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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