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Les faux amis de la flore cutanée Staphylococcus epidermidis : une nouvelle entité indestructible
Regional Reference Center for complex BJI
Frédéric LAURENT Institut des Agents Infectieux, Hôpital de la Croix Rousse, Hospices Civils de Lyon Centre National de Référence des Staphylocoques, Hospices Civils de Lyon-Santé Publique France Centre Internationale de Recherche en Infectiologie – INSERM U1111, CNRS UMR5308, Université Lyon 1, ENS de Lyon - Equipe ”Pathogénie des infections à staphylocoques” Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques de Lyon, Département de Microbiologie
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Déclaration de liens d’intérêt avec les industries de santé en rapport avec le thème de la présentation (loi du 04/03/2002)
bioMérieux, Pfizer, Heraeus, BiofilmControl, Pathoquest, MSD,
Novartis, DMS, AstraZenecca, Sanofi, DebioPharm, BiofilmPharma,
Alere-Abbott, Hologic, Thermofisher, Luminex, Biocentric,
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https://www.youtube.com/watch?v=S3rQrnwmw-M https://www.youtube.com/watch?v=0U12qv2AgaA
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Microbiome cutané
Et votre gel douche ! …
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Grice et al., Nat Rev Microbiol. 2011
Microbiome cutané
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 Grice et al., Nat Rev Microbiol. 2011
S. epidermidis
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Staphylocoques … tout un monde ! Le bon = Staphylococcus carnosus/xylosus
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Staphylocoques … tout un monde ! La brute = Staphylococcus aureus
Adhésines
Toxines
Enzymes
Capsule
Biofilm
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Staphylocoques … tout un monde !
Le truand = Staphylococcus epidermidis ?
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Interactions S. aureus et S. epidermidis
• Cross-inhibition entre S. aureus et S. epidermidis • Système agr = quorum-sensing • Signal extracellulaire = petits peptides de type pheromone • 3 des 4 groupes agr de S. aureus subgroups sont
sensibles aux pheromone towards the S. epidermidis pheromone
S. epidermidis = prévient/limite la colonisation par S. aureus
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Pattern recognition receptors (PRRs) such as TLR2 on keratinocytes bind to poorly characterized factor(s) secreted by S. epidermidis to stimulate a signaling cascade that results in the production of the antimicrobial peptides β-defensin 2 (hBD2) and hBD3. = provide protection from cutaneous S. aureus and Group A Streptococcus infections.
Specific CD4+ FOXP3+ Treg response, which is essential for immune tolerance toward S. epidermidis as a commensal
Specific IL-17A+ CD8+ T-cell response. Primed in the skin draining lymph node by CD103+ dendritic cells, these T cells enhance the innate antimicrobial defense and prevent invasion by the fungus, C. albicans
S. epidermidis et réponse cutanée à la colonisation
Nguyen, Front. Cell. Infect. Microbiol 2017
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 Clinical Microbiology and Infection DOI: (10.1016/j.cmi.2018.11.012)
S. epidermidis et infections nosocomiales
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 Clinical Microbiology and Infection DOI: (10.1016/j.cmi.2018.11.012)
S. epidermidis et infections sur catheter
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 15
S. epidermidis et infections sur prothèse articulaire
Late exacerbated PJI
Late chronic PJI S. aureus
S. epidermidis S. aureus
S. epidermidis
S. aureus S. epidermidis
511 cases
Early/Delayed PJI
Late acute PJI
S. aureus S. epidermidis
S. aureus S. epidermidis
S. aureus S. epidermidis
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Staphylocoques … tout un monde ! Le truand = Staphylococcus epidermidis !
CATHETER
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
S. epidermidis
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S. epidermidis
Internalization
Biofilm
Small Colony Variant (SCV) Variant microcolonies
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Otto, M. Nat Rev Microbiol, 2009.
S. epidermidis : de l’adhérence au biofilm …
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Aap = Adhesion-associated-protein AtlE = Autolysine E Bap = Bone-associated-protein LTA = Lipo-Teichoic Acid
Otto, M. Nat Rev Microbiol, 2009.
