Molecular and cultural analysis of the bacterial flora associated with brain abscesses

par Mouhamad Al Masalma

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la sante

Sous la direction de Pierre-Edouard Fournier.

Le président du jury était Didier Raoult.

Le jury était composé de Pierre-Edouard Fournier, Max Maurin, Michel Lonjon.

Les rapporteurs étaient Max Maurin, Michel Lonjon.


  • Résumé

    Les abcès cérébraux sont des infections potentiellement mortelles, entraînant souvent des séquelles graves. La prise en charge médicale en reste empirique en raison d’un manque de connaissance approfondie des microorganismes responsables de cette condition. Dans la plupart des laboratoires microbiologiques, le diagnostic d’abcès cérébral est basé sur la culture du pus recueilli chirurgicalement. Malheureusement, cette procédure a de nombreuses limites et ne permet l’identification que d’une petite partie de la population microbienne en cause. L’amplification par PCR et le séquençage du gène codant la fraction 16S de l’ADN ribosomal ont récemment été utilisées pour surmonter les limites de la culture, et ont été démontré leur efficacité dans la documentation des infections bactériennes. Malheureusement, cette procédure présente un degré de discrimination limité en cas d’infection polymicrobienne. Des études métagénomiques de flores complexes de l’homme, basées sur une combinaison de PCR, clonage et séquençage des produits de PCR se sont avérées utiles pour évaluer la diversité bactérienne des flores dentaires, vaginales et intestinales. Nous avons appliqué cette technique à des échantillons d’abcès cérébral pour étudier la flore associée à cette maladie. Dans une première étape, nous avons réalisé une enquête en utilisant la culture et les techniques moléculaires. Le but de cette étude était d’analyser et d’évaluer les bactéries de la flore responsable des abcès cérébraux, en comparant la culture à trois techniques moléculaires basées sur le gène 16S rDNA, incluant le séquençage direct, le clonage suivi de séquençage par méthode de Sanger, et le séquençage direct des produits de PCR par pyroséquençage. Cette enquête a déterminé que la variété des espèces bactériennes associée aux abcès cérébraux est beaucoup plus grande que précédemment décrite, et inclut de nombreuses bactéries anaérobies et des bactéries incultivables de la flore buccale. Cette étude préliminaire a identifié 49 agents bactériens différents, et a permis l’identification de 27 bactéries jamais détectées auparavant dans des abcès du cérébraux, dont 15 n’avaient jamais été cultivées. Un tel nombre d’espèces bactériennes impliquées dans les abcès cérébraux a motivé l’étude de 51 nouveaux spécimens dans le but de décrire plus en détail la flore associée aux abcès cérébraux en fonction de leurs étiologies. Ainsi, nous avons effectué une analyse métagénomique, basé sur le gène 16S rDNA, de 51 patients ayant développé un abcès cérébral. Notre stratégie a été beaucoup plus discriminatoire et a permis à l’identification d’un plus grand nombre de bactéries que la culture et l’amplification et le séquençage direct de l’ANRr 16S. La combinaison des données de 71 patients (20 de la première étude et 51 de la deuxième étude) a permis l’identification de plusieurs associations à l’aide de la méthode de data mining.En outre, notre étude a permis l’identification de deux nouvelles bactéries, la première étant une nouvelle espèce de genre Staphylococcus (Staphylococcus massiliensis) et la seconde étant une bactérie anaérobie qui représente une nouvelle espèce dans un nouveau genre au sein du phylum des Bacteroidetes (Phocaeicola abscesses). En outre, nous avons décrit deux cas inhabituels d’abcès du cerveau, à Mycoplasma hominis après curetage utérin, et à Nocardia carnea chez un greffé rénal. Malgré les limites inhérentes à la procédure de clonage, nos résultats suggèrent que le clonage et le séquençage de gène DNAr 16S est une méthode très performante pour identifier les agents bactériens associés aux abcès cérébraux.


  • Résumé

    Brain abscess is a life-threatening infection with frequent serious sequelae. The medical management remains empirical due to a lack of comprehensive knowledge of the microorganisms responsible for this condition. In most microbiology laboratories the diagnosis of brain abscess is based on culture from pus collected surgically. Unfortunately, this procedure has many limitations and reveals only a small portion of the true microbial population. PCR-amplified 16S rDNA sequencing has recently been used to overcome the limitations of culture-based bacterial detection in brain abscess pus, and it was demonstrated to be effective in the documentation of monomicrobial infections. Unfortunately, this procedure failed to discriminate among polymicrobial floras.Metagenomic studies of complex human floras using a combination of 16S rDNA PCR and cloning-sequencing of PCR products proved useful to evaluate the bacterial diversity of dental, vaginal and intestinal floras. Thus, we applied this technique to brain abscess samples to study the flora associated with this condition. In a first step, we performed an investigation using culture and molecular techniques. The purpose of this investigation was to analyze and evaluate the bacterial flora responsible for brain abscess by comparing standard culture technique to three techniques using 16S rDNA amplification, that is, direct sequencing, multiple sequencing following cloning, and multiple sequencing via high throughput pyrosequencing. This investigation has determined that the variety of brain abscess-associated bacterial species is much larger than previously reported, and it includes many anaerobes and uncultured bacteria from the oral cavity flora. This preliminary study identified 49 distinct brain abscess bacterial agents, and enabled the identification of 27 bacteria never detected before in brain abscess, 15 of which were uncultured.Such a high number of bacterial species involved in brain abscess prompted the study of 51 new specimens in an effort to describe further the flora associated with brain abscesses and their etiologies. Thus, we performed a 16S rDNA-based metagenomic analysis of cerebral abscesses from 51 patients. Our strategy was significantly more discriminatory and enabled the identification of greater number of bacterial taxa, than culture and conventional 16S rDNA PCR/sequencing, respectively. The combination of data from 71 patients (20 from the first study and 51 from the second study) enabled the identification of several associations using the data mining analysis. Also, these studies permitted the identification of two novel bacteria, the first being a novel Staphylococcus species (Staphylococcus massiliensis) and the second being a novel anaerobic bacterium that represents a novel species in a new genus within the phylum Bacteroidetes (Phocaeicola abscesses). In addition, we reported tow unusual cases of brain abscess, the first case was a Mycoplasma hominis brain abscess following uterus curettage and the second case was a Nocardia carnea infection in a kidney transplant recipient patient.Despite limitations inherent to the cloning procedure, our results suggest that cloning and sequencing of PCR-amplified 16S rDNA is a highly valuable method to identify bacterial agents of brain abscesses.


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