A platform for anti-biofilm assays combining viability, biomass and matrix quantifications in susceptibility assessments of antimicrobials against Staphylococcus aureus biofilms

Bacteria can exist as planktonic, the lifestyle in which single cells exist in suspension, and as biofilms, which are surface-attached bacterial communities embedded in a selfproduced matrix. Most of the antibiotics and the methods for antimicrobial work have been developed for planktonic bacteria. However, the majority of the bacteria in natural habitats live as biofilms. Biofilms develop dauntingly fast high resistance towards conventional antibacterial treatments and thus, there is a great need to meet the demands of effective anti-biofilm therapy. In this thesis project it was attempted to fill the void of anti-biofilm screening methods by developing a platform of assays that evaluate the effect that screened compounds have on the total biomass, viability and the extracellular polysaccharide (EPS) layer of the biofilms. Additionally, a new method for studying biofilms and their interactions with compounds in a continuous flow system was developed using capillary electrochromatography (CEC). The screening platform was utilized with a screening campaign using a small library of cinchona alkaloids. The assays were optimized to be statistically robust enough for screening. The first assay, based on crystal violet staining, measures total biofilm biomass, and it was automated using a liquid handling workstation to decrease the manual workload and signal variation. The second assay, based on resazurin staining, measures viability of the biofilm, and it was thoroughly optimized for the strain used, but was then a very simple and fast method to be used for primary screening. The fluorescent resazurin probe is not toxic to the biofilms. In fact, it was also shown in this project that staining the biofilms with resazurin prior to staining with crystal violet had no effect on the latter and they can be used in sequence on the same screening plate. This sequential addition step was indeed a major improvement on the use of reagents and consumables and also shortened the work time. As a third assay in the platform a wheat germ agglutinin based assay was added to evaluate the effect a compound has on the EPS layer. Using this assay it was found that even if compounds might have clear effect on both biomass and viability, the EPS layer can be left untouched or even be increased. This is a clear implication of the importance of using several assays to be able to find “true hits” in a screening setting. In the pilot study of screening for antimicrobial and anti-biofilm effects using a cinchona alkaloid library, one compound was found to have antimicrobial effect against planktonic bacteria and prevent biofilm formation at low micromolar concentration. To eradicate biofilms, a higher concentration was needed. It was also shown that the chemical space occupied by the active compound was slightly different than the rest of the cinchona alkaloids as well as the rest of the compounds used for validatory screening during the optimization processes of the separate assays.

Elongated cells of Listeria monocytogenes in biofilms in the presence of sucrose and bacteriocin-producing Leuconostoc mesenteroides A11

Listeria monocytogenes is a foodborne pathogen which may survive in biofilms and persist in food processing plants. In this study, the ability of Leuconostoc mesenteroides (bac+ and bac-) to inhibit biofilm formation by L. monocytogenes ATCC 19115 was studied with stainless steel coupons immersed in BHI broth and BHI broth plus sucrose in combination with the Lactic Acid Bacteria (LAB). Adhered cells were collected with swabs and enumerated on selective agars (Oxford for listeria and MRS for leuconostoc). Leuconostoc mesenteroides bac+ in co-culture with L. monocytogenes was effective to inhibit biofilm formation by listeria for up to 3 hours of incubation, but at 24 hours, biofilm was present in all conditions tested, as confirmed by observations of stainless steel coupons under Scanning Electron Microscopy (SEM). It was also observed that in the presence of L. mesenteroides bac+ in BHI plus sucrose, a high number of elongated cells of L. monocytogenes was present, which may indicate an adaptation response of the pathogen to stress conditions with important implications for food safety.

Chemical sanitizers to control biofilms formed by two Pseudomonas species on stainless steel surface

The biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa and Pseudomonas fluorescens on AISI 304 stainless steel in the presence of reconstituted skim milk under different temperatures was conducted, and the potential of three chemical sanitizers in removing the mono-species biofilms formed was compared. Pseudomonas aeruginosa cultivated in skim milk at 28 °C presented better growth rate (10.4 log CFU.mL-1) when compared with 3.7 and 4.2 log CFU.mL-1 for P. aeruginosa and P. fluorescens cultivated at 7 °C, respectively. Pseudomonas aeruginosa formed biofilm when cultivated at 28 °C. However, only the adhesion of P. aeruginosa and P. fluorescens was observed when incubated at 7 °C. The sodium dichloroisocyanurate was the most efficient sanitizer in the reduction of the adhered P. aeruginosa cells at 7 and 28 °C and those on the biofilm, respectively. The hydrogen peroxide was more effective in the reduction of adhered cells of P. fluorescens at 7 °C.

