Comment lutter contre les infections liées à la formation de biofilms - Pr Christiane Forestier - Académie Nationale de Pharmacie
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Séance thématique penta-académique « Antibiorésistance et société »
Comment lutter contre les infections liées à la
formation de biofilms
Pr Christiane Forestier
Déclaration de liens d’intérêt : aucun
Planctonique Biofilm
Anton van Leeuwenhoek, commerçant et savant néerlandais, en inventant le
premier microscope, a mis en évidence à partir d’échantillons de sa plaque
dentaire des “anilmacules” fixés à l’émail
1632-1723
J.W. Costerton
“biofilms”
1934-2012
Biofilms : communautés hétérogènes composées de microorganismes englobés dans une matrice autoproduite
structure tridimensionnelle cohésive – réseau interconnecté
Matrice (polysaccharides,
protéines, ADN, lipides) : lieu
d’échange, d’interactions et
d’activités enzymatiques
Fleming & Wingender, 2010
Biofilms : contamination de dispositifs médicaux et sources d’infections (chroniques)
Lebeaux et al., 2014
Résistance aux antibiotiques,
antiseptiques et agents Interférence avec le
désinfectants persistance système immunitaire
Contamination ultérieure
(autres sites - patients - produits
Corrosion et altération des surfaces
conditionnés)
« Effects of antibiotics on biofilm cells of a clinical Staphylococcus aureus isolate from bone and joint infection »
Minimal Inhibitory Concentration Minimal Bactericidal Concentration Minimal Biofilm Eradication Concentration
Marquès et al., 2014
Comment les biofilms résistent aux agents anti-infectieux?
Métabolisme ralenti (O2, pH) « indifférence »
Diffusion altérée à travers la matrice extracellulaire
Présence de bactéries en dormance “persisters”
Lebeaux et al., 2014
Matrice extracellulaire
Moindre accessibilité aux agents anti-infectieux
Diffusion altérée à travers la
matrice extracellulaire
✔ Interactions électrostatiques,
✔ Liaisons avec molécules chargées négativement (ADNe)
✔ Lyse enzymatique,
✔ …
Lebeaux et al., 2014Comment les biofilms résistent aux agents anti-infectieux?
Métabolisme ralenti (O2, pH) « indifférence »
Diffusion altérée à travers la matrice extracellulaire
Présence de bactéries en dormance “persisters”
Lebeaux et al., 2014Etat physiologique particulier : “persisters” dans
les couches profondes du biofilm
Kanamycin (24h)
Incubation (72h) Airflush
Ito et al., 2009 Incubation (72h) w/o antibiotics “Observations on the mechanism of action of penicillin" GL Hobby, K Meyer, E Chaffee. Exp Biol
Med, 1942, 50:281-285
“Treatment of Staphylococcal infections with penicillin” JW Bigger, Lancet, 1944, 244:497-500
“Some 1% of Staphylococcus pyogenes exposed to penicillin survive and produce colonies”
This resistance is phenotypic rather than inherited; when recovered colonies were re-cultured,
they are susceptible to penicillin-mediated killing as their ancestors
«Penicillin does not have the ability to sterilize an infection » due to the presence of persisters
Tolérance : capacité d’une partie d’une population bactérienne à
résister à un antibiotique (bactéricide) – croissance diminuée
Persistence : survie d’une partie de la populationDétection in vitro des formes tolérantes – persistantes : « TDtest »
Gefen et al., 2017Persistance / dormance : quels mécanismes moléculaires ?
8. Production of Reactive Oxygen
Species (ROS)
6. ppGpp and DskA complex
modulates RNA polymerase
7. Decreased TCA cycle activity in 5. CspD (Cold shok protein)
response to flux alteration Inhibition of DNA replication
4. Nutrient limitation cAMP,
binds to Crp Activation of both
relA and cspD
1. Starvation Activation of Lon or 3. Uncharged tRNA due to amino acid
Clp proteases Toxin Antitoxin starvation synthesis of ppGpp via RelA
activation
2. Liberated toxins cleave mRNA (RelE) or inhibit
the glutamyl-tRNA synthetase Prax et al., 2014Comment lutter contre les biofilms?
Comment lutter contre les biofilms?
Anti-adhésion : modification des structures - revêtement des surfaces avec un agent antibactérien
Modifications physico-
chimiques des surfaces
+ Antiseptiques,
antibiotiques, peptides
anti-bactériens, ..
