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1
LES BIOFILMS …
Lydie PLOUX
Institut de Chimie des Surfaces et Interfaces
UPR CNRS 9069
15 rue J.Starcky BP248868057 Mulhouse cedex
– Le Mans – 20/03/2007 -
Interactions Système bactérien - Surface des (bio)matériaux
formation des biofilms
Facteurs d’influence :- caractéristiques de la surface
- conditions de culture- molécules bioactives
(inhibitrices)
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2
PLAN
Conclusions
Les biofilms bactériens : définitions et enjeux
Devenir d’un (bio)matériau
• Le film de conditionnement : exemple de l’adsorption de protéines
• Approche physico-chimique de l’adsorption de virus et des adhésions cellulaires primaires
• Interactions bactérie – surface et biofilm - surface
• Interactions ostéoblastes – surface
• Influence du film de conditionnement …
– Le Mans – 20/03/2007 -
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3
LE BIOFILMBACTERIEN
dans la nature …
Canalisation d’eaux usées
Biofilm d’un écosystème aquatiquealpin
Biofilm dans une flaque d’eau
© Gordon McFeters, author
Photo by John Lennox
Biofilm mixte (cocci et batônnets)sur la surface d’une plante
– Le Mans – 20/03/2007 -
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4
- Structure hétérogène
- Nombreux paramètres environnementaux
- Système dynamique (temps, espace)
Matériau
Matrice de polymère
extracellulaireSubstances et débris divers+
Bactéries
VIDE
PHASE LIQUIDE
COLONIES CELLULAIRES
CANAUX
«BANDEROLES»
Zones plutôt denses Parties en cours de détachement
Des pores et des canaux– Le Mans – 12/09/2006 -
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5
• protection contre les antibiotiques et les nettoyants chimiques
• réservoir de bactéries viables (possibilité de re-contamination bactérienne)
• protection contre les actions de nettoyage mécaniques
• protection contre des conditions de vie défavorables (hautes températures, lumières, séchage, …)
Avantages pour les bactéries …
– Le Mans – 20/03/2007 -
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6
Les problèmes posés
Milieu / Environnement
- Contamination bactérienne
- Contamination chimique (toxine par exemple)
Support
- Corrosion (métaux)
- Colmatage (filtres)
- Dégradations diverses (coating)
– Le Mans – 20/03/2007 -
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7
Biofilm sur uncathéter
Biofilm sur uneprothèse
Plaque dentaire
Biofilm sur la peau dans le domaine biomédical …
Biofilm dans l‘intestin
+
+
--
-
– Le Mans – 20/03/2007 -
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8
Homme, 56 ans, endocardite associée à un pacemakerUn exemple …
Fièvre (39,2°), vomissementsDouleurs cardiaquesS. aureus dans prélèv. sanguins
Cloxacilline : 12 g / jour, intraveineux, 4 semaines
Perte des symptômes7 jours
Fièvre, vomissementsTranspiration abondanteS. aureus dans prélèv. sanguins
Cloxacilline : 12 g / jour, intraveineux, 6 semainesRifampicine : 600 mg / jour, oral, 6 semaines
Perte des symptômes9 jours
Fièvre, vomissementsTranspirationS. aureus dans prélèv. sanguins
Retrait du pacemaker, recouvert de S. aureusCloxacilline : 12 g / jour, intraveineux, 4 semaines
Guérison– Le Mans – 20/03/2007 -P.Lejeune
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macromolécules
virusbactéries cellules
eucaryotes
Propriétés du matériau Chimie, Topographie, Récepteurs spécifiques, …
Devenir d’un (bio)matériau …
– Le Mans – 20/03/2007 -
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Bactérie (2 µm)
Virus (50 à 100 nm)
Protéine ~ 3 nm
G.Bourbonnais « http://ici.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais »
A différentes échelles …
– Le Mans – 20/03/2007 -
… et avec différents atouts …
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11
– Le Mans – 20/03/2007 -
Matériau
Compétition entre les différents objets
macromolécule
cellulevirus
bactérie
MatériauFilm de
conditionnement
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Film de conditionnement
Molécules présentes dans le milieu
métaux
minérauxFe, Mg, …
– Le Mans – 20/03/2007 -
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Film de conditionnement
Molécules présentes dans le milieu
métaux
minéraux
protéines
Albumine
Fibronectine
Fibrinogène
Sérum complet
… autres protéines du sang ou des tissus
– Le Mans – 20/03/2007 -
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Film de conditionnement
Molécules présentes dans le milieu
métaux
minéraux
protéines
lipides
Biosurfactants(glycolipides ou lipopeptides)
rhamnolipid (Pseudomonas)surfactin (Bacillus)
serrawettin ( Serratia)
– Le Mans – 20/03/2007 -
Produits métaboliques bactériens
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Film de conditionnement
Molécules présentes dans le milieu
métaux
minéraux
protéines
lipides
– Le Mans – 20/03/2007 -
sucresExopolysaccharides
bactériens
Produits métaboliques bactériens
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Film de conditionnement : les facteurs d’influence
– Le Mans – 20/03/2007 -
- nature de la molécule (masse, composition élémentaire, fonctions chimiques, conformation) et du matériau (charge, hydrophobicité)
- présence de plusieurs molécules
compétition pour l’adsorption
déplacement de molécules adsorbées
Interactions électrostatiques, Interactions van der Waals, Interactions hydrophobes
quantité adsorbée
réversibilité
conformation (dénaturation)
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Self-assembled monolayers (SAMs)
1) homogènes :
Film de conditionnement : exemple
– Le Mans – 20/03/2007 -
Conditions expérimentales:- Fn = 2µg/mL- Alb = 20µg/mL- Durée de l’adsorption = 2h- Séchage = flux de N2
Observation par AFM:Structure arborescente sur surfaces hydrophobes Structure globulairesur surfaces hydrophiles
Alb
Fn
Hydrophilic NH2Hydrophobic CH3
Contraste de phase(5x5)µmS.Fleith, thèse (2005)
Fibronectine (Fn) et Albumine (Alb) : conformation différente selon la nature de la surface.