Adhesion and production of degrading enzymes by bacteria isolated from biofilms in raw milk cooling tanks

Biofilms in milk cooling tanks compromise product quality even on farms. Due to the lack of studies of this topic, this study evaluated the microbiological conditions of raw milk cooling tanks on farms and characterized the microorganisms isolated from these tanks. Samples were wiped off with sterile swabs from seven milk cooling tanks in three different points in each tank. Mesophiles and psychrotrophic counts were performed in all samples. The isolation of Pseudomonas spp., Bacillus cereus and atypical colonies formed on selective media were also performed, totalizing 297 isolates. All isolates were tested for protease and lipase production and biofilm formation. Of the total isolates, 62.9% produced protease, 55.9% produced lipase, and 50.2% produced biofilm. The most widespread genus inside the milk cooling tank was Pseudomonas since it was not possible to associate this contamination with a single sampling point in the equipment. High counts of microorganisms were found in some cooling tanks, indicating poor cleaning of the equipment and providing strong evidences of microbial biofilm presence. Moreover, it is worth mentioning the milk potential contamination with both microbial cells and their degrading enzymes, which compromises milk quality.

Pruebas de susceptibilidad in vitro con antifúngicos en células planctónicas y en Biofilms de Candida parapsilosis

[Tesis] (Maestría en Ciencias con Especialidad en Microbiología Médica) U.A.N.L.

Efectividad antimicrobiana del gel antiséptico de superoxidación versus digluconato de clorhexidina al 0.12 % en la formación de biofilms en la superficie de mini implantes ortodóncicos : estudio in-vitro.

Tesis (Maestría en Ciencias Odontológicas con Especialidad en Ortodoncia) UANL, 2011.

La réponse au Farnésol de Candida albicans : production de biofilms et Parenté génétique

C. albicans est une levure pathogène opportuniste. Elle est un agent causal fréquent des infections muco-cutanées. C. albicans peut alterner entre la forme blastospore et mycélium. Cette dernière forme est impliquée dans la formation des biofilms. Le dimorphisme de C. albicans est contrôlé en partie par le phénomène de perception du quorum (quorum sensing) qui en autre, est associé à la molécule farnésol, produit par cette levure. La présence de cette molécule, inhibe la formation d’hyphe par C. albicans et par conséquent limite la formation de biofilms. Certaines souches ne répondent pas au farnésol et nous avons vérifié les hypothèses que : 1) la proportion des Non-Répondeurs (NR) au farnésol est similaire entre les souches de provenance orale et vaginale; 2) la capacité de formation de biofilm varie d’une souche à une autre mais les Non-Répondeurs en produisent en plus grande quantité; 3) la technique RAPD-PCR permettra de regrouper les souches de cette levure suivant leur provenance, leur capacité de formation de biofilm et leur aptitude à répondre au farnésol. La découverte d’une souche vaginale Non-Répondeur nous permet de croire que la proportion de ces souches est similaire entre les deux types de provenance. Les souches caractérisées Non-Répondeurs produisent 30 % plus de biofilm que les Répondeurs en absence de farnésol exogène dans le milieu. En présence de farnésol exogène, les Non-Répondeurs produisent 70 % plus de biomasse que les Répondeurs. De plus, la technique RAPD ne nous a pas permis de classer nos souches d’après les caractéristiques proposées. En conclusion, les souches orales de C. albicans semblent produire en moyenne plus de biomasse que les souches vaginales. Aussi, les NR semblent moins affectés par la présence du farnésol, ce qui pourrait causer la présence de biofilms tenaces. Les amorces utilisées pour la technique RAPD n’ont pas été efficace à la classification des souches dépendamment de leur provenance, de leur capacité à former un biofilm et à répondre au farnésol. Mots clés : Candida albicans, biofilm, perception du quorum (quorum sensing), farnésol, Non-Répondeur

Implication des biofilms dans la rhinosinusite chronique et l’évaluation des traitements avec un modèle in vitro

Introduction : La chronicité de la rhinosinusite, sa résistance aux antibiotiques, et ses exacerbations aiguës laissent croire que les biofilms sont impliqués dans la rhinosinusite chronique. Objectifs : Nous avons évalué la capacité des bactéries Pseudomonas aeruginosa, staphylocoques à coagulase négative et Staphylococcus aureus à former des biofilms par un essai in vitro, et si cette capacité de formation a un lien avec l’évolution de la maladie. Nous avons évalué in vitro l’effet de la moxifloxacine, un antibiotique utilisé dans le traitement de la rhinosinusite chronique sur des biofilms matures de Staphylococcus aureus. Méthodes : Trent et une souches bactériennes ont été isolées de 19 patients atteints de rhinosinusite chronique et qui ont subit au moins une chirurgie endoscopique des sinus. L’évolution de la maladie a été notée comme "bonne" ou "mauvaise" selon l’évaluation du clinicien. La production de biofilm a été évaluée grâce à la coloration au crystal violet. Nous avons évalué la viabilité du biofilm après traitement avec la moxifloxacine. Ces résultats ont été confirmés en microscopie confocale à balayage laser et par la coloration au LIVE/DEAD BacLight. Résultat et Conclusion : Vingt deux des 31 souches ont produit un biofilm. La production d’un biofilm plus importante chez Pseudomonas aeruginosa et Staphylococcus aureus était associée à une mauvaise évolution. Ceci suggère un rôle du biofilm dans la pathogenèse de la rhinosinusite chronique. Le traitement avec la moxifloxacine, à une concentration de 1000X la concentration minimale inhibitrice réduit le nombre des bactéries viables de 2 à 2.5 log. Ces concentrations (100 µg/ml - 200 µg/ml) sont faciles à atteindre dans des solutions topiques. Les résultats de notre étude suggèrent que l’utilisation de concentrations supérieure à la concentration minimale inhibitrice sous forme topique peut ouvrir des voies de recherche sur de nouveaux traitements qui peuvent être bénéfiques pour les patients atteints de forme sévère de rhinosinusite chronique surtout après une chirurgie endoscopique des sinus.

