On a initialement appelé antibiotique toute substance chimique produite par un microorganisme, champignon (Penicillium, Cephalosporium) ou bactérie (Bacillus et surtout Streptomyces), pouvant inhiber la croissance (activité bactériostatique) ou détruire d’autres micro-organismes (activité bactéricide).

Cette définition est maintenant abandonnée car de nombreuses molécules obtenues par synthèse ou par modification chimique d’une molécule naturelle (hémisynthèse) peuvent posséder ces propriétés.

Un antibiotique est donc actuellement défini comme une substance, d’origine biologique ou synthétique, interagissant avec les bactéries (agents antibactériens) ou les champignons (agents antifongiques) par l'intermédiaire de cibles qui sont spécifiques soit d’un antibiotique, soit d’une famille d’antibiotique.

L’interaction de l’antibiotique avec sa cible a pour effet de perturber la formation ou la structure des enveloppes cellulaires (paroi, membrane cytoplasmique) ou encore d’inhiber certains processus métaboliques (synthèse des acides nucléiques, synthèse des protéines).

Le mode d’action des antibiotiques est donc différent de celui des antiseptiques qui agissent globalement sur les différentes structures cellulaires par un effet physicochimique non spécifique.

Les agents antibactériens, antibiotiques qui seront seuls envisagés ici, peuvent être classés selon leur structure chimique ou leur mode d’action sur les bactéries.

La liste des principaux agents antibactériens utilisés en médecine humaine et leur cible moléculaire spécifique

La résistance bactérienne aux antibiotiques :

La découverte des sulfamides, puis de la pénicilline au lendemain de la seconde guerre mondiale, avait suscité le grand espoir des maladies infectieuses à jamais jugulées.

Malheureusement, l’introduction de ces antibiotiques en médecine humaine fut rapidement suivie par l’apparition de bactéries pathogènes résistantes.

L’introduction ultérieure d’autres antibiotiques (streptomycine, chloramphénicol, tétracyclines et érythromycine, par ordre chronologique d’utilisation) fut suivie d’une évolution comparable.

En fait, si l’usage de plus en plus répandu des antibiotiques a permis la diminution de la mortalité due aux maladies infectieuses, il n’en a nullement modifié la morbidité (fréquence de survenue). Cet usage, fréquemment abusif, est également responsable de l’évolution de la résistance bactérienne avec pour conséquence une augmentation du nombre d’échecs thérapeutiques.

Cette évolution s’est traduite par une extension progressive de la résistance à la quasi-totalité des genres bactériens pathogènes pour l’homme ainsi que par l’émergence de caractères de résistance nouveaux.

La connaissance des mécanismes biochimiques et du support génétique de la résistance permet, sur le plan médical, de guider les choix thérapeutiques et la politique antibiotique.

Pour l’industrie pharmaceutique, l’élucidation des mécanismes de résistance aux antibiotiques permet, dans certains cas, la synthèse de nouvelles molécules réfractaires à ce type de résistance.

La sensibilité ou la résistance d’une bactérie aux antibiotiques est généralement évaluée au laboratoire par la méthode de l’antibiogramme.

Cette technique permet d’apprécier l’activité bactériostatique et de déterminer la concentration minimale inhibitrice d’un ou de plusieurs antibiotiques vis-à-vis d’une bactérie.

La résistance bactérienne aux antibiotiques a deux définitions:

1- une souche est dite "résistante" lorsqu’elle supporte une concentration d’antibiotique notablement plus élevée que celle qui inhibe le développement de la majorité des autres souches de la même espèce (Rapport Technique n° 210 de l’Organisation Mondiale pour la Santé, 1961);

2- une souche est dite "résistante" lorsque la concentration d’antibiotique qu’elle est capable de supporter est notablement plus élevée que la concentration que l'on peut atteindre in vivo.

L’antibiogramme réalisé avec plusieurs antibiotiques permet de déterminer très rapidement le phénotype de résistance de la souche.

Seules des études biochimiques et génétiques, non réalisées en pratique courante dans les laboratoires de microbiologie médicale, permettent d’élucider les mécanismes de la résistance aux antibiotiques.

