Les biofilms bactériensmicrobiology.free.fr/Presentations/biofilm.pdf · • Infections...

Les biofilms bactériens

Organisation en biofilm

• Formes de vie primitives moins sensibles à

environnement hostile :

– éléments chimiques

– facteurs physiques

– condition sine qua non de survie

• Antarctique biofilms (algues et bactéries)/roches

• Bactéries modernes descendantes de ces

formes colonisant la terre avec succès

Stromatholites

Antonie van Leeuvenhoek

1632-1723

taxocellwall.jpg

Deux types de bactéries

• Bactéries

planctoniques

Bactéries sessiles

Méthodes d’étude au

laboratoire ?

Deux types de pathologies

• Bactéries

planctoniques

• Infections bactériennes

aiguës

• Peste

• Antibiotiques, vaccins

(maîtrise)

Bactéries sessiles

Bactéries de

l’environnement :

Pseudomonas

Legionella

Nouvelles pathologies

• Autrefois

– immunodéprimés ne résistaient pas à bactéries

planctoniques

• Aujourd’hui

– immunodéprimés sensibles à bactéries de

l’environnement (domicile, hôpital)

Définitions

• « ensemble de cellules isolées et de

microcolonies de cellules filles, associées

entre elles et/ou aux surfaces et interfaces,

et incluses dans une matrice constituée

d’exopolysaccharides bactériens, de

matières organiques et non organiques, ainsi

que de macro-molécules piégées du milieu

environnant »

Paramètres en cause

Support des bactéries

– flore cutanée (cathéters)

– exogènes (infections nosocomiales)

Efficacité des défenses naturelles

Nature du support

Facteurs de virulence du micro-organisme

(adhésines, synthèse d’exopolysaccharide, …)

Les biofilms bactériens

• 99 % des bactéries à l’état adhéré

• Bactéries, fongi, algues, protozoaires

• Capacité d’adhérer dans milieu naturel

– Critère de sélection

Les biofilms bactériens

• 15 % de cellules

• 85 % matériel de matrice (polysaccharide)

IMPACT DES BIOFILMS

Industrie maritime

Industrie du papierRéseaux d’eau

Industrie alimentaire

Plaque dentaire Implants et Prothèses Mucoviscidose

Légionelloses

Secteur médical

Secteur industriel

Effets néfastes

• Phénomènes de corrosion, encrassement

• Processus infectieux

- en liaison avec l’environnement et surfaces

� procédures de nettoyage et désinfection

- en liaison avec systèmes d’adduction et

traitement de l’eau (Pseudomonadaceae)

Dispositifs médicaux implantables

• Cathéters

Dispositifs médicaux implantables

• Valves cardiaques

Détachement de morceaux de

biofilms

� embols dans capillaires

Dispositifs médicaux implantables

• Lentilles intra-oculaires

Traitement chirurgical

CATARACTE - 2CATARACTE - 2

Mise en place d'un implant intra-oculaire

Noyau du

cristallin

Implant

Sac

cristallinien

Ablation du cristallin opacifié

Noyau du

cristallin

UltrasonsPièce à main de

phacoémulsification

Sac

cristallinien

Implants rigides :

- PMMA

Implants souples :

- Silicone

- Acryliques hydrophiles ou hydrophobes

Dispositifs médicaux implantables

Implants osseux (prothèse de hanche, genou, )

Formation du biofilm

• Nécessité d’une phase aqueuse : film entre cellule et support

– Eau (environnement)

– Fluides biologiques

• Urines (cathéters)

• Sang (valve cardiaque)

• Humeur aqueuse (œil)

• …

Formation du biofilm

• Adhésion change expression phénotypique

de 30 % des protéines

Yu & Costerton, 1995

Formation du biofilm

• Pseudomonas aeruginosa gène algC

contrôlant phosphomannomutase impliqué

dans synthèse d’alginate

(exopolysaccharide)

