Architecture des biofilms et résistance à la désinfection : apport de l'imagerie de fluorescence multimodale

par Arnaud Bridier

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Florence Dubois-Brissonnet.

Le président du jury était Armel Guyonvarch.

Le jury était composé de Florence Dubois-Brissonnet, Simone Seror, Romain Briandet.

Les rapporteurs étaient Jean-Claude Block, Jean Guzzo.


  • Résumé

    Dans les environnements naturels, industriels ou médicaux, les microorganismes sont majoritairement présents en étant associés aux surfaces dans des communautés hautement organisées appelées biofilms. Ces édifices biologiques constituent une stratégie de survie étonnement efficace témoignant d’une grande capacité de résistance à différent stress environnementaux tels que les traitements de nettoyage et de désinfection. L’impact des biofilms d’un point de vue sanitaire est donc considérable du fait qu’ils permettent la persistance et la transmission de germes pathogènes dans l’environnement. Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objectif une meilleure compréhension des phénomènes limitant l’efficacité de désinfectants au sein des biofilms en s’appuyant notamment sur des techniques innovantes d’imagerie de fluorescence non-invasive. Le but final étant d’apporter des éléments utiles à l’optimisation des traitements de désinfection. Dans une première partie, une méthode d’investigation structurale à haut-débit par microscopie confocale a été développée et utilisée pour étudier la diversité architecturale des biofilms bactériens formés par un large panel de souches. Cette étude nous a permis d’identifier des souches d’intérêt en termes de structures de biofilms formés pour la suite du travail. Nous avons notamment pu mettre en évidence la capacité de B. subtilis à former des structures importantes et avec une architecture spécifique dans un système immergé. Dans une deuxième partie, les dynamiques d’action spatiotemporelles de désinfectants ont été visualisées dans les biofilms de souches de P. aeruginosa ou B. subtilis par des approches de microscopie confocale de fluorescence en temps réel. L’utilisation de cette technique nous a permis de mettre en évidence les difficultés de pénétration du chlorure de benzalkonium au sein des structures formées par différentes souches de P. aeruginosa. La corrélation des paramètres cinétiques d’inactivation et des données obtenues par la caractérisation biochimique de la matrice suggère un rôle majeur des substances extracellulaires dans la limitation de pénétraton du désinfectant. Nous avons également pu montrer une résistance marquée du biofilm formé par une souche de B. subtilis isolée d’un dispositif médical à l’acide péracétique, à la concentration et au temps d’utilisation du biocide dans le milieu médical. De plus, les structures tridimensionnelles formées par cette souche étaient capables de protéger le pathogène Staphylococcus aureus dans un biofilm mixte vis-à-vis du même traitement soulignant l’importance des interactions multi-espèces dans la résistance des bactéries aux désinfectants et la persistance de pathogènes dans nos environnements.

  • Titre traduit

    architecture of biofilms and resistance to disinfection : contribution of multimodal fluorescence imaging


  • Résumé

    In natural, industrial or medical environments, microorganisms are present mainly in being associated with surfaces in highly organized communities called biofilms. These biological structures cosntitute a surprisingly effective survival strategy showing a large ability to withstand environmental stresses such as cleaning and disinfection treatments. Therefore, biofilms have a considerable impact on public health because they allow the persistence and transmission of pathogens. In this context, this work aimed to better understand the phenomena limiting the effectiveness of disinfectants in biofilms noticeably by using innovative imaging fluorescence non-invasive techniques. The ultimate goal was to provide data which can help to optimize disinfection treatments. In the first part, a high-throughput structural method based on confocal microscopy was developed and used to study the architectural diversity of bacterial biofilms formed by a wide range of strains. This study allowed us to identify strains of interest in terms of biofilm structure for the second part of the work. In particular, we demonstrated the ability of B. subtilis to form protruding structures with a specific architecture in a submerged system. In the second part, the spatiotemporal dynamic of the action of disinfectants were visualized in the biofilms of P. aeruginosa or B. subtilis strains by a time-lapse fluorescence confocal microscopy method. Using this technique, we showed that benzalkonium chloride encountered problems of penetration in the biofilms formed by P. aeruginosa strains. The correlation of kinetic inactivation parameters and data obtained by the characterization biochemical matrix suggested a key role of extracellular substances in the penetration limitations of the disinfectant. We also observed a pronounced resistance of the biofilm formed by a strain of B. subtilis isolated from a medical device to peracetic acid at the in-use concentration and time of biocide in medical areas. In addition, three-dimensional structures formed by this strains afforded protection to the pathogen Staphylococcus aureus in mixed biofilm against the same treatment This point highlights the importance of multi-species interactions in bacterial resistance to disinfectants and in the persistence of pathogens in our environments.


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