Measuring heterogeneity within monoclonal bacterial population in anchored microfluidic droplets : The case of antibiotic response

Mesure de l’hétérogénéité au sein de la population bactérienne monoclonale en gouttelettes microfluidiques ancrées : le cas de la de réponse antibiotique

• Auteur / Autrice : Léna Le quellec
• Direction : Charles Baroud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX
• Jury : Président / Présidente : Gilles Charvin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Baroud, Lydia Robert, Meriem El Karoui, Imane El Meouche, Grégory Batt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lydia Robert, Meriem El Karoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antibiothérapie

Microfluidique

Microbiologie industrielle

Mots clés libres

Microbiologie

Microfluidique

Antibiotique

Microbiology

Microfluidics

Antibiotics

Résumé

Bactérienne résistante peut émerger à partir d'une seule cellule qui acquiert soit une résistance, soit une persistance. Par conséquent, il est nécessaire de développer de nouvelles approches pour comprendre le mécanisme de réponse aux antibiotiques, telles que des techniques de dépistage rapide et fiable de la sensibilité aux antibiotiques, ainsi que des études sur des cellules individuelles.Dans cette étude, nous proposons une nouvelle plateforme utilisant des micro-gouttelettes ancrées et des protocoles d'analyse d'images pour mesurer la croissance de petites communautés à partir de cellules bactériennes individuelles. En raison de l'indépendance de chaque gouttelette, ce format de culture cellulaire 3D nous permet de contrôler précisément le contenu de chaque gouttelette tout en suivant la descendance d'une cellule individuelle.Grâce à cette approche, nous pouvons suivre la croissance d'une cellule individuelle jusqu'à la formation d'une colonie en utilisant la vidéomicroscopie. De plus, en exposant les cellules des gouttelettes microfluidiques à la ciprofloxacine, un antibiotique, nous pouvons observer les changements morphologiques au niveau de chaque cellule individuelle. Grâce à notre dispositif microfluidique, nous pouvons étudier de manière quantitative la réponse aux antibiotiques des cellules individuelles au sein d'une population bactérienne monoclonale.Nous démontrons qu'il est possible de détecter une hétérogénéité au sein d'une population monoclonale d'E. coli, ce qui nous permet de déduire la sensibilité d'une cellule individuelle à l'antibiotique, que nous appelons la μf·MIC (Concentration minimale inhibitrice microfluidique). Cette μf·MIC nous permet non seulement d'évaluer la sensibilité aux antibiotiques de la population dans son ensemble, mais aussi la sensibilité aux antibiotiques à l'échelle individuelle.En utilisant ce système microfluidique et cette méthodologie d'imagerie, nous fournissons des informations à la fois qualitatives et quantitatives sur la réponse des antibiotiques. Cette approche nous permet d'accroître notre compréhension du fonctionnement des divers antibiotiques en fournissant des informations sur leur mécanisme d'action.

The emergence of new resistant bacterial strains is a worldwide challenge. A resistant bacterial population can emerge from a single cell that acquires resistance or persistence. Hence, new ways of tackling the mechanism of antibiotic response, such as fast and reliable antibiotic susceptibility testing screening techniques and single cell studies are required. It is necessary to see what happens at the single cell level, in order to understand what happens at the population level.Here, we present a new platform based on anchored micro-droplets and image analysis protocols to measure the growth of small communities starting from individual bacterial cells. As each droplet is independent from one to another, this 3D cell culture format allows us to finely control the content within each droplet, while following the progeny of an individual cell.Therefore, we can follow the growth from individual cell to a colony using time lapse imaging. Plus, by adding ciprofloxacin, the cells in the microfluidic droplets can be subjected to antibiotic stress and we are able to observe the morphological changes at the single cell level. Using our microfluidic device, we can quantitatively investigate the antibiotic response of individual cells from a monoclonal bacterial population. We demonstrate that it is possible to detect heterogeneity outcomes within a monoclonal population of E. coli from which we can deduce single-cell susceptibility to antibiotic that we call the μf·MIC (microfluidic Minimum Inhibitory Concentration). This μf·MIC gives us access not only to the population antibiotics susceptibility but also to the antibiotic susceptibility within the population.Using this microfluidic and imaging pipeline, we offer both qualitative and quantitative insights into the response of antibiotics. This approach enables us to enhance our comprehension of how different antibiotics function by providing information about their mechanism of action.