• Activé quelques minutes après adhésion

Formation du biofilm

• Pseudomonas aeruginosa

• 45 gènes différents entre bactéries sessiles

et bactéries planctoniques

FORMATION D’UN BIOFILM - 1FORMATION D’UN BIOFILM - 1

Biofilm = Communauté structurée de bactéries engluées dans une matrice

polymérique extracellulaire - le glycocalyx ou « slime » - qu’elles ont elles-mêmes produite,

et qui adhérent à une surface inerte ou vivanteCosterton JW, 1999

Etapes de formation d’un biofilmBiofilm mature

Transport des

cellules planctoniques

Contact

bactérie / support

SUPPORT

Adhésions réversible

et irreversible

Synthèse du glycocalyx

Décrochage

FORMATION D’UN BIOFILM - 7FORMATION D’UN BIOFILM - 7

Facteurs intervenant dans la formation d’un biofilm

Support

- Rugosité

- Composition chimique

- Hydrophobicité

- Charges électriques

Bactérie

- Composition

- Hydrophobicité

- Charges électriques

- Pili ou flagelles

- Concentration bactérienne

- Métabolisme cellulaire

Environnement

- Rhéologie du fluide

- Composition en ions et

en nutriments

- pH

- Température

Mucoviscidose – P. aeruginosa

Mucoviscidose – P. aeruginosa

Mucoviscidose – P. aeruginosa

Legionella

Fausse membrane (biofilm sur tissu �libération toxine)

Vésicule biliaire

• Cholangite : infection de la bile

– douleur

– fièvre

– Jaunisse

• Cause importante

– urgence abdominale

– septicémie

Vésicule biliaire

• Bactériologie de la cholangite :

– coliformes (E. coli, Klebsiella sp)

– Streptocoques fécaux

– Anaérobies (Bacteroides fragilis, Clostridium

perfringens)

• Synergie entre E. coli et Bacteroides

• Calculs contient microcolonies (80 %)

Escherichia coliV I – Pouvoir pathogène

1 – Infections urinaires

femmes enceintes +++

femme > homme

Hormones : dilatation des

voies urinaires

Infections urinaires

?0+Cas

particuliers

?+0Cas

particuliers

?

+(monomicrobien)

+(polymicrobien)

+Infection

vraie

00Normale

Bactéries

> ou = 105/ml

Polynucléaires

> ou = 104/ml

Proteus mirabilis

• Struvite (lithiase) : NH4MgPO4, 6 H2O

• Carbonate apatite : Ca10(PO4) 6, CO3

• Protection contre antibiothérapie

FORMATION D’UN BIOFILM - 5FORMATION D’UN BIOFILM - 5

Aspect d’un biofilm mature

SUPPORT

FLUIDE

Circulation dans les canaux Communication cellulaire

Recrutement de

cellules planctoniques

Détachement de cellules

ou d’amas cellulaire

FORMATION D’UN BIOFILM - 6FORMATION D’UN BIOFILM - 6

Roques, 2000

Biofilm

Bactéries planctoniques

1 – Latence

2 – Accélération

3 – Accumulation linéaire

4 – Ralentissement

5 – Stabilisation apparente

Cinétique de formation d’un biofilm

512 3 4

Résistance des biofilms

IMPLANTBIOFILM

LE BIOFILM : UN « CASSE-TETE » THERAPEUTIQUELE BIOFILM : UN « CASSE-TETE » THERAPEUTIQUE

RESISTANCE ACCRUE

AUX ANTIBIOTIQUESREPONSE

IMMUNITAIRE

Leucocytes, Ac

Destruction des

tissus sains

Modifications de l’expression génétique

Diffusion ralentie

Pénétration difficile

Etat de

dormance des bactériesZzz…

Résistance des bactéries en

biofilms

Pénétration difficile

Ciprofloxacine

40 sec dans surface stérile

21 dans biofilm à P.aeruginosa

Tobramycine 15 fois plus active sur

bacétries planctoniques/sessiles

Résistance des bactéries en

biofilms

P.aeruginosa

suspension d’alginate à 2% inhibe diffusion

alginate lyase �restauration

Résistance des bactéries en

biofilms

Ancienneté du biofilm

Absence d’oxygène (aminosides)

