Mécanobiologie des biofilms : influence de facteurs mécaniques sur la prolifération bactérienne par une approche expérimentale in-vitro

Mechanobiology of biofilms : impact of mechanical factors on bacterial proliferation by an experimental approach in vitro

• Auteur / Autrice : Margaux Blondel
• Direction : Pascal Swider, Sophie Palierne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 30/05/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Elvire Servien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Swider, Sophie Palierne, Elvire Servien, Thibaut Cachon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Viateau, Georges Jacquet-Richardet

Mots clés

Mots clés libres

Biofilm

Mécanobiologie

Microfluidique

Pseudomonas aeruginosa

Infection

Chargement dynamique

Méthodes expérimentales

Biofilm

Mechanobiology

Microfluidics

Pseudomonas aeruginosa

Infection

Dynamic loading

Experimental methods

Résumé

L’infection postopératoire est une complication redoutée tant en chirurgie orthopédique humaine que vétérinaire, pouvant avoir des conséquences lourdes en termes de morbidité, de coûts et de récidives. Son éradication est particulièrement difficile, notamment à cause du développement de biofilms sur les implants utilisés. Les bactéries au sein d’un biofilm sont en effet tolérantes aux antibiotiques, ce qui explique les nombreux échecs thérapeutiques lorsqu’une antibiothérapie seule est utilisée. L’exploration des facteurs influant sur le développement de ces biofilms, en particulier l’impact de contraintes mécaniques fluides et solides auxquelles l’os en cours de cicatrisation est en permanence soumis, permettrait de développer des stratégies thérapeutiques alternatives aux antibiotiques, et de minimiser les risques d’antibiorésistances. L’hypothèse centrale de ce travail a consisté à supposer qu’un stimulus mécanique pouvait modifier la prolifération bactérienne et la formation du biofilm. La première partie de cette thèse s’attache à décrire les aspects cliniques de l’infection bactérienne en chirurgie orthopédique humaine et vétérinaire, ainsi que les mécanismes de formation d’un biofilm. La mécanobiologie sous-jacente au développement d’un biofilm est ensuite discutée dans une approche multi-échelle, de la bactérie au tissu biologique, et les stratégies thérapeutiques complémentaires ou alternatives aux antibiotiques sont présentées. La deuxième partie présente le dispositif expérimental original développé dans cette étude. Un dispositif microfluidique pouvant être soumis à un moment de flexion et permettant la formation d’un biofilm bactérien a été conçu. Ce dispositif a consisté en l’assemblage d’une puce contenant un micro-canal moulé dans du PDMS, et d’une lamelle flexible en PETG. Un système mécanique générant une force de flexion cyclique de fréquence et d’amplitude contrôlables (0 – 2.5 Hz et 0 – 3.10 mm, respectivement) a également été conçu. Les équations gouvernant la réponse cinématique du dispositif ont été fournies. La troisième partie du document présente et discute les résultats préliminaires obtenus dans l’étude in vitro. Afin de quantifier le développement du biofilm, les puces en PDMS ont été inoculées avec une souche de P. aeruginosa contenant un plasmide exprimant une protéine fluorescente. Les dispositifs microfluidiques ainsi inoculés ont ensuite été soumis à un moment de flexion (condition dynamique), et la réponse statique a été utilisée comme contrôle. La microscopie en épifluorescence a permis de comparer la fluorescence des puces dynamiques à celle des puces statiques. Les résultats préliminaires ont montré que la flexion cyclique pouvait impacter le développement des biofilms. D’une part, les biofilms se sont formés de façon aléatoire le long des micro-canaux soumis à la flexion, contrairement à ceux formés dans les micro-canaux statiques pendant ce même laps de temps. D’autre part, la taille et l’intensité de la fluorescence des biofilms formés ont également été impactées par la flexion, l’intensité restant inchangée entre les images capturées à 24h et 48h mais la taille augmentant. En comparaison avec les résultats statiques, cette dernière observation suggère que la flexion pourrait altérer la composition des biofilms, en particulier en diminuant la concentration bactérienne. En conclusion, la méthodologie proposée dans ce travail de thèse tend à valider l’hypothèse initiale au regard de la sensibilité mécanobiologique des biofilms bactériens, en particulier sous stimuli mécaniques à l’état d’équilibre. Ce document propose un cadre expérimental reproductible permettant d’évaluer l’impact d’un cycle dynamique sur le développement d’un biofilm bactérien, et éventuellement de tester des stratégies thérapeutiques dans un environnement contrôlé.

Postoperative infection is a dreaded complication in human and veterinary orthopedics which can be associated with significant consequences in terms of morbidity, costs and recurrence. Its eradication is difficult, especially due to the development of biofilms on implants used. As a matter of fact, bacteria within a biofilm are tolerant to antibiotics, thus explaining the high number of therapeutic failures when antibiotic therapy alone is used. Investigating factors that could affect biofilm development, and particularly exploring the impacts of the solid and fluid mechanical stresses to which a healing bone is permanently submitted, could allow developing therapeutic strategies alternative to antibiotics and minimize the risk of antibiotic resistances. The main hypothesis of this work consisted in supposing that a mechanical stimulus could modify bacterial proliferation and biofilm formation. The first part of this work is based on describing the clinical aspects of bacterial infection in human and veterinary orthopedic surgery, as well as the mechanisms of biofilm formation. A multiscale approach of the mechanobiology underlying biofilm development is then discussed, starting from the bacterium to reach the biological tissue, and the therapeutic strategies alternative or additional to antibiotics are presented. In the second part, the original experimental workbench developed in this study is presented. A microfluidic device capable of sustaining a bending moment while still allowing bacterial biofilm growth was conceived. It consisted in a chip containing a microchannel molded into PDMS bonded to a flexible PETG coverslip. A mechanical system capable of generating a cyclic bending moment of controlled frequency and amplitude (0 – 2.5 Hz and 0 – 3.10 mm, respectively) was also conceived. The equations governing the kinematical response of the device were provided. The third part of the document presents and discusses the preliminary results of the in vitro study. To quantify biofilm development, PDMS chips were inoculated with a strain of P. aeruginosa containing a fluorescent protein-expressing plasmid. The microfluidic devices thus inoculated were then submitted to a bending moment (dynamic condition), and the static response was used as control. Imaging with epifluorescence microscopy was performed to compare fluorescence in the static chips with that in the dynamic chips. Preliminary results showed that cyclic bending may influence biofilm development. On the one hand, biofilms formed rather randomly along the microchannels submitted to bending, contrary to those formed in the static microchannels during the same period of time. On the other hand, biofilms size and fluorescence intensity were also affected by bending, with intensity remaining unchanged between microscopic images obtained at 24h and at 48h and size increasing. Compared to static results, this latter observation suggests that bending may alter biofilm composition, especially by decreasing bacterial concentration. In conclusion, the methodology presented in this thesis tends towards validating the initial hypothesis regarding the mechanobiological susceptibility of biofilms, in particular under steady state dynamical stimuli. This work suggests a reproducible experimental framework allowing to assess the impact of a dynamic cycle on bacterial biofilm development, and eventually to test therapeutic strategies in a controlled environment.