Résistance naturelle :

Les résistances bactériennes aux antibiotiques peuvent être naturelles ou acquises. La résistance naturelle est un caractère présent chez toutes les souches appartenant à la même espèce.

Ce type de résistance est détecté dès les premières études réalisées afin de déterminer l’activité d’un antibiotique et contribue à définir son spectre antibactérien.

Elle peut être due à l'inaccessibilité de la cible pour l'antibiotique qui est une conséquence des différences existant entre les structures pariétales bactériennes, à une faible affinité de la cible pour l'antibiotique, ou encore à l'absence de la cible.

On peut citer, à titre d’exemple, les résistances naturelles des entérobactéries et de Pseudomonas aux macrolides, des bactéries à Gram négatif à la vancomycine, des bactéries à Gram positif à la colimycine et à l'acide nalixique, des streptocoques aux aminosides, et des mycoplasmes aux ß-lactamines.

Résistance acquise :

La résistance bactérienne acquise n'apparaît que chez quelques souches d’une espèce donnée normalement sensible.

Elle est due à l’emploi en thérapeutique des antibiotiques et résulte soit d’une mutation affectant un gène régulateur ou un gène de structure, soit de l’acquisition d’un (ou de plusieurs) gène(s) qui rende(nt) la bactérie insensible à l’antibiotique.

La résistance consécutive à une mutation est la conséquence d’un changement des structures cellulaires existantes qui rend la cellule imperméable à un ou plusieurs antibiotiques ou encore rend les cibles pariétales (protéines liant la pénicilline, par exemple) ou intracellulaires (ARN polymérase, ADN gyrase, ribosomes,...) indifférentes à la présence du ou des antibiotiques.

Ce type de résistance, qui ne concerne qu’un faible pourcentage (10 à 20%) des souches pathogènes isolées en clinique, est observé surtout après l’emploi de certains antibiotiques comme la streptomycine, la rifampicine, l’acide fusidique, la fosfomycine et les quinolones.

Les mutations chromosomiques apparaissent spontanément avec des fréquences de l’ordre de 10-6 à 10-9 selon les bactéries et les caractères considérés.

L’antibiotique n’est pas directement mutagène, mais il sélectionne les rares mutants résistants au sein de la population bactérienne sensible.

Ces mutations sont stables (les fréquences de réversion sont équivalentes à celle des mutations) et héréditaires, mais non transmissibles en dehors de la descendance.

On a longtemps pensé qu’une mutation chromosomique ne pouvait être responsable de la résistance qu’à un ou plusieurs antibiotiques appartenant à la même famille.

La probabilité d’obtenir en une étape des bactéries résistantes à deux antibiotiques (double mutant) est égale au produit des probabilités d’apparition de chacune des mutations considérées indépendamment.

L'utilisation des associations d'antibiotiques en bi- ou triantibioth érapie semblait pouvoir prévenir l’émergence de mutants résistants.

En fait, des germes multirésistants aux antibiotiques (ß-lactamines, chloramphénicol, triméthoprime, tétracyclines) par mutation chromosomique sont actuellement isolés assez fréquemment en milieu hospitalier, en particulier chez certaines entérobactéries comme Klebsiella, Enterobacter et Serratia.

Ces mutations affectent la structure de protéines dénommées porines qui permettent le passage transpariétal des antibiotiques.

Elles entraînent une imperméabilité de la cellule bactérienne avec, pour conséquence, une co-résistance aux antibiotiques précités.

Chez Pseudomonas aeruginosa, espèce naturellement peu perméable, ce type de résistance joue un rôle prépondérant.

L’émergence de tels mutants, d’emblée insensibles à plusieurs familles d’antibiotiques, peut poser de réels problèmes thérapeutiques.

Il est également important de mentionner certaines mutations chez Citrobacter, Enterobacter, Serratia, et Pseudomonas dont la conséquence est une hyperproduction de céphalosporinase, enzyme dont le gène est naturellement présent dans le chromosome de ces différentes espèces.

La production accrue de cette enzyme capable d’hydrolyser certaines céphalosporines se traduit par une élévation considérable du niveau de la résistance naturelle de ces bactéries à ces antibiotiques.

La sélection, lors d'un traitement, de souches portant de telles mutations est une cause fréquente d'échec thérapeutique.

