Formulations of cationic antibiotics (tobramycin and colistin) to improve their penetration through mucus and pulmonary bacterial biofilms

par Rana Zaidan Awad

Thèse de doctorat en Pharmacologie et Sciences du médicament

Sous la direction de Sandrine Marchand, Frédéric Tewes et de Mohamad Nasser.

Soutenue le 17-12-2020

à Poitiers , dans le cadre de École doctorale Sciences Biologiques et Santé (Limoges) , en partenariat avec Laboratoire pharmacologie des anti-infectieux (Poitiers) (laboratoire) , Université de Poitiers. UFR de médecine et de pharmacie (faculte) et de Pharmacologie des anti-infectieux / PHAR (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Burucoa.

Le jury était composé de Sandrine Marchand, Frédéric Tewes, Layale Safa.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Dé, Nicolas Anton.

  • Titre traduit

    Formulations d'antibiotiques cationiques (tobramycine et colistine) afin d'améliorer leur pénétration dans le mucus et les biofilms bactériens pulmonaires


  • Résumé

    Pseudomonas aeruginosa (PA) et Acinetobacter baumannii (AB) sont responsables d'infections pulmonaires chroniques souvent associées à la formation de biofilms, i.e. des agrégats bactériens piégés dans une matrice riche en polymères anioniques tels que l'alginate ou l’ADN. Au sein de ces biofilms, la diffusion des antibiotiques cationiques (ATB), tels que la tobramycine (TOB) et la colistine (COL), est en partie réduite due aux interactions avec les polymères de la matrice. Les principaux objectifs de cette thèse ont été dans un premier temps de développer un modèle de biofilm pulmonaire mimant ceux retrouvés dans les infections pulmonaires chroniques des patients atteints de mucoviscidose (CF), l'une des principales maladies pulmonaires dans laquelle ces biofilms se développent. Un nouveau système d’administration d'ATB, composé de nanoparticules lipidiques chargées de COL, a été par la suite développé et testé grâce à ce modèle de biofilms pulmonaires.Chez les patients atteints de CF, PA forme des biofilms constitués d'agrégats (50-100 μm) incorporés dans leur mucus pulmonaire. Un modèle de biofilm pulmonaire in vitro composé des polymères présents in vivo (alginate, mucines, ADN) et constitué de PA piégés dans des billes d'alginate, a été développé et évalué à l'aide de la COL et de la TOB. Ce modèle a été optimisé en évaluant l'effet de la taille des billes et du milieu de croissance dans lequel elles ont été dispersées. La modification de la taille des billes de 60 à 1200 µm et l'utilisation d'un milieu de dispersion simulant la composition du mucus pulmonaire ont permis de réduire davantage l'efficacité de la TOB dans ce modèle. Pour des concentrations élevées en TOB, des variants de PA formant de très petite colonies (SCV), également trouvés chez les patients atteints de CF, ont été observés dans le modèle, ce qui suggère une bonne imitation des conditions in vivo. Dans ce modèle, l'efficacité de la COL a été moins affectée que celle de la TOB, et aucune SCV a été observé. Des nanoparticules lipidiques PEGylées chargées de COL et contenant un adjuvant lipophile à la COL tel que le farnésol ont été développées pour augmenter son efficacité contre les biofilms. L'encapsulation de la COL a amélioré son efficacité par un facteur deux dans le modèle de biofilm pulmonaire à PA précédemment développée. Ces nanoparticules ont permis également de restaurer la sensibilité à la COL d'une souche résistant d’AB et ont amélioré son efficacité dans un modèle de biofilm d’AB formé sur une surface abiotique.


  • Résumé

    Pseudomonas aeruginosa (PA) and Acinetobacter baumannii (AB) are responsible for chronic lung infections often associated with the development of biofilms, i.e. bacterial aggregates trapped in a self-produced matrix of anionic polymers such as alginate or DNA. Within these biofilms, bacteria are protected from cationic antibiotics (ATB) such as tobramycin (TOB) and colistin (COL), in part through their interaction with matrix polymers, which reduce their diffusion. The main objectives of this thesis were first to develop a lung biofilm model that mimics those found in chronic lung infections of patients with cystic fibrosis (CF), one of the main lung diseases for which biofilms develop. Then use this model to evaluate a new ATB delivery system made of lipid nanoparticles developed to treat lung biofilms.In CF patients, PA forms biofilms consisting of aggregates (50-100 μm) enclosed in their pulmonary mucus. An in vitro lung biofilm model composed of polymers present in vivo (alginate, mucins, DNA) and consisting of PA trapped in alginate beads has been developed and evaluated using COL and TOB. This model was refined by evaluating the effect of the size of the beads and the growth medium in which they were dispersed. Changing the size of the beads from 60 to 1200 µm and using a dispersion medium simulating the composition of mucus further decreased the effectiveness of TOB in this model. For high TOB concentrations, small-colony variants (SCV) of PA, also found in the CF patient, were observed in the model, suggesting a good mimicry of the conditions in vivo. In this model, COL efficacy was less impacted than that of TOB, and prevented the appearance of SCV. Pegylated lipid nanoparticles loaded with COL and containing a lipophilic adjuvant to COL such as farnesol have been developed to increase its effectiveness against biofilms. Encapsulation of COL improved its efficiency by two in the lung biofilm model PA developed, but also restored the sensitivity to COL of a resistant AB and improved its efficiency in an abiotic adherent biofilm model with AB.


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