Effet limité dans le temps
Risque écologique (formes résistantes)
Accessibilité « réelle » in vivo ?Solutions « verrou » pour dispositifs médicaux invasifs (cathéters) Antibiotiques / Ethanol (+ Anticoagulant)
Anti-adhésion : revêtement des surfaces avec un agent « glissant » Polysaccharides bactériens
Anti-adhésion : revêtement des surfaces avec un agent « glissant »
Polysaccharides
bactériens
Control + K. pneumoniae exopolysaccharide
Pas d’activité bactériostatique ou bactéricide
Molécules signal (expression des gènes bactériens) ?
Inhibition compétitive vis-à-vis d’adhésines bactériennes ?
Surfactant ? Rendueles et al. 2013 ; Dos Santos et al., 2014
Staphylococcus epidermidisCompétition avec une bactérie « bénéfique »
K. pneumoniae
K. pneumoniae +
Lactobacillus plantarum
Pas d’activité bactériostatique ou bactéricide
Inhibition compétitive vis-à-vis d’adhésines bactériennes ?
Interaction avec la matrice extracellulaire (lectines) ?
Lagrafeuille et al., 2016✔ Inhibiteurs du système de coordination Quorum Sensing
✔ Enzymes capables de dégrader la matrice extracellulaire (dispersine, amylase, DNase, …)
✔ Peptides ou peptoïdes anti-biofilm
✔ Chelateurs de métaux
✔ Acides aminés, indol, …
✔ Bactériophages (exprimant des enzymes de dégradation de la matrice du biofilm)
Li & Lee, 2017✔ Inhibiteurs du système de coordination Quorum Sensing
✔ Enzymes capables de dégrader la matrice extracellulaire (dispersine, amylase, DNase, …)
✔ Peptides ou peptoïdes anti-biofilm
✔ Chelateurs de métaux
✔ Acides aminés, indol, …
Li & Lee, 2017ESCMID Guidelines for the treatment of biofilm-related infections: Antibiotic combination therapy combined with initial
debridement surgery and exchange of modular parts of the implant
Antibiotiques et activités anti-biofilm✔ Inhibiteurs du système de coordination Quorum Sensing ✔ Enzymes capables de dégrader la matrice extracellulaire (dispersine, amylase, DNase, …) ✔ Peptides ou peptoïdes anti-biofilm ✔ Chelateurs de métaux ✔ Acides aminés, indol, …
Molécules anti-persisters et leurs cibles cellulaires
Endommager les membranes
Dépolariser les membranes
+ Enzymes
« Réanimer »
Stimuler l’influx d’antibiotiques
Defraine et al., 2018Peptide
Préventif Curatif
Actif sur persisters
De Breij et al., 2018Essais cliniques concernant des molécules anti-biofilm : • Bacteriophage-encoded lysin (peptidoglycan hydrolase) CF-301 / S. aureus bloodstream infections : phase II ongoing CF-301 has demonstrated activity against S. aureus in laboratory (in vitro) and animal studies, alone and in addition to conventional antibiotics. The purpose of the study is to evaluate the safety, tolerability, efficacy and pharmacokinetics (PK) of CF-301 in addition to background standard of care antibacterial therapy for the treatment of Staphylococcus aureus bloodstream infections (bacteremia), including endocarditis in adults. • XF-73, Membrane active porphyrin compound / gels to reduce S. aureus nasal colonization ; phase II completed. • HT62, quinolone-derived molecule/ nasal decolonization ; phase III ongoing A randomised, open-labelled, multiple dose study of HT61 formulations applied to the anterior nares plus chlorhexidine body and hair washes in subjects with nasal carriage of Staphylococcus aureus
Molécules anti-biofilm associées à des antibiotiques : effet synergique ?
P128 : muralytic enzyme (bacteriophage) with antistaphylococcal activity against sensitive and drug-resistant strains,
planktonic and biofilm cells
Nair et al., 2016✔ Inhibiteurs du système de coordination Quorum Sensing ✔ Enzymes capables de dégrader la matrice extracellulaire (dispersine, amylase, DNAase, …) ✔ Peptides ou peptoïdes anti-biofilm ✔ Chelateurs de métaux ✔ Acides aminés, indol, …
La dispersion du biofilm est une étape programmée…
protéase NalP de Neisseria meningitidis
eDNA – NHBA (Heparin-binding antigen)
ou induite par d’autres bactéries de la même niche écologique
Iwase et al., 2010 ; Stacy et al., 2016 ; Arenas & Tommassen, 2017Quelles sont les caractéristiques des bactéries dispersées à partir d’un biofilm ?
Analyses transcriptionnelle et phénotypique
de bactéries dispersées de biofilm à
Klebsiella pneumoniae
Guilhen et al., 2017 & unpublishedComment lutter contre les infections liées à la
formation de biofilms ?
