Ma Clinique s’entretient avec le Dr Sandor Kasas, chercheur principal à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse. Nous discutons ici de son développement récent d’une méthode nouvelle et très efficace pour tester rapidement la sensibilité aux antibiotiques à l’aide de la microscopie optique.
La nouvelle technique, connue sous le nom de détection optique de nanomouvement (ONMD), est une méthode extrêmement rapide, sans étiquette et sensible à une seule cellule pour tester la sensibilité aux antibiotiques. L’ONMD ne nécessite qu’un microscope optique traditionnel équipé d’un appareil photo ou d’un téléphone portable. La simplicité et l’efficacité de la technique pourraient changer la donne dans le domaine de la résistance aux antibiotiques.
Sommaire
Pouvez-vous vous présenter, nous parler de votre parcours professionnel et de ce qui a inspiré votre carrière en biologie et en médecine ?
J’ai obtenu mon diplôme de médecine mais je n’ai jamais pratiqué dans des hôpitaux ou des centres médicaux. Après mes études, j’ai commencé à travailler comme assistante en histologie à l’Université de Fribourg en Suisse. Mes premiers projets de recherche portaient sur le traitement d’images, l’effet tunnel et la microscopie à force atomique.
Plus tard, et pour la majeure partie du reste de ma carrière scientifique, je me suis concentré principalement sur les applications biologiques de l’AFM. Depuis une dizaine d’années, mes intérêts de recherche portent sur le nanomouvement, c’est-à-dire l’étude des oscillations à l’échelle nanométrique des organismes vivants.
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Vous avez commencé à travailler sur les applications biologiques du microscope à force atomique (AFM) en 1992. De votre point de vue, comment le paysage de la résistance aux antibiotiques a-t-il changé au cours des deux dernières décennies ? Quel rôle l’avancement de la technologie a-t-il joué dans l’approfondissement de notre compréhension ?
Au début des années 90, l’AFM était principalement utilisé pour l’imagerie. Plus tard, les microscopistes de l’AFM ont remarqué que l’instrument pouvait également être utilisé pour explorer les propriétés mécaniques des organismes vivants. Plus récemment, de nombreuses applications « exotiques » de l’AFM ont vu le jour, comme son utilisation pour peser des cellules individuelles ou étudier leurs oscillations à l’échelle nanométrique. Dans les années 1990, la résistance aux antibiotiques n’était pas un problème aussi grave qu’aujourd’hui, mais plusieurs équipes utilisaient déjà l’AFM pour évaluer les effets des antibiotiques sur la morphologie bactérienne.
Les premières investigations se sont limitées aux changements structurels, mais plus tard, à mesure que les champs d’application de l’AFM se sont élargis, l’instrument a permis de surveiller les propriétés mécaniques de la paroi bactérienne lors de l’exposition aux antibiotiques. Dans les années 2010, avec G. Longo et G. Dietler, nous avons démontré que l’AFM pouvait également suivre les oscillations nanométriques d’organismes vivants. La toute première application que nous avions en tête consistait à utiliser l’instrument pour effectuer des tests rapides de sensibilité aux antibiotiques.
Nous avons donc développé des dispositifs basés sur la technologie AFM dédiée pour effectuer une AST rapide (c’est-à-dire en 2-4h). Des instruments de détection de nanomouvements basés sur l’AFM sont déjà mis en œuvre dans des centres médicaux en Suisse, en Espagne et en Autriche. Cependant, ce type de dispositif présente certains inconvénients, notamment la nécessité de fixer l’organisme d’intérêt sur un porte-à-faux. Pour pallier cette limitation, nous avons développé avec R. Willaert un détecteur de nanomouvement basé sur un microscope optique.
Vos recherches les plus récentes ont mené à la mise au point d’une nouvelle technique très efficace de test rapide de sensibilité aux antibiotiques par microscopie optique. Pourriez-vous nous dire pourquoi le développement de méthodes de test rapides, abordables et efficaces est si important dans le monde de la résistance aux antimicrobiens ?
Des tests rapides de sensibilité aux antibiotiques pourraient réduire l’utilisation d’antibiotiques à large spectre. Les AST traditionnels basés sur le taux de réplication nécessitent 24 heures (mais jusqu’à 1 mois dans le cas de la tuberculose) pour identifier l’antibiotique le plus efficace. Les médecins prescrivent des antibiotiques à large spectre entre l’admission du patient dans un centre médical et les résultats de l’AST.
