Biofilms et le concept d'inflammation froide - 5CC Barcelone - Pr Patrizia d'Alessio

Biofilms et le concept d'inflammation froide
Patrizia d’Alessio, MD PhD

Introduction

L’Inflammation est caractérisée par 4 signes fondamentaux, respectivement rougeur, oedème, chaleur et douleur associés à un affaiblissement de la fonction d’organe.

Quand ces signes se généralisent, on parle d’inflammation chronique ou « silencieuse ».

Ici, des effets délétères son connus pour accélérer le vieillissement cellulaire et jouer un rôle important dans l’athérosclérose, les maladies cardiovasculaires et le syndrome métabolique.

Pourtant, dans certaines formes d’inflammation on ne retrouve pas tous les caractères cités:

Par exemple l’absence de fièvre voire même aucune douleur. On parle alors (avec une nouvelle terminologie) d’inflammation « froide ».

Les biofilms sont la forme la plus commune de mode de vie des micro-organismes. Ils constituent 80% de la biomasse microbienne sur la planète.

Dans le biofilm, les bactéries sont confinées à l’intérieur d’une matrice polymérique composée d’exo-polysaccharides, de protéines et d’acides nucléiques. Leur développement est initié par des signaux extracellulaires de l’environnement ou les bactéries elles-mêmes.

Les Biofilms peuvent se construire en quelques heures. La matrice du biofilm est hautement hydratée et contient jusqu’à 97% d’eau. C’est dans ce milieu aquatique que la structure même du biofilm est sensible à la lumière.

Dans le corps humain, la plupart des biofilms se logent dans le tractus gastro-intestinal. Lieu de l’immunotolérance, qui peut devenir le refuge d’une inflammation chronique persistante et asymptomatique résultat du rerooting de notre système immunitaire par la microflore.

On connait l’action antimicrobienne de la lumière bleue via de nombreux mécanismes dont celui de la stimulation de la SOD (Superoxyde dismutase). Le résultat? Une rupture du biofilm par les ROS. La lumière peut aussi décimer les bactéries par le process de photothérapie dynamique, se servant par exemple des porphyrines endogènes.

Matériel et méthodes

De la bouche au colon, la microflore peuplant l’intestin est organisée en biofilms chez les humains. Les biofilms protègent les bactéries du système immunitaire de l'hôte, des antibiotiques et des antiseptiques. Le Biofilm n’est pas accessible à l’observation, excepté au niveau de la plaque dentaire et de certaines lésions dacné. La plaque dentaire qui se reconstitue jour après jour. C'est ainsi que les infections de la sphère buccale deviennent de plus en plus résistantes aux antiseptiques et aux antibiotiques. Une arme alternative aspécifique d’action réside dans l’utilisation de la PDT. En présence d’un photosensibilisant (un colorant non toxique) et de lumière, la génération d’oxygénes réactifs est capable de détruire les structures bactériennes avec aussi un effet antiseptique.

Résultats

PDT a déjà démontré son utilité dans le traitement des maladies parodontales en détachant les biofilms de la racine dentaire. Les colorants sont activés par les lasers de basse énergie; le bleu de méthylène, le bleu de toluidine, le vert malachite ou le vert indocyanine à une longueur d onde dédiée, induisent des radicaux libres et de l’oxygène singulet qui sont toxiques pour les bactéries.

Conclusions

La lumière a été utilisée en traitement depuis l'antiquité.

Tombée dans l’oubli, on la redécouvre au début du XXéme siècle. Pour l’utiliser avec des photosensibilisants connus pour être toxiques pour la cellule hôte seulement après illumination. Ils doivent restés excités suffisamment longtemps pour produire des radicaux libres(ROS°) cytotoxiques afin de détruire les bactéries .
Lumière, photosensibilisant et oxygène, les 3 acteurs majeurs de la PDT peuvent servir à attaquer les biofilms qu’hébergent le microbiome. Lesquels entretiennent une sorte de réaction d’inflammation froide, sans fièvre, ni douleur, ni œdème. En temps normal, cette intervention est limitée par le mucus oral; Mais on peut imaginer d’autres cibles pour les muqueuses pulmonaires et intestinales.

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Biofilms and cold inflammation
Patrizia d’Alessio, MD PhD

Introduction

Inflammation is characterized by 4 fundamental signs, respectively rubor, tumor, calor and dolor, associated with diminished organ function. When these signs become generalized, they are called chronic or “silent inflammation”. In that case, detrimental effects are known to promote accelerated cell senescence and play an important role in atherosclerosis, cardiovascular disease and metabolic syndrome. Still, some forms of inflammation lack one or more of the abovementioned characteristics, such as absence of fever and sometimes even no pain. Here we propose a new terminology for those forms i.e. “cold inflammation”.
Biofilms are the most common form of habitat of microorganisms constituting 80% of the microbial biomass of the planet. In biofilms, bacterial cells are maintained inside a polymeric matrix composed of exo-polysaccharides, proteins and nucleic acids. Their development is initiated by extracellular signals of the environment or by bacterial cells themselves. Biofilms can build up within a few hours. The biofilm matrix is highly hydrated and contains up to 97% water. In water, the structure of biofilms is influenced by light. In the human body, most of the biofilm is nested in the GI tract. It is the site of immune tolerance and can become the receptacle of long-lasting asymptomatic chronic inflammations based on rerooting of the immune system by the microflora.

It is known that blue light is an anti-microbial agent via several mechanisms including SOD stimulation with consequent disruption of biofilms through ROS. Light can also act on bacteria in photodynamic fashion using ex gr intrinsic porphyrins.

Material and methods

From mouth to colon, microflora populating the gut is organized in biofilms in humans. Biofilms shelter bacteria from the host immune system, antibiotics and antiseptics. Biofilm is not accessible to observation, except in the dental plaque, which is reconstituted day after day. Indeed oral infections become more and more difficult to eradicate due to increased resistance to antiseptics and antibiotics. An alternative unspecific mechanism consists of using Photo Dynamic Therapy (PDT). In presence of photosensitizer (nontoxic dye) and light, the generation of oxygen species is able to damage bacterial structures and exert an antiseptic effect.

Results

PDT has been shown to be useful in the treatment of periodontal disease by disrupting biofilms from the root surface of teeth. The dyes shown to be active with low power lasers are methylene blue, toluidine blue, malachite green or indocyanine green at the proper wavelength they induce free radicals and singlet oxygen which are toxic to bacteria.

Conclusions
Light has been used as therapy since the antiquity. Once forgotten, it was rediscovered at the beginning of the XXth century.In order to be effective photosensitizers must not be toxic to host cells and present toxicity only after activation by light. They must remain excited long enough to lead to the production of cytotoxic species (mostly ROS) able to kill bacteria.
Light, photosensitizers and oxygen, the three major actors of phototherapy can be used to affect biofilms hosting microbiome, which are entertaining some sort of cold inflammation reaction, without fever, pain oredema. At the current state of technical development, this intervention is limited to the oral mucosa, but numerous targets could be imagined i.e. at pulmonary and gut mucosae.