Imagerie optique sans marquage des biofilms à l'interface air-liquide

Optical imaging of biofilms without labelling at the air-liquid interface

• Auteur / Autrice : Louise Roels
• Direction : Olivier Thouvenin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin : ondes et images
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

Mots clés

Mots clés libres

Biofilm

Imagerie

Optique

Biofilm

Imaging

Optics

Résumé

Les biofilms sont des tissus multicellulaires constitués de bactéries et de la matrice qu'elles produisent. Dans la nature, la plupart des bactéries vivent au sein de biofilms liés à une surface humide. Malgré leur prévalence, il reste encore beaucoup à comprendre sur les mécanismes qui sous-tendent cette organisation bactérienne. En particulier, les signaux et la voie génétique qui favorisent la formation d'un biofilm à l'interface air-liquide sont encore mal connus. Les progrès récents dans ce domaine (Ardré et al., J. Bact, 2019) décryptent à l'échelle macroscopique l'influence de quelques gènes importants dans ce processus. Cependant, la collecte de plus d'informations à l'échelle mésoscopique ouvrirait des pistes pour une meilleure compréhension de la formation du tapis. Le biofilm étant l'organisation principale des communautés bactériennes, la compréhension de leur formation permettrait d'explorer de nombreuses applications prometteuses, notamment autour de l'adaptation environnementale, la santé, la décontamination, la décarbonatation, etc... A l'heure actuelle, il est encore difficile de fournir une quantification 3D approfondie de paramètres biophysiques même simples (tels que la densité et la vitesse des bactéries, le volume du biofilm, etc...). En termes d'imagerie optique, le biofilm opère une transition d'une couche transparente à un volume hautement diffusant, ce qui complique le suivi des bactéries individuelles au cours de la formation du biofilm. Les techniques d'imagerie les plus populaires impliquent l'imagerie par fluorescence, qui n'est pas très robuste à la diffusion et nécessite une manipulation génétique des bactéries.D'autres techniques récentes, comme l'imagerie par transmission ou la tomographie par cohérence optique, reposent sur un contraste optique intrinsèque, mais n'offrent pas une résolution 3D suffisante pour permettre l'imagerie de cellules uniques. A l'Institut Langevin, nous avons récemment développé une nouvelle technique d'imagerie, appelée tomographie par cohérence optique dynamique à plein champ (D-FF- OCT) (J. Scoller et al., J. Biomed. Optics, 2019 qui capte le contraste de diffusion intrinsèque des objets biologiques grâce à un interféromètre à lumière blanche. Il offre une résolution 3D quasi isotrope autour de 1 μm, et peut travailler dans des échantillons hautement diffusants. Cela permettra de suivre des bactéries individuelles, de différencier des populations bactériennes différentes, et de mesurer la densité et la phase du biofilm. Ce système d'imagerie sera couplé à une autre modalité, appelée OCT spectrale, qui captera en temps réel la position, l'épaisseur et les propriétés optiques de l'ensemble du biofilm. Ce projet de thèse vise à mettre en œuvre ce microscope multimodal et à quantifier les principaux paramètres qui définissent le biofilm tout au long de son développement à l'interface air-liquide dans un environnement contrôlé. Une combinaison avec un système OCT commercial permettra d'enregistrer la profondeur du biofilm, de suivre l'épaisseur, et de suivre la surface du biofilm. Ensuite, des outils d'analyse d'image pourront être développés pour quantifier automatiquement les paramètres biophysiques utiles et effectuer la segmentation et la classification des bactéries. Enfin, ces paramètres seront inclus dans un modèle biophysique de la formation du biofilm.

Biofilms are multicellular tissues consisting of bacteria and the matrix they produce. In nature, most bacteria live within biofilms bound to a moist surface. Despite their prevalence, much remains to be understood about the mechanisms underlying this bacterial organization. In particular, the signals and genetic pathway that promote biofilm formation at the air-liquid interface are still poorly understood. Recent progress in this area (Ardré et al., J. Bact, 2019) deciphers at the macroscopic scale the influence of a few important genes in this process. However, gathering more information at the mesoscopic scale would open avenues for a better understanding of mat formation. Biofilm being the main organization of bacterial communities, the understanding of their formation would allow to explore many promising applications, notably around environmental adaptation, health, decontamination, decarbonation, etc... At present, it is still difficult to provide a thorough 3D quantification of even simple biophysical parameters (such as bacterial density and velocity, biofilm volume, etc.). In terms of optical imaging, the biofilm transitions from a transparent layer to a highly scattering volume, making it difficult to track individual bacteria during biofilm formation. The most popular imaging techniques involve fluorescence imaging, which is not very robust to scattering and requires genetic manipulation of bacteria. Other recent techniques, such as transmission imaging or optical coherence tomography, rely on intrinsic optical contrast, but do not provide sufficient 3D resolution to allow imaging of single cells. At the Langevin Institute, we have recently developed a new imaging technique, called full-field dynamic optical coherence tomography (D-FF- OCT) (J. Scoller et al., J. Biomed. Optics, 2019, which captures the intrinsic scattering contrast of biological objects using a white light interferometer. It offers near-isotropic 3D resolution around 1 μm, and can work in highly scattering samples. This will allow tracking of individual bacteria, differentiation of different bacterial populations, and measurement of biofilm density and phase. This imaging system will be coupled to another modality, called spectral OCT, which will capture in real time the position, thickness and optical properties of the entire biofilm. This thesis project aims to implement this multimodal microscope and quantify the key parameters that define the biofilm throughout its development at the air-liquid interface in a controlled environment. A combination with a commercial OCT system will allow to record the depth of the biofilm, to follow thickness, and track the surface of the biofilm. Then, image analysis tools can be developed to automatically quantify useful biophysical parameters and perform segmentation and classification of bacteria. Finally, these parameters will be included in a biophysical model of biofilm formation.