Development of Polythiourethane/ZnO-Based Anti-Fouling Materials and Evaluation of the Adhesion of Staphylococcus aureus and Candida glabrata Using Single-Cell Force Spectroscopy

The attachment of bacteria and other microbes to natural and artificial surfaces leads to the development of biofilms, which can further cause nosocomial infections. Thus, an important field of research is the development of new materials capable of preventing the initial adhesion of pathogenic microorganisms. In this work, novel polymer/particle composite materials, based on a polythiourethane (PTU) matrix and either spherical (s-ZnO) or tetrapodal (t-ZnO) shaped ZnO fillers, were developed and characterized with respect to their mechanical, chemical and surface properties. To then evaluate their potential as anti-fouling surfaces, the adhesion of two different pathogenic microorganism species, Staphylococcus aureus and Candida glabrata, was studied using atomic force microscopy (AFM). Our results show that the adhesion of both S. aureus and C. glabrata to PTU and PTU/ZnO is decreased compared to a model surface polydimethylsiloxane (PDMS). It was furthermore found that the amount of both s-ZnO and t-ZnO filler had a direct influence on the adhesion of S. aureus, as increasing amounts of ZnO particles resulted in reduced adhesion of the cells. For both microorganisms, material composites with 5 wt.% of t-ZnO particles showed the greatest potential for anti-fouling with significantly decreased adhesion of cells. Altogether, both pathogens exhibit a reduced capacity to adhere to the newly developed nanomaterials used in this study, thus showing their potential for bio-medical applications

Vascular Smooth Muscle Cell Stiffness and Adhesion to Collagen I Modified by Vasoactive Agonists

In vascular smooth muscle cells (VSMCs) integrin-mediated adhesion to extracellular matrix (ECM) proteins play important roles in sustaining vascular tone and resistance. The main goal of this study was to determine whether VSMCs adhesion to type I collagen (COL-I) was altered in parallel with the changes in the VSMCs contractile state induced by vasoconstrictors and vasodilators. VSMCs were isolated from rat cremaster skeletal muscle arterioles and maintained in primary culture without passage. Cell adhesion and cell E-modulus were assessed using atomic force microscopy (AFM) by repetitive nano-indentation of the AFM probe on the cell surface at 0.1 Hz sampling frequency and 3200 nm Z-piezo travelling distance (approach and retraction). AFM probes were tipped with a 5 μm diameter microbead functionalized with COL-I (1mg\ml). Results showed that the vasoconstrictor angiotensin II (ANG-II; 10−6 ) significantly increased (p<0.05) VSMC E-modulus and adhesion probability to COL-I by approximately 35% and 33%, respectively. In contrast, the vasodilator adenosine (ADO; 10−4 ) significantly decreased (p<0.05) VSMC E-modulus and adhesion probability by approximately −33% and −17%, respectively. Similarly, the NO donor (PANOate, 10−6 M), a potent vasodilator, also significantly decreased (p<0.05) the VSMC E-modulus and COL-I adhesion probability by −38% and −35%, respectively. These observations support the hypothesis that integrin-mediated VSMC adhesion to the ECM protein COL-I is dynamically regulated in parallel with VSMC contractile activation. These data suggest that the signal transduction pathways modulating VSMC contractile activation and relaxation, in addition to ECM adhesion, interact during regulation of contractile state

Patterning Bacterial Communities on Epithelial Cells

Micropatterning of bacteria using aqueous two phase system (ATPS) enables the localized culture and formation of physically separated bacterial communities on human epithelial cell sheets. This method was used to compare the effects of Escherichia coli strain MG1655 and an isogenic invasive counterpart that expresses the invasin (inv) gene from Yersinia pseudotuberculosis on the underlying epithelial cell layer. Large portions of the cell layer beneath the invasive strain were killed or detached while the non-invasive E. coli had no apparent effect on the epithelial cell layer over a 24 h observation period. In addition, simultaneous testing of the localized effects of three different bacterial species; E. coli MG1655, Shigella boydii KACC 10792 and Pseudomonas sp DSM 50906 on an epithelial cell layer is also demonstrated. The paper further shows the ability to use a bacterial predator, Bdellovibrio bacteriovorus HD 100, to selectively remove the E. coli, S. boydii and P. sp communities from this bacteria-patterned epithelial cell layer. Importantly, predation and removal of the P. Sp was critical for maintaining viability of the underlying epithelial cells. Although this paper focuses on a few specific cell types, the technique should be broadly applicable to understand a variety of bacteria-epithelial cell interactionsopen3

