Antibiofilm activity of lichen secondary metabolites

par Alaa Sweidan

Thèse de doctorat en Biologie et Sciences de la Santé

Soutenue le 20-07-2017

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (ComuE) et de Institut des Sciences Chimiques de Rennes (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Activité anti-biofilm des métabolites secondaires de lichen


  • Résumé

    Les bactéries buccales n'infectent pas seulement la bouche mais y resident. Elles peuvent également passer dans la voie sanguine et atteindre des organes secondaires. S’il n'est pas traité, le biofilm dentaire peut provoquer une inflammation destructrice dans la cavité buccale, entrainant de graves complications médicales. Dans ce biofilm, Streptococcus gordonii, colonisateur oral primaire, constitue la plate-forme sur laquelle des colonisateurs pathogènes tardifs comme Porphyromonas gingivalis, l'agent causal des maladies parodontales, se lieront. L'objectif de la première partie de la thèse était de déterminer l'activité antibactérienne de onze composés de lichens appartenant à différentes familles chimiques, pour découvrir de nouveaux antibiotiques pouvant combattre ces bactéries buccales. Nous avons montré que trois composés avaient des activités antibactériennes prometteuses. L'acide psoromique enregistrait les CMIs le plus faibles. De nouveaux analogues de butyrolactone ont ensuite été conçus et synthétisés sur la base des composés antibactériens licheniques connus, les acides lichesteriniques, en substituant différents groupes fonctionnels sur le cycle butyrolactone pour améliorer son activité sur S. gordonii et P. gingivalis. Parmi les dérivés, B-12 et B-13 avaient la plus faible CMI où ils se sont révélés être des bactéricides plus forts, 2 à 3 fois plus, que l'antibiotique, doxycycline. B-12 et B-13 étaient également les plus efficaces vis-à-vis de P. gingivalis. La cytotoxicité de ces 2 composés a ensuite été vérifiée contre les cellulaires épithéliales gingivales humaines et les macrophages. Ils ne présentaient pas de toxicité contre les cellules testées. Une étude préliminaire de relation structure-activité a révélé le double rôle important apporté par deux substituants, chaîne alkyle en C5 et groupe carboxyle en C4 positions, dans leur mécanisme d'action. Ceci a été suivi par l'étude de l’activité antibiofilmique de B-12 et B-13 contre les deux souches orales en utilisant un test de cristal violet et microscopie confocale. Les deux dérivés ont montré, à une concentration plus faible, une inhibition maximale de la formation du biofilm, LCMI, de 9.38 μg/mL contre S. gordonii et 1.17 μg/mL contre P. gingivalis. Cependant, lorsque des concentrations sous-inhibitrices de B-12 et B-13 ont été utilisées, nous avons démontré que les deux souches étudiées pouvaient former des biofilms in vitro, accompagné d’une diminution de l'expression des gènes impliqués dans l'adhésion et la formation de biofilm. Pour mieux comprendre les mécanismes d'action des butyrolactones, nous avons étudié la localisation bactérienne du composé B-13 en synthétisant un B-13 marqué au NBD (4-nitro-benzo [1,2,5] oxadiazole) fluorescent conservant son activité antibactérienne. Par microscopie confocale et HPLC, nous avons montré que ce composé se lie à la surface cellulaire de S. gordonii. Ensuite, B-13 induit une rupture de la paroi cellulaire conduisant à la libération des constituants bactériens et par conséquent, à la mort de S. gordonii, une bactérie Gram-positive. L'expression de deux gènes, murA et alr, impliqués dans la synthèse de la paroi cellulaire, a été modifiée en présence de cette butyrolactone. Les bactéries Gram négatives telles que P. gingivalis ont également montré des cellules abimées présentant une rupture de la paroi en présence de B-13, ce qui suggère que cette butyrolactone agit sur des Gram-positives et Gram-négatives avec une plus grande efficacité contre les Gram-négatives. En outre, nous avons également démontré que l'analogue de B-13, B-12, induit une perturbation de la morphologie de P. gingivalis et S. gordonii. Toutes ces études ont démontré que les butyrolactones dérivées de lichen peuvent être proposés comme des composés antibactériens puissants contre les agents pathogènes oraux qui causent des complications médicales graves.


  • Résumé

    The oral bacteria do not only infect the mouth and reside there, but also travel via the blood and reach distant body organs. If left untreated, the dental biofilm that can cause destructive inflammation in the oral cavity may result in serious systemic medical complications. In dental biofilm, Streptococcus gordonii, a primary oral colonizer, constitutes the platform on which late pathogenic colonizers like Porphyromonas gingivalis, the causative agent of periodontal diseases, will bind. The aim of the first study was to determine the antibacterial activity of eleven natural lichen compounds belonging to different chemical families to uncover new antibiotics which can fight against the oral bacteria. Three compounds were shown to have promising antibacterial activities where psoromic acid had the lowest MICs of 11.72 and 5.86 µg/mL against S. gordonii and P. gingivalis, respectively. Novel butyrolactone analogues were then designed and synthesized based on the known lichen antibacterial compounds, lichesterinic acids (B-10 and B-11), by substituting different functional groups on the butyrolactone ring trying to enhance its activity on S. gordonii and P. gingivalis.. Among the derivatives, B-12 and B-13 had the lowest MIC of 9.38 µg/mL where they have shown to be stronger bactericidals, by 2-3 times, than the reference antibiotic, doxycycline. B-12 and B-13 were also the most efficient on P. gingivalis exhibiting MIC of 0.037 and 0.293 µg/mL and MBC of 1.17 and 0.586 µg/mL, respectively. These 2 compounds were then checked for their cytotoxicity against human gingival epithelial cells and macrophages by MTT and LDH assays which confirmed their safety against the tested cell lines. A preliminary study of the structure-activity relationships unveiled the important dual role contributed by two substituents, alkyl chain at C4 and carboxyl group at C5 positions, in their mechanism of action. This was followed by the investigation of B-12 and B-13 for their antibiofilm activity against both oral strains using crystal violet assay and confocal microscopy. Both derivatives displayed a lowest concentration with maximal biofilm inhibition, LCMI, of 9.38 µg/mL against S. gordonii and 1.17 µg/mL against P. gingivalis. However, when sub-inhibitory concentrations of B-12 and B-13 were used, we demonstrated that the two investigated strains were able to form biofilms in vitro. Indeed, this antibiofilm activity decreased as indicated by the expression of the genes implicated in adhesion and biofilm formation. To better understand the mechanism of action of butyrolactones, we have investigated B-13 bacterial localization by synthesizing a fluorescently labeled B-13 with NBD (4-nitro-benzo[1,2,5]oxadiazole) conserving its antibacterial activity. By confocal microscope, we showed that this compound binds to S. gordonii cell surface and this was also demonstrated by HPLC analysis. By adhering to cell surface, B-13 induced cell wall disruption leading to the release of bacterial constituents and consequently, the death of S. gordonii, a Gram-positive bacterium. The expression of two genes, murA and alr, implicated in cell wall synthesis, was modified in the presence of this butyrolactone. Gram-negative bacteria such as P. gingivalis showed also cracked and ruptured cells in the presence of B-13, suggesting that this butyrolactone acts on Gram-positive and Gram-negative strains, but with greater efficacy against the Gram-negatives. Besides, we also demonstrated that the analogue of B-13, B-12, has also induced disruption of P. gingivalis and S. gordonii. All these studies demonstrated that butyrolactones derived from a lichen metabolite can be proposed as potent antibacterial agents against oral pathogens causing serious medical complications.


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