Dans ce travail de thèse, la texturation de surface d‟alliages de titane a été étudiée en utilisant un procédé d'écriture directe par laser femtoseconde dans le but d'améliorer la mouillabilité d‟implants dentaires et orthopédiques par les fluides biologiques et la minéralisation de la matrice (formation osseuse) tout en réduisant l'adhésion bactérienne et la formation de biofilmes. Des surfaces de titane (Ti-6Al-4Vet cp Ti) ont été micro-, nano-texturées par laser femtoseconde et une biofonctionnalisation de ces surfaces a été ajoutée ou non par greffage de peptides d'adhésion cellulaire (peptides RGD) en surface de ces différents matériaux. Les textures de surface peuvent être classées comme suit: (a) structures périodiques de surface induites par laser (LIPSS); (b) étalage de nanopiliers (NP); (c) étalage de micro colonnes recouvertes de LIPSS (MC-LIPSS) formant une distribution bimodale de rugosité. Nous avons montré que la texturation de surface par laser améliore la mouillabilité des surfaces avec de l'eau ainsi qu‟une solution saline tamponnée Hank's (HBSS) et amène une anisotropie de mouillage. Une minéralisation cellulaire est observée pour toutes les surfaces des deux alliages de titane lorsque des Cellules Souches Mésenchymateuses humaines (hMSC) sont cultivées dans un milieu ostéogénique. La minéralisation de la matrice et la formation de nodules osseux sont considérablement améliorées sur les surfaces texturées LIPSS et NP. Parallèlement,l'adhésion de Staphylococcus aureus et la formation de biofilmes sont considérablement réduites pour les surfaces texturées LIPSS et NP. La biofonctionnalisation des différentes surfaces texturées (cp Ti) par laser a été réalisée et caractérisée par spectroscopie de photoélectrons (XPS) et par microscopie à fluorescence en utilisant des peptides fluorescents. L‟ensemble des résultats obtenus suggèrent que la texturation de surface d'alliages de titane (Ti-6Al-4V et cp Ti) en utilisant une technique d‟écriture directe par laser femtoseconde est un procédé prometteur pour l'amélioration de la mouillabilité de la surface d'implants dentaires et orthopédiques par les fluides biologiques et leur ostéointégration (différenciation ostéoblastique et minéralisation de la matrice), tout en réduisant l‟adhésion de Staphylococcus aureus et la formation de biofilmes. Enfin, la combinaison de la texturation par laser et du greffage covalent d‟un principe actif (ici un peptide d‟adhésion cellulaire comme le peptide RGD) amènera indéniablement une bioactivité utile pour favoriser l'adhésion des hMSC et faciliter laformation osseuse. / In the present thesis the surface texturing of Ti alloys using femtosecond laser direct writing method is explored as a potential technique to enhance the wettability of dental and orthopaedic implants by biological fluids and matrix mineralisation (bone formation), while reducing bacteria adhesion and biofilmformation. The surface texture was combined with biofunctionalisation by covalent grafting of a RGD peptide sequence as well. The surface textures can be classified as follows: (a) Laser-Induced Periodic Surface Structures-LIPSS; (b) nanopillars arrays(NP); (c) arrays of microcolumns covered with LIPSS (MC-LIPSS), forming a bimodal roughness distribution. Laser texturing enhances surface wettability by water andHank‟s balanced salt solution (HBSS) and introduces wetting anisotropy, crucial incontrolling the wetting behaviour. Matrix mineralisation is observed for all surfaces of both Ti alloys when human mesenchymal stem cells (hMSCs) are cultured in osteogenic medium. Matrix mineralisation and formation of bone-like nodules are significantly enhanced on LIPSS and NP textured surfaces. On the contrary, Staphylococcus aureusadhesion and biofilm formation are significantly reduced for LIPSS and NP textured surfaces. The biofunctionalisation of the laser textured surfaces of cp Ti is sucessfully achieved. In general, these results suggest that surface texturing of Ti alloys using femtosecond laser direct writing is a promising method for enhancing surface wettability of dental and orthopaedic implants by biological fluids and their osseointegration (osteoblastic differentiation and matrix mineralisation), while reducing Staphylococcus aureus adhesion and biofilm formation. Finally, the combination of laser texturing and covalent grafting of a RGD peptide sequence may be potentially useful for increasing cell adhesion and facilitating bone formation.