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2) Hétérogènes :
S.Fleith, thèse (2005)– Le Mans – 20/03/2007 -
Conformation arborescente sur CH3
Mélange de conformations globulaire et arborescente sur NH2
+ Fibrinogène (Fn)
AFM topographic image (5x5)µm
CH3 1’ NH2 CH3 1’ NH2 gas + Fn
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Matériau
Adsorption et première phase de l’adhésion
– Le Mans – 20/03/2007 -
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20
Matériau
Adsorption et première phase de l’adhésion
– Le Mans – 20/03/2007 -
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Matériau
Adsorption et première phase de l’adhésion
– Le Mans – 20/03/2007 -
Théories DLVO
(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)
DLVO : interactions électrostatiques + interactions Van der Waals
DLVO étendue : + interactions hydrophobes
DLVO étendue + effets stériques
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Application de DLVO à l’adhésion bactérienne
DLVO étendue + effets stériques Ong Langmuir (1999) Lipopolysaccharide
(LPS)
– Le Mans – 20/03/2007 -Membrane d’une bactérie Gram négative
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23
Ong, Langmuir (1999)
Étude par AFM des
interactions bactéries-
surface
Accord qualitatif
Accord quantitatif
– Le Mans – 20/03/2007 -
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… dégager des tendances
Adhésion-agrégation
Sharp 1975– Le Mans – 20/03/2007 -
VIRUS
Floyd 1977 Images MEB
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25
L’adhésion-agrégation virale dépend
De la surface
- la charge de surface
- l’hydrophobicité
Gerba 1984, Voorhuizen 2001, Gassiloud 2005
Gerba 1984
Gerba 1984, Lytle 1995, Dowd 1998Du sérotype viral
- la charge de surface (point isoélectrique)
- la présence d’un coating de surface (polypeptides)
– Le Mans – 20/03/2007 -
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26
Du milieu
- pH
- la force ionique
- la nature des ions présents
Gerba 1984, Lukasik 2000, Zhuang 2003
Gerba 1984– Le Mans – 20/03/2007 -
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27
L’adhésion-agrégation virale est
Réversible
Médiée par les protéines adsorbées
Favorable à la survie virale
Facteur d’inactivation virale
Lytle 1995, Loveland 1996
Floyd 1977, Gerba 1984,
Gassiloud 2005
Lipson 1984
Gassiloud 2005
surtout étudiée pour les applications dans le domaine de la contamination des eaux rétention/inactivation
utilisée pour caractériser les propriétés « barrière » des matériaux
L’adhésion-agrégation virale est
– Le Mans – 20/03/2007 -
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28
BACTERIES
G.Bourbonnais « http://ici.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais »
– Le Mans – 20/03/2007 -
P.Lejeune
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29
Les étapes de la formation du biofilm
SURFACEColonisation
primaireColonisation secondaire
Maturation et détachement
1 2
– Le Mans – 20/03/2007 -
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30
la composition de la membrane bactérienne (présence de LPS)
Variations inter-bactéries dues à …
• permettent les mouvements « contrôlés » des bactéries (transport vers la surface)
• permettent de « dépasser » les forces répulsives (adhésion primaire)
• jouent peut-être un rôle d’adhésine (interactions spécifiques)
– Le Mans – 20/03/2007 -
la présence de flagelle(s)
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31
Curli
P.Lejeune
Flagelles, fimbriae, pili favorisent la
formation du biofilm, en particulier dans la
phase initialePrigent-
Combaret(2000)
- Plus courts, plus fins et plus nombreux que les flagelles
- protéine polymérisée
– Le Mans – 20/03/2007 -
la présence d’organelles d’adhésion
Interactions à faible distance : liaisons
hydrogènes et liaisons covalentes
?
