Les biofilms bactériens ECOLE NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E Les biofilms bactériens Pour aller sur notre site si vous avez récupéré nos diapositives ailleurs Costerton, 1999, Science, 284: 1318-1322 Update mars 2012 P.L. TOUTAIN PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Définition d’un biofilm Un biofilm est une communauté de microorganismes (bactéries, champignons etc.) adhérant entre eux, fixée à une surface ( bactéries dites sessiles) , et caractérisée par la sécrétion d'une matrice adhésive et protectrice. Ils sont naturellement résistants aux antibiotiques Ils sont à l’origine de nombreuses infections chroniques PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse Les biofilms Le mode de vie en biofilm est l'une des deux modalités de vie des organismes unicellulaires ce serait le mode de vie naturel de la plupart des microorganismes, notamment en milieu hostile l'autre mode de vie est la flottaison libre de type dit « planctoniques » dans un milieu liquide. La structure et la physiologie du biofilm donne aux bactéries ce que l’organisation tissulaire apporte aux cellules des êtres supérieurs. PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse Les biofilms Ils peuvent se développer sur n'importe quel type de surface naturelle (débris cellulaires, séquestres) ou artificielle (prothèse, sonde, cathéter…) mais aussi sur des tissus vivants (endocardites) La matrice du biofilm, est constituée de polysaccharides (peptidoglycanes, cellulose) imbibée d'eau. PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Les biofilms: adaptation phénotypiques et génotypiques Un aspects majeurs des biofilms est le changements dans les phénotypes correspondant au changement du mode de vie de «planctonique et individuel », à celui de « fixé et communautaire ». Des groupes de gènes (>103 ) changent leurs mécanismes d'activation pour assurer cette permutation de style de vie (en quelques minutes). L'environnement particulier du biofilm permet ( ou oblige ) les bactéries à coopérer ensemble ce qui n’est pas le cas dans un environnement libre. Les bactéries vivant dans un biofilm ont des propriétés très différentes de celles des bactéries isolées de la même espèce. PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Développement du « phénotype” biofilm » Il résulte d’une activation rapide de gènes (>103 gènes) Surfaces biologiques Exploration Quorum sensing 1 Facteur sigma contrôlant la transcription 3 4 2 Activation des gènes d’ adhésion (adhésine…) Production de la matrice extracellulaire (> 12 minutes)

Biofilms et « le quorum sensing » Certains biofilms possèdent des canaux aqueux Ils assurent la distribution des nutriments et de celle de molécules de signalisation, établissant la communication entre cellules par des signaux biochimiques. La formation du biofilm est contrôlée par des signaux dits de cellule-à-cellule, et des mécanismes dits de quorum sensing , ou perception du quota, basés sur le principe de masse critique. Les systèmes de perception du quota chez les bactéries Gram-négatives détectent la densité des cellules en utilisant des signaux de cellule-à-cellule dépendant de la taille de la population, Quand ce signal atteint une certaine concentration critique, il active un régulateur transcriptionnel qui induit des gènes cibles spécifiques. La nature et donc la fonction des molécules signalant les échanges de cellule-à-cellule changent à partir d'une concentration donnée des bactéries. PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Protection des bactéries dans un biofilm Protection passive La matrice protège physiquement les bactéries contre l'entrée des agents antimicrobiens, les détergents et les antibiotiques. Protection métabolique. les bactéries entourées de biofilm sont moins actives métaboliquement, donc moins réceptives aux agents antimicrobiens PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Protection des bactéries dans un biofilm Protection active La résistance de P. aeruginosa aux antibiotiques a été attribuée à des pompes d’efflux du biofilm expulsant activement les composants antimicrobiens. Protection génétique lors de leur implantation dans un biofilm l'expression génétique des bactéries peut être est modifiée. L’environnement du biofilm est propice aux échanges de matériel génétique et permet le transfert de caractères de résistance. PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Le cycle de vie d’un biofilm Center for Biofilm engineering, Montana State University www.erc.montana.edu/default.htm PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Les biofims sont la cause d’infections chroniques PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm: une cause d’infection chronique Les bactéries planctoniques peuvent être éliminées par les mécanismes de défense naturels (anticorps, phagocytes…) et elles sont sensibles aux antibiotiques  Antibiotic Antibody Planktonic cell Biofilm cell Phagocyte enzymes PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322

Biofilm:une cause d’infection chronique Les bactéries peuvent adhérer entre elles pour former un biofilm notamment sur une surface inerte; cette communauté, sessile, est résistante aux anticorps, aux phagocytes et aux antibiotiques  Antibiotic Antibody Planktonic cell Biofilm cell Phagocyte enzymes PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322

Biofilm: une cause d’infection chronique Les phagocytes sont attirés par les biofilms. La phagocytose est inopérante mais les enzymes phagocytaires sont libérées localement  Antibiotic Antibody Planktonic cell Biofilm cell Phagocyte enzymes JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322