Enfin, certaines mutations dans des gènes régulateurs de bactéries à Gram négatif entraînent une activation de pompes à efflux capables d'expulser hors de la bactérie des antibiotiques appartenant à des familles différentes (chloramphénicol, quinolones, tétracyclines).

Il en résulte une sensibilité moindre à ces composés.

La résistance bactérienne par acquisition d’information génétique exogène (gène de résistance) représente la majorité des cas isolés en clinique et s'observe aussi bien chez les bactéries à Gram positif qu'à Gram négatif.

Dans ce cas, le ou les gènes nouvellement acquis codent pour des protéines capables:

* de diminuer la concentration intracellulaire de l’antibiotique.

Il s'agit dans ce cas de gènes dont le produit est une protéine membranaire qui refoule activement l’antibiotique hors de la bactérie en utilisant comme source d'énergie le gradient de protons transmembranaire ou l'ATP cytoplasmique.

Chez les bactéries à Gram négatif, l'activité des systèmes d'efflux est couplée à celle de porines qui permettent aux molécules de traverser la membrane externe et de ne pas s'accumuler dans l'espace périplasmique.

* d'inactiver (détoxifier) l’antibiotique.

Cette inactivation se traduit par la perte d’affinité de l’antibiotique pour sa cible.

Il s’agit du mécanisme de résistance le plus répandu dans la nature.

L’inactivation peut être extra- ou intra-cellulaire.

Ainsi, les ß-lactamines, dont la cible est extracellulaire, sont inactivées par des enzyme dénommées ß-lactamases excrétées dans l'espace périplasmique (bactéries à Gram négatif) ou dans le milieu de culture (bactéries à Gram positif).

Le chloramphénicol et les aminosides, par contre, sont inactivés dans le cytoplasme de la bactérie par des enzymes qui demeurent intracellulaires.

* de modifier la cible de l’antibiotique.

Il en est ainsi de la résistance aux macrolides où l’ARN ribosomal 23S, cible de ces molécules perd son affinité pour l’antibiotique après modification par une méthylase.

* de substituer une cible insensible à celle, sensible, normalement présente dans la bactérie (i.e., mise en place d’une dérivation métabolique).

La particularité de ce dernier mode de résistance est la présence, dans la même bactérie, de deux enzymes catalysant la même réaction (isoenzymes ou alloenzymes), l’une sensible et l’autre résistante à l’antibiotique.

La cellule bactérienne devient donc diploïde (possédant deux informations génétiques) pour le même caractère.

Pour que la résistance soit observée, il est indispensable que le gène codant pour une enzyme sensible soit récessif par rapport à celui codant pour une enzyme résistante à l’effet inhibiteur de l’antibiotique.

C’est le cas, notamment, des gènes de résistance aux sulfamides et au triméthoprime qui sont respectivement des inhibiteurs des dihydroptéroates synthétases et des dihydrofolates réductases bactériennes, enzymes impliquées dans la biosynthèse d’un acide nucléique, la thymine.

L'opéron van, responsable de la résistance à la vancomycine chez les entérocoques, code pour une élégante alternative qui consiste, en plus de la synthèse d'une nouvelle cible insensible à l'antibiotique, à supprimer la synthèse de la cible sauvage

[6]. La résistance par acquisition de gènes concerne la quasi-totalité des antibiotiques et les rares molécules pour lesquelles aucune résistance par acquisition d’information génétique n’a été détectée sont l'acide fusidique, les furanes et les polypeptides (bacitracine, colistine, polymixine B).

Dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques :

La dissémination de gènes de résistance à des genres bactériens auparavant sensibles est un des principaux facteurs de l’évolution préoccupante de la résistance aux antibiotiques.

Les gènes de résistance, comme n'importe quel gène bactérien, peuvent être transférés de bactérie à bactérie par transduction, transformation ou conjugaison.

La transduction est un mécanisme de transfert de gènes dont le vecteur est un virus bactérien appelé bactériophage.

Du fait de la spécificité d’infection des phages, ce mécanisme permet le transfert d’information génétique entre bactéries appartenant essentiellement au même genre.

La transduction participe efficacement au transfert de gènes entre bactéries phylogénétiquement proches mais non entre bactéries distantes.