Bactéries planctoniques

CATARACTE - 1CATARACTE - 1

Œil sain Cataracte

Opacification progressive du cristallin entraînant

une baisse de la vue allant jusqu’à la cécité

Traitement chirurgical

CATARACTE - 2CATARACTE - 2

Mise en place d'un implant intra-oculaire

Noyau du

cristallin

Implant

Sac

cristallinien

Ablation du cristallin opacifié

Noyau du

cristallin

UltrasonsPièce à main de

phacoémulsification

Sac

cristallinien

Implants rigides :

- PMMA

Implants souples :

- Silicone

- Acryliques hydrophiles ou hydrophobes

ENDOPHTALMIEENDOPHTALMIE

Complication infectieuse post-opératoire due à

la présence de bactéries dans l’humeur aqueuse entraînant

une perte fonctionnelle et / ou anatomique de l’œilS. epidermidis

GRAM positif

Etiologie : formation d’un biofilm bactérien sur l'implant intra-oculaire

METHODES D’ETUDE DES BIOFILMSMETHODES D’ETUDE DES BIOFILMS

1 - Méthodes d’observation

2 - Méthodes de quantification

3 – Méthodes de modélisation

• Méthodes directes

• Méthodes indirectes

- Décrochages des bactéries

- Méthodes bactériologiques

- Méthodes biochimiques

- Méthodes physiques

• Méthodes d’étude in vivo

• Méthodes d’étude in vitro

- Modèles statiques

- Modèles dynamiques

• Loupe binoculaire

• Microscopie optique

• Microscopie électronique

• Analyse d’image

ETAPES DE LA MISE AU POINTETAPES DE LA MISE AU POINT

1 -Réalisation du modèle dynamique

2 - Formation de biofilms

3 - Observations microscopiques des biofilms

4 - Quantification des biofilms

5 - Evaluation du montage

6 - Réalisation d’une cinétique bactérienne

MODELE D’ETUDE DYNAMIQUEMODELE D’ETUDE DYNAMIQUE

Legionella

• Bacilles à Gram négatif mobiles

• Aérobies

• Nécessitent milieux spécifiques + CO2

• Legionella pneumophila

• 15 sérogroupes : Lp 1 le plus fréquent

Legionella pneumophila

• 8 000 à 18 000 cas de maladies des légionnaires

chaque année aux USA

• pneumonie

• fièvre de Pontiac

• L. pneumophila (90 %)

• Autres Legionella :

• L. micdadei, L. longbeachae,

L. dumoffii, L. bozemanii

Legionella

• 1 – Habitat

– eau douce (multiplication dans les amibes)

– réseaux d’eau potable

– refroidissement tours aéro-réfrigérantes

Legionella

• 2 – Transmission

– Voie aérienne (aérosols contaminés)

– Douches, tours aéro-réfrigérantes

(climatisation)

– Bains à remous

– Hôpital

• rinçage à l’eau courante de matériels

• Voies respiratoires (sondes, humidificateurs, …)

Legionella

• 2 – Transmission

– Pas de transmission interhumaine

– Cas sporadiques ou épidémiques

– Souvent séjour à l’hôtel ou hôpital

• Un tiers cas nosocomiaux

Legionella• 3 – Pouvoir pathogène

– incubation 2 à 10 jours

– Pneumopathie aiguë de sévérité variable

– 2 à 5 % des pneumopathies aiguës

– mortalité à l’hôpital (10 à 30 %)

– sujets âgés

– immunodéprimés (transplantés, chimiothérapie, corticoïdes, sidéens)

– fièvre de Pontiac (syndrome pseudo-grippal)

FORMATION D’UN BIOFILM - 2FORMATION D’UN BIOFILM - 2

• Forces

hydrodynamiques

• Mouvements

browniens

• Mouvements actifs

• Forces hydrophobes

• Théorie DVLO

• Théorie de l’énergie

libre d’adhésion

• Liaisons hydrogènes

• Forces électriques

• Forces hydrophobes

• Organites bactériens

• Adhésines bactériennes

• Matrice extracellulaire

Transport Adhésion réversible Décrochage

agitation

Adhésion irréversible

SUPPORT