Post on 12-Sep-2018
Comment lutter contre les infections liées à la
formation de biofilms
Pr Christiane Forestier
Séance thématique penta-académique « Antibiorésistance et société »
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. Costerton1934-2012
“biofilms”
Fleming & Wingender, 2010
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
Biofilms : contamination de dispositifs médicaux et sources d’infections (chroniques)
Lebeaux et al., 2014
Résistance aux antibiotiques, antiseptiques et agents
désinfectants persistance
Contamination ultérieure (autres sites - patients - produits
conditionnés)Corrosion et altération des surfaces
Interférence avec le système immunitaire
Marquès et al., 2014
« 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
Présence de bactéries en dormance “persisters”
Diffusion altérée à travers la matrice extracellulaire
Métabolisme ralenti (O2, pH) « indifférence »
Comment les biofilms résistent aux agents anti-infectieux?
Lebeaux et al., 2014
Matrice extracellulaireMoindre accessibilité aux agents anti-infectieux
Diffusion altérée à travers la
matrice extracellulaire
Lebeaux et al., 2014
✔ Interactions électrostatiques, ✔ Liaisons avec molécules chargées négativement (ADNe) ✔ Lyse enzymatique, ✔ …
Présence de bactéries en dormance “persisters”
Diffusion altérée à travers la matrice extracellulaire
Métabolisme ralenti (O2, pH) « indifférence »
Comment les biofilms résistent aux agents anti-infectieux?
Lebeaux et al., 2014
Ito et al., 2009
Etat physiologique particulier : “persisters” dansles couches profondes du biofilm
Incubation (72h) Airflush
Kanamycin (24h)
Incubation (72h) w/o antibiotics
Tolérance : capacité d’une partie d’une population bactérienne à résister à un antibiotique (bactéricide) – croissance diminuée
Persistence : survie d’une partie de la population
“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
“Observations on the mechanism of action of penicillin" GL Hobby, K Meyer, E Chaffee. Exp BiolMed, 1942, 50:281-285
“Treatment of Staphylococcal infections with penicillin” JW Bigger, Lancet, 1944, 244:497-500
Détection in vitro des formes tolérantes – persistantes : « TDtest »
Gefen et al., 2017
1. Starvation Activation of Lon or Clp proteases Toxin Antitoxin
activation
2. Liberated toxins cleave mRNA (RelE) or inhibitthe glutamyl-tRNA synthetase
3. Uncharged tRNA due to amino acidstarvation synthesis of ppGpp via RelA
4. Nutrient limitation cAMP, binds to Crp Activation of both
relA and cspD
5. CspD (Cold shok protein) Inhibition of DNA replication
6. ppGpp and DskA complexmodulates RNA polymerase
7. Decreased TCA cycle activity in response to flux alteration
8. Production of Reactive OxygenSpecies (ROS)
Persistance / dormance : quels mécanismes moléculaires ?
Prax et al., 2014
Comment 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 ?
Antibiotiques / Ethanol (+ Anticoagulant)
Solutions « verrou » pour dispositifs médicaux invasifs (cathéters)
Anti-adhésion : revêtement des surfaces avec un agent « glissant »
Polysaccharides bactériens
Anti-adhésion : revêtement des surfaces avec un agent « glissant »
Polysaccharides bactériens
Staphylococcus epidermidis
+ K. pneumoniae exopolysaccharideControl
Rendueles et al. 2013 ; Dos Santos et al., 2014
Pas d’activité bactériostatique ou bactéricide Molécules signal (expression des gènes bactériens) ? Inhibition compétitive vis-à-vis d’adhésines bactériennes ? Surfactant ?
Compétition 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, 2017
Antibiotiques et activités anti-biofilm
ESCMID Guidelines for the treatment of biofilm-related infections: Antibiotic combination therapy combined with initial debridement surgery and exchange of modular parts of the implant
✔ 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, …
Defraine et al., 2018
Molécules anti-persisters et leurs cibles cellulaires
Stimuler l’influx d’antibiotiques
« Réanimer »
Dépolariser les membranes
Endommager les membranes
+ Enzymes
De Breij et al., 2018
Peptide
Préventif Curatif
Actif sur persisters
Essais 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 ongoingA randomised, open-labelled, multiple dose study of HT61 formulations applied to the anterior naresplus chlorhexidine body and hair washes in subjects with nasal carriage of Staphylococcus aureus
Nair et al., 2016
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
✔ 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, 2017
Quelles sont les caractéristiques des bactéries dispersées à partir d’un biofilm ?
Guilhen et al., 2017 & unpublished
Analyses transcriptionnelle et phénotypique de bactéries dispersées de biofilm à
Klebsiella pneumoniae
Comment lutter contre les infections liées à la
formation de biofilms ?
Interférer
Désorganiser
Lyser : planctoniques et persisters
Antibiotiques, dispersants, anti-persisters,…
Andrea et al., 2018
???? Exemples de peptides testés in vivo pour leurs pptes antibiofilm
Levin-Reisman et al., 2017 ; Lewis & Chan, 2017
« Antibiotic tolerance facilitates the evolution of resistance»
Communautés de mécanismes ? (efflux pump, SOS response)
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.
Timothy K. Lu, and James J. Collins PNAS
2007;104:27:11197-11202
©2007 by National Academy of Sciences
ngineered bacteriophage to express a biofilm-degrading
enzyme during infection to simultaneously attack the
bacterial cells in the biofilm and the biofilm matrix
FIGURE 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 écologique
Essais 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 investigatorsbased on their professional experience, practice guidelines and local antibiotic susceptibility information for the treatmentof S. aureus bacteremia.CF-301 is a lysin and member of a new class of targeted protein-based antimicrobials that has demonstrated activity againstS. 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 lowerviscosity formulation of intranasal XF-73 in healthy male and female subjects. In addition, the potential for systemicabsorption of XF-73 in the modified, thinner lower viscosity and the previously investigated thicker, higher viscosityformulations and their decolonization efficacy in comparison to placebo will be evaluated. Both parts of the study willbe double-blinded and Part 2 will also be placebo-controlled. Primary objective is to establish the safety and tolerabilityof 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...
Ito et al., 2009
Etat physiologique particulier : “persisters” dans les couches profondes du biofilm
• Formation de persisters acetylation de
l’amino-acyl ARNt par l’enzyme TatT
• + peptidyl tRNA hydrolase (Pth)
”Réveil” des persisters
Helaine et al., 2017
Salmonella et persisters …