Étude de l’effet d'agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms sur la diffusion des macromolécules dans les biofilms de Streptococcus mutans : cas de l’EDTA et de l’aspirine

Le but de ce travail de mémoire était d'explorer des moyens pour augmenter la perméabilité des biofilms de Streptococcus mutans aux macromolécules en utilisant des agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms. L’acide éthylènediamine tétraacétique (EDTA) ainsi que l’acide acétylsalicylique (aspirine) sont les agents perturbateurs choisis. Le changement de perméabilité des biofilms de S. mutans a été déterminé en mesurant les coefficients de diffusion globale du polyéthylène glycol (PEG) et de diffusion locale de dextrans. Les coefficients de diffusion globale ont été mesurés par spectroscopie infrarouge avec un échantillonnage par réflexion totale atténuée (ATR) alors que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (SCF) a été utilisée pour la mesure des coefficients de diffusion locale. Les résultats ont démontré que l’incorporation de l’EDTA à une concentration de 7.5 (m/v) % dans la solution de diffusion permet d’améliorer les propriétés de transport du PEG dans les biofilms en augmentant sa pénétrabilité et son coefficient de diffusion globale. Par contre, aucune variation n’a été constatée dans la valeur du coefficient de diffusion locale de dextran fluorescent. Cette différence peut être expliquée, entre autres, par l'échelle des mesures et la nature différente des molécules diffusantes. L’aspirine n’a démontré aucun effet sur le transport du PEG à travers les biofilms de S. mutans. La pénétration accrue du PEG en présence de l’EDTA a été corrélée aux tests de viabilité des cellules bactériennes. En effet, la combinaison de la pénicilline G (PenG) avec l’EDTA 2 (m/v) % a eu comme effet l’augmentation du pouvoir biocide d’un facteur 3. De plus, les images de microscopie à épifluorescence et de microscopie confocale à balayage de laser ont démontré que les bactéries dans le cœur des microcolonies sont plus affectées par la PenG lorsque le milieu contient de l'EDTA. A la lumière des résultats obtenus, il s’avère que l’incorporation d'agents perturbateurs de la structure des biofilms est une option sérieuse à considérer dans l’éradication des biofilms microbiens. Plus d’études devront être effectuées afin d’investiguer l’effet d’autres molécules possédant les propriétés perturbatrices de la structure des biofilms sur la résistance de ces derniers aux agents antimicrobiens.

Cytotoxicity of Ultrasmall Gold Nanoparticles on Planktonic and Biofilm Encapsulated Gram-Positive Staphylococci

The emergence of multidrug resistant bacteria, especially biofilm-associated Staphylococci, urgently requires novel antimicrobial agents. The antibacterial activity of ultrasmall gold nanoparticles (AuNPs) is tested against two gram positive: S. aureus and S. epidermidis and two gram negative: Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa strains. Ultrasmall AuNPs with core diameters of 0.8 and 1.4 nm and a triphenylphosphine-monosulfonate shell (Au0.8MS and Au1.4MS) both have minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration of 25 x 10(-6)m Au]. Disc agar diffusion test demonstrates greater bactericidal activity of the Au0.8MS nanoparticles over Au1.4MS. In contrast, thiol-stabilized AuNPs with a diameter of 1.9 nm (AuroVist) cause no significant toxicity in any of the bacterial strains. Ultrasmall AuNPs cause a near 5 log bacterial growth reduction in the first 5 h of exposure, and incomplete recovery after 21 h. Bacteria show marked membrane blebbing and lysis in biofilm-associated bacteria treated with ultrasmall AuNP. Importantly, a twofold MIC dosage of Au0.8MS and Au1.4MS each cause around 80%-90% reduction in the viability of Staphylococci enveloped in biofilms. Altogether, this study demonstrates potential therapeutic activity of ultrasmall AuNPs as an effective treatment option against staphylococcal infections.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Diffusion of the synthetic pyrethroid permethrin into bed-sediments

Bed-sediments are a sink for many micro-organic contaminants in aquatic environments. The impact of toxic contaminants on benthic fauna often depends on their spatial distribution, and the fate of the parent compounds and their metabolites. The distribution of a synthetic pyrethroid, permethrin, a compound known to be toxic to aquatic invertebrates, was studied using river bed-sediments in lotic flume channels. trans/cis-Permethrin diagnostic ratios were used to quantify the photoisomerization of the trans isomer in water. Rates were affected by the presence of sediment particles and colloids when compared to distilled water alone. Two experiments in dark/light conditions with replicate channels were undertaken using natural sediment, previously contaminated with permethrin, to examine the effect of the growth of an algal biofilm at the sediment-water interface on diffusive fluxes of permethrin into the sediment. After 42 days, the bulk water was removed, allowing a fine sectioning of the sediment bed (i.e., every mm down to 5 mm and then 5-10 mm, then every 10 mm down to 50 mm). Permethrin was detected in all cases down to a depth of 5-10 mm, in agreement with estimates by the Millington and Quirk model, and measurements of concentrations in pore water produced a distribution coefficient (K-d) for each section, High K-d's were observed for the top layers, mainly as a result of high organic matter and specific surface area. Concentrations in the algal biofilm measured at the end of the experiment under light conditions, and increases in concentration in the top 1 mm of the sediment, demonstrated that algal/bacterial biofilm material was responsible for high K-d's at the sediment surface, and for the retardation of permethrin diffusion. This specific partition of permethrin to fine sediment particles and algae may enhance its threat to benthic invertebrates. In addition,the analysis of trans/cis-permethrin isomer ratios in sediment showed greater losses of trans-permethrin in the experiment under light conditions, which may have also resulted from enhanced biological activity at the sediment surface.

