Les antibiotiques

1. Les antibiotiques • Généralités sur les antimicrobiens • Les cibles • Les mécanismes • Les résistances • Les grandes classes • Difficultés pour la R et D de nouveaux antimicrobiens Site web du dép. de pharmacologie; notes de cours

2. Les antibiotiques A l’origine, le terme antibiotique ne s’appliquait qu’à des molécules produites par des microorganismes (bactéries, levures, actinomycètes) qui suppriment la croissance ou détruisent d’autres microorganismes. Depuis, le terme s’est généralisé aux antimicrobiens chimiques.

3. Les antibiotiques On distingue les antibiotiquesbactériostatiques et bactéricides. Les premiers inhibent uniquement la croissance des microorganismes. L’induction d’une réponse immunitaire est nécessaire pour éliminer le pathogène. Les seconds les détruisent et peuvent être utilisé même quand le patient est immunodéficient. Bactériostatiques Bactéricides

4. Utilisation des antibiotiques Traitements empiriques Traitements ciblés Antibiotique(s) à large spectre, choix basé sur les microorganismes infectant les plus probables et un risque minimum de réactions allergiques ou toxiques. Des tests de sensibilité déterminent le choix du médicament utilisé.

5. Test des antibiotiques Technique des disques de diffusion. Les résultats ne prédisent pas toujours l’efficacité thérapeutique. Test de dilution en gélose ou sur bouillon. Concentration de l’antibiotique La plus faible concentration de médicament qui empêche une croissance visible après une incubation de 18-24h = CMI (concentration minimale inhibitrice). La plus faible concentration du médicament qui produit une réduction de 99,9% du nombre de bactéries= CMB (concentration minimale bactéricide).

6. Les cibles des antibiotiques

7. Les antibiotiques, pour être sélectivement toxiques, exploitent les différences entre pathogènes (bactéries) et hôte Structure schématique d’une bactérie ADN Cytoplasme Différence de pression: Gram- env. 5 atm. Gram+ env. 20 atm. Ribosomes Membrane cellulaire Paroi cellulaire (peptidoglycanes)

8. Les différences dans les réactions de classe II et III entre bactéries et cellules mammifères sont utilisées comme cibles pour les antibiotiques Antibiotiques PO43- Acides aminés Nucléotides Hexosamines Peptidoglycanes Protéines ARN ADN Molécules précurseurs +ATP Réactions de classe I Réactions de classe III Réactions de classe II Réactions de classe I Source d’énergie et de carbone (ex. glucose)

9. Les réactions de classe II comme cibles pour les antibiotiques Nous avons perdu la capacité de synthétiser certains acides aminés (les acides aminés essentiels) et des précurceurs des acides nucléiques (vitamines) comme le folate. Ces voies des synthèses sont des cibles potentielles pour les antibiotiques. La synthèse du folate: Acide p- aminobenzoïque (PABA) Sulfonamides Dihydroptéroate synthétase (compétition avec le PABA) Folate Triméthoprime Dihydrofolate réductase (sélectif pour l’enzyme bactérien) Tetrahydofolate ADN Triméthoprime: IC50 (mole/l) pour la dihydrofolate réductase bactérienne: 0.005 IC50 (mole/l) pour la dihydrofolate réductase humaine: 260

10. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 1) La synthèse des peptidoglycanes La paroi cellulaire des bactéries Gram- Antibiotiques Lypopolysaccharide Porine Membrane extérieure Lipoprotéines Espace périplasmique Peptidoglycanes Membrane intérieure (30 Å) Protéines liant les pénicillines

11. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 1) La synthèse des peptidoglycanes La paroi cellulaire des bactéries Gram+ Antibiotiques Peptidoglycanes Acide téichoïque 250Å Paroi cellulaire Membrane cytoplasmique Protéines liant les pénicillines Acide lipotéichoïque

12. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 1) La synthèse des peptidoglycanes Acide N-acéthylmuramique (NAMA) N-acéthylglucosamine (NAG) Liaison peptidique (variable selon la bactérie, S. aureus: 5 glycines) Le « sac » de peptidoglycanes qui forme la paroi cellulaire: une couche chez les gram-, jusqu’à 40 couches chez les Gram+.

13. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 1) la synthèse des peptidoglicanes (ex: S. aureus) NAMA -UDP Cyclosérine (gly)5 NAMA -UDP UMP NAG -UDP UMP cytoplasme Pi Lipide C55 Lipide C55 Lipide C55 Lipide C55 NAMA - NAMA - NAMA - P P NAG - P P NAG - P P P Lipide C55 Lipide C55 P P P P NAMA - NAG - ala Bacitracine Vancomycine extérieur b-lactames

14. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 1) la synthèse des peptidoglicanes Analogue structural de la D-ala. Bloque l’addition des deux ala terminales sur la chaîne latérale tripeptidique de l’acide acétylmuramique. NAMA -UDP Cyclosérine (gly)5 NAMA -UDP UMP NAG -UDP Pi Lipide C55 Lipide C55 Lipide C55 Lipide C55 NAMA - NAMA - NAMA - P P NAG - P P NAG - P P P Lipide C55 Lipide C55 P P P P NAMA - NAG - ala Bacitracine Interfère avec la régénération du transporteur lipidique. Se lie aux alanines terminales de la chaîne latérale. Vancomycine b-lactames Inhibent la transpeptidation finale nécessaire à la réticulation, en se liant protéines de liaison à la pénicillines.

15. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 2) la synthèse des protéines ADN Protéine ARNm « pools» de sous-unités 30S et 50S GTP 30S f-met-RNAt 30S 50S Complexe d’initiation 30S Translocation du polyribosome, formation des liaison peptidiques 50S Complexe d’initiation 70S

16. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 2) la synthèse des protéines Compétition avec l’ARNt ex: tétracyclines. E P A Erreur de lecture des codons avec incorporation d’acides aminés erronés. ex: aminosides, gentamicine, amikacine E P A

17. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 2) la synthèse des protéines Inhibition de la transpeptidation ex. chloramphénicol. E P A Inhibition de la translocation ex. érythromycine, spectinomycine, acide fusidique. E P A

18. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 2) la synthèse des protéines ADN Protéine ARNm « pools» de sous-unités 30S et 50S GTP 30S f-met-RNAt 30S AGLY 50S Liaison irréversible avec la sous-unité 30S: déplétion du « pool » de 30S et blocage de la synthèse des protéines ex: aminosides. AGLY 50S

19. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 3) la synthèse des acides nucléiques Inhibition de l’ARN polymérase Rifamycines, inhibition de la reconnaissance du promoteur par l’ARN pol. Ex rifampine qui se lie à une des sous-unités de l’ARN pol et inhibe l’initiation de la transcription. Pas d’effet sur la polymérisation. ARN pol Promoteur

20. Les réactions de classe III comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 3) la synthèse des acides nucléiques Inhibition de la DNA girase (Gram-) ou de la Topoisomérase IV (Gram+): perturbation de la régulation de la torsion de l’ADN avec blocage de la réplication. Ex: Fluoroquinolones (cinoxacine, ciprofaxine, acide nalidixique, norfloxacine). DNA girase (Topo II) Topoisomerase IV ATP Chromosome bactérien super- enroulé Chromosome bactérien Topoisomérase I

21. Les structures cellulaires comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 1) la membrane Perturbation de la perméabilité membranaire ex: polymyxine B. La polymyxine lie fortement le LPS. Gram- Cations, précurseurs

22. Les structures cellulaires comme cibles pour la chimiothérapie antimicrobienne 2) l’ADN Les nitroimidazoles sont réduits dans les bactéries anaérobies et forment des métabolites qui réagissent avec l’ADN. Les cellules mammifères n’ont pas les enzymes pour réduire les groupes nitro de ces antibiotiques. Ex. Métronidazole. Ferrédoxyne réduite Ferrédoxyne oxidée ADN ADN fragmenté

23. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques

24. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques L’utilisation de médicaments anti-bactériens s’accompagne de l’apparition de résistancesqui limitent fortement l’utilisation de ces médicaments. Les résistances se disséminent à plusieurs niveaux: Par transfert de bactéries entre les personnes ou les animaux et les personnes. Par transfert des gènes de résistance entre les bactéries (ex. plasmides). Par transfert de gènes de résistance entre les éléments génétiques dans les bactéries (ex. transposons).

25. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Altération de la cible Mutation rendant la cible insensible à l’inhibiteur. Réduction de l’importance physiologique de la cible. Synthèse d’une molécule dont la fonction dédouble celle de la cible. Prévention de l’accès à la cible Mécanisme d’efflux du composé. Altération de la perméabilité membranaire. Inactivation de l’antibiotique Destruction du composé. Modification altérant sa liaison à la cible.

26. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Les résistances sur le chromosome La probabilité de mutations dans un gène bactérien est comprise entre 10-6 et 10-8 par division. Cette probabilité est suffisante pour entraîner l’apparition de bactéries résistantes durant l’exposition à un antibiotique. Généralement ces bactéries sont moins virulentes et la réponse immunitaire est suffisante pour éliminer le faible nombre de bactéries résistantes. Important en clinique en particulier pour la tuberculose et les staphylocoques résistants à la méthicilline. Antibiotique

27. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Les résistances extra-chromosomiques De nombreuses bactéries contiennent des plasmides, qui sont des ADN circulaires capable de se répliquer de manière autonomeset qui peuvent contenir des gènes de résistance aux antibiotiques (plasmides R). D’autre épisomes contiennent les gènes pour la conjugaison (et le pili sexuel chez les coliformes). Les plasmides R peuvent être conjugatif, ou peuvent se tranférer d’une bactérie à une autre avec le plasmide conjugatif sous forme de co-intégrat par exemple.

28. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Les résistances extra-chromosomiques Les transposons sont des fragments d’ADN qui codent pour des enzymes permettant leur transfert d’un ADN à un autre (transposition). Ils passent facilement du chromosome à un plasmide ou d’un plasmide à un autre et peuvent transporter un ou plusieurs gènes de résistance aux antibiotiques. co-intégrat R R R Plasmides avec transposon Plasmide avec transposon

29. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Les résistances extra-chromosomiques Les résistances aux antibiotiques peuvent encore se situer sur des cassettes de résistance dont l’intégration est catalysée par des intégrases. Ces cassettes peuvent former des intégrons contenant de multiples résistances aux antibiotiques. • Les mécanismes de transfert des résistances entre bactéries • La conjugaison • Implique un contact physique entre les deux bactéries. Beaucoup de Gram- et • certain Gram+ peuvent conjuguer. Peu se produire entre deux espèces différentes. • Les résistances sont sur les plasmides de conjugaison ou son co-tranferrés. Certains • plasmides peuvent se répliquer dans plusieurs espèces.

30. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques • Les mécanismes de transfert des résistances entre bactéries • La transduction • L’ADN du plasmide est transféré d’une bactérie à l’autre par un phage. • Important cliniquement pour les staphylocoques et les streptocoques.

31. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Exemples de résistances aux antibiotiques présentes sur des plasmides R: Résistances aux pénicillines: b-lactamases, clivent le lien amine du cycle b-lactame. CH C O C NH2 CH C O C N OH Cycle b-lactame Chez les staphylocoques, l’enzyme est inductible et diffuse rapidement dans le milieu. Le développement d’antibiotiques b-lactames résistant aux b-lactamases s’est traduite par l’apparition de résistance due à des protéines liants les b-lactames: « Bactéries résistantes à la méthicilline » ex. S. aureus.

32. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Jusqu’à récemment l’antibiotique de dernier recourt contre les souches multirésistante nosocomiales était la vancomycine, en particulier contre S. aureus. Mais des souches de S. aureus moins sensibles ont été détectées dans les hôpitaux (altérations complexes de la paroi cellulaire). La résistance à la vancomycine est largement présente chez les entérocoques (E. faecalis et E. faecium). Rôle de l’utilisation des antibiotiques dans l’alimentation du bétail? (Avoparcine). Phénotypes Van A: inductible, vancomycine et téicoplanine Van B: inductible par la vancomycine 2002: Isolations de souches de S. aureus avec Van A (transposon) dans deux hôpitaux aux USA (Tn1546 dans plasmide pLW1043). .

33. Les mécanismes de résistance aux antibiotiques Un des facteurs qui augmentent la prévalence des résistances est l’utilisation d’antibiotiques comme additif alimentaire pour l’alimentation des animaux (bétail, volaille etc.) Avoparcin (glycopeptide) résistance à la vancomycine (70% des isolats de E. faecium des déjections de poulets). Virginiamycine (Streptogramine) résistance à quinupristine/dalfopristine (60% des isolats de E. faecium des déjections de poulets).

34. Allemagne Pays-Bas Belgique % de fèces contenant des de E. faecium résistants à la vancomycine 94 96 97 97 99 96 01 Les mécanismes de résistance aux antibiotiques L’effet de l’interdiction de l’utilisation de l’avoparcine sur la résistance de Enterococcus faecium 14 12 10 8 6 4 2 0 « Communautés en santé » patients hospitalisés Source: Wegner H., Curr. Opin. Mirobiol. 6:439 (2003)

35. Les grandes classes d’antibiotiques 1) Sulfonamides et Triméthoprime 2) Fluoroquinolones 3) b-lactames -Pénicillines -Céphalosporines -Carbapénemes 3) Aminosides 4) Tétracyclines 5) Chloramphénicol 6) Macrolides 7) Clindamycine 7) Glycopeptides -Vancomycine -Téicoplanine 8) Sreptogramines 9) Oxazolidones 10) Lipopeptides cycliques 11) Rifamycines 11) Nitroimidazoles 12) Anti-tuberculose

36. Les Sulfonamides Dans les années 30, découverte par Domakg du prontosil, qui, métabolisé par les patients donne le sulfanilamide, le métabolite actif (Prix Nobel en 1938). Sulfanilamide Prontosil (promédicament) Structure chimique: dérivés du sulfanilamide (para-aminobenzènesulfamide) qui représente la structure minimale pour l’activité anti-bactérienne Le groupe –NH2 en para est essentiel, comme le soufre fixé au noyau benzène Sulfanilamide Sulfomethoxazole

37. Les sulfonamides Large spectre d’action chez les Gram+ et les Gram- mais utilité limitée par la prévalence de souches résistantes (Ex. S. pyogenes, S. pneumoniae, H. influenza, H. ducreyi, Nocardia, C. trachomatis). Bactériostatiques. Mécanisme d’action: Acide para- aminobenzoïque (PABA) Sulfonamides Dihydroptéroate synthétase (compétition avec le PABA) Folate Dihydrofolate réductase Tétrahydofolate ADN

38. Les sulfonamides Résistance acquise aux sulfonamides, fréquentes (par ex. la majorité des isolats de N. Meningitidis B et C en Amérique du Nord sont résistant). Les souches d’E. coli de patients ayant des infections urinaires nosocomiales sont généralement résistantes. Par mutation ou acquisition de plasmide R. N’implique habituellement pas une résistance aux antibiotiques des autres classes. Ex: Mutation de la dihydroptéroate synthétase diminuant son affinité pour les sulfonamides . Production accrue de PABA (x70!) chez certain S. aureus résistants. Acide para- aminobenzoïque