Etude de l'impact d'antibiotiques sur des biofilms de Staphylococcus aureus.

Effects of antibiotics on a biofilm formed by a strain of Staphylococcus aureus.

• Auteur / Autrice : Claire Marques
• Direction : Christiane Forestier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la sante
• Date : Soutenance le 16/09/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Microorganismes : Génome et environnement
• Jury : Président / Présidente : Régine Talon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christiane Forestier, Jean-Philippe Lavigne, Sonia Chatellier, Stéphanie Badel-Berchoux, Sabine Favre-Bonté

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses articulaires

Bactéries

Os -- Infections

Antibiotiques

Biofilms

Mots clés libres

Biofilm

Staphylococcus aureus

Antibiotiques

Biofilm

Staphylococcus aureus

Antibiotics

Résumé

Les infections ostéo-articulaires requièrent souvent un acte chirurgical couplé à une antibiothérapie prolongée, en lien avec la capacité des bactéries en cause à former des biofilms sur les prothèses. La présence d’antibiotiques à des concentrations sub-inhibitrices (sub-CMI) peut stimuler la capacité des bactéries à former des biofilms, ce qui complexifie la problématique. Notre étude avait pour but de caractériser in vitro le comportement biofilm d’une souche clinique de Staphylococcus aureus issue d’une infection ostéo-articulaire en présence de 12 antibiotiques préconisés dans le traitement des infections à staphylocoques, à différentes concentrations (dont des concentrations sub-CMI).Un dénombrement des bactéries viables a été effectué à partir de biofilms formés en présence de chacun des 12 antibiotiques à différentes concentrations (incluant des concentrations sub-CMI), ainsi que dans les suspensions présentes autour de ces mêmes biofilms. La présence de 7 d'entre eux (ceftaroline, daptomycine, gentamicine, fosfomycine, ofloxacine, rifampicine et vancomycine) entraînait une inhibition de la formation de biofilm à des concentrations inférieures ou égales aux concentrations critiques. L'action de la fosfomycine s'étendait même à des concentrations sub-CMI. Seules la daptomycine et la gentamicine étaient capables d’agir à la fois sur les bactéries sessiles et sur les bactéries non-adhérentes en suspension.Quant aux biofilms mâtures de cette même souche préalablement formés en absence d'antibiotiques, seules des concentrations 800 à 51200 fois supérieures à la CMI -concentrations largement incompatibles avec une utilisation thérapeutique - entraînaient leur éradication.Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons concentré nos efforts sur l'action de la fosfomycine, choisie en fonction de son effet sur la formation de biofilm et de son intérêt thérapeutique. Une analyse transcriptomique des cellules présentes dans les biofilms formés en présence de fosfomycine et de cellules issues de biofilms matures traités ultérieurement à la fosfomycine a montré que la présence de cet antibiotique induisait majoritairement une sous expression de gènes codant des protéines impliquées dans le métabolisme et le transport des nucléotides, des acides aminés et des carbohydrates. Des gènes codant des adhésines et des protéines impliquées dans la synthèse de la capsule (ScdA) étaient également sous-exprimés. De manière moins importante, l'expression de gènes codant des molécules impliquées dans la synthèse du peptidoglycane (MGT et MurA) et des autolysines était également diminuée. Le ralentissement métabolique et les modifications induites au niveau des membranes par la présence de l'antibiotique seraient responsables du changement des capacités d'adhésion de la bactérie.L'impact de la fosfomycine à une concentration sub-CMI sur les caractéristiques des bactéries viables isolées dans la suspension autour des biofilms a également été déterminé. De façon surprenante, ces bactéries montrent une capacité accrue à former du biofilm par rapport à celles issues de l'environnement d'un biofilm non soumis à l'action de l'antibiotique, en lien probablement avec un accroissement d'épaisseur de leur couche de peptidoglycane.En conclusion, ces données obtenues in vitro devront être confirmées dans des modèles d'infections expérimentales in vivo. Malgré tout, elles soulignent la pertinence de l’utilisation de la fosfomycine dans la prévention des infections ostéo-articulaires liées à S. aureus, à condition d'éradiquer en parallèle les formes non adhérentes.

Osteoarticular infections (OAI) often require a surgical procedure with prosthesis removal followed by long-term complex antibiotherapy. The ability of Staphylococcus aureus to adhere and produce biofilm on the surface of implanted material contributes to treatment failures and microbiological relapses. In addition, biofilm formation can be induced by some antibiotics at sub-minimal inhibitory concentrations (sub-MICs). The present study characterizes in vitro the effects of 12 antibiotics on biofilm formed by a strain of methicillin-susceptible Staphylococcus aureus isolated from an osteo-articular infection.The influence of these antibiotics was assessed on biofilm formation at concentrations including the breakpoints, by numbering viable cells in the biofilm biomass and in the suspensions (unattached cells) surrounding the biofilm. Biofilm formation was prevented in presence of ceftarolin, daptomycin, fosfomycin, gentamicin, ofloxacin, rifampicin and vancomycin at the highest concentrations tested. Only fosfomycin showed inhibition properties also at sub-MICs. Unattached and sessile viable bacteria were undetectable to daptomycin and gentamicin at the highest concentrations tested.Determination of the minimum biofilm eradication concentrations (MBECs) indicated that in vitro eradication of 24h-old biofilms required concentrations at least 800 times higher than the planktonic MIC, concentrations obviously not compatibles with classical therapeutic doses.In the second part of this work, we focused our study on the action of fosfomycin, because of its effect on biofilm formation and its therapeutic interest. A transcriptome analysis was performed with sessile cells from both biofilm formed in the presence of sub-MIC of fosfomycin and cells from pre-formed 24h-old biofilm treated by fosfomycin at sub-MBEC. Fosfomycin induced mostly down regulation of genes assigned to nucleotide, amino acid and carbohydrate transport and metabolism. Adhesins and capsular biosynthesis proteins (ScdA) encoding genes were also down regulated. To a lesser extent, peptidoglycan biosynthesis proteins (MGT and MurA) and autolysins encoding genes were found down regulated. Metabolic slowdown and cell membrane modifications induced by fosfomycin are likely to be responsible for the impairment of bacterial adhesion capacity.The action of fosfomycin at sub-MIC on unattached cells surrounding biofilm was also analyzed. Surprisingly, they displayed higher capacity to form new biofilm than their counterparts obtained without fosfomycin, probably associated with their large peptidoglycan layer.In conclusion, these data underline the relevance of the use of fosfomycine in preventing osteo-articular infections due to S. aureus and should be assessed in in vivo experiments. However, simultaneous eradication of unattached cells should also be considered due to the high capacities of these cells to disseminate and establish new biofilm, a real risk of treatment failure.