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32
Attachement irréversible, consolidation
– Le Mans – 20/03/2007 -
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33
Les étapes de la formation du biofilm
– Le Mans – 20/03/2007 -
SURFACEColonisation
primaireColonisation secondaire
Maturation et détachement
1 2
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34Lejeune, Bioadh’05
Création de colonies bactériennes …
– Le Mans – 20/03/2007 -
Curli
ProliférationRegroupement des bactéries en colonies (twitching)
et migration des colonies (swarming)
P.Lejeune
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35
P.Lejeune
EPS
Synthèse des EPS(acide colanique pour Escherichia coli)
– Le Mans – 20/03/2007 -
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36
- Présence d’organelles (flagelles, pili)- Charge et hydrophobicité de la membrane externe
Bactéries
- Chimie de surface- Charge, énergie et hydrophobicité de la surface- Topographie de la surface
Surface du matériau
- pH, température, tension ionique- présence de surfactant- composition chimique
Conditions environnementales
– Le Mans – 20/03/2007 -
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37
Charges de surface
- point isoélectrique des bactéries : pH 2
charge négative à pH 7
mais : très variable selon les bactéries
et les conditions environnementales
⇒
++ ++ + ++ ++ +
---- -
----------
-- -- - -- -- -
---- -
----------
attraction répulsion
Adhésion initialeHogt 1986
Harkes 1991
Van der Mei 1992
Kiremitci-Gumustederelioglu 1996
Gottenbos 2001
Li 2004
Dankert 1986
Li 1999
– Le Mans – 20/03/2007 -
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38
Gottenbos J Antimicr Chemoth 2001
1 heure
Chargée +
Chargée -
7 heures
Chargée +
Chargée -
Chargée +
P.aeruginosa E.coli
Chargée -
Temps d’incubation Roberts 2004
Milieu de cultureModèle bactérien
+
+++
Li Int J Food Microb 1999
Tension ionique Adhésion initiale
++ ++ + ++ ++ +
---- -
----------
+ + +++
++++ + +
- - -- -- -
Li 2004
– Le Mans – 20/03/2007 -
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39
Hydrophobicité et énergie de surface
• Surfaces hydrophobes : favorables à l’adhésion bactérienne
Tegoulia 2002
Katsikogianni 2004
règle Bactéries hydrophiles sur surfaces hydrophiles
Bactéries hydrophobes sur surfaces hydrophobes
An 1998
Bakker 2004
Tsibouklis 1999
Li 2004
• Energie de surface faible surface antibactérienne
– Le Mans – 20/03/2007 -
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40
Topographie de la surface (rugosité)
- paramètre critique : taille des bactéries
1-3 µm
0,5-1,0 µm
Sites protégés
E.coli sur silice :lisse
E.coli sur silice :poreux (1 à 2µm)
Taylor 1998
Boyd 2002
– Le Mans – 20/03/2007 -
Structures inférieures à la taille d’une bactérie ?
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41
Bactérie
Charge de surface
Energie de surface
Hydrophobicité
Rugosité
[2] Bos 1999
[4] Bakker 2004
[5] Roberts 2004
[1] Gjaltema 1997
[3] Li 1999
[1] [2] [3] [4] [5] [6]
[6] Terada 2005
+ effet majeur
- effet mineur
0 pas d’effet
+ -+
+
0
+
-
Autres facteurs
déterminants si charge <0
+
Composition chimique Rugosité
+
Milieu de culture
-
Composition chimique
(protéines)
-
-
– Le Mans – 20/03/2007 -
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42
Film de conditionnement
Colonisation primaire
Colonisation secondaire
MATERIAU 1 2
Adhésion bactérienne Maturation et détachement
?