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.

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.

Persistence of porcine reproductive and respiratory syndrome virus and porcine circovirus type 2 in bacterial biofilms.

The aim of this pilot project was to investigate association of viruses with bacterial biofilms. Our preliminary data indicate that important viral pathogens of swine, namely, porcine reproductive and respiratory syndrome virus and porcine circovirus type 2, can associate with and persist within bacterial biofilms for several days.

Catalase in fluvial biofilms: a comparison between different extraction methods and example of application in a metal-polluted river

Antioxidant enzymes are involved in important processes of cell detoxification during oxidative stress and have, therefore, been used as biomarkers in algae. Nevertheless, their limited use in fluvial biofilms may be due to the complexity of such communities. Here, a comparison between different extraction methods was performed to obtain a reliable method for catalase extraction from fluvial biofilms. Homogenization followed by glass bead disruption appeared to be the best compromise for catalase extraction. This method was then applied to a field study in a metal-polluted stream (Riou Mort, France). The most polluted sites were characterized by a catalase activity 4–6 times lower than in the low-polluted site. Results of the comparison process and its application are promising for the use of catalase activity as an early warning biomarker of toxicity using biofilms in the laboratory and in the field

Fluvial biofilms: a pertinent tool to assess β-blockers toxicity

Among increasingly used pharmaceutical products, β-blockers have been commonly reported at low concentrations in rivers and littoral waters of Europe and North America. Little is known about the toxicity of these chemicals in freshwater ecosystems while their presence may lead to chronic pollution. Hence, in this study the acute toxicity of 3 β-blockers: metoprolol, propranolol and atenolol on fluvial biofilms was assessed by using several biomarkers. Some were indicative of potential alterations in biofilm algae (photosynthetic efficiency), and others in biofilm bacteria (peptidase activity, bacterial mortality). Propranolol was the most toxic β-blocker, mostly affecting the algal photosynthetic process. The exposure to 531 μg/L of propranolol caused 85% of inhibition of photosynthesis after 24 h. Metoprolol was particularly toxic for bacteria. Though estimated No-Effect Concentrations (NEC) were similar to environmental concentrations, higher concentrations of the toxic (503 μg/L metoprolol) caused an increase of 50% in bacterial mortality. Atenolol was the least toxic of the three tested β-blockers. Effects superior to 50% were only observed at very high concentration (707 mg/L). Higher toxicity of metoprolol and propranolol might be due to better absorption within biofilms of these two chemicals. Since β-blockers are mainly found in mixtures in rivers, their differential toxicity could have potential relevant consequences on the interactions between algae and bacteria within river biofilms

The use of pulse amplitude modulated fluorescence techniques for metal toxicity assessment in fluvial biofilms

Metal pollution in rivers is in great concern with human activities in the fluvial watershed. This thesis aims to investigate the potential use of chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity, and to find cause-effect relationships between metal exposures, other environmental factor (i.e. light), and functional and structural biofilm responses. This thesis demonstrates that the use of chl-a fluorescence parameters allows detect early effects on biofilms caused by zinc toxicity, both in the laboratory as in polluted rivers. In microcosm experiments, the use of chl-a fluorescence parameters allows evaluates structural changes on photosynthetic apparatus and in algal groups’ composition of biofilms long-term exposed to zinc. In order to evaluate the effects of chronic metal pollution in rivers, it is recommended the use of biofilm translocation experiments and the use of a multi-biomarker approach.

Availability and use of organic matter in stream ecosystems: the role of biofilms

La comunitat bentònica dels ecosistemes fluvials processa una gran quantitat de la matèria orgànica que arriba als rius. L'origen de les entrades de material (autòctones o al·lòctones), la seva composició química i la seva quantitat (freqüència de les entrades i concentració assolida en el riu), determinen l'estructura de la comunitat bentònica autotròfica i heterotròfica, les seves relacions tròfiques i les seves interaccions potencials (competència, sinergisme). L'objectiu d'aquesta tesi és posar de manifest la utilització de la matèria orgànica dissolta (MOD) per part dels biofilms bacterians bentònics fluvials i determinar l'eficiència del sistema fluvial en l'ús dels diferents materials que hi circulen. Amb aquesta finalitat s'han portat a terme diversos experiments, tant de camp com de laboratori, per tal de conèixer els efectes de la disponibilitat de la matèria orgànica (quantitat) i la seva qualitat (composició química i biodegradabilitat) i els efectes deguts a l'augment de temperatura de l'aigua del riu.