Caractérisation du biofilm de Clostridium difficile : du support inerte à la colonisation digestive

Characterization of Clostridium difficile biofilm : from the inert support to the digestive colonization

• Auteur / Autrice : Anna Soavelomandroso
• Direction : Claire Janoir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 19/06/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecosystème Microbien Digestif et Santé (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Noëlle Bellon-Fontaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Janoir, Marie-Noëlle Bellon-Fontaine, Christine Roques, Martine Pestel-Caron, Sylvie Bouttier, Frédéric Barbut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Roques, Martine Pestel-Caron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Intestins

Biofilms

Clostridioides difficile

Mots clés libres

Clostridium difficile

Biofilm

Modèle de souris

Intestin

Cwp84

Clostridium difficile

Biofilm

Mouse model

Gut

Cwp84

Résumé

Clostridium difficile est une bactérie enteropathogène responsable d'infections intestinales dont les manifestations cliniques varient d’une simple diarrhée à une colite pseudomembraneuse parfois mortelle. L’une des problématiques majeures rencontrées dans la prise en charge des infections à C. difficile (ICD) est la survenue de récidives. Chez de nombreuses espèces bactériennes, la formation de biofilm est associée à la chronicité de l’infection. Le biofilm est un mode de vie dans lequel les bactéries sont engluées dans une substance polymérique qu'elles secrètent elles-mêmes. L’aptitude de C. difficile à former un biofilm in vitro a été clairement établie depuis 2012. Cependant aucune étude n’a montré jusqu’ici s’il est capable de former un biofilm in vivo. L’objectif de cette thèse était d’une part d’étudier différents paramètres impliqués dans la formation du biofilm in vitro et d’autre part de déterminer si C. difficile est capable de former un biofilm in vivo. Dans un premier temps, nous avons analysé la capacité de différentes souches de C. difficile (souches cliniques et souches de laboratoires modifiées génétiquement) à former un biofilm in vitro. Parmi ces dernières, la souche mutée pour le gène cwp84, codant une protéase de surface responsable de la maturation de la couche S de C. difficile, présente un biofilm particulièrement robuste et épais comparé à la souche parentale 630∆erm. L’activité protéolytique de Cwp84 est donc impliquée dans la formation du biofilm et module certaines propriétés de surface de la bactérie telles que l’hydrophobicité. Nous avons également étudié la composition en sucre de la matrice du biofilm, après une étape de mise au point qui a permis de déterminer les conditions permettant d’obtenir suffisamment de matériel. Les conditions retenues ont été les suivantes : formation de biofilm sur un support en verre, en présence de glucose et en milieu renouvelé. La présence d’un sucre qui possède un profil proche du PSII (polysaccharide associé à la surface des cellules planctoniques de C. difficile) dans la matrice du biofilm a été détecté par spectroscopie infrarouge. Dans un second temps, afin d’étudier l’aptitude de C. difficile à former un biofilm in vivo, différents modèles animaux ont été utilisés : un modèle de souris monoxéniques dans lequel plusieurs souches de C. difficile ont été testées (souches 630∆erm, mutant cwp84, R20291, P30) et un modèle de souris dixénique pour étudier la formation de biofilm mixte (C. difficile/Finegoldia magna et C. difficile/Clostridium scindens). Dans le modèle monoxénique, quelles que soient les souches testées, C. difficile est distribué de manière hétérogène tout au long de la surface du tissu intestinal. Les bactéries sont majoritairement retrouvées isolées sauf pour la souche R20291 qui forme le plus souvent des petits agrégats. Pour cette souche, différents marquages immunohistochimiques réalisés sur des coupes de cecum et de colon ont montré que la majorité des bactéries sont enchâssées dans de petites structures en 3 dimensions adhérentes à la couche du mucus. Le polysaccharide PSII est détecté en grande quantité à l'intérieur de cette structure. Ce composé étant présent dans la matrice de biofilm de C. difficile formé in vitro, ces résultats suggèrent que la souche R20291 pourrait s’organiser en biofilm dans le modèle de souris monoxénique. En modèle de souris dixéniques, nous avons montré que la présence de F. magna n’influe pas sur le niveau de colonisation de C. difficile, alors que l'association avec C. scindens semble être bénéfique aux deux bactéries puisqu'une augmentation de la population globale de deux espèces est observée comparé à la population présente dans chaque modèle mono-espèce. En conclusion, une souche productrice de biofilm in vitro semble être capable de s’organiser en une structure biofilm in vivo. Le rôle du biofilm dans l'étape de colonisation du colon par C. difficile et les rechutes des ICD devra être analysé.

Clostridium difficile is an enteropathogenic bacterium responsible for intestinal infections, the clinical symptoms vary from moderate diarrhea to pseudomembranous colitis, sometimes fatal. One of the major problems encountered in the management of C. difficile infections (DCI) is the occurrence of recurrences. In many bacterial species, biofilm formation is associated with the chronicity of infection. Biofilm is a way of life in which bacteria are entrapped in a polymeric substance secreted by the bacteria themselves. The ability of C. difficile to form an in vitro biofilm has been clearly established since 2012. However, no study has so far shown whether it is capable of forming a biofilm in vivo. The objective of this thesis was to analyze different parameters involved in the formation of biofilm in vitro and to determine whether C. difficile is able to form a biofilm in vivo.We first analyzed the ability of different strains of C. difficile to form a biofilm in vitro (clinical strains and strains genetically modified laboratories). Among the latter, the mutant strain for the cwp84 gene, encoding a surface-associated protease responsible for the maturation of the S layer of C. difficile, forms a particularly robust and thick biofilm compared to the 630Δerm parental strain. The proteolytic activity of Cwp84 is involved in the formation of biofilm and modulates certain surface properties of the bacterium such as hydrophobicity. We have also studied the polysaccharide composition of the biofilm matrix, after a development stage that allowed us to determine the optimal conditions for obtaining sufficient material. The conditions retained were the following: formation of biofilm on a glass support in the presence of glucose and in a renewed medium. We were able to determine by infrared spectroscopy the presence of a sugar which has a similar profile than the PSII (polysaccharide associated with the surface of C. difficile planktonic cells) in the matrix of the biofilm.Second, in order to study the ability of C. difficile to form a biofilm in vivo, different animal models were used: a monoxenic mouse model in which we tested several strains of C. difficile (strains 630Δerm, mutant cwp84, R20291, P30) and a dixenic mouse model to study the formation of mixed biofilm (C .difficile/Finegoldia magna and C. difficile/Clostridium scindens). In the monoxenic model, regardless of the strains tested, C. difficile is distributed heterogeneously throughout the intestinal tissue surface. The bacteria are mostly found isolated except for C. difficile R20291 which usually forms small aggregates. For this strain we have shown, thanks to various immunohistochemical labeling performed on cecum and colon sections, that the majority of the bacteria are embedded in a small 3-dimensional structures overlaying the mucus layer. The PSII polysaccharide is present in a large amount in this structure. As this compound has been detected in the in vitro C. difficile biofilm matrix, these results suggest strongly that the R20291 strain could be organized into biofilm structures in the monoxenic mouse model. In the dixenic mouse model, we have shown that the presence of F. magna does not influence the level of colonization of C. difficile, whereas the association with C. scindens seems to be beneficial to both bacteria since an increase of the global population is observed in this model compared to the population present in each single-species model.To conclude, an in vitro biofilm producing strain appears to be able to organize in a biofilm structure in vivo. The role of biofilm in the colonization step of the intestinal tract by C. difficile and in the occurrence of recurrences should be further analyzed.