La transformation permet l'acquisition et l’incorporation d’ADN exogène nu par une bactérie en phase de compétence.

Ce mode de transfert de gènes, assez peu répandu dans le monde bactérien, a été décrit chez certaines bactéries à Gram négatif appartenant aux genres Acinetobacter, Campylobacter, Haemophilus, et Neisseria et chez certaines bactéries à Gram positif appartenant aux genres Bacillus et Streptococcus.

A l’exception remarquable de Neisseria et Haemophilus, où l'ADN ne pénètre dans la bactérie que s'il possède de courts motifs nucléotidiques spécifiques de genre, la transformation permet un brassage d’information génétique entre des bactéries très distantes sur le plan phylogénétique.

Chez certaines espèces bactériennes, la transformation permet la création de gène cible chimère résistant aux antibiotiques.

La conjugaison est un processus au cours duquel de l’ADN est transféré d’une bactérie donatrice à une bactérie réceptrice par un mécanisme complexe nécessitant un étroit contact cellulaire.

Ce mode de transfert a été décrit chez la quasi-totalité des espèces bactériennes.

Il contribue pour une grande part à la circulation horizontale d’information génétique chez les procaryotes et joue certainement un rôle majeur dans l’évolution des espèces bactériennes.

Certains systèmes conjugatifs ont un spectre d’hôte très étendu puisque des transferts conjugatifs entre bactéries à Gram négatif et à Gram positif et des procaryotes aux eucaryotes ont été décrits.

Il s'agit toutefois de transferts effectués dans les conditions du laboratoire avec des vecteurs spécialisés.

Il est vraisemblable que, dans les conditions naturelles, ce type de transfert soit excessivement rare, voire inexistant, et beaucoup plus limité dans leur étendue.

Les gènes nécessaires aux transferts conjugatifs sont généralement portés par des plasmides dits conjugatifs ou, plus rarement, par des éléments transposables dénommés transposons conjugatifs.

Quel que soit le processus impliqué (transduction, transformation, conjugaison), le transfert d'un gène de résistance entre deux germes pathogènes sera d'autant plus efficace que la distance génétique entre les bactéries impliquées est faible.

Les bactéries possèdent cependant des structures génétiques particulières, les plasmides et les transposons, qui favorisent les transferts de gènes de résistance entre bactéries.

Les gènes de résistance aux antibiotiques sont fréquemment situés sur des plasmides ce qui rend compte de la facilité avec laquelle les résistances acquises, par opposition aux mutations chromosomiques, peuvent être disséminées dans le règne bactérien et poser de très difficiles problèmes thérapeutiques.

Les bactéries peuvent héberger plusieurs plasmides de résistance et il n'est pas rare qu'un même plasmide véhicule plusieurs gènes de résistance.

Dans un tel cas, ils peuvent déterminer chez un même hôte la résistance jusqu’à parfois cinq ou six familles d’antibiotiques.

L'acquisition par une bactérie sensible d'un plasmide hébergeant plusieurs gènes de résistance lui permet de devenir multirésistante en une seule étape.

Cet événement est généralement obtenu avec des fréquences très supérieures à celles qui permettent d'obtenir une résistance à un seul antibiotique par mutation.

Les plasmides de résistance ont été trouvés dans toutes les espèces où ils ont été recherchés à l’exception de Streptococcus pneumoniae, espèce bactérienne pour laquelle l’émergence de souches multirésistantes est due à l’acquisition de transposons qui se sont intégrés dans le chromosome.

De nombreuses études épidémiologiques ont montré que les plasmides de résistance des bactéries à Gram négatif et à Gram positif étaient susceptibles d'évoluer in vivo par acquisition ou pertes successives de déterminants de la résistance.

Cette évolution, qui rend partiellement compte de l’émergence de souches multirésistantes, est une conséquence du caractère transposable de nombreux gènes de résistance (voir cours les éléments génétiques mobiles).

Tout gène peut être situé sur un transposon pourvu que s’exercent des pressions de sélection suffisantes et, de fait, de très nombreux gènes de résistance sont situés sur des éléments transposables.

Certains transposons possèdent la particularité de pouvoir faire évoluer rapidement le répertoire de gènes de résistance qu'ils contiennent.

