Vaporisation de gouttelettes et destruction du biofilm : le pouvoir mécanique des ultrasons. Une étude d'investigation

Vaporizing droplets and wrecking biofilm : The mechanical power of ultrasound. An investigative stud

• Auteur / Autrice : Rashmi Ramesh
• Direction : Nicolas Taulier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie biomédicale
• Date : Soutenance le 27/02/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Pierre Louis de santé publique : épidémiologie et sciences de l'information biomédicale (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale (Paris ; 2014-....) - Laboratoire d'Imagerie Biomédicale [Paris] / LIB
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Descroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Novell
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rares Salomir, Mario Fabiilli
• DOI : 10.70675/f3ff542bz71f4z42f3zbe36z17b31f4ed229

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons en médecine

Acoustique moléculaire

Biofilms

Microfluidique

Mots clés libres

Vaporisation acoustique

Biofilm

Ultrason

Microfluidique

Perfluorocarbon

Délivrance de médicaments

Acoustic Droplet Vaporization

Perfluorocarbon emulsions

Ultrasound drug delivery

Microfluidics

Antiobiotics

Bacterial biofilm

Résumé

Cette étude présente une avancée significative dans notre compréhension de deux domaines clés : le processus de vaporisation de gouttelettes acoustiques (ADV) dans les gouttelettes de perfluorohexane (PFH). De plus, la livraison d'antibiotiques améliorée acoustiquement ainsi que le rôle de l'alginate dans la résistance aux antibiotiques contre les biofilms sont également explorés. La quête de la localisation spatiale et temporelle des agents thérapeutiques a conduit à l'exploration de la vaporisation de gouttelettes acoustiques (ADV) et de l'échographie dans la livraison ciblée de médicaments. Par conséquent, cette recherche examine le processus ADV, un phénomène avec des applications potentielles dans la livraison de médicaments, l'imagerie par ultrasons et le traitement du cancer. Des informations clés sur les facteurs influençant le processus ADV, tels que la taille et la composition des gouttelettes, et le rôle des différentes interfaces dans la nucléation sont abordées. Un modèle réussi de nucléation hétérogène est présenté, où le noyau apparaît à la surface en contact avec le PFH. Les conclusions de l'étude sur l'apparition préférentielle de la nucléation à différentes interfaces et l'impact de la courbure de surface et des tensions interfaciales pourraient avoir des implications significatives pour la conception de systèmes de livraison de médicaments plus efficaces ou d'agents de contraste pour l'imagerie par ultrasons.Dans le contexte de la résistance aux antibiotiques, l'étude examine les biofilms, comme le modèle P. aeroginosa, qui présentent souvent une résistance accrue aux antibiotiques. Il est démontré que l'alginate,un composant du biofilm, se lie aux antibiotiques positivement chargés, réduisant ainsi leur disponibilité pour atteindre et tuer les bactéries. Cependant, ce phénomène ne s'étend pas au-delà d'une certaine concentration de ces molécules de médicament chargées. Ce travail montre également que l'échographie,ou l'insonation du biofilm, peut perturber cette liaison, permettant à l'antibiotique de diffuser librement et d'atteindre les bactéries. L'action antibiotique améliorée est montrée pour être réalisée en utilisant des ultrasons de haute fréquence et de faible intensité. Cette découverte est particulièrement significative car les paramètres acoustiques utilisés dans l'étude sont compatibles avec les échographes cliniques,suggérant que cette approche pourrait être mise en œuvre de manière réalisable dans un contexte clinique.

This study presents a significant advancement in our understanding of two key areas: the acoustic droplet vaporization (ADV) process in perfluorohexane (PFH) droplets. Furthermore, acoustically enhanced antibiotic delivery along with the role of alginate in antibiotic resistance against biofilms is also explored.The quest for spatial and temporal localization of therapeutic agents has led to the exploration of Acoustic Droplet Vaporization (ADV) and ultrasound in targeted drug delivery. Consequently, this research investigates the ADV process, a phenomenon with potential applications in drug delivery, ultrasound imaging, and cancer treatment.Key insights into the factors influencing the ADV process, such as droplet size and composition, and the role of different interfaces in nucleation are addressed. Asuccessful model for heterogeneous nucleation is presented, where the nucleus appears at the surface incontact with PFH. The study's findings on the preferential occurrence of nucleation at differentinterfaces and the impact of surface curvature and interfacial tensions could have significantimplications for the design of more effective drug delivery systems or contrast agents for ultrasoundimaging.In the context of antibiotic resistance, the study investigates biofilms, such as the P. aeroginosa model,which often exhibit increased resistance to antibiotics. It is shown that alginate, a component of thebiofilm, binds to positively charged antibiotics, thereby reducing their availability to reach and killbacteria. However, this phenomenon does not extend beyond a certain concentration of these chargeddrug molecules. This work also shows that ultrasound, or insonation of the biofilm, can disrupt thisbinding, allowing the antibiotic to diffuse freely and reach the bacteria. The enhanced antibiotic actionis shown to be achieved using high frequency and low intensity ultrasound. This finding is particularlysignificant as the acoustic parameters used in the study are compatible with clinical echographs,suggesting that this approach could be feasibly implemented in a clinical setting.