Influence of bacterial inoculum size on antibiotic treatment activity : development of an in vitro model including bacteria, antibiotics and cells of the innate immune system
Impact de la taille de l'inoculum bactérien sur l'efficacité d'un traitement antibiotique : développement d'un modèle in vitro associant bactéries, antibiotiques et cellules du système immunitaire inné
Résumé
As one of the current pre-eminent public health concerns is to reasonably use antibiotics in order to limit antibacterial resistance development, it appears relevant to determine the plasmatic exposition profile that would lead to the best efficiency of the antibiotic on pathogenic bacteria. The bacterial load is not stationary during an infection but it increases or decreases with an effective antibiotic treatment. The aim of this thesis was to evaluate the influence of variation of the bacterial load on antibiotic and immune system activity.First, we showed that during antibacterial sensibility tests, such as standard MIC determination, some antibiotics underwent abiotic degradation during incubation, with a magnitude depending on the drug tested. This degradation can increase MIC and MBC values. However, the observed discrepancy (less than one twofold dilution) suggests that this would only be clinically significant in special cases such as slow-growing bacteria.Then, we studied, with E. coli and S. aureus, the in vitro effect of the bacterial inoculum size on bactericidal activity of 2 cephalosporins, cephalexin and cefprozil. We observed a decrease of bactericidal activity of both cephalosporins with an increase of the initial inocula of E. coli and S. aureus. A decreased efficacy and potency of the 2 cephalosporins against S. aureus compared to E. coli was also found. Finally, we developed an in vitro 3-components model including a bacterium -S. aureus-, cells of the immune system -murine bone-marrow-derived macrophages- and an antibiotic -cephalexin-. Within this system, we tested several initial bacterial inoculum sizes and different antibiotic concentrations. Increased bacterial phagocytosis and macrophage mortality were observed with increasing bacterial inocula. Bactericidal activity of macrophages was saturable and faced to a large bacterial inoculum, some macrophages became a reservoir for living S. aureus. With cephalexin, which is an extracellular antibiotic, extracellular bacteria diminished over time implying a diminution of the bacteria to be phagocytosed by macrophages. Thus, macrophages bactericidal and survival abilities were preserved with cephalexin and small bacterial inocula. This effect of the antibiotic was no longer visible with highest bacterial inocula for which limited action of cephalexin did not allow to prevent macrophages bursting. The tripartite model we developed is a first step toward innovative in vitro models combining elements of innate immunity with classical bacteria/antibiotics pharmacological models, with the objective of optimising preclinical evaluation of antibacterial drugs.
Dans un contexte d'usage raisonné des antibiotiques lié au développement des résistances bactériennes, il est pertinent de chercher à optimiser les profils d'exposition plasmatique qui conduiraient à la meilleure efficacité de l'antibiotique sur les bactéries pathogènes. La charge bactérienne n'est pas stationnaire tout au long du développement d'une infection, mais elle augmente spontanément ou diminue avec un traitement antibactérien efficace. L'objectif de cette thèse était d'évaluer l'influence de la variation de la charge bactérienne sur l'efficacité des antibiotiques et du système immunitaire.Au cours d'un premier travail, nous avons montré que dans les conditions de réalisation de tests de sensibilité in vitro (détermination de CMI), une dégradation de certains antibiotiques se produisait, d'amplitude variable selon les molécules testées. Cette dégradation peut être responsable d'une augmentation des valeurs de CMI et de CMB. Les variations observées étaient cependant inférieures à une dilution au demi dans une gamme de concentrations. Cette dégradation ne devrait pas avoir d'impact significatif sur les résultats des tests de sensibilité aux antibiotiques concernés, excepté dans des cas particuliers comme des pathogènes à croissance très lente. Dans un deuxième travail, nous avons étudié in vitro chez E. coli et S. aureus l'effet de la taille de l'inoculum bactérien sur l'activité bactéricide de 2 céphalosporines, la céphalexine et le cefprozil. Nous avons observé une diminution de l'activité bactéricide des 2 céphalosporines avec l'augmentation de la taille de l'inoculum chez E. coli et S. aureus. Nous avons également montré une efficacité et une puissance moins importante des 2 céphalosporines sur S. aureus par rapport à E coli.Dans un troisième temps, nous avons développé un système incluant les trois composantes suivantes : une bactérie - S. aureus -, des cellules du système immunitaire - des macrophages murins issus de la moelle osseuse - et un antibiotique -la céphalexine-. Dans ce système, nous avons fait varier la taille de l'inoculum bactérien de départ ainsi les concentrations en antibiotique. Une augmentation de la phagocytose bactérienne et de la mortalité des macrophages ont été observées avec l'augmentation de la charge bactérienne. L'activité bactéricide des macrophages était saturable et en présence d'une charge bactérienne trop importante, une partie des macrophages sont devenus un réservoir de S. aureus phagocytés. En présence de la céphalexine, qui a une distribution exclusivement extracellulaire, les quantités de bactéries extracellulaires, " candidates " à la phagocytose, ont diminué. Ainsi, en présence de céphalexine et pour les charges bactériennes initiales les plus faibles, les capacités de survie et de bactéricidie des macrophages ont été préservées. Cette action n'a cependant plus été visible en présence de gros inocula bactériens pour lesquels l'action limitée de la céphalexine n'a pas permis de prévenir la saturation des macrophages et ses conséquences. Le modèle à trois composantes que nous avons développé constitue une première étape dans le développement de modèles in vitro qui associent des éléments de l'immunité innée aux modèles pharmacologiques classiques bactéries/antibiotiques, avec l'objectif d'optimiser l'évaluation préclinique de molécules antibactériennes.
Domaines
Médecine humaine et pathologie
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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