Les biofilms sont des communautés de microorganismes attachées à une surface et enrobées dans une substance polymérique extracellulaire (EPS) autoproduite. La matrice EPS, composée de polysaccharides, protéines, acides nucléiques et lipides, fournit une intégrité structurelle et protège les cellules résidentes des stress environnementaux, des antibiotiques et des défenses immunitaires de l’hôte.
La formation du biofilm se déroule en cinq étapes. L’attachement réversible initial des cellules planctoniques à une surface est médié par des interactions électrostatiques, les forces de van der Waals et les interactions hydrophobes. L’attachement irréversible implique des adhésines et la production d’EPS. Pendant la phase de maturation I, des microcolonies se forment et l’architecture du biofilm se développe. La maturation II produit une structure tridimensionnelle en forme de champignon avec des canaux d’eau pour l’apport de nutriments et l’élimination des déchets. Dans la phase de dispersion, les cellules se détachent du biofilm et colonisent de nouvelles surfaces.
Le phénotype du biofilm est fondamentalement différent de la croissance planctonique. Les cellules dans les biofilms présentent une expression génique modifiée, une activité métabolique réduite et une tolérance accrue aux antibiotiques. Les gradients de nutriments et d’oxygène créent des microenvironnements hétérogènes, les cellules de l’intérieur du biofilm entrant dans un état de type phase stationnaire.
La tolérance aux antibiotiques dans les biofilms découle de multiples mécanismes. La pénétration réduite à travers la matrice EPS limite l’accès des médicaments. Les taux de croissance plus lents rendent les cellules moins sensibles aux antibiotiques qui ciblent les cellules en division active. Les cellules persistantes sont une sous-population qui entre dans un état dormant et tolérant aux antibiotiques. L’environnement du biofilm induit des réponses au stress qui augmentent la tolérance.
Les organismes formant des biofilms cliniquement importants incluent Pseudomonas aeruginosa dans les infections pulmonaires de la mucoviscidose et les pneumonies associées à la ventilation assistée. Staphylococcus aureus et S. epidermidis forment des biofilms sur les dispositifs médicaux implantables, notamment les cathéters, les prothèses articulaires et les valves cardiaques. Les espèces de Candida forment des biofilms sur les cathéters veineux centraux causant des candidémies. La plaque dentaire est un biofilm polymicrobien provoquant des caries et des parodontites.
L’étude en laboratoire des biofilms utilise le dispositif de biofilm de Calgary pour les tests de sensibilité à haut débit, les systèmes à flux continu pour la microscopie confocale en temps réel et la coloration au cristal violet en plaque 96 puits pour la quantification de la biomasse. Les tests de concentration minimale d’éradication du biofilm (MBEC) déterminent la concentration d’antibiotique nécessaire pour tuer les cellules du biofilm.
