: 1. Release mechanisms of encapsulated material from alginate matrices: In this stage, the primary focus will be understanding and recording the release kinetics of probiotics encapsulated within an alginate matrix. This essential property ensures all probiotics inside can be protected and delivered completely at the target place. L. plantarum will be used as the subject representing the behaviour of probiotic bacteria. Besides, employing ion-exchange techniques to confirm if ion-exchange is the core mechanism driving the release. 2. Delivery strategies for probiotics: This stage will involve optimizing the processing parameters to enhance the viability and stability of probiotic bacteria during processing, storage, and through the gastrointestinal system. The process will be conducted on different bacterial strains with different characteristics in terms of morphology or oxygen tolerance such as L. plantarum, B. infantis, C. minuta and B. wexlerae. The aim is to find a suitable method for application to extremely oxygen-sensitive probiotics. We will explore various formulations, adding additives to ensure maximum survival and functionality of the bacteria. 3. Functionality of delivered bacteria: The final stage will involve characterizing how encapsulation affects the functionality of survival probiotic bacteria, particularly their metabolite profile. Experiments will target sensitive bacteria strains from anaerobic to strictly anaerobic probiotics.