Exploration de méthodes alternatives pour la détection de bactéries dans le sang

par Vincent Templier

Thèse de doctorat en Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement

Sous la direction de Thierry Livache.

Le président du jury était Max Maurin.

Le jury était composé de Hervé Volland, Frédéric Mallard, Yoann Roupioz.

Les rapporteurs étaient Wafa Achouak, Damien Marchal.


  • Résumé

    La présence de bactéries dans le sang, un milieu normalement stérile, peut avoir des conséquences graves voire fatales pour l’organisme atteint. Afin de diagnostiquer au plus tôt cette infection, appelée bactériémie, et ainsi administrer le traitement adéquat, il est nécessaire d’identifier les microorganismes isolés à partir du sang. Mais, la nature complexe de ce fluide biologique, associée à la faible charge bactérienne, parfois inférieure à 1 UFC par millilitre de sang ont des conséquences sur les méthodes pouvant être utilisées pour l’identification des bactéries. La plupart d’entre elles ont donc recours à une première étape, l’hémoculture, au cours de laquelle les microorganismes présents dans le prélèvement sanguin de volume important (20-30 mL) vont se multiplier. Leur croissance est facilitée par la dilution du sang dans des milieux de culture dédiés à cette étape particulière. C’est seulement ensuite que l’identification peut débuter. Elle nécessite encore entre 2 et 48 heures et parfois plus, selon les moyens à disposition et les microorganismes impliqués. Réduire considérablement le temps nécessaire à l’identification aurait pourtant des retombées bénéfiques à l’échelle du patient mais aussi plus globalement en réduisant les coûts associés à cette infection et en limitant la pression de sélection exercée par l’emploi d’antibiotiques à large spectre.Au cours de ce travail, l’évaluation d’une stratégie basée sur l’identification des bactéries lors de leur multiplication dans le milieu d’hémoculture est donc proposée. Elle repose sur l’observation en temps réel et sans marquage par Résonance Plasmonique de Surface par imagerie (SPRi) des interactions entre les bactéries et des ligands déposés à la surface d’un capteur. Dans un premier temps, des ligands alternatifs aux anticorps parmi lesquels figurent les aptamères, des protéines de l’immunité innée et la vancomycine sont testés. Suite à cette étude, les anticorps ont été retenus pour poursuivre ce travail. Leur emploi n’est cependant pas dénué de difficultés lorsqu’il s’agit de détecter spécifiquement Staphylococcus aureus, choisi comme l’un des modèles expérimentaux. En effet, la présence de protéine A chez cette bactérie est à l’origine d’interférences sur les immunoglobulines. Différentes stratégies pour s’affranchir de ces effets ont été évaluées, comme le clivage enzymatique des anticorps ou l’emploi d’anticorps de poule pour lesquels la protéine A n’a pas d’affinité. Ces essais aboutissent à des résultats encourageants en milieu de culture simple. L’ajout de sérum humain au milieu a soulevé de nouveaux problèmes pour la détection de cette bactérie. Les résultats montrent qu’en interagissant avec des constituants de l’échantillon sanguin, dont les anticorps, S. aureus devient indétectable par une biopuce à anticorps. Une discussion des moyens possibles pour lever cette inhibition est ensuite proposée. Des expériences de détection d’une autre bactérie, Salmonella enterica sérovar Enteritidis pour laquelle nous disposons d’un anticorps hautement affin et spécifique ont alors été entreprises afin de conclure sur l’employabilité du dispositif dans des conditions proches d’une hémoculture. Des interférences affectant différentiellement les anticorps selon leur point isoélectrique ont ainsi été mises en évidences et l’implication de l’anticoagulant (polyanéthole sulfonate de sodium, SPS) présent dans les milieux d’hémoculture a été démontrée. La résolution partielle de ce problème a finalement permis la détection de 1 UFC.mL-1 de sang dans 32 mL au total démontrant ainsi la possibilité de détecter spécifiquement une bactérie dans des conditions proches d’une hémoculture.

  • Titre traduit

    Exploration of alternative methods for bacteria detection in blood


  • Résumé

    The presence of bacteria in the blood, a normally sterile environment, can cause dramatic consequences for an organism. In order to diagnose this infection, called bacteremia, the identification of the microorganism present in blood must be performed. Furthermore, proper diagnosis enables the administration of a suitable antibiotic therapy. Blood complexity as well as the low bacterial load, usually lower than 1 CFU.mL-1, make the diagnosis of this infection quite challenging. Indeed, most identification methods begin only after the blood culture turns positive due to their insufficient sensitivity. For this they require incubation of a large blood sample volume (20 – 30 mL) in specific culture media that allows bacterial growth above their detection limit. Therefore, its increases considerably the time of diagnosis, which usually takes between 2 and 48 hours and sometimes even more time after blood culture positivity depending on the method and the microorganism present in blood. A reduction of the time required for identification would have a positive impact for both the patient and the healthcare systems by reducing selective pressure on resistant bacteria and hospitalization costs by giving proper treatment faster.In this work, the evaluation of a new strategy based on the identification of bacteria during their multiplication in the blood culture is presented. This method is based on Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) which enables real time and label-free measurements of interactions occurring between bacteria and specific probes. Alternative ligands like aptamers, innate immune proteins and vancomycin have been tested. Following this study antibodies have been chosen as the major specific probes in this work. Nonetheless, the presence of the staphylococcal protein A leads to false-positive results in all immunoglobulin G (IgG). Enzymatic cleavage to remove the constant fragment of antibody where protein A interacts and the use of chicken antibodies (IgY) for which protein A has no affinity have been evaluated. Both methods allow to get rid of protein A interactions in pure culture media. But the presence of human serum in the media results in the total loss of signal. Our results show that interactions between blood components and staphylococcal proteins exposed at the bacterial surface, including the interactions between protein A and circulating antibodies, are responsible for this phenomenon. Solutions to alleviate this inhibition are discussed and tested. Detection experiments of another bacterial model, Salmonella enterica serovar Enteritidis in blood culture media are presented. The crucial role played by the anticoagulant Sodium Polyanethole Sulfonate in non-specific interactions on antibodies is demonstrated. These interactions leading to a total loss of specificity for some antibodies are influenced by the isoelectric point (pI) of the probes which interact with this anionic compound and then attract blood components. After the partial resolution of this issue, we show the feasibility of detecting less than one bacteria per blood milliliter in a total volume of 32 milliliters, conditions close to real blood culture.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. Documentation électronique.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Documentation électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.