Cette thèse se propose d'examiner les phénomènes de transport dans des milieux poreux colonisés par des biofilms. Ces communautés sessiles se développent dans les sols ou les roches souterraines, ou dans la zone hyporhéique des rivières et peuvent influencer significativement le transport de masse et de quantité de mouvement. Les biofilms modifient également très largement la spéciation chimique des éléments présents dans le milieu, menant à la biodégradation de nombreux polluants. Par conséquent, ces systèmes ont reçu une attention considérable en ingénierie environnementale. Pourtant, la recherche dans ce domaine a été très fortement limitée par notre incapacité à (1) observer directement les microorganismes dans des milieux poreux opaques réels et (2) prendre en compte la complexité multi-échelles des différents phénomènes. Cette thèse présente des avancées théoriques et expérimentales permettant de surmonter ces deux difficultés. Une nouvelle stratégie, basée sur la microtomographie à rayons X assistée par ordinateur, a été utilisée pour obtenir des images en trois dimensions de la distribution spatiale du biofilm dans la structure poreuse. Ces informations topologiques peuvent être utilisées pour étudier la réponse de l'entité biologique à différents paramètres physiques, chimiques et biologiques à l'échelle du pore. De plus, ces images sont obtenues sur des volumes relativement importants et peuvent donc être utilisées pour étudier l'influence du biofilm sur le transport de solutés à plus grande échelle. Pour cela, les problèmes aux conditions limites décrivant le transport de matière à l'échelle du pore peuvent être moyennés en volume pour obtenir des équations homogénéisées à l'échelle de Darcy. Différents modèles, ainsi que leurs domaines de validité, sont présentés dans les cas réactifs et non-réactifs. Cette thèse se base sur la technique de prise de moyenne volumique, en conjonction avec des analyses utilisant les moments spatiaux, pour présenter une théorie complète de transport macroscopique ainsi qu'une analyse détaillée des relations entre les différents modèles, tout particulièrement entre les modèles à une et deux équations. Une décomposition non standard en terme de moyenne plus perturbation est présentée dans le but d'obtenir un modèle à une équation dans le cas du transport multiphasique avec des taux de réactions linéaires en fonction de la concentration. Finalement, la connexion entre l'analyse théorique et l'imagerie en trois dimensions est établie. Cette thèse illustre aussi brièvement comment la perméabilité peut être calculée numériquement en résolvant des problèmes de fermeture à partir des images en trois dimensions. / This dissertation examines transport phenomena within porous media colonized by biofilms. These sessile communities of microbes can develop within subsurface soils or rocks, or the riverine hyporheic zone and can induce substantial modification to mass and momentum transport dynamics. Biofilms also extensively alter the chemical speciation within freshwater ecosystems, leading to the biodegradation of many pollutants. Consequently, such systems have received a considerable amount of attention from the ecological engineering point of view. Yet, research has been severely limited by our incapacity to (1) directly observe the microorganisms within real opaque porous structures and (2) assess for the complex multiple-scale behavior of the phenomena. This thesis presents theoretical and experimental breakthroughs that can be used to overcome these two difficulties. An innovative strategy, based on X-ray computed microtomography, is devised to obtain three-dimensional images of the spatial distribution of biofilms within porous structures. This topological information can be used to study the response of the biological entity to various physical, chemical and biological parameters at the pore-scale. In addition, these images are obtained from relatively large volumes and, hence, can also be used to determine the influence of biofilms on the solute transport on a larger scale. For this purpose, the boundary-value-problems that describe the pore-scale mass transport are volume averaged to obtain homogenized Darcy-scale equations. Various models, along with their domains of validity, are presented in the cases of passive and reactive transport. This thesis uses the volume averaging technique, in conjunction with spatial moments analyses, to provide a comprehensive macrotransport theory as well as a thorough study of the relationship between the different models, especially between the two-equation and one-equation models. A non-standard average plus perturbation decomposition is also presented to obtain a one-equation model in the case of multiphasic transport with linear reaction rates. Eventually, the connection between the three-dimensional images and the theoretical multiple-scale analysis is established. This thesis also briefly illustrates how the permeability can be calculated numerically by solving the so-called closure problems from the three-dimensional X-ray images.

Listeria monocytogenes est une bactérie Gram positif, largement présente dans différents types d’environnement, qui peut causer une maladie rare, mais grave, la listériose. Les caractéristiques de cette bactérie, sa pathogénie et sa capacité à survivre dans des conditions difficiles, font d’elle une bactérie qui suscite des inquiétudes particulièrement dans les industries agroalimentaires. Par son caractère ubiquitaire, elle se retrouve aussi dans ce type d’environnement et, par conséquent, peut contaminer les aliments. La persistance de L. monocytogenes dans l’environnement des industries agroalimentaires est un phénomène établi, mais les mécanismes qui y conduisent font encore aujourd’hui débat. Par ailleurs, alors qu’une réglementation stricte a été mise en place dans les industries de transformation de produits prêt-à-manger en rapport avec les risques de contamination par L. monocytogenes, il n’y a, à ce jour que peu d’information disponible au Québec sur la présence de cette bactérie en amont de cette production, soit au niveau de la viande crue. Les objectifs de ce projet de thèse visent, d’une part, à étudier la distribution, la diversité et la persistance des souches de L. monocytogenes dans l’environnement de quatre abattoirs de porcs au Québec; de vérifier la présence de génotypes identifiés comme persistants dans les aliments et les cas de listériose humaine et d’établir les mécanismes de persistance de la bactérie dans l’environnement de ces industries. Les résultats de ce projet de thèse ont montré qu’après les opérations de nettoyage et de désinfection, la composition de la contamination par L. monocytogenes selon les abattoirs et les secteurs était significativement différente. Ainsi, deux abattoirs ont montré une contamination plus élevée comparativement à un autre abattoir. Une importante diversité de souches de L. monocytogenes est présente dans l’environnement des abattoirs et des usines de découpe de viande. Cette diversité était généralement similaire entre les abattoirs sauf pour un seul abattoir qui a montré une diversité significativement plus élevée. La diversité des souches n’était pas variable en fonction de l’étape du processus d’abattage, soulignant la tolérance de ces souches aux stress spécifiques des différents environnements de ces industries. Cette étude a montré que la présence de souches persistantes de L. monocytogenes était plus importante au niveau des étapes post-éviscération de l’abattage, et particulièrement en découpe. Dans ces conditions, le risque de contamination des produits est très présent. La comparaison des caractéristiques génotypiques des souches persistantes avec celles des souches isolées des aliments transformés et des cas de listériose humaine a montré un lien significatif entre ces souches. La relation entre la fréquence importante de détections de souches présentant ces profils au Québec, mais aussi au Canada et leur persistance dans les nombreux environnements agroalimentaires autres que celui des abattoirs et des salles de découpe des viandes reste à être documentée pour une meilleure compréhension de l’origine des listérioses humaines. L’étude des différents mécanismes de persistance des souches de L. monocytogenes réalisée au cours de cette thèse a montré que la présence de gènes de résistance aux ammoniums quaternaires (QACs) dans certaines souches est particulièrement associée au caractère de persistance, alors qu’aucune différence dans la capacité à former du biofilm n’a été mise en évidence entre les souches persistantes et celles non persistantes. L’absence de caractère génétique évident et spécifique à la capacité de former le biofilm rend difficile l’association de ce dernier à la persistance des souches de L. monocytogenes. Néanmoins, le biofilm reste un phénomène pouvant expliquer en partie la persistance de L. monocytogenes. Par ailleurs l’étude de l’impact de la concentration en nutriments sur le biofilm de L. monocytogenes a montré qu’en conditions de limitation en nutriments, la structure du biofilm de L. monocytogenes était en forme de nid d’abeille attribuée à la présence d’une plus grande quantité d’ADN extracellulaire. Cette structure confère une meilleure stabilité au biofilm ce qui explique une plus forte biomasse. Nous avons également démontré ici une association du genre Listeria avec d’autres genres bactériens de l’écosystème microbien résiduel de la surface de l’environnement de découpe des viandes. Ainsi, la co-occurrence de Listeria spp. avec Pseudomonas spp. laisse croire à la présence d’une interaction entre les espèces de ces genres. D’autre part, la présence de plusieurs genres dont Sphingomonas, Paracoccus et Caulobacter est négativement corrélée avec celle de Listeria spp. Ceci ouvre la voie à des études portant sur les interactions spécifiques entre ces genres bactériens et Listeria, et particulièrement l’espèce monocytogenes. L’ensemble de ces études éclaire le phénomène de persistance chez L. monocytogenes : il ne s’agit pas d’un mécanisme unique pour toutes les souches présentant ce caractère mais plutôt le résultat d’une sélection basée sur la résistance aux antimicrobiens, la capacité à former du biofilm en interaction avec d’autres espèces bactériennes, le premier pouvant être nécessaire et suffisant. Cette sélection peut être favorisée également par l’existence d’une niche écologique favorable telle que des endroits difficiles d’accès au nettoyage et à la désinfection. L’importance de considérer les risques de contamination de L. monocytogenes en amont de la production des produits prêts à manger à base de viande a été démontrée dans ce travail, dans la mesure où, à partir d’une grande diversité de souches présentes dans ce secteur, émerge une population présentant des profils génotypiques similaires à ceux retrouvés dans les aliments et les cas de listériose humaine. Cette étude permettra donc une reconsidération de l’importance d’une surveillance cohérente de L. monocytogenes en amont de la production de prêt à manger, afin de limiter ainsi les risques de contamination des matières premières des industries de transformation. / Listeria monocytogenes is a Gram-positive bacterium widely distributed in various types of environment and can cause listeriosis, a rare but serious disease. The characteristics of this bacterium related to its pathogenesis and its ability to survive in harsh environments make it a harmful bacterium especially in the agri-food industries. Indeed, being an ubiquitous bacterium, it is also found in this type of environment leading to food contamination. The persistence of L. monocytogenes in the environmental food processing plants is a well-known phenomenon, but the mechanisms of persistence are still debated today. In addition, while strict regulations have been established in ready-to-eat industries in relation to the risk of contamination by L. monocytogenes, there is currently no information on the presence of this bacterium in early steps of pork product production in Canada. The aims of this project were 1) to investigate the distribution, diversity and persistence of L. monocytogenes isolates across slaughtering and cutting processes in four slaughterhouses, 2) to evaluate the association between the persistence attribute of L. monocytogenes genotypes and their detection in food and human listeriosis cases and 3) to study mechanisms involved in the persistence of L. monocytogenes, including biofilm formation ability, resistance to disinfectants and interaction with other bacteria from meat conveyor surfaces. Results showed that after cleaning and disinfection operations, the composition of L.monocytogenes contamination according to slaughterhouses and sectors was significantly different. Thus, two slaughterhouses showed higher contamination compared to another slaughterhouse. Results have shown also that a significant diversity of L. monocytogenes strains was present in the environment of slaughterhouses and cutting areas. Overall, the diversity did not vary depending on slaughterhouses except for one slaughterhouse which exhibited a higher strain diversity. According to the stage of slaughter process, this diversity was not variable underlying the tolerance of these strains to the stress encountered within the different environments in these plants. This study showed that the presence of persistent strains of L. monocytogenes in the post-evisceration stages was greater, particularly in cutting areas, suggesting a possibility of repeated contamination of meat products. When comparing the genetic profiles of persistent strains with strains isolated from processed and ready-to-eat foods and human listeriosis cases, a significant association was found, suggesting a persistence in other processing environments in addition to slaughterhouses. Our studies of the different persistence mechanisms of L. monocytogenes strains have shown that Quaternary ammonium compounds (QAC) resistance genes are particularly associated with persistent strains while no difference in the ability to generate a biofilm was observed between persistent and non-persistent strains. The lack of obvious genetic attribute(s) and specificity in the various isolates biofilm formation ability makes it difficult to solely attribute to the latter to the persistence of L. monocytogenes strains. Nevertheless, biofilm remains a phenomenon that can partly explain the persistence of L. monocytogenes. Furthermore, the study of the co-occurrence of Listeria spp. with other bacterial genera of the cutting surfaces microflora showed that Listeria spp. co-occurs with Pseudomonas spp. suggesting a possible interaction between species from these two genera. In the other hand, several other genera, of which Sphingomonas, Paracoccus and Caulobacter, negatively affect Listeria, which would suggest that these bacteria inhibit or limit the growth of the genus Listeria, and potentially L. monocytogenes, by competition for colonizing this habitat or, more particularly, for nutrients. Studies of these mechanisms have demonstrated that persistence of L. monocytogenes could not be explained by a single mechanism for all strains but through a selection phenomenon based on one or several attributes such as antimicrobial resistance, biofilm formation, and capacity to interact with other bacterial species. This selection pressure can also be affected by the existence of a favorable ecological niche such as difficult areas to access to disinfect. In conclusion, the importance of contamination risks by L. monocytogenes in the pig slaughterhouses was demonstrated by the presence of a great diversity of strains at this level but, more importantly, by the finding that the likelihood to recover persistent strains may be enhanced through resistance to industrials disinfectants and, to a lesser extent, by biofilm formation. These persistent strains shared similar genetic profiles to those found in foods and human listeriosis. This study supports the importance of a consistent and comprehensive monitoring of L. monocytogenes upstream of the ready-to-eat production, as a tool for limiting the risk of contamination of the raw materials of the processing industries.

The biofilm-associated protein (Bap) of Staphylococcus aureus is a high molecular weight cell-wallanchored protein involved in biofilm formation, first described in bovine mastitis strains from Spain. So far, studies regarding Bap were mainly based on the Spanish strain V329 and its mutants, but no information on the genetic variability of bap-positive Staph. aureus strains is yet available in the literature. The present study investigated the molecular characteristics of 8 bap-positive Staph. aureus strains from subclinical bovine mastitis, isolated in 5 herds; somatic cell counts (SCC) of milk samples were also registered. Strains were characterised using MLST, SPA typing and microarray and the results were compared with V329. All isolates from this study and V329 were assigned to ST126, t605, but some molecular differences were observed. Only herd A and B strains harboured the genes for β-lactams resistance; the leukocidin D/E gene, a type I site-specific deoxyribonuclease subunit, 3rd locus gene and serin-protease A and B were carried by all strains, but not by V329, while serin-protease E was absent in V329 and in another isolate. Four isolates and V329 harboured the fibronectin-binding protein B gene. SCC showed the highest value in the milk sample affected by the only strain carrying all the virulence factors considered. Potential large variability of virulence was evidenced among V329 and all bap-positive Staph. aureus strains considered: the carriage of fnb could enhance the accumulation of biofilm, but the lack of lukD/E and splA, B or E might decrease the invasiveness of strain.

Klädindustrin är idag en stor bidragande orsak till negativa miljöpåverkningar. Om avtrycket från den industrin ska minska behöver det ”fast fashion” fasas ut och ett nytt sätt att se på kläder implementeras. De enklaste sätten att minska avtrycket är att återanvända eller återvinna kläder. Renewcell återvinner textilier och bryter ner bomullen och återvinner den som nytt material - Circulose®. Det materialet skickas vidare för att bli nya kläder och på så sätt stängs loopen för textilindustrin. Av produktionen av Circulose® tillkommer ett nytt slags processavlopp som inte hunnits forskas mycket på. Paralleller till textilindustrin kan visserligen dras och där är processavloppen av heterogen karaktär. Renewcell vill se om det går att reducera det organiska materialet i avloppet till en nivå på 10 mg/l. Den här studien vill hjälpa till att fylla det forskningsgap som finns för reningsteknik inom textilåtervinningsindustrin idag. Med en ny marknad i uppstart är det viktigt att avlopp hanteras på ett bra och ansvarsfullt sätt. Syftet med studien var att undersöka experimentellt och litterärt om det går att reducera ner BOD7 i Renewcells processavloppet till 10 mg/l. En MBBR har efterforskats och jämförts med en MBR, där en MBBR ansågs vara mer resistent mot variationer och farliga ämnen. Det byggdes en MBBR i laborationsskala kopplat till processavloppet för att analysera reduktionen av BOD7 och för att göra en experimentell undersökning hur den kemiska fällningen påverkas om vattnet behandlades biologiskt först. Studien resulterade i att Renewcells karaktär på processavlopp är heterogent och är hanterbart av mikroorganismer. Dock, på grund av att ingen fullt utvecklad biofilm nåddes samt variationer i processen är det fortfarande osäkert om det fungerar att implementera en MBBR hos Renewcell. Processförändringar som ett produktionsstopp är inga problem för en fullt utvecklad MBBR att hantera. Processavloppet innehåller en stor mängd organiskt material, men saknar tillräckligt med näringsämnen. För detta projekt var 58 % reduktion av BOD7 den högsta som redovisades och det nåddes inte heller en fullt utvecklad biofilm. Att biologiskt behandla avloppet innan en kemisk fällning gav positiva resultat då reduktionen av metalljoner förbättrades. Allt som allt anses det vara möjligt att implementera en MBBR hos Renewcell om rätt förutsättningar finns och det ges en möjlighet att utveckla en biofilm fullt ut. Förhoppningsvis kan denna förstudie visa vägen för vidare studier inom området. / The clothing industry is one of the major causes for negative environmental impacts. The “fast-fashion” needs to be phased out and a more climate-friendly way of using clothes implemented. The easiest ways to do this is to reuse or recycle clothes. Renewcell recycles used textiles and dissolve the cotton into pulp and makes a new material of it - Circulose®, which is sent to become new clothes and, in that way, helps to close the loop for textile industry. With the production of Circulose® a new kind of wastewater is produced which has not yet been thoroughly researched. A parallel to the textile industry’s wastewater can be drawn, and that is of heterogeneous nature and can change quickly from day to day. It is in Renewcell’s interest to reduce the organic matter in the wastewater, more than they do today with their current chemical and mechanic wastewater treatment plant does. This study wants to help fill the research gap that exists for purification technology in the textile recycling industry today. Since it is a new field of technology, it is of importance to thoroughly invest in how to treat the wastewater responsibly. The purpose of this study was to investigate, both experimentally and literary, whether the possibility to reduce BOD7 to 10 mg/l in the wastewater treatment plant. With an investigation of MBBR and by compare it with an MBR it was concluded that a MBBRis a better fit for Renewcell since it is considered to be more resistant to variations and hazardous substances. To strengthen that conclusion a MBBR in laboratory scale was built and wastewater directly from the recycling process treated. The reduction of BOD7 and how it would come to affect the chemical precipitation was analyzed. The results of the study concluded that Renewcells wastewater is heterogenous and manageable for microorganisms. However, the due to the variations in the process such as dosing of biologically harmful substances it might not be possible for Renewcell to implement a MBBR. Process variations as a stop in production of wastewater for a shorter time period is manageable. The wastewater contains enough organic matter, but an extra addition of nutrients is needed. For this project the MBBR-process fluctuated in reduction of organic matter and the highest amount achieved was 58 %. No fully developed biofilm was achieved either. Biologically treating the process effluent before the chemical precipitation gave positive results as the reduction of metal ions was improved. All in all, it is believed to be possible to implement a MBBR at Renewcell if the process is given the required conditions from the beginning and a biofilm can be fully developed. Hopefully, this pilot study can show the way for future research within the field.