Evidence-based nanoscopic and molecular framework for excipient functionality in compressed orally disintegrating tablets

The work investigates the adhesive/cohesive molecular and physical interactions together with nanoscopic features of commonly used orally disintegrating tablet (ODT) excipients microcrystalline cellulose (MCC) and D-mannitol. This helps to elucidate the underlying physico-chemical and mechanical mechanisms responsible for powder densification and optimum product functionality. Atomic force microscopy (AFM) contact mode analysis was performed to measure nano-adhesion forces and surface energies between excipient-drug particles (6-10 different particles per each pair). Moreover, surface topography images (100 nm2-10 μm2) and roughness data were acquired from AFM tapping mode. AFM data were related to ODT macro/microscopic properties obtained from SEM, FTIR, XRD, thermal analysis using DSC and TGA, disintegration testing, Heckel and tabletability profiles. The study results showed a good association between the adhesive molecular and physical forces of paired particles and the resultant densification mechanisms responsible for mechanical strength of tablets. MCC micro roughness was 3 times that of D-mannitol which explains the high hardness of MCC ODTs due to mechanical interlocking. Hydrogen bonding between MCC particles could not be established from both AFM and FTIR solid state investigation. On the contrary, D-mannitol produced fragile ODTs due to fragmentation of surface crystallites during compression attained from its weak crystal structure. Furthermore, AFM analysis has shown the presence of extensive micro fibril structures inhabiting nano pores which further supports the use of MCC as a disintegrant. Overall, excipients (and model drugs) showed mechanistic behaviour on the nano/micro scale that could be related to the functionality of materials on the macro scale. © 2014 Al-khattawi et al

Atomic Force Microscopy to Explore Electroporation Effects on Cells

International audienceAtomic Force Microscopy (AFM) is more and more used in life science. Its ability to provide images of living cells as well as mechanical or adhesion maps makes it a technology that cannot be ignored. In the context of electroporation (EP) which undoubtly affects the cells membrane or wall, a technology able to probe the cell surface is more than interesting. This chapter describes the principle of the AFM technology and especially the latest multiparametric imaging modes developed recently. It then demonstrates that AFM can be used to probe cell’s morphology modifications induced by electric pulses. We then show that EP modifies cell’s nanomechanical properties and that the actin cytoskeleton plays a major role in this process. Finally we shed light on the effects of EP on bacteria as probed by AFM. In this latest example it must be noticed that no mechanical modifications are induced, but the adhesion properties of the bacteria are dramatically reduced by Pulsed Eelectric Fields (PEF). Altogether the chapter shows the interest of applying AFM on cells exposed to EP, in order to get a better fundamental understanding of EP effect on cells or bacteria

Physico-chimie des interfaces bactérie - solution aqueuse

Non disponible/ Not availableL'interface entre les bactéries et leur milieu environnant est impliquée dans de nombreux phénomènes : adhésion, biominéralisation, reconnaissance de surface. Les propriétés physico-chimiques de ces interfaces cellulaires sont le plus souvent qualifiées à des échelles macroscopiques (test d adhésion à une surface ou à des solvants, mesure d angle de contact ) ne permettant pas de décrire toute la complexité de ces interfaces. Afin de quantifier ces propriétés aux différentes échelles : micrométrique et nanométrique, nous avons mis en u?vre une approche basée sur des techniques microscopiques et spectroscopiques. Quatre souches du genre Shewanella ont été choisies pour la variabilité structurale de leurs enveloppes (présence détestable ou non de polymères en surface). Nous avons pu quantifier par spectroscopie de force l'effet du pH et de la force ionique sur les enveloppes bactériennes. Cette analyse des courbes de force obtenue par AFM a permis de quantifier, in situ, le module d'Young (élasticité) et aussi la constante de raideur (en relation avec la pression de turgescence de la cellule) des bactéries. L'augmentation du pH et/ou de la force ionique induit une augmentation de la souplesse nanomécanique des bactéries. D'autre part, l'analyse électrocinétique, par le biais d'outils théoriques récemment développés, a montré des relations complexes entre la mobilité électrophorétique des quatre souches bactériennes, la charge effective des cellules et leurs propriétés hydrodynamiques, jusque là ignorées en microbiologie. Ainsi, nous avons pu démontrer que les cellules sans polymère présentent une densité de charge beaucoup plus importante avec une perméabilité faible alors que les cellules avec polymères sont peu chargées mais fortement perméables. La combinaison complémentaire de ces différentes approches constitue l'originalité de notre travail et a permis d'ores et déjà, d'interpréter les phénomènes observés aux échelles macroscopiques. Par conséquent, ces nouvelles données permettent une meilleure compréhension mécanistique de la réactivité aux bactéries, notamment de leur capacité d'adhésion. Ainsi, nous proposons une hypothèse expliquant les propriétés d'adhésion, au polystyrène, des cellules modèles de notre étude. Les cellules présentant un polymère important adhèrent moins bien que celles sans polymère en raison du caractère hydrodynamique mou de leur interface et des différences de densité de charge. Les évolutions des interfaces bactériennes avec le pH et la force ionique, démontrées dans ce travail, induisent des modifications des capacités d'adhésion renforçant cette hypothèse

Biophysics at the biological interfaces using Atomic Froce Microscopy

International audienc

Biophysics at the biological interfaces using Atomic Froce Microscopy

International audienc

Physico-chimie des interfaces bactérie - solution aqueuse

Non disponible/ Not availableL'interface entre les bactéries et leur milieu environnant est impliquée dans de nombreux phénomènes : adhésion, biominéralisation, reconnaissance de surface. Les propriétés physico-chimiques de ces interfaces cellulaires sont le plus souvent qualifiées à des échelles macroscopiques (test d adhésion à une surface ou à des solvants, mesure d angle de contact ) ne permettant pas de décrire toute la complexité de ces interfaces. Afin de quantifier ces propriétés aux différentes échelles : micrométrique et nanométrique, nous avons mis en u?vre une approche basée sur des techniques microscopiques et spectroscopiques. Quatre souches du genre Shewanella ont été choisies pour la variabilité structurale de leurs enveloppes (présence détestable ou non de polymères en surface). Nous avons pu quantifier par spectroscopie de force l'effet du pH et de la force ionique sur les enveloppes bactériennes. Cette analyse des courbes de force obtenue par AFM a permis de quantifier, in situ, le module d'Young (élasticité) et aussi la constante de raideur (en relation avec la pression de turgescence de la cellule) des bactéries. L'augmentation du pH et/ou de la force ionique induit une augmentation de la souplesse nanomécanique des bactéries. D'autre part, l'analyse électrocinétique, par le biais d'outils théoriques récemment développés, a montré des relations complexes entre la mobilité électrophorétique des quatre souches bactériennes, la charge effective des cellules et leurs propriétés hydrodynamiques, jusque là ignorées en microbiologie. Ainsi, nous avons pu démontrer que les cellules sans polymère présentent une densité de charge beaucoup plus importante avec une perméabilité faible alors que les cellules avec polymères sont peu chargées mais fortement perméables. La combinaison complémentaire de ces différentes approches constitue l'originalité de notre travail et a permis d'ores et déjà, d'interpréter les phénomènes observés aux échelles macroscopiques. Par conséquent, ces nouvelles données permettent une meilleure compréhension mécanistique de la réactivité aux bactéries, notamment de leur capacité d'adhésion. Ainsi, nous proposons une hypothèse expliquant les propriétés d'adhésion, au polystyrène, des cellules modèles de notre étude. Les cellules présentant un polymère important adhèrent moins bien que celles sans polymère en raison du caractère hydrodynamique mou de leur interface et des différences de densité de charge. Les évolutions des interfaces bactériennes avec le pH et la force ionique, démontrées dans ce travail, induisent des modifications des capacités d'adhésion renforçant cette hypothèse