Dans un environnement donné, les événements de transposition aboutissent rapidement à la construction modulaire in vivo de l’espèce plasmidique la mieux adaptée à la vie de la bactérie.

Les transposons sont également susceptibles de participer activement à la dissémination de gènes entre des bactéries phylogéniquement éloignées, en permettant l’implantation d'un caractère là où celle d’un plasmide échoue.

Dans ce cas, après transfert, l'élément transposable va quitter le plasmide, incapable de se répliquer dans ce nouvel hôte, pour s'intégrer dans son chromosome.

Il pourra dès lors coloniser des plasmides dont les machineries de réplication sont adaptées à cette espèce bactérienne, puis disséminer à d'autres bactéries sensibles appartenant à la même espèce ou au même genre bactérien.

Un tel scénario est vraisemblablement à l’origine de l’émergence de souches multirésistantes de Haemophilus influenzae qui, jusqu’en 1972, était sensible à tous les antibiotiques.

L’analyse du support génétique de ces caractères a montré que la résistance était due à la présence, sur des plasmides endogènes au genre Haemophilus, de transposons homologues à ceux des entérobactéries.

Chez les bactéries à Gram positif, la dissémination de la résistance transposable à la gentamicine des staphylocoques aux entérocoques, observée dans les années 1980, s'est effectuée selon un mode similaire et l'on assiste maintenant à l'émergence de cette résistance chez les streptocoques.

Ce dernier exemple fait redouter des transferts effectués en sens inverse qui permettraient la dissémination de la résistance transposable à la vancomycine des entérocoques à d'autres pathogènes à Gram positif comme le pneumocoque, les staphylocoques ou Listeria.

Ces données illustrent bien le fait que les déterminants de résistance circulent aisément entre les pathogènes à Gram négatif, d'une part, et à Gram positif, d'autre part.

Les limites dans lesquelles des bactéries phylogéniquement distantes peuvent échanger de l'information génétique dans les conditions naturelles ont été repoussées par la démonstration de transferts horizontaux de gènes de résistance des bactéries à Gram positif vers celles à Gram négatif, c'est à dire entre deux branches évolutives qui se sont séparées il y a environ un million d'années.

Évolution et origine des gènes de résistance aux antibiotiques :

Des gènes conférant des phénotypes de résistance nouveaux sont régulièrement mis en évidence.

Cette évolution est souvent la conséquence de l’utilisation d’un nouvel antibiotique, ou du nouvel usage thérapeutique d’un ancien antibiotique.

Dans de rares cas, l’émergence de nouveaux types de résistance est la conséquence de mutation(s) ponctuelle(s) qui modifient un gène de résistance déjà connu.

Ainsi, les gènes de structure de certaines ß- lactamases susceptibles d’hydrolyser les céphalosporines dérivent par mutations d’un gène codant pour une enzyme dont la spécificité était restreinte aux pénicillines.

Ces mutations ont entraîné un élargissement du spectre de l’enzyme qui possède maintenant une double activité, pénicillinase et céphalosporinase.

Dans la majorité des cas, cependant, l'apparition d'un phénotype de résistance nouveau peut être associée à un gène nouveau ce qui pose le problème de son origine.

De nombreuses études épidémiologiques ont montré que les gènes de résistance apparaissaient peu de temps après l'utilisation des molécules auxquelles ils confèrent la résistance.

La rapidité avec laquelle ces gènes apparaissent indique qu'ils préexistent dans les populations bactériennes.

Un médecin militaire anglais, E. G. Murray, avait collecté entre les deux guerres mondiales, c'est-à-dire avant « l'ère antibiotique » des souches bactériennes pathogènes de par le monde.

L'analyse de cette collection bactérienne, composée essentiellement de bactéries à Gram négatif, a montré que ces souches ne possédaient aucun gène de résistance aux antibiotiques bien qu'elles hébergeaient des plasmides similaires à ceux isolés actuellement dans les mêmes espèces.

L'émergence des gènes de résistance chez les bactéries pathogènes est donc un phénomène récent qui traduit l'adaptation des bactéries à un changement d'environnement provoqué par l'utilisation des antibiotiques.