Biofilm: a cause of persistent infection Les enzymes phagocytaires vont endommager les tissus autour du biofilm et des bactéries planctoniques vont essaimer du biofilm Cette libération peut être la cause d’une dissémination de l’infection et d’une infection aiguë dans un tissu voisin  Antibiotic Antibody Planktonic cell Biofilm cell Phagocyte enzymes PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322

PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse Biofilm biology Sessile bacteria cell releases antigens and stimulates the production of antibodies but the antibodies are not effective in killing bacteria within biofilm but may cause immune complex damage to surrounding tissues rarely resolved by the host defense mechanism PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm bactérien & risque infectieux Les infections « classiques » sont dues à des bactéries planctoniques contre lesquelles les antibiotiques sont actifs PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm bactérien & risque infectieux De plus en plus d’infections , notamment chez les sujets débilités, sont dues à des bactéries commensales du corps ou de l’environnement ces bactéries forment des biofilms PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm bactérien & risque infectieux Un grand nombre d’ infections sont dues à des bactéries commensales du corps de l’animal ou de son environnement: Peau: Staphylococcus aureus, S. epidermidis Muqueuses:Streptococcus suis et S. agalactiae, Voies respiratoires: Pasteurella multocida, P. haemolytica, Actinobacillus pleuropneumoniae, Mycoplasma spp. ou Haemophilus parasuis, Bactéries de l’eau: Pseudomonas aeruginosa PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilms et risques infectieux Quand les bactéries colonisent des tissus, elles utilisent des mécanismes d'adhésion pour éviter d’être éliminées par le flux des sécrétions biologiques (ascenseur du mucus bronchiques , sécrétion vaginale etc. ) ou encore par les flux physiologiques comme celui du tube digestif, du lait etc. PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

infections associées à des biofilms Infections ou maladies caries dentaires Otite moyenne Ostéomyélites Prostatites infections nosocomiales Sutures lentilles de contact cystite associée à une sonde urinaire Sonde endotrachéale Cathéter central veineux Prothèse orthopédiques Costerton (1999) Science, 284:1318-1322

Ostéomyélite & biofilm à gauche une broche a été mise 3 mois avant cette radio et on notera le développement d’une ostéomyélite avec la présence d’un gros séquestre; a droite, 2 ans plus tard après un traitement chirurgical de la fracture, mise d’une plaque et et une stérilisation de la zone PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

infections associées à des biofilms Mammite à Staphylococcus aureus Phénotype planctonique Phénotype en biofilm Expression des facteurs de virulence Expression des gènes de sessilité

La plaque dentaire est un biofilm PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Infection du pâturon donnant un biofilm PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm: aspects thérapeutiques PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm: aspects thérapeutiques Les antibiotiques ont une actions symptomatiques sur les infections liées aux biofilms car ils détruisent uniquement les bactéries planctoniques qui essaiment de façon programmée mais ils ne peuvent pas éradiquer les bactéries du biofilm Le biofilm toujours présent est à l’origine de la récurrence des symptômes à l’arrêt du traitement Recours à la solution chirurgicale quand elle est possibles (séquestres, ostéomyélite etc.) PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm: le mécanisme des rechutes après traitement aux antibiotiques PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Résistance vs. tolérance PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Nouvelles approches thérapeutiques des biofilms PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Biofilm: test de sensibilité Les pathogènes semblent normalement sensibles aux antibiotiques car les techniques conventionnelles ne testent que les bactéries planctoniques Nécessité d’une évaluation appropriée de la sensibilité des bactéries CMIB: CMI du biofilm ( BMIC= Biofilm Minimal Inhibitory Concentration) , sensibilité des bactéries libérées par le biofilm. CMEB : Concentration Minimale d’Eradication du Biofilm (MBEC= Minimal Biofilm Eradication Concentration,) Sensibilité des bactéries dans le biofilm PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

Évaluation de la sensibilité bactérienne pour les biofilms MBEC™ High-throughput Screening - (HTP) Assay Système à 96 puits pour tester des biofilms MBEC®

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Différences entre les CMI & CMI-Biofilme pour la pénicilline µg/ml PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse Melchior et al 2006

PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse CMI, CMIB & CMEB pour différent antibiotiques vis-à-vis de différentes souches de Staphylococcus aureus PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse Melchior et al ²2006

(CM pour éradication du biofilm Sensibilité à la néomycine de différentes souches de St aureus planctoniques vs. en biofilm dans du Mueller Hinton ou du lait CMI CMIB (CMI du biofilm) CMEB (CM pour éradication du biofilm CMIB-lait CMEB-lait Melchior et al 2006 CM=concentration minimale PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse

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Le cas des staph aureus internalisés ; il faut attendre le turnover naturel des PNN pour voir ressortir le germe et l’atteindre avec un antibiotique conventionnel PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse