Intraosteoblastic lifestyle of Staphylococcus aureus : study of the replicative dynamics and persisters
Vie intraostéoblastique de Staphylococcus aureus : étude de la dynamique de réplication et des persisters
Résumé
Staphylococcus aureus is a human commensal bacterium as well as a major opportunistic pathogen that can cause a wide spectrum of infections such as bone and joint infections (BJI). BJI possess a high rate of morbidity and mortality as well as relapse and chronicization. Escape mechanisms, such as internalization in bone cells like osteoblasts, bring a mechanical protection to S. aureus against the action of the immune system and antibiotics. This mechanism could exacerbate treatment failures. The implication of the internalization and the survival of S. aureus in cells during BJI lacks in vivo observation, especially due to the difficulty of sampling and observation of infected cells from patients. The first goal of my thesis was therefore to develop an in cellulo study model to decipher the infection parameters and the replicative dynamics of S. aureus using fluorescence light microscopy. The heterogeneity of the intraosteoblastic lifestyle of S. aureus occurring between individual and strain was highlighted. Osteoblasts were the niche of exclusively non-replicating S. aureus (I), or at least one S. aureus leaving quiescence and generating a slow replicative phase (II), or a classical fast replicative phase (IIIa) characterized by the burst of host cell and the release of S. aureus, or an unconventional (IIIb) or aborted (IIIc) fast replicative phase. The dual therapy of rifamycines and fluoroquinolones showed superiority to treat prosthetic joint infection (PJI). However, complete eradication of intraosteoblastic S. aureus is never achieved in vitro regardless of the antibiotic and its concentration used. The second goal of my thesis was therefore to decipher the replicative dynamics of intraosteoblastic S. aureus survivors to rifampicin and/or ciprofloxacin treatment at clinical concentrations. Ciprofloxacin creates a reservoir of replicating S. aureus within circular structures probably through reduced efficiency, while rifampicin survivors are non- or slowly replicative persisters. Thus, this manuscript presents the first quantitative study of the intraosteoblastic replicative dynamics of S. aureus under treatment or not by antibiotics at clinical concentrations, in real time and at the single eucaryotic cell level. The results obtained are part of the overall understanding of the replicative dynamics and persistence of intracellular S. aureus in the context of BJI. Replicative intraosteoblastic S. aureus may contribute to the acute phase of BJI by colonizing neighboring cells and tissues while non-replicating S. aureus may be involved in the relapse and chronicization of BJI by nesting in viable osteoblasts and persisting to antibiotic treatment.
Staphylococcus aureus est une bactérie commensale de l’humain et un pathogène opportuniste majeur pouvant causer un large spectre d’infections telles que les infections ostéo-articulaires (IOA). Elles présentent un fort taux de morbidité et de mortalité ainsi que de rechute et de chronicisation. Des mécanismes d’échappement confèrent à S. aureus une protection mécanique à l’action du système immunitaire et des antibiotiques tels que son internalisation dans les cellules osseuses, notamment les ostéoblastes. Ce mécanisme pourrait exacerber les échecs thérapeutiques. L’implication de l’internalisation et de la survie de S. aureus dans les cellules osseuses au cours des IOA manque de supports notamment par la difficulté d’isolement et d’observation des cellules infectées. Le premier objectif de ma thèse a donc été de développer un modèle d’étude in cellulo afin de déchiffrer les paramètres d’infection et la dynamique de réplication de S. aureus par microscopie photonique à fluorescence. L’hétérogénéité, entre individu et souche dépendante, de la vie intraostéoblastique de S. aureus a ainsi pu être mise en lumière. Les ostéoblastes ont été la niche de S. aureus exclusivement non réplicatifs (I), ou d’au moins un S. aureus quittant la quiescence et engendrant une phase réplicative lente (II), ou rapide dite classique (IIIa) caractérisée par l’éclatement de l’ostéoblaste et le relargage des S. aureus, ou non-conventionnelle (IIIb) ou avortée (IIIc). La combinaison des rifamycines et des fluoroquinolones démontre une supériorité dans le traitement des IOA sur prothèses. Cependant, l’éradication complète de S. aureus intraostéoblastique n’est jamais atteinte in vitro quel que soit l’antibiotique et sa concentration utilisé. Le second objectif de ma thèse a donc été de déchiffrer la dynamique de réplication des survivants de S. aureus intraostéoblastique à un traitement de rifampicine et/ou de ciprofloxacine à concentrations cliniques. La ciprofloxacine créé un réservoir de S. aureus réplicatifs au sein de structures circulaires probablement par une efficacité réduite, tandis que les survivants à la rifampicine sont des persisters non ou lentement réplicatifs. Ainsi, ces travaux de thèse de doctorat présentent la première étude quantitative de la dynamique de réplication intraostéoblastique de S. aureus sous traitement ou non d’antibiotiques à concentrations cliniques, en temps réel et à l’échelle de la cellule eucaryote. Ils s’insèrent dans la compréhension globale de la dynamique de réplication et de la persistance de S. aureus intracellulaire dans le cadre des IOA. Les S. aureus intraostéoblastiques réplicatifs pourraient contribuer à la phase aigüe des IOA en colonisant les cellules et tissus voisins tandis que les non réplicatifs pourraient être impliqués dans la rechute et la chronicisation des IOA en nichant dans des ostéoblastes viables et en persistant à un traitement antibiotique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)