PGA = Poly-gamma-Glutamyl Acid PNAG = Poly-N-acetyl-glucosamine ; Sdr = Serin domain repeat WTA = Wall Techoic Acid
Protéines d’adhésion de S. epidermidis
S. epidermidis : de l’adhérence au biofilm …
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Etapes de la colonisation du matériel par S. epidermidis
8 h
La surface du matériel est recouverte par une couche épaisse de "slime"
24 h
Des bactéries émergent du biofilm, libres et prêtes à se fixer ailleurs
Olson, Ruseska, Costerton J. Biomed Mater Res 1988
2 h
Fixation des staph sur des irrégularités à la surface du matériel
X 2940 4 h
Début de fabrication du "slime "
8 h
La surface du matériel est
recouverte par une couche épaisse de
"slime"
24 h
Des bactéries émergent du
biofilm, libres et prêtes à se fixer
ailleurs
2 h
Fixation des bactéries sur des irrégularités à la
surface du matériel
S. epidermidis : de l’adhérence au biofilm …
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 Couche épaisse de biofilm d'un séquestre infecté
Evans : Clin Orthop. 1998, February: 243-249
X 2940
COCCI
S. epidermidis
S. epidermidis : de l’adhérence au biofilm …
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DNA synthesis (Green = 5 bromo2-deoxyuridine (BrdU))
Protein synthesis (Green = GFP expression)
+ expression in biofilm of specific resistances ndvB – Mah, et al. Nature 2003
..métaboliquement peu actives = peu accessibles à l’activité des antibactériens
Staphylococcus epidermidis biofilm + Vancomycine Marquage Baclight
(vert = b. vivantes; rouge = b. mortes)
S. epidermidis : biofilm = bactéries métaboliquement peu actives
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S. Epidermidis : biofilm = bactéries peu actives = peu sensibles
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322
Bactéries planctoniques . élimination par les mécanismes de défense naturels (anticorps, phagocytes…) . Facilement accessibles aux antibiotiques
× Antibiotiques Anticorps Enzymes Bactéries planctoniques Bactéries-Biofilm
S. epidermidis et biofilm
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Bactéries séssiles = adhésion sur une surface inerte et entre elles un biofilm . résistante aux anticorps . aux phagocytes . à certains antibiotiques
JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322
× Antibiotiques Anticorps Enzymes Bactéries planctoniques Bactéries-Biofilm
S. epidermidis et biofilm
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Bactéries séssiles • phagocytes attirés par les biofilms • phagocytose inopérante mais enzymes phagocytaires libérées localement
JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322
× Antibiotiques Anticorps Enzymes Bactéries planctoniques Bactéries-Biofilm
S. epidermidis et biofilm
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Libération enzymes phagocytaires = endommage les tissus autour du biofilm descellement matériel essaimage des bactéries planctoniques à partir du biofilm : . dissémination de l’infection . infection dans un tissu voisin ou à distance
JW Costerton (1999) Science, 284:1318-1322
× Antibiotique Anticorps Enzymes Bactéries planctoniques Bactérie Biofilm
S. epidermidis et biofilm
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
**
***
*** ***
** ***
*** **
… attention à la pertinence des données in vitro
S. ca
pitis
S. ca
prae
S. epid
ermidi
s
S. hae
moly
ticus
S. lu
gdun
ensis
S. w
arne
ri1×100 1
1×100 2
1×100 3
1×100 4
1×100 5
1×100 6 Acier InoxydableTitanePolyétylène
Bio
film
pro
du
cti
on
(C
FU
/mm
2)
BHI glucose 1%
Sans pré-coating plasma Avec pré-coating plasma
S. epidermidis : de l’adhérence au biofilm …
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
S. epidermidis
Internalization
Biofilm
Small Colony Variant (SCV) Variant microcolonies
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S. epidermidis et vie intracellulaire
S. epidermidis
• capable de rentrer mais 100X moins que SA • peut persister • ne sort pas du phagolysosome • reste dans environnement acide Mécanisme d’entrée ?
Perez et al., Infection and Immunity, 2019
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S. epidermidis
Internalization
Biofilm
Small Colony Variant (SCV) Variant microcolonies
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S. epidermidis et SCV
S. epidermidis SCV
S. epidermidis « sauvage »
IOA chronique à S. epidermidis
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S. epidermidis et SCV
Même souche (génétiquement) En bas : normale En haut SCV
SCV
Particularités des micro-colonies in vitro: . adhérence +++ . tps de génération (doublement) x 10 . perte de l ’activité bactéricide de certains ATB . persistance des bactéries dans des niches cellulaires protectrices (cellules endothéliales des vaisseaux, ostéoblastes, …)…. . peu de réaction inflammatoire locale . à l’origine d’échec thérapeutique
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S. epidermidis et SCV
Auxotrophie = incapacité d'un organisme vivant de synthétiser un composé organique nécessaire à son développement.
+ altération large du protéome Kriegeskorte A, Protéomics 2011
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
• SCV seule ou avec colonies ”classique” • Culture lente • Colonies petites • Aspect différent (S. aureus non pigmenté +++) • Perte d’hémolyse • Perte de caractères distinctifs:
– Ex: S. aureus et slidex, coagulase, DNAse, – caractères biochimiques
Donc: - nécessité examen approfondi - incubation prolongée - ATBgramme sur toutes les morphologies - parfois probablement identification erronée (SCN vs S. aureus)
S. epidermidis et SCV
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
S. epidermidis S. epidermidis de phénotype SCV
Comparaison des antibiogrammes : SCV plus résistants
S. epidermidis et SCV …. et résistance
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
S. epidermidis et multirésistance
% Résistance
S. aureus n= 8,018
S. epidermidis n= 2,475
Meticilline 13 76
Kanamycine 9 62 Tobramycine 7 61 Gentamicine 2 59 Ofloxacine 12 59
Rifampicine 2 23 Vancomycine 1 1
2018 – Institut des Agents Infectieux, HCL
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
% Résistance S. epidermidis n=473
Meticilline 63 Kanamycine 54 Tobramycine 50 Gentamicine 46 Clindamycine 39 Pristinamycine 24 Ofloxacine 53 Sulfaméthoxazole 35 Rifampicine 10 Linézolide 0,2
2016-2018 - Infections ostéo-articulaires Hospices Civils de Lyon
% Résistance
S. aureus n= 8,018
S. epidermidis n= 2,475
Meticilline 13 76
Kanamycine 9 62 Tobramycine 7 61 Gentamicine 2 59 Ofloxacine 12 59
Rifampicine 2 23 Vancomycine 1 1
2018 – Institut des Agents Infectieux, HCL
S. epidermidis et multirésistance
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 40
S. epidermidis et multirésistance
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Pr Ben Howden
S. epidermidis et multirésistance
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Souches MultiR MDRSE : bêta-lactamines, macrolides, fluoroquinolones, aminosides, sulfonamides
Corrélation entre R teicoplanine et R rifampicine
Souches de l’hôpital de Melbourne
Double mutation rpoB de BPH0662 introduit dans 4 S. epidermidis Rifam-S de fonds génétiques différents
• confère résistance de haut niveau à la rifampicine
• + hétérorésistance à la vancomycine
S. epidermidis et multirésistance
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
S. epidermidis : multi-résistance
Souches MultiR MDRSE : bêta-lactamines, macrolides, fluoroquinolones, aminosides, sulfonamides
Corrélation entre R teicoplanine et R rifampicine
S. epidermidis rifam-R de 13 hôpitaux australiens 121 S. epidermidis rifam-R de 61 hôpitaux monde
• Autriche n=1 • Belgique n=18 • Danemark n=38 • France n=18 • Allemagne n=21 • Irlande n=1 • UK n=12 • USA n=12
Double mutation rpoB de BPH0662 introduit dans 4 S. epidermidis Rifam-S de fonds génétiques différents
• confère résistance de haut niveau à la rifampicine
• + hétérorésistance à la vancomycine
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Structure de population identique aux isolats australiens
S. epidermidis : multi-résistance
4 clones MDRSE endémiques au niveau mondial
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Forte identité Médiane nb SNP = 62
Australie (>8ans), Belgique, Danemark, UK Plus grande diversité
Médiane nb SNP = 282
Australie, Belgique, Danemark, France, Allemagne, Irlande, UK
S. epidermidis MDR : endémie mondiale !
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• Souches WT et mutants rpoB : même vitesse de croissance
• Expériences de culture compétitive (WT (RifS) + mutant (RifR) )en présence de vancomycine
Mélange 50/50 WT (RifS) et mutants (RifR)
Suivi sur 0-24-48h
Résistance rifampicine et hétéroR vancomycine : quel avantage ?