Antibiotiques, dispersants, anti-persisters,…
Lyser : planctoniques
et persisters
Désorganiser
Interférer???? Exemples de peptides testés in vivo pour leurs pptes antibiofilm
Andrea et al., 2018« Antibiotic tolerance facilitates the evolution of resistance» Communautés de mécanismes ? (efflux pump, SOS response) Levin-Reisman et al., 2017 ; Lewis & Chan, 2017
Li & Lee, 2017
How is it reversible ?
Titration screen – ASKA library
Overexpression of pth (peptidyl tRNA hydrolase) inhibits TA cells wake up!Two-pronged attack strategy for biofilm removal with enzymatically active DspB-expressing
T7DspB phage.
ngineered bacteriophage to express a biofilm-degrading
enzyme during infection to simultaneously attack the
bacterial cells in the biofilm and the biofilm matrix
Timothy K. Lu, and James J. Collins PNAS
2007;104:27:11197-11202
©2007 by National Academy of SciencesFIGURE 9. Model illustrating S. aureus atl-dependent biofilm formation and the impact of serine proteases, i.e., S. epidermidis Esp or S. aureus V8 (SspA), on controlling Atl activity and biofilm disassembly. The model distinguishes five steps in the biofilm developmental process: attachment, eDNA release, maturation, detachment, and dissemination. Three surface proteins (Eap, FnbA, and FnbB) are thought to promote S. aureus attachment to fibronectin (attachment). The secretion of Atl promotes the release of eDNA as an extracellular matrix for biofilm formation (eDNA release). Activation of secreted SspA (V8 protease) inactivates Atl, thereby promoting staphylococcal replication in the newly formed matrix (biofilm maturation). The continued activation of SspA promotes the detachment of staphylococcal cells from the biofilm (detachment). Detached staphylococci disseminate and adhere elsewhere by binding to fibronectin and establishing another biofilm. S. aureus biofilm formation is perturbed by the S. epidermidis secreted protease Esp. We propose that exuberant expression of S. epidermidis Esp (unlike S. aureus SspA) perturbs biofilm formation of S. aureus.
Dispersion du biofilm de S. aureus induite par S. epidermidis au
sein de la même niche écologiqueEssais cliniques : Bacteriophage-encoded lysin CF-301 / S. aureus bloodstream infections : phase II ongoing The purpose of this study is to evaluate the safety, tolerability, efficacy and pharmacokinetics (PK) of CF-301 in addition to background standard of care (SOC) antibacterial therapy for the treatment of Staphylococcus aureus (S. aureus) bloodstream infections (bacteremia), including endocarditis in adults. Patients will be randomized to receive a single intravenous dose of CF-301 or placebo in addition to SOC antibacterial therapy. Patients will be prescribed standard of care antibiotics selected by the investigators based on their professional experience, practice guidelines and local antibiotic susceptibility information for the treatment of S. aureus bacteremia. CF-301 is a lysin and member of a new class of targeted protein-based antimicrobials that has demonstrated activity against S. aureus in laboratory (in vitro) and animal studies, alone and in addition to conventional antibiotics. • Membrane active porphyrin compound / gels to reduce S. aureus nasal colonization ; phase II completed This is a Phase I, multi-center, clinical study of XF-73 to evaluate the local (nasal) safety and tolerability of a modified, thinner lower viscosity formulation of intranasal XF-73 in healthy male and female subjects. In addition, the potential for systemic absorption of XF-73 in the modified, thinner lower viscosity and the previously investigated thicker, higher viscosity formulations and their decolonization efficacy in comparison to placebo will be evaluated. Both parts of the study will be double-blinded and Part 2 will also be placebo-controlled. Primary objective is to establish the safety and tolerability of two concentrations of a modified thinner, lower viscosity nasal formulation of XF-73 and to compare them to a previously investigated, thicker, higher viscosity formulation • HT62, quinolone-derived molecule/ nasal decolonization ; phase III ongoing • Full Title: A randomised, open-labelled, multiple dose study of HT61 formulations applied to the anterior nares plus chlorhexidine body and hair washes in subjects with nasal carriage of Staphylococcus aureus • Full Title: Randomised double-blind, vehicle controlled dosing frequency study of HT61 1% gel applied to the anterior nares plus chlorhexidine body and hair washes in subjects with nasal carriage of Staphyloco...
Etat physiologique particulier : “persisters” dans les couches profondes du biofilm
Ito et al., 2009Salmonella et persisters …
• Formation de persisters acetylation de
l’amino-acyl ARNt par l’enzyme TatT
• + peptidyl tRNA hydrolase (Pth)
”Réveil” des persisters
Helaine et al., 2017Vous pouvez aussi lire
