Les infections bactériennes chroniques sont souvent entretenues non pas par de grands biofilms attachés à la surface, mais par de petits agrégats multicellulaires qui se forment dans les environnements associés à l’hôte. Dans la mucoviscidose (FQ) et d’autres maladies chroniques des voies respiratoires, Pseudomonas aeruginosa existe généralement sous forme d’agrégats en suspension intégrés dans le mucus ou les crachats, plutôt que sous forme de biofilms classiques fixés aux surfaces épithéliales. Ces agrégats représentent un mode de croissance distinct, caractérisé par une organisation spatiale à l’échelle microscopique, une hétérogénéité physiologique prononcée et une tolérance exceptionnelle aux facteurs de stress immunitaire et antimicrobien 1,2,3,4. Malgré leur pertinence clinique, les mécanismes régissant la stabilité des agrégats, qui dans ce protocole est définie comme la capacité à maintenir l’intégrité et l’organisation spatiale des membranes sous de tels stresseurs, restent mal compris, les études précédentes se concentrant davantage sur les composants matriciels qui soutiennent la formation de biofilms attachésà la surface 5,6.
Un obstacle majeur à l’étude des événements contribuant à la déstabilisation des agrégats, tels que les changements dans la dépolarisation des membranes et l’architecture des agrégats, est l’absence de flux de travail expérimentaux capables de capturer en temps réel les changements physiologiques et structurelsdynamiques 7,8. Les tests en vrac traditionnels et les approches d’imagerie finale ne peuvent pas résoudre comment les réponses au stress émergent dans les agrégats, comment ces réponses sont réparties spatialement, ni comment l’affaiblissement physiologique, tel que la dépolarisation membranaire et la perte de l’homéostasie ionique, se traduit par des signes précoces de stress cellulaire et un effondrement physique éventuel. Bien que la microscopie confocale ait été largement appliquée aux biofilms fixés en surface, moins d’approches intègrent l’imagerie résolue dans le temps avec une analyse quantitative reliant directement la physiologie cellulaire à l’architecture agrégée et à l’activité membranaire.
Les modifications du potentiel de membrane bactérienne fournissent un indicateur précoce et sensible du stress cellulaire et de la perte d’homéostasie. Des colorants sensibles à la tension tels que l’acide bis-(1,3-dibutylbarbiturique) pentaméthine oxonol (DiBAC4(5)) s’accumulent dans les cellules dépolarisées et offrent une lecture non destructive, basée sur la fluorescence, de l’intégrité de la membrane. Bien que les colorants DiBAC aient été utilisés pour évaluer la dédépolarisation membranaire dans les cultures planctoniques et les biofilms attachés à la surface 9,10, leur application aux agrégats multicellulaires, en particulier dans des conditions de croissance physiologiquement pertinentes et l’imagerie en accéléré, a été limitée.
Ici, nous présentons un flux de travail intégré d’imagerie et d’analyse qui permet la visualisation et la quantification en temps réel de la dépolarisation membranaire et de la rupture structurelle dans les agrégats de P. aeruginosa. Les agrégats se forment dans un milieu chimique synthétique pour la mucoviscidose (SCFM2), un milieu chimiquement défini qui reproduit les caractéristiques nutritionnelles et ioniques clés des voies respiratoires de la fibrose kystique et soutient la formation spontanée d’agrégats sans surfaces imposées niécoulement 11,12. Dans ces conditions, P. aeruginosa forme des agrégats suspendus de tailles et d’hétérogénéité structurelle comparables à ceux observés dans les échantillons de putus et de voies respiratoires de la mucacovise, fournissant une plateforme physiologiquement pertinente pour étudier le comportement desagrégats 13.
Grâce à une microscopie laser confocale à balayage en accéléré sous contrôle de température et d’humidité, ce flux de travail capture à la fois des états agrégats stables et des états induits par le stress caractérisés par une dédéposition membranaire accrue et une perte d’homéostasie cellulaire sur de longues périodes d’imagerie. En combinant le rapport du potentiel membranaire basé sur le DiBAC avec l’imagerie z-stack à haute résolution, cette méthode permet de quantifier la fluorescence de DiBAC₄(5) au niveau de la cellule unique, avec des valeurs cartographiées et analysées dans le contexte spatial des agrégats individuels. La segmentation d’image en aval et l’analyse de surface basée sur les voxels permettent de quantifier en parallèle les changements d’architecture des agrégats et la dédépolarization de la membrane.
Il est important de noter que, bien que ce protocole soit démontré à l’aide d’agrégats de P. aeruginosa formés dans SCFM2, le flux de travail est largement généralisable. La stratégie d’imagerie, la lecture physiologique basée sur le contraste et le cadre analytique peuvent être facilement adaptés à d’autres espèces bactériennes, des milieux favorisant les agrégats et des facteurs de stress, y compris les agents antimicrobiens, les effecteurs immunitaires ou les perturbations environnementales. Ainsi, cette approche offre une plateforme transférable et reproductible pour interroger la stabilité des communautés bactériennes à travers divers contextes expérimentaux.