– Le Mans – 20/03/2007 -
Etude cinétique d’un biofilm formé sur des SAMshydrophobes et hydrophiles
Mouillabilité à l’eau (θe après stérilisation)
CH3 NH2
98,5° ± 3,5 54,0° ± 2,5
Ploux (2007)
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43
NH2CH3
PDMSin milieu aqueux
Biofilm
en milieu confiné NH2CH3
1 mm
Haidara (2000)
évolution cyclique =
maturation puisdétachement0,0E+00
2,0E+074,0E+076,0E+078,0E+071,0E+081,2E+08
0 100 200 300 400
Culture duration (hours)
cells
/cm
2
NH2
CH3
– Le Mans – 20/03/2007 -Ploux (2007)
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44
Modèle du processus de détachement : deux voies, physique et biologique …
MATERIAU
Signal biologique
Détachement
Signal physique
Modification de la morphologie du
(bio)film
=
Modification de la cohésion du
(bio)filmCaractéristiques de la surface
Modification de la morphologie du
(bio)film
=
Modification des conditions de vie
physiologique
Signal physique
– Le Mans – 20/03/2007 -Ploux (2007)
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45
CELLULES
EUCARYOTES
K.Anselme
G.Bourbonnais « http://ici.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais »
– Le Mans – 20/03/2007 -
Image MEB
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46
Cinétique de l’adhésion cellulaire
Secondes
Phases
Forces de Van der WaalsForces ioniques
Liaisons Intégrine-ligand
Augmentation de la zone de contact, regroupement des récepteurs en cluster et
interactions avec le cytosquelette
Synthèse de la matriceextracellulaireJours
Minutes
Heures
– Le Mans – 20/03/2007 -K.Anselme
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47
cellules en
division
cellule en cours
d’adhésion
cellule adhérente
– Le Mans – 20/03/2007 -
K.Anselme
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48
Matrice extracellulaire
MATERIAU
NoyauExpression des gènes
Ca2+
Na+
K+
JonctionsInter-
Cellulaires
Actine
IntégrinesPoint focal
Signalisation
Cytosquelette
L’adhésion cellulaire
– Le Mans – 20/03/2007 -K.Anselme
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49
Protéines membranaires Interactions cellule-matériau ou cellule-matrice
Sites d’attachement des filaments d’actine
Figure 16-75Molecular biology of the cell, 3rd Edition, B. Alberts et al.
– Le Mans – 20/03/2007 -
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50
Les points focaux
de Molecular biology of the cell, 3rd
Edition, B. Alberts et al.Figure 19-10
Double marquage fluorescent : en orange, les points focaux
Figure 17-42
– Le Mans – 20/03/2007 -
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51
Influence des caractéristiques physico-chimiques de surface
Topographie de la surface
- amplitude de la rugosité (nano- and micro-
topographie)
- organisation de la rugosité (isotrope/anisotrope)
- porosité (micro- and macro-porosité)
– Le Mans – 20/03/2007 -
Chimie de surface
- composition de la surface
- énergie de surface, hydrophilicité/hydrophobicité
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52
Amélioration de l‘adhérence (modification de la porosité, de la texture, …)
Cellules osseuses sur des matériaux poreux ou à topologie structurée
Images MEB
– Le Mans – 20/03/2007 -K.AnselmeK.Anselme
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53
– Le Mans – 20/03/2007 -
Influence de la chimie de surface CH3 NH2 3’ CH3 1’ NH2
H (°) 15 +/- 4 17 +/- 2 22 +/- 4 22 +/- 10
S.Fleith, thèse (2005)
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54Hiérarchie des couches adsorbées: Eirich, Bolger et Michaels (1968)
Rédu
ctio
nde
l’en
ergi
ede
sur
face
Influence du film de conditionnement : quelle surface ?
– Le Mans – 20/03/2007 -
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55
Influence du film de conditionnementprotéines Albumine
FibrinogèneEffet inhibiteur pour l’adhésion bactérienne
Effet promoteur pour l’adhésion bactérienne
– Le Mans – 20/03/2007 -
Adsorption préférentielle des cellules sur les zones avec protéines
Fibronectine et Pluronic F68 (copolymère amphiphile) Dewez (1998)
Polystyrène (PS)
PS-OX
Image ToF SIMSHépatocytes de rat
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56
Influence du film de conditionnement
– Le Mans – 20/03/2007 -
biosurfactant
Souche mutante de Serratia liquefaciens défectueuse en biosurfactant
Plaques contenant de la serrawettin
serrawettin
Gouttes d’eau contenant de la serrawettin
0 0,5 0,8 1,0 2,0 40
Favorise la formation des colonies bactériennes
Daniels (2004)
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57
Conclusions
Aspects physico-chimiques
Aspects biologiques
Surfaces (réelles ou modèles) Modèles biologiques (macromolécules, cellules)
Conditions environnementales(milieu de culture, film de conditionnement)
– Le Mans – 20/03/2007 -
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58
Remerciements
Fabienne Poncin-Epaillard
Karine Anselme
Arnaud Ponche
Conclusions
– Le Mans – 20/03/2007 -
identifier les caractéristiques des cellules (bactéries et cellules eucaryotes) et de l’environnement
tenir compte du facteur TEMPS (adhésion primaire, adhésion long-terme)
gérer la compétition entre « objets biologiques » (protéines, cellules eucaryotes, bactéries)
… optimiser les biomatériaux