Use of non-invasive ultrasound to overcome bacterial resistance to antibiotics : application to efflux, influx and biofilm mechanisms

Les ultrasons focalisés de forte intensité (HIFU) sont aujourd'hui utilisés en clinique pour des traitements basés sur l'ablation thermique ou mécanique, notamment contre les cancers et certaines pathologies neurologiques. En parallèle, les ultrasons pulsés de faible intensité (LIPUS), encore à l'étude, émergent comme une approche thérapeutique prometteuse dans divers domaines, tels que la médecine régénérative, la neuromodulation et la délivrance de médicaments. Bien que les LIPUS puissent induire divers effets biologiques selon le type cellulaire et la structure du tissu ciblés, les mécanismes sous-jacents restent mal compris en raison de la complexité des interactions, de la variabilité des protocoles et d'études mécanistiques limitées. Les mécanismes proposés, incluant l'activation des protéines mécanosensibles et la sonoporation, n'expliquent pas tous les effets observés, comme par exemple la potentialisation des effets bactéricides des antibiotiques en absence de cavitation. Nous proposons un nouveau mécanisme selon lequel les LIPUS moduleraient directement l'activité des protéines membranaires en induisant des changements de leur conformation potentiellement réversible. Pour tester cette hypothèse encore indémontrée, nous avons étudié deux systèmes bactériens impliqués dans la résistance aux antibiotiques chez Escherichia coli : le système d'efflux AcrA-AcrB-TolC et les porines OmpF/OmpC impliquées dans l'influx. Nos résultats in vivo montrent que l'application des LIPUS focalisés réduit significative la survie bactérienne en présence de moxifloxacine, due à une inhibition de la pompe d'efflux AcrA-AcrB-TolC. Les contrôles effectués en utilisant des mutants de délétion et des analyses par RT-qPCR indiquent que cette inhibition ne serait pas due à une sonoporation, à un effet thermique, à d'autres systèmes d'efflux ou à une régulation transcriptionnelle. De plus, la reconstitution in vitro de AcrB dans des protéoliposomes suggère que cette inactivation résulte d'un effet direct sur le complexe AcrA-AcrB-TolC. Avant toute application des LIPUS, nous avons exploré le rôle fonctionnel de la boucle L3 des porines OmpF et OmpC, en utilisant des mutants de délétion et de substitution ponctuelle. Nos résultats démontrent que cette boucle joue un rôle important dans le contrôle du passage des antibiotiques, à la fois par son encombrement stérique et par l'effet de ses charges négatives. Nous émettons l'hypothèse que cette boucle pourrait être une cible potentielle de modulation par les LIPUS. Enfin, nous avons étudié l'utilisation des LIPUS contre les biofilms bactériens, un facteur clé de la résistance aux antibiotiques. Un modèle de biofilm artificiel basé sur un gel d'alginate montre que les antibiotiques chargés positivement sont piégés par ce gel, contrairement à ceux chargés négativement. L'application des LIPUS favorise la libération contrôlée de la lévofloxacine, qu'elle soit piégée dans le biofilm ou encapsulée dans des nano-gouttelettes, et potentialise son action bactéricide sur E. coli en réduisant significativement sa survie sur une courte durée d'exposition. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans l'application des ultrasons comme adjuvant au traitement par les antibiotiques, offrant une approche innovante pour améliorer l'efficacité des antimicrobiens.