absence de vancomycine : coût ++ présence de vancomycine : avantage ++
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Et en France ? Etude rétrospective – Novembre 2018 • 13 centres hospitaliers français • Recueil des 20 dernières souches de MRSE résistantes à la rifampicine
– 10 souches de bactériémie vraies – 10 souches responsables d’infections ostéo-articulaires
• Recherche double mutation spécifique des clones australien par PCR + séquençage du gène rpoB
• Sélection aléatoire dans chaque centre de 4 souches S. epidermidis portant la double mutation rpoB aléatoire (n=52)
MLST (Multilocus Locus Sequence Typing (PCR + séquençage 7 gènes ménage) pour comparer aux 4 ST australiens (ST2, ST2-mixte, ST5, ST23)
47
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Et en France ? Résultats • 233 souches incluses (confirmation identification et résistance à la rifampicine)
• Double mutation ropB = 199 /233 souches = 85,4% avec mutations D471E et I527M prévalence +++ des clones multirésistants de diffusion mondiale décrit par Lee et al. très majoritaires en France parmi les S. epidermidis MetiR-RifamR = confirmation diffusion très important de ces clones.
• Dans chaque centre : sélection aléatoire de 4 souches S. epidermidis portant la double mutation rpoB aléatoire (n=52) pour MLST clone ST2 = 25/52 clone ST23 = 12/52 groupe ST2-Mixte = 15 /52 avec 8 ST différents dont 5 nouveaux = confirme diversité intrinsèque de ce groupe
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Et en France … c’est pire !
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Bleu = SIC, Noir = endocrino, Vert : Chir ortho, Gris = Chir plastique, Marron = Chir vasc, Orange : MIT,
Jaune: Chir cardio, Violet = ICU S. aureus (les autres = MRSE)
Et en France … c’est pire !
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Plasmid pSA737 39 287 pb
Plasmid pSA1202300
39964 pb
Evidence d’un probable transfert hirizontal entre S. epidermidis et S. aureus
Caractérisation des plasmides portant cfr+
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13 S. epidermidis isolates
• Same genetic background • CC2
Transfert du même plasmide dans différents fonds génétiques
Caractérisation des fonds génétiques des souches
3 souches de S. aureus
• 3 fonds génétiques différents • CC8 = ST8, ST72, ST2416
Présence du même plasmide dans un même fond génétique unique connu pour être très prévalent chez l’Homme
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
All ST2 genomes publically available Including genomes from Lee ‘s study
Phylogénie des MRSE
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
All ST2 genomes publically available
WGS analysis using SNPs for S. epidermidis isolates - Nantes
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• diffusion d’un des clones endémique “Australien” MDRSE ayant acquis une résistance supplémentaire plasmidique au linézolide • diffusion du plasmide cfr = transfert génétique horizontal MDRSE vers S. aureus! • Contexte d’utilisation +++ de linézolide !
Souches épidémiques MDR ! et responsable de la
diffusion de plasmides de multirésistance !
Souches endémiques MDR !
CHU Nantes: MRSE australiens ST2 + Plasmide cfr+
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S. epidermidis et adaptations in vivo
Bayesian Evolutionary Analysis Sampling Trees (BEAST) phylogeny
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
Croissance liquide/solide
Relative lysis of sheep blood erythrocytes
S. epidermidis et adaptations in vivo Biofilm formation assay
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019 58
Ciprofloxacin killing of stationary growth phase bacteria. Bacteria were exposed to at least 40-fold MIC of ciprofloxacin
Antibiotic killing of bacteria embedded within a biofilm
Quantitative in vitro biofilm formation
S. epidermidis et adaptations in vivo
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20es JNI, Lyon du 5 au 7 juin 2019
S. epidermidis et adaptations in vivo
Multirésistance +++ Virulence plus faible que S. aureus mais réelle avec équipement colinisation = virulence
• infections moins symptomatiques • infections torpiques • infections chroniques
Résistances +++ et diffusion pas seulement locale Réservoir de résistances Adapations possibles in vivo = chronicisation +++
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Merci de votre attention !
French National Reference Centre for Staphylococci
Laboratoire de bactériologie CHU de Nantes
Jocelyne CAILLON Lise CREMET Pascale BEMER Stéphane CORVEC
François VANDENESCH Anne TRISTAN Michele BES Céline DUPIEUX-CHABERT Anne-Gaelle RANC Claude-Alexandre GUSTAVE
Caroline BOUVEYRON Emeline JEANNE Nadia BOULEGROUN Christine GARDON Charline VUILLOT
Patricia MARTINS SIMOES Alan DIOT Marina CORTES FARREL Et tout le reste de l’équipe !!