Biofilms : Les bactéries résistent !

La qualité microbiologique des surfaces est une problématique récurrente dans les secteurs industriels et de santé.

Des traitements de nettoyage/désinfection sont régulièrement appliqués pour assurer l’hygiène des surfaces dans ces environnements mais ils ont parfois une efficacité limitée, ce qui peut engendrer des problèmes particulièrement importants sur le plan de la santé publique.
Ceci peut s’expliquer par le fait que les normes d’évaluation de l’efficacité bactéricide des désinfectants sont basées sur des protocoles qui ne reflètent pas la réalité du terrain. En effet, ces tests sont basés en particulier sur l’utilisation de cellules en suspension ou déposées et séchées, occultant l’état « biofilm ». Hors, quelques soient les matériaux utilisés pour les équipements industriels ou médicaux, les bactéries présentes dans l’environnement peuvent, en milieu humide, adhérer aux surfaces et former des biofilms. La formation de ces structures engendre une résistance accrue des cellules incluses vis-à-vis des traitements de désinfection. Un apport de connaissances scientifiques sur ces édifices biologiques tridimensionnels et notamment sur les mécanismes impliqués dans leur résistance est donc primordial afin d’optimiser les traitements de désinfection.

Les défis d’une résistance collective.
Si le biofilm a pendant de nombreuses années été considéré comme un agrégat de cellules et d’exopolymères organiques, on sait aujourd’hui que c’est un véritable assemblage biologique avec un haut degré d’organisation dans lequel les microorganismes forment des communautés 3D structurées et coordonnées assurant des fonctions spécifiques (Figure 1).

 

 

Les travaux scientifiques sur le sujet montrent un lien étroit, qu’il soit direct ou indirect, entre l’architecture de l’édifice biologique et sa résistance à l’action des antimicrobiens (1). En effet, la multiplication des cellules adhérées et la production d’une matrice mucoïde extracellulaire conduisent au développement d’une structure tridimensionnelle complexe dans laquelle les biocides peuvent rencontrer des problèmes de diffusion/réaction limitant leur efficacité. La structure tridimensionnelle gouverne également la mise en place de gradients en nutriments, en oxygène et en produits métabolites qui entraînent l’apparition d’une hétérogénéité chimique et nutritionnelle dans le biofilm. En réponse à leur microenvironnement local, les cellules peuvent alors évoluer vers des phénotypes de tolérance par des modifications physiologiques et/ou l’expression de gènes spécifiques. La résistance globale de la communauté bactérienne apparaît donc être un processus multifactoriel structure-dépendant qui implique des phénomènes locaux (2). Les informations sur la mise en place de cette architecture et la réactivité spatio-temporelle des antimicrobiens au sein de ces structures hétérogènes pourraient donc aider à mieux comprendre les mécanismes impliqués dans leur résistance.

Visualisation en temps réel de l’action d’un biocide dans un biofilm.
Actuellement, la plupart des méthodes de mesure de l’action d’antimicrobiens dans les biofilms sont destructives et ne prennent pas en compte l’hétérogénéité spatiale de ces biostructures. Afin d’aller plus loin dans la compréhension des mécanismes de résistance des biofilms, nous nous sommes intéressés à une méthode d’investigation «4D» non-invasive en temps réel reposant sur la microscopie confocale laser à balayage. Cette technique est basée sur le suivi entemps réel de la perméabilisation de la membrane bactérienne par l’agent antimicrobien par des marquages fluorescents spécifiques. Cette technique a ainsi permis de mettre en évidence le frein à la diffusion-réaction au sein d’un biofilm de Pseudomonas aeruginosa du chlorure de benzalkonium, désinfectant classiquement utilisé en industrie et dans le secteur médical (Figure 2).

 

 

Des mesures similaires réalisées avec d’autres principes actifs a permis de montrer que pour certains couples biofilm/désinfectant, la matrice représente un véritable «bouclier» capable d’interfèrer avec la réactivité du principe actif(3). De plus, les cellules survivantes ont été soumises à des concentrations sub-inhibitrices de désinfectant lors d’un tel traitement. Ces expositions répétées peuvent générer certaines adaptations physiologiques qui repoussent encore plus loin la tolérence ultérieure du biofilm. Ce qui ne tue pas endurci, cet adage semble particulièrement approprié à la vie microbienne en biofilm !

Des torpilles bactériennes à l’assaut des biofilms ?
Nous venons de mettre en évidence l’existence de bactéries flagellées capables de s’infiltrer et de «vasculariser» les biofilms en creusant un réseau de galeries transitoires dans la matrice. Un résultat qui pourrait fournir un nouvel arsenal biologique pour lutter contre les biofilms impliqués dans les infections humaines. En effet, la perforation de la matrice des biofilms par des bactéries mobiles peut faciliter la pénétration et l’activité de substances toxiques(4). Nous avons ainsi montré l’effet sensibilisant d’une pré-exposition de biofilms indésirables à un mélange de bactéries nageuses vis-à-vis de l’efficacité d’un désinfectant utilisé en hygiène industrielle. Cette étude a également démontré la possibilité d’utiliser des bactéries nageuses et productrices de composés antimicrobiens pour infiltrer la matrice de biofilms indésirables, inactiver les agents pathogènes installés et occuper le nouvel espace libéré sur la surface. Cette nouvelle stratégie biologique pourrait être utilisée pour la maîtrise microbiologique de surfaces industrielles, mais également dans la lutte d’infections chroniques cutanées, nasales ou digestives, par exemple en utilisant des cocktails de souches probiotiques sélectionnées sur des critères de nage et de synthèse de molécules antimicrobiennes, comme par exemple certaines souches de Bacillus productrices de bactériocines.

Conclusion
Les travaux de recherche les plus recents ont permis d’apporter des éléments explicatifs quant aux mécanismes impliqués dans la formation des biofilms et leur résistance à l’action des agents antimicrobiens. Les résultats obtenus soutiennent le rôle primordial de l’architecture et de la matrice des biofilms dans les phénomènes de résistance. D’un point de vue sanitaire, il apparaît urgent de prendre en compte l’état biofilm et des conditions d’étude plus proches de la réalité des environnements industriels et médicaux dans le développement et la validation de traitements antimicrobiens efficaces.

Les travaux présentés ont été réalisés grâce au soutien financé de l’ANR ALID GreenSwimmers, de DIM Astrea, le pôle de compétitivité MEDICEN Ile-de-France et le projet Européen FP7 SUSCLEAN.

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Romain BRIANDET – MICALIS

UMR1319 INRA AgrosParisTech

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Références

(1) A. BRIDIER, R. BRIANDET, V. THOMAS, F. DUBOIS-BRISSONNET, 2011. Resistance of bacterial bio lms to disinfectants: a review. Biofouling, 27(9) 1017-1032.

(2) A. BRIDIER, P. SANCHEZ-VIZUETE, M. GUILBAUD, J.-C. PIARD, M. NAмTALI & R. BRIANDET. Bio lm-associated persistence of foodborne pathogens. 2014. Food Microbiology (in press).

(3) A. BRIDIER, F. DUBOIS-BRISSONNET, G. GREUB, V. THOMAS, AND R. BRIANDET. 2011. Dynamics of the action of biocides in Pseudomonas aeruginosa bio lms. Antimicrobial Agents And Chemotherapy, 55(6): 2648–2654

(4) A. HOURY, M. GOHAR, J. DESCHAMPS, E. TISCHENKO, S. AYMERICH, A. GRUSS & R. BRIANDET, 2012. Bacterial swimmers that in ltrate and take over bio lm matrix. Proc Natl Acad Sci U S A 109(32):13088-93