Ces médicaments améliorent rapidement l’état des patients mais, malheureusement, favorisent la résistance. Une AST rapide qui pourrait identifier l’antibiotique le plus approprié en 2 à 4 heures éliminerait les antibiotiques à large spectre, augmenterait l’efficacité du traitement et réduirait le développement de souches bactériennes résistantes. La résistance bactérienne étant un problème mondial, les AST rapides devraient également être mis en œuvre dans les pays en développement. Par conséquent, des tests abordables et simples à utiliser sont nécessaires.
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Avez-vous rencontré des limites et des obstacles dans le processus de recherche ? Si oui, comment les avez-vous surmontés ?
La détection de la sensibilité aux antibiotiques avec ONMD est très similaire à la technique basée sur l’AFM. Tant que la bactérie est vivante, elle oscille ; si l’antibiotique est efficace, il tue le micro-organisme, et ses oscillations s’arrêtent. La première limite à laquelle nous avons été confrontés lors du développement de l’ONMD était la profondeur de champ de vision de nos microscopes. Pour éviter que les bactéries ne sortent du plan focal du microscope optique lors de la mesure, nous avons dû contraindre les microbes dans des canaux microfluidiques de quelques micromètres de haut.
La microfabrication de tels dispositifs est relativement simple dans un environnement universitaire, mais nous recherchions des solutions plus simples. Une option pour construire un tel dispositif consiste à utiliser un ruban en caoutchouc double face de 10 microns. Il permet de « construire » une chambre microfluidique en 5 minutes avec deux lamelles en verre et un perforateur.
Un autre défi était la détection de mouvement à l’échelle nanométrique. À cette fin, nous avons utilisé des algorithmes de corrélation croisée disponibles gratuitement qui permettent d’obtenir une résolution sous-pixel. (c’est-à-dire quelques nanomètres). Nous avons d’abord développé l’ONMD pour les organismes plus grands, tels que les cellules de levure, et avons étendu la méthode aux bactéries. Ce développement supplémentaire nous a pris environ deux ans.
Vous avez travaillé aux côtés du Dr Ronnie Willaert, professeur de biologie structurale à la Vrije Universiteit Brussel, sur le développement de cette nouvelle technique AST rapide. Comment vos domaines d’expertise et vos parcours de recherche se sont-ils complétés dans le développement de l’ONMD ?
R. Willaert est un expert en microbiologie des levures et en microfluidique, tandis que notre équipe à Lausanne est principalement impliquée dans la détection de nanomouvement basée sur l’AFM et l’application de l’AFM à des problèmes cliniquement pertinents. Les deux équipes ont été soutenues par une subvention conjointe du Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique et de la Research Foundation Flanders (FWO) qui a permis le développement de la méthode.
Le domaine de la résistance aux antimicrobiens nécessite un niveau élevé de collaboration internationale, tout le monde travaillant ensemble pour atteindre un objectif commun. Alors que la résistance aux antimicrobiens atteint des niveaux dangereusement élevés dans toutes les régions du monde, quelle est l’importance de la collaboration dans ce domaine ?
Notre projet a nécessité une expertise dans divers domaines, tels que la microbiologie, la microscopie, la microfluidique, la programmation et le traitement des données. Dans le développement d’instruments AST rapides et bien d’autres, seule une approche multidisciplinaire et une collaboration étroite entre des équipes aux expertises complémentaires est aujourd’hui la seule voie du succès.
Vous et le Dr Willaert avez déclaré : « La simplicité et l’efficacité de la méthode en font un élément qui change la donne dans le domaine de l’AST. » Pouvez-vous s’il vous plaît développer ce qui fait de l’ONMD un changeur de jeu dans le domaine de l’AST et quelles implications cette recherche pourrait avoir dans les milieux cliniques et de recherche ?
Comme mentionné précédemment, la résistance bactérienne est un problème de santé mondial. L’AST rapide devrait également être facilement mise en œuvre dans les pays en développement pour limiter la propagation des souches résistantes. Plus la technique est économique et simple, plus elle est susceptible d’être utilisée à grande échelle. Nous sommes convaincus que l’approche de l’ONMD peut répondre à ces exigences. L’ONMD pourrait également être utilisé pour la découverte de médicaments ou la recherche fondamentale.
Bien que nous reconnaissions l’importance de l’AST rapide, quelles prochaines étapes doivent être franchies avant que cette technique puisse être utilisée à l’échelle mondiale dans les paysages cliniques et de recherche ?