Staphylococcus aureus a été classé parmi les bactéries les plus pathogènes du genre Staphylococcus. Ce pathogène est responsable d'infections localisées (plaies chroniques, infections sur prothèses) voire de septicémies et d’infections nosocomiales. L’objectif principal de ce projet est d’élaborer des vecteurs colloïdaux biocompatibles à base de polysaccharides, chargés en principe actif antibactérien, et ciblant spécifiquement des biofilms de S. aureus. La méthode de complexation polyélectrolytes entre polysaccharides de charge opposée (chitosane/alginate et chitosane/dextrane sulfate) a été sélectionnée pour élaborer des particules de taille micrométrique. Ces microparticules n’étant pas stables, elles ont été stabilisées par réticulation chimique. Un antibiotique à large spectre d’activité de la famille des fluoroquinolones, la ciprofloxacine, a été séquestrée dans les microparticules. Des essais microbiologiques ont été réalisés en planctonique et sur biofilms, sur une souche de S. aureus et une souche de Pseudomonas aeruginosa. La ciprofloxacine encapsulée présente une activité antibactérienne (CMI, CMB et CMEB) plus importante que la ciprofloxacine libre. Par ailleurs, les MPs à base de chitosane/alginate sont plus actives que celles constituées de chitosane/dextrane sulfate. Enfin, un greffage d’un anticorps anti-protéine A a été réalisé sur les microparticules chitosane/alginate chargées en ciprofloxacine. Ces microparticules présentent une activité antibactérienne sur le biofilm de S. aureus légèrement améliorée par rapport aux microparticules dépourvues d’anticorps. / Staphylococcus aureus has been classified as one of the most pathogenic bacteria of the Staphylococcus genus. This bacterium is responsible for localized infections (chronic wounds, infections on artificial joints) or even septicemia and nosocomial infections. The main objective of this project is to develop biocompatible colloidal vectors based on polysaccharides, loaded with antibacterial active compound, and specifically targeting Staphylococcus aureus biofilms. The polyelectrolyte complexation between polysaccharide of opposite charge (chitosan / alginate and chitosan / dextran sulfate) has been selected to produce micrometric particles. By varying the total concentration of polysaccharide and the charge ratio between polyanion and polycation, it is possible to obtain variable sizes. As these microparticles were not stable, they were stabilized by chemical crosslinking. An antibiotic of the fluoroquinolone family, ciprofloxacin, with a large spectrum of activity, was entrapped in the micoparticles. Microbiological tests were carried out in planktonics and biofilms on different strains of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Loaded ciprofloxacin exhibits greater antibacterial activity (MIC, CMB and CMEB). Moreover, the chitosan / alginate-based MPs are more active than those consisting of chitosan / dextran sulfate. Finally, a grafting of an antiprotein A antibody was carried out on chitosan / alginate microparticles loaded with ciprofloxacin. These modified microparticles exhibit a slightly improved antibacterial activity compared to loaded ciprofloxaxin microparticles whitoutantibody.