La majorité des antibiotiques est produit par des bactéries du sol appartenant au genre Streptomyces qui, pour résoudre le problème de l’autotoxicité, utilisent des mécanismes de résistance similaires à ceux rencontrés chez les bactéries pathogènes pour l’homme: efflux actif ou inactivation de l’antibiotique, altération de la cible.

Ces gènes sont indispensables à la survie de ces bactéries productrices et leur présence est donc très antérieure à l'utilisation thérapeutique des antibiotiques.

Cette observation a conduit différents auteurs a suggérer que les gènes de résistance présents chez les bactéries pathogènes pouvaient être issus des microorganismes producteurs d'antibiotiques.

La comparaison de séquences nucléotidiques des gènes codant pour des mécanismes de résistance similaires chez les microorganismes producteurs d'antibiotiques et chez les bactéries pathogènes a montré que cette hypothèse était vraisemblable.

Cependant, dans tous les cas étudiés, l'analyse des séquences montrait une forte divergence à partir du gène ancestral commun ce qui implique, dans l'hypothèse adoptée, un transfert de gène très ancien des bactéries productrices aux bactéries pathogènes. Une autre hypothèse, non-exclusive, est que les gènes de résistance dériveraient de certains gènes métaboliques après duplication du gène ancestral.

Dans ce cas, une copie du gène conserverait la fonction initiale alors que l'autre évoluerait en gène de résistance.

Il a ainsi été suggéré que certaines bêta-lactamases dérivaient de la D-alanyl-D-alanine carboxypeptidase, enzyme impliquée dans la biosynthèse du peptidoglycane.

L'intérêt de cette hypothèse vient du fait que les bêta-lactamines sont des antibiotiques synthétisées par différentes espèces de Penicillium, organismes eucaryotes qui, ne possédant pas la cible de l'antibiotique qu'ils produisent, n'ont donc pas développé de mécanismes de résistance pour leur survie.

Dans ce cas encore, l'analyse de la séquence des gènes incriminés indique une forte divergence évolutive incompatible avec une genèse récente des bêta-lactamases.

La possibilité pour certains microorganismes (bactéries, champignons) de produire des substances toxiques auxquelles ils sont insensibles leur confère un avantage sélectif considérable.

L’acquisition, par les bactéries sensibles avoisinantes, de mécanismes leur permettant de résister à ces substances a permis à cet écosystème d’atteindre un état d’équilibre.

Cette longue adaptation a pu se faire par l'acquisition de gènes préexistants (transfert de gènes à partir des microorganismes producteurs) ou par le développement de mécanismes de résistance originaux par duplication de gènes.

Les bactéries du sol non-productrices d'antibiotiques ont pu ainsi constituer un réservoir de gènes de résistance plasmidiques ou transposables qui, à partir des années 1950, ont commencé leur dissémination aux bactéries pathogènes encore sensibles.

La détermination de l'origine des gènes de résistance, qui est vraisemblablement multiple, fait toujours l'objet d'intenses spéculations et de nombreux travaux.

Conclusions :

Aucune nouvelle famille d'antibiotiques n'a été mise sur le marché depuis 20 ans alors que de nouveaux mécanismes de résistance, souvent sophistiqués, sont régulièrement décrits dans la littérature.

Cette évolution traduit bien le fait que, dans ce domaine, l'imagination n'est pas du côté de Homo sapiens.

L'avenir d'une antibiothérapie toujours efficace repose en partie sur la capacité de l'industrie pharmaceutique à développer de nouvelles molécules « plus résistantes » mais surtout, peut-être, à caractériser de nouvelles cibles bactériennes.

Les connaissances issues des programmes de séquençage systématique des génomes bactériens seront sans doute décisives pour cette dernière approche.

Il est également urgent que nos habitudes concernant l'utilisation des antibiotiques évoluent.

Ainsi, avec un choix plus judicieux des molécules utilisées en agronomie et en médecine vétérinaire, on devrait éviter la sélection de germes résistants à des antibiotiques utilisés en médecine humaine.

Dans le domaine de la santé publique, il est important de continuer à développer les activités d'hygiène hospitalière pour que ces sites, qui hébergent sans aucun doute la plus grande variété de germes pathogènes et de gènes de résistance, ne contribuent pas à leur dissémination.

	Envoyer par mail		Imprimer

Nombre d'affichage de la page 2729