Copper resistance of biofilm cells of the plant pathogen Xylella fastidiosa

Xylella fastidiosa is a phytopathogen that causes diseases in different plant species. The development of disease symptoms is associated to the blockage of the xylem vessels caused by biofilm formation. In this study, we evaluated the sensitivity of biofilm and planktonic cells to copper, one of the most important antimicrobial agents used in agriculture. We measured the exopolysaccharides (EPS) content in biofilm and planktonic cells and used real-time reverse transcription polymerase chain reaction to evaluate the expression of the genes encoding proteins involved in cation/multidrug extrusion (acrA/B, mexE/czcA, and metI) and others associated with different copper resistance mechanisms (copB, cutA1, cutA2, and cutC) in the X. fastidiosa biofilm formed in two different media. We confirmed that biofilms are less susceptible to copper than planktonic cells. The amount of EPS seems to be directly related to the resistance and it varies according to the media where the cells are grown. The same was observed for gene expression. Nevertheless, some genes seem to have a greater importance in biofilm cells resistance to copper. Our results suggest a synergistic effect between diffusion barriers and other mechanisms associated with bacterial resistance in this phytopathogen. These mechanisms are important for a bacterium that is constantly under stress conditions in the host.

Anti-biofilm and antimicrobial activity of Mentha pulegium L essential oil against multidrug-resistant Acinetobacter baumannii

Purpose: To investigate the antimicrobial and anti-biofilm activities of essential oil from Mentha pulegium L. (EOMP) on multi-drug resistant (MDR) isolates of A. baumannii , as well as its phytochemical composition, antioxidant properties and cytotoxic activity. Methods: The phytochemical composition of EOMP was analyzed by gas chromatography, while its antimicrobial activities were determined by disc diffusion and broth micro-dilution methods. Minimal biofilm inhibition concentration (MBIC) and minimal biofilm eradication concentration (MBEC) tests were used for assessment of its anti-biofilm properties. Viability in the biofilm was studied using 2,3-bis (2- methoxy-4-nitro-5-sulfophenyl)-2H-tetrazolium-5-carboxanilide (XTT) assay, while colorimetric assay was used to assess its cytotoxicity on L929 cells. Results: D-isomenthone, pulegone, isopulegone, menthol and piperitenone were the major components of the plant extract. EOMP produced > 22 mm inhibition zone for the isolates, with minimum inhibitory concentration (MIC) and MBIC of 0.6 - 2.5 and 0.6 - 1.25 μL/mL, respectively, while MBEC was ≥ 10 μL/msL. EOMP damaged biofilm structures formed by A. baumannii strains at MIC by 26 – 91 %. Conclusion: These results suggest that EOMP contains agents that may be useful in the development of new drugs against A. baumannii infections.

Detailed analysis of a conservative difference approximation for the time fractional diffusion equation

Diffusion equations that use time fractional derivatives are attractive because they describe a wealth of problems involving non-Markovian Random walks. The time fractional diffusion equation (TFDE) is obtained from the standard diffusion equation by replacing the first-order time derivative with a fractional derivative of order α ∈ (0, 1). Developing numerical methods for solving fractional partial differential equations is a new research field and the theoretical analysis of the numerical methods associated with them is not fully developed. In this paper an explicit conservative difference approximation (ECDA) for TFDE is proposed. We give a detailed analysis for this ECDA and generate discrete models of random walk suitable for simulating random variables whose spatial probability density evolves in time according to this fractional diffusion equation. The stability and convergence of the ECDA for TFDE in a bounded domain are discussed. Finally, some numerical examples are presented to show the application of the present technique.

A second order control-volume finite-element least-squares strategy for simulating diffusion in strongly anisotropic media

An unstructured mesh �nite volume discretisation method for simulating di�usion in anisotropic media in two-dimensional space is discussed. This technique is considered as an extension of the fully implicit hybrid control-volume �nite-element method and it retains the local continuity of the ux at the control volume faces. A least squares function recon- struction technique together with a new ux decomposition strategy is used to obtain an accurate ux approximation at the control volume face, ensuring that the overall accuracy of the spatial discretisation maintains second order. This paper highlights that the new technique coincides with the traditional shape function technique when the correction term is neglected and that it signi�cantly increases the accuracy of the previous linear scheme on coarse meshes when applied to media that exhibit very strong to extreme anisotropy ratios. It is concluded that the method can be used on both regular and irregular meshes, and appears independent of the mesh quality.

Implicit difference approximation for the time fractional diffusion equation

In this paper, we consider a time fractional diffusion equation on a finite domain. The equation is obtained from the standard diffusion equation by replacing the first-order time derivative by a fractional derivative (of order $0<\alpha<1$ ). We propose a computationally effective implicit difference approximation to solve the time fractional diffusion equation. Stability and convergence of the method are discussed. We prove that the implicit difference approximation (IDA) is unconditionally stable, and the IDA is convergent with $O(\tau+h^2)$, where $\tau$ and $h$ are time and space steps, respectively. Some numerical examples are presented to show the application of the present technique.