Physiopathologie des biofilms : une nouvelle étude suggère un mode d’infection mécanique

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Dans leur environnement naturel, les bactéries se développent et s’auto-organisent généralement en structures multicellulaires appelées biofilms (Flemming et al., 2016). Ces communautés abritent des milliers voire des millions de bactéries de différents types, et sont tellement complexes et actives sur le plan biologique que les scientifiques les ont comparées à des «villes». Les biofilms sont en fait le mode de vie de prédilection des bactéries.  La matrice du biofilm est un matériau viscoélastique généralement composé d’un mélange de polysaccharides, de protéines, d’acides nucléiques et de débris cellulaires (Flemming et Wingender, 2010). L’EPS maintient la cohésion cellule-cellule tout au long du cycle de vie d’un biofilm, rendant également les cellules résidentes plus résistantes aux pressions sélectives. Le mode de vie du biofilm offre aux cellules résidentes des avantages de remise en forme par rapport à leur homologue planctonique, par exemple en augmentant leur tolérance aux facteurs de stress chimiques externes tels que les antimicrobiens et les effecteurs immunitaires de l’hôte. De plus, sa résistance mécanique et sa cohésion favorisent l’intégrité du biofilm face aux défis physiques tels que l’écoulement et le broutage (Mah et O’Toole, 2001).

Colonisation bactérienne

Les bactéries colonisent souvent les tissus de leur hôte sous forme de biofilms. Les biofilms se forment lorsque les bactéries se fixent sur une surface solide et se divisent tout en s’incorporant dans une matrice de substances polymères extracellulaires (EPS) (O’Toole et al., 2000), sur des surfaces aussi variées que le plancher océanique, les organes internes et les dents : la plaque dentaire est un exemple classique de biofilm. Mais les biofilms peuvent également provoquer des infections chroniques. Par exemple, ils sont un contributeur courant aux infections, comme chez les patients atteints de fibrose kystique (aussi appelée mucoviscidose) qui sont infectés de manière chronique par des biofilms du pathogène opportuniste P. aeruginosa (Donlan et Costerton, 2002 ; Bjarnsholt et al., 2013).

Les biofilms sont également répandus dans le microbiote, par exemple lorsque les commensaux cherchent à s’associer de manière stable à l’épithélium intestinal de l’hôte (De Weirdt et Van de Wiele, 2015). Au fur et à mesure qu’ils se développent sur ou dans un hôte, les biofilms doivent faire face à une batterie de facteurs de stress chimiques et physiques. En particulier, ils doivent inévitablement se former à la surface du matériel biologique mou composé de cellules hôtes ou de matrice extracellulaire (ECM). De multiples explorations biophysiques ont démontré l’importance de la mécanique interne du biofilm dans la morphogenèse (Yan et al., 2019 ; Asally et al., 2012 ; Douarche et al., 2015 ; Yan et al., 2016).  Cependant, et malgré la formation omniprésente de biofilms associés à l’hôte sur une surface molle, il n’existe pas encore une compréhension rigoureuse de l’impact des propriétés mécaniques d’un substrat sur la physiologie d’un biofilm, et réciproquement de l’impact des biofilms sur la mécanique des surfaces biologiques molles.

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En effet, des études démontrent l’importance de la mécanique dans la morphogenèse et l’organisation spatiale des biofilms, mais leur fonction dans le contexte de la colonisation de l’hôte reste inconnue. En fait, on sait que la croissance de cellules individuelles intégrées dans l’EPS auto-sécrété entraîne la formation de biofilm. Au cours de ce processus, les cellules étirent ou compriment localement la matrice élastique, exerçant ainsi une contrainte mécanique (Douarche et al., 2015 ; Rivera-Yoshida et al., 2018). Cette action locale au niveau des cellules individuelles génère collectivement des contraintes mécaniques sur l’ensemble de la structure du biofilm. Ainsi, la combinaison de la croissance du biofilm et des propriétés élastiques de la matrice impose une accumulation de contraintes mécaniques internes (Dufrêne et Persat, 2020). En conséquence de ce stress, les biofilms des colonies bactériennes forment des plis et des rides lors de leur croissance sur des plaques de gélose ou à une interface air-liquide (Yan et al., 2019 ; Trejo et al., 2013).

Ces mécanismes influencent également l’organisation spatiale des cellules individuelles dans les biofilms immergés de V. cholerae (Hartmann et al., 2019 ; Beroz et al., 2018 ; Drescher et al., 2016). Le stress mécanique interne peut également survenir par une combinaison d’adhérence et de croissance de la surface cellulaire, influençant l’architecture des biofilms et des microcolonies submergés. La force de friction entre la microcolonie et la surface s’oppose à l’expansion du biofilm, générant une contrainte interne vers l’intérieur qui conduit à une instabilité de flambage verticalisant ou réorientant les cellules contiguës (Beroz et al., 2018 ; Duvernoy et al., 2018).

La nouvelle étude et sa portée

Comment se forment les biofilms sur les tissus mous? C’est la question à laquelle une équipe de scientifiques sous la direction d’Alex Persat à l’EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) s’est risquée à répondre. Publiant dans le journal eLife, ils montrent que les biofilms de deux bactéries pathogènes majeures, Vibrio cholerae et Pseudomonas aeruginosa, peuvent entraîner d’importantes déformations structurelles des matériaux mous comme les hydrogels. Les chercheurs ont montré que les biofilms des agents pathogènes modèles V. cholerae et P. aeruginosa peuvent déformer les substrats d’hydrogel synthétiques mous sur lesquels ils poussent.

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En mesurant spatialement et quantitativement la morphologie du substrat, nous proposons un modèle où les biofilms se déforment pour initier des déformations. En comparant les souches hypersécrétantes et mutantes de matrice EPS de type sauvage, ils ont démontré que les composants de la matrice maintenant la cohésion cellule-cellule et l’adhérence cellule-surface contribuent au mécanisme de déformation du substrat. L’amplitude des déformations dépend de la rigidité du matériau dans une plage physiologiquement pertinente. Par ailleurs, en utilisant la microscopie à force de traction, ils ont montré que les biofilms peuvent générer d’importantes contraintes mécaniques atteignant jusqu’à 100 kPa. Enfin, ils ont démontré que les biofilms peuvent déformer et même endommager les épithéliums mous issus de l’ingénierie tissulaire dont la mécanique reproduit celle d’un tissu hôte.

Ces connaissances suggèrent que les forces générées par la croissance des biofilms pourraient jouer un rôle non seulement dans leur morphogenèse, mais aussi en compromettant mécaniquement la physiologie de leur hôte.

Voir la publication

Alice Cont, Tamara Rossy, Zainebe Al-Mayyah, Alexandre Persat. “Biofilms deform soft surfaces and disrupt epithelia”. eLife 07 October 2020. DOI: 10.1101/2020.01.29.923060

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