Effect of environmental signals on the development of oral biofilm | Effet des signaux environnementaux sur le développement du biofilm buccal

English. The oral bacteria form a complex community and their pathogenic switch can be influenced by host-related factors such as systemic iron and oxygen levels. Previous studies have suggested that genetic hemochromatosis, characterized by systemic iron overload, favours the occurrence of severe periodontitis but the mechanisms involved are unclear. Therefore, this thesis aimed to analyse the behaviour of multispecies oral biofilms at different iron levels composed of periodontal bacteria selected for their importance in the development of periodontal diseases: Streptococcus gordonii, Porphyromonas gingivalis and Treponema denticola. To realize this multispecies biofilm, an iron-controlled growth medium (Mixed Medium for Bacterial Community) was developed. This work includes applied research work and a fundamental part. In the framework of the development of a system for evaluating the anti biofilm activity of new products, methods for testing the effectiveness of antimicrobial liquids or gels were developed and used to challenge the 3-species biofilm. To better understand the effect of iron on the behaviour of three-species oral biofilm, the interspecies associations in biofilm initiation/attachment and followed by biofilm growth and development in response to iron levels (0.8, 8, 80 μM FeSO4) were investigated. This study, for the first time, showed the interactions between S. gordonii and T. denticola in biofilms and the effect of iron on these biofilms. The most striking result was the lower initial attachment and growth of this dual species biofilm at the lower iron concentrations. Moreover, the presence of the three-species altogether favoured the attachment of both pathogens P. gingivalis and T. denticola compared to mono-species biofilms and displayed a preferential growth of all the three species at 80 μM iron at 144 hours. Such preference for high iron levels for biofilm maturation may lead to oral dysbiosis and the progression of periodontitis during iron overload diseases. To further evaluate the inter-bacterial associations, the effect of iron in the evolution of the oral biofilm is being studied in the form of a new mathematical model with T. denticola in a previously established model for P. gingivalis and S. gordonii. The parameters were calibrated by measurements made from biological experiments in monospecies biofilms which will be used to test different hypotheses for either independence or competition for substrate between species, mutual benefit/syntrophy or production of toxic molecules for dual- and three-species biofilms. Finally, the validation of the model will be done by comparing the simulated results with those of the experimental results obtained for dual and three-species biofilms. Altogether this study will enable a better understanding of the iron driven pathogenesis of the oral microbiota.

French. Le microbiote buccal forme une communauté complexe. La dysbiose de ce microbiote est à l’origine des maladies parodontales. Parmi de nombreux facteurs pouvant induire cette dysbiose, les niveaux systémiques de fer ont récemment été identifiés comme possibles signaux. Des études antérieures ont suggéré que l'hémochromatose génétique, caractérisée par une surcharge systémique en fer, favorisait le développement de parodontites sévères, mais les mécanismes impliqués ne sont pas élucidés. Par conséquent, ces travaux de thèse ont eu pour objectif d’analyser le comportement de biofilms buccaux à différentes concentrations en fer. La complexité du biofilm buccal a été réduite à trois espèces clefs afin de pouvoir analyser leurs interactions. Les espèces bactériennes ont été sélectionnées pour leur importance dans le développement des maladies parodontales et leurs coopérations métaboliques : Streptococcus gordonii, Porphyromonas gingivalis et Treponema denticola. Pour réaliser ce biofilm multiespèces, un milieu de croissance permettant de contrôler la concentration en fer et la croissance des trois espèces bactériennes (Mixed Medium for Bacterial Community) a été développé. Ce modèle de biofilm a servi de base pour mener des travaux de recherche appliquée et fondamentale. Des méthodes pour tester l'efficacité de liquides ou gels antimicrobiens sur le biofilm buccal ont été développées. En parallèle, l'effet de différentes concentrations en fer sur l'attachement, l’initiation du biofilm et son développement a été étudié. Cette étude a montré pour la première fois les interactions entre S. gordonii et T. denticola dans les biofilms. La carence en fer s’est révélée délétère pour l’attachement et la croissance d’un biofilm composé uniquement de ces deux espèces bactériennes. De plus, la présence des trois espèces bactériennes favorise l'attachement des deux pathogènes P. gingivalis et T. denticola par rapport aux biofilms mono-espèces. Enfin, une forte concentration en fer permet une meilleure croissance du biofilm total et de chacune des trois espèces au sein du complexe. Une telle préférence pour des niveaux élevés de fer pour la maturation du biofilm peut expliquer la dysbiose buccale et les parodontites sévères observées lors des maladies de surcharge en fer. Pour optimiser l’analyse des associations entre les espèces bactériennes et l’effet du fer sur ces interactions, un modèle mathématique est en cours d’élaboration. Les premières étapes de ce projet sont présentées dans cette thèse. Les paramètres mathématiques ont été calibrés par des mesures biologiques obtenues sur des biofilms à une espèce bactérienne. Ces paramètres seront utilisés pour tester différentes hypothèses d’interactions entre les espèces : indépendance ou compétition pour le substrat, bénéfice mutuel/syntrophie et/ou production de molécules toxiques. Enfin, la validation du modèle obtenu mathématiquement se fera en comparant les résultats simulés avec les résultats expérimentaux obtenus pour les biofilms bi et tri-espèces. Dans l'ensemble, cette étude permettra une meilleure compréhension du comportement du biofilm buccal en fonction de la concentration en fer.