Acinetobacter baumanii fait aujourd’hui partie des bactéries les plus problématiques dans le monde. Responsable de nombreux pics épidémiques d’infections nosocomiales auxquelles sont associés de forts taux de mortalité, cette bactérie puise sa pathogénie dans de multiples caractéristiques qui lui permettent ainsi d’échapper au système immunitaire de l’hôte et à la plupart des traitements actuels. Capable d’adhérer à de multiples surfaces, A. baumanii persiste dans l’environnement hospitalier à travers un mode de vie communautaire au sein duquel ses capacités de survie sont exacerbées. Chez les espèces du genre Acinetobacter, le mode de vie communautaire peut prendre deux formes distinctes : le biofilm et la pellicule. Dans la première partie de cette thèse, nous avons cherché à discriminer ces deux modes de vie, chez la souche ATCC 17978, par une analyse protéomique à large échelle. Nous avons confirmé la présence de nombreux marqueurs communs aux deux communautés (transporteurs, systèmes de sécrétion, d’acquisition d’ions, adhésines et pili) et mis en exergue des systèmes spécifiquement reliés à la formation du biofilm (pilus Fim, T2SS, T1SS/pompe A1S_0535-38, LPS/LOS, motif capsulaire) et à celle de la pellicule (Gac). Grâce à l’étude de la souche A. baumannii SDF en mode biofilm, qui présente un génome plus compact, nous montrons que très peu de mécanismes moléculaires sont partagés par les deux souches étudiées. Ce résultat témoigne de la difficulté quant au développement d’un traitement dirigé contre les biofilms A. baumannii. Dans une deuxième partie, nous avons testé deux approches pour prévenir et éradiquer les biofilms à A. baumannii. La première a ciblé le Quorum Sensing (QS), système de communication essentielle à la coordination des cellules. Nous avons pu montrer que les acides gras mono-insaturés (acide palmitoléique et acide myristoléique), au même titre que la virstatine, limitait la formation de communautés à A. baumannii en inhibant l’expression du régulateur abaR nécessaire au QS. Dans une seconde stratégie, nous avons finalement évalué l’action antibactérienne et antibiofilm d’un nouveau composé d’origine naturelle : la squalamine. Dans cette étude, nous montrons pour la première fois qu’A. baumannii est capable d’entrer dans un état de dormance (persistant/VBNC) pour survivre à de fortes doses de ciprofloxacine, mais que la squalamine est capable d’éradiquer ces cellules persistantes grâce à des concentrations inférieures à la concentration hémolytique. / Today, Acinetobacter baumannii is one of the most problematic pathogens in the world. This bacterium is responsible for worldwide epidemic outbreaks associated with dramatic mortality rates. It possesses high capacities to evade the immune host system and to resist to numerous available antibacterial agents. A. baumannii is also able to persist into hospital environment due to high adhesion abilities which induce community development. This process is also associated to an enhanced survival rate. In Acinetobacter genus, community modes of lif can take two forms : biofilm and pellicle. In this study on the strain ATCC 17978, we tried to discriminate these two lifestyles by a large scale proteomic analysis. We have confirmed the presence of many common community markers (transporters, ion acquisition secretion systems, adhesins and pili) and highlighted systems specifically related to biofilm (pilus Fim, T2SS, T1SS / pump A1S_0535-38, LPS / LOS, capsular pattern) and pellicle communities. Furthermore the proteomic analysis of an avirulent A. baumannii strain, SDF, in biofilm allowed to highlight peculiar metabolic pathways, specific adhesion determinants but very few markers shared by ATCC 17978. This demonstrated the difficulty in developing a treatment directed against A. baumannii biofilm. Then, we tested different approaches to prevent and eradicate biofilms. The first one targeted the Quorum Sensing system (QS), an essential communication system for cell coordination. We have showed that monounsaturated fatty acids (palmitoleic acid and myristoleic acid), like virstatin prevent the community formation of A. baumannii by inhibiting the expression of the abaR regulator required for QS. In a second strategy, we have evaluated the antibacterial and antibiofilm activity of a new natural compound : the squalamine. We showed for the first time that if ciprofloxacin treatment was able to induce a dormancy population (persistent/VBNCs) in A. baumannii, squalamine was able to eradicate this population of dormant cells.

In the past 15 years, many efforts were made to create functionalized artificial surfaces showing special anti-bacterial and anti-biofouling properties. Thereby, the topography of medical relevant materials plays an important role. However, the targeted fabrication of promising surface structures like hole-, lamella- and pyramid-like patterns with feature sizes in the sub-micrometer range in a one-step process is still a challenge. Optical and e-beam lithography, molding and selfassembly layers show a great potential to design topographies for this purpose. At the same time, most of these techniques are based on sequential processes, require masks or molds and thus are very device relevant and time consuming. In this work, we present the Direct Laser Interference Patterning (DLIP) technology as a capable method for the fast, flexible and direct fabrication of periodic micrometer- and submicrometer structures. This method offers the possibility to equip large plain areas and curved devices with 1D, 2D and 3D patterns. Simple 1D (e.g. lines) and complex 3D (e.g. lamella, pillars) patterns with periodic distances from 0.5 μm to 5 μm were fabricated on polymeric materials (polyimide, polystyrene). Subsequently, we characterized the adhesion behavior of Staphylococcus epidermidis and S. aureus bacteria under in vitro and in vivo conditions. The results revealed that the topographies have a significant impact on bacteria adhesion. On the one side, one-dimensional line-like structures especially with dimensions of the bacteria enhanced microbe attachment. While on the other hand, complex three-dimensional patterns prevented biofilm formation even after implantation and contamination in living organisms.

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Antibiotikaresistenz/-toleranz und Evasion des menschlichen Immunsystem sind wesentliche Probleme persistierender chronischer Infektionen, die im Zusammenhang mit Biofilmen stehen. Eine Notwendigkeit alternativer Behandlungen liegt daher nahe. Für diese Studie wurden zehn ayurvedische Pflanzen ausgewählt, die die Produktion von Curli-Fasern und/oder pEtN-Cellulose in E. coli K-12 Makrokolonie-Biofilmen eindeutig hemmten. Eine Reihe molekularer Reporter wurde verwendet, um die molekularen Ziele im Modellorganismus E. coli zu identifizieren. Eine Kombination von mikrobiologischen, molekularbiologischen und enzymatischen Methoden und Experimenten wurde dann verwendet, um die Aktivitäten der Pflanzenextrakte weiter zu charakterisieren. Um ihre Wirkung auf Biofilme eines breiteren Spektrums von Bakterien zu testen, wurden einige relevante gramnegative Pathogene (EAEC, UPEC, P. aeruginosa) und grampositive Bakterien (B. subtilis, S. aureus) als Makrokolonie-Biofilme sowie als submerse Biofilme in Gegenwart der Pflanzenextrakte inkubiert. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind, dass es kein „Allheilmittel“ gibt, das effektiv gegen verschiedene Biofilmstrukturen wirken kann. Es konnte gezeigt werden, dass fast alle Pflanzenextrakte die CsgA Amyloidogenese hemmen. Drei der zehn Pflanzenextrakte beeinflussten die Curli- und pEtN-Cellulose-Gene signifikant, indem sie csgB und dgcC über den Regulator CsgD herunterregulierten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass ein Extrakt die Expression flagellarer Gene in E. coli hochreguliert - eine neue Anti-Biofilm Strategie. Überraschenderweise wurde auch festgestellt, dass ein Pflanzenextrakt, das die Biofilmbildung des Kommensalen E. coli K-12 hemmt, während es die Biofilmbildung von UPEC fördert. Daher können Anti-Biofilm-Effekte stammspezifisch sein. Eine Strategie, bei der verschiedene Pflanzenextrakte kombiniert werden, könnte gegen Biofilme wirken, die aus mehreren Arten bestehen, erfordert jedoch weitere Forschung. / Antibiotic resistance/tolerance and evasion from the human immune system are major causes of concern associated with biofilm-related persistent chronic infections. So, the need for an alternative source of treatment is obvious. In this study, 10 Ayurvedic plants were selected as they clearly inhibited the production of curli fiber and pEtN-cellulose or of curli fibers only in E. coli K-12 macrocolony biofilms. A series of molecular reporters were used to determine the molecular targets using E. coli as model bacteria. A combination of microbiological, molecular biological, and enzymatic assays and experiments were then used to further characterize the activities of the plant extracts. To test anti-biofilm effects on a wider range of bacteria, some relevant Gram-negative pathogens (EAEC, UPEC, P. aeruginosa) and Gram-positive bacteria (B. subtilis, S. aureus) were grown in macrocolony biofilms and submerged biofilms in the presence of active plant extracts. The major findings of this study are that there is not one single “magic bullet” that can effectively work against the diverse biofilm compositions and structures. Nearly all plant extracts were found to inhibit CsgA amyloidogenesis. Three of the ten plant extracts affected the curli and pEtN-cellulose genes significantly by downregulating csgB and dgcC via the CsgD regulator. In addition, one extract was found to upregulate flagellar gene expression in E. coli - this is a new anti-biofilm strategy that had not considered before. Surprising, it was also noticed that one plant extract, which inhibits biofilm formation by commensal E. coli K-12, promotes biofilm formation by UPEC. Thus, anti-biofilm effects can be strain-specific because of the diversity of composition of the matrix within the same bacterial species. A strategy of combining different plant extracts may work to deal with biofilms involving multiple species, but requires more research and understanding.