Pour la recherche fondamentale, il n’y a pas d’autres développements importants à faire. Tout centre de recherche raisonnablement équipé peut mettre en œuvre la technique et l’utiliser. En ce qui concerne la mise en œuvre de la technique dans les pays en développement ou les environnements extrêmes, il faut utiliser des appareils autonomes, qui doivent encore être fabriqués.
Il existe un besoin en expansion rapide d’AST efficaces à l’échelle mondiale ; cependant, le besoin de techniques abordables, accessibles et simples est d’une grande importance dans les pays en développement touchés de manière disproportionnée par la résistance aux antibiotiques en raison des disparités mondiales existantes en matière de santé. Cette technique AST rapide pourrait-elle être utilisée dans les pays à revenu faible ou intermédiaire pour ralentir la propagation croissante des bactéries multirésistantes ? Qu’est-ce que cela signifierait pour la santé mondiale?
Nous sommes convaincus que les tests AST basés sur l’ONMD pourront bientôt être mis en œuvre dans les centres de recherche des pays développés et en développement. Cependant, une accréditation par les autorités de santé est nécessaire pour l’utiliser comme outil de diagnostic standard ; ce processus peut prendre plusieurs années, selon la politique de santé du gouvernement.
Quelle est la prochaine étape pour vous et vos recherches ? Êtes-vous impliqué dans des projets passionnants à venir?
Nous voulons développer un appareil autonome pour les environnements extrêmes. Il serait composé d’un petit microscope équipé d’une caméra et d’une unité de traitement des données. La partie microfluidique du dispositif pourrait contenir différents antibiotiques prêts à être testés.
La technique ONMD pourrait également surveiller les niveaux de contamination dans des environnements clos tels que les sous-marins, les engins spatiaux et les stations spatiales. L’un de nos projets récents est financé par l’Agence spatiale européenne (ESA) pour développer un test rapide de sensibilité aux antifongiques qui pourrait fonctionner en microgravité. De plus, ONMD pourrait être utilisé pour des projets encore plus passionnants, tels que la détection de vie indépendante de la chimie dans la recherche de vie extraterrestre.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations ?
- Villalba MI, Rossetti E, Bonvallat A, Yvanoff C, Radonicic V, Willaert RG*, Kasas S.*.Méthode de nanomotion optique simple pour la viabilité d’une seule bactérie et les tests de réponse antibiotique. PNAS 2023, 2 mai;120(18):e2221284120. doi : 10.1073/pnas.2221284120. Epub 2023 Apr 24. PMID : 37094120. * Contribution égale. https://doi.org/10.1073/pnas.2221284120
- Radonicic, V.; Yvanoff, C.; Villalba, Michigan ; Devreese, B.; Kasas, S.; Willaert, RG Nanomotion optique unicellulaire de Candida albicans dans des micropuits pour des tests rapides de sensibilité aux antifongiques. Fermentation 2023, 9:365. https://doi.org/10.3390/fermentation9040365
- Parmar P, Villalba MI, Horii Huber AS, Kalauzi A, Bartolić D, Radotić K, Willaert RG, MacFabe DF et Kasas S. Nanomotion mitochondriale mesurée par microscopie optique. Devant. Microbiol. 2023, 14:1133773. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1133773
- Starodubtseva MN, Irina A. Chelnokova IA, Shkliarava NM, Villalba MI, Tapalski DV, Kasas S, Willaert RG. Modulation du taux de mouvement à l’échelle nanométrique de Candida albicans par les rayons X. Devant. Microbiol. 2023, 14:1133027. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1133027
- Radonicic V, Yvanoff C, Villalba MI, Kasas S, Willaert RG. La dynamique du comportement de nanomotion unicellulaire de Saccharomyces cerevisiae dans une puce microfluidique pour les tests rapides de sensibilité aux antifongiques. Fermentation. 2022 ; 8(5):195. https://doi.org/10.3390/fermentation8050195
À propos du Dr Sandor Kasas
Nanomotion est une approche fascinante et nouvelle de l’observation des organismes vivants.
Notre équipe se concentre presque exclusivement sur l’enregistrement du nanomouvement des mitochondries bactériennes et des cellules de mammifères avec des dispositifs optiques et basés sur l’AFM.
Récemment, nous avons démontré que la technique pouvait être utilisée non seulement pour des tests rapides de sensibilité aux antimicrobiens, mais aussi pour explorer le métabolisme des organismes unicellulaires. Nous espérons que nos efforts nous permettront d’élargir les domaines d’application de l’ONMD.
