Les biofilms bactériens

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PL Toutain Ecole Vétérinaire Toulouse 1

Les biofilms bactériens

P.L. TOUTAIN

ECOLE

NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E

Update mars 2012

Costerton, 1999, Science, 284: 1318-1322

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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

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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.

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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.

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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.

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Protection des bactéries dans un biofilm

1. Protection passive

– La matrice protège physiquement les bactéries contre l'entrée des agents antimicrobiens, les détergents et les antibiotiques.

2. Protection métabolique.

– les bactéries entourées de biofilm sont moins actives métaboliquement, donc moins

réceptives aux agents antimicrobiens

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Protection des bactéries dans un biofilm

3. Protection active

– La résistance de P. aeruginosa aux antibiotiques a été attribuée à des pompes d’efflux du biofilm expulsant activement les composants antimicrobiens.

4. 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.

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Le cycle de vie d’un biofilm

Center for Biofilm engineering, Montana State University www.erc.montana.edu/default.htm

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Les biofims sont la cause

d’infections chroniques

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Biofilm: une cause d’infection chronique

JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322

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

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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

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Biofilm: une cause d’infection chronique

•Les phagocytes sont attirés par les biofilms.

•La phagocytose est inopérante mais les enzymes phagocytaires sont

libérées localement

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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

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Biofilm bactérien & risque infectieux

• Les infections « classiques » sont dues à des

bactéries planctoniques contre lesquelles les

antibiotiques sont actifs

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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

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infections associées à des biofilms

1. Infections ou maladies

• caries dentaires

• Otite moyenne

• Ostéomyélites

• Prostatites

2. 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

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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

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infections associées à des biofilms

• Mammite à Staphylococcus aureus

Phénotype planctonique Phénotype en biofilm

Expression des

facteurs de virulence Expression des gènes de sessilité

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La plaque dentaire est un biofilm

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Infection du pâturon donnant un biofilm

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Biofilm: aspects

thérapeutiques

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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.)

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Biofilm: le mécanisme des rechutes

après traitement aux antibiotiques

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Résistance vs. tolérance

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Nouvelles approches thérapeutiques des

biofilms

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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

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Évaluation de la sensibilité bactérienne pour les biofilms

MBEC®

Système à 96 puits pour tester des biofilms

MBEC™ High-

throughput Screening - (HTP) Assay

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Différences entre les CMI & CMI-Biofilme pour la pénicilline

µg/ml

Melchior et al 2006

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CMI, CMIB & CMEB pour différent antibiotiques vis-à- vis de différentes souches de Staphylococcus aureus

Melchior et al ²2006

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Sensibilité à la néomycine

de différentes souches de St aureus

planctoniques vs. en biofilm dans du Mueller Hinton ou du lait

NEO

0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024

2048 CMI

CMIB (CMI du biofilm)

CMEB

(CM pour éradication du biofilm

CMIB-lait

CMEB-lait CM=concentration minimale

Melchior et al 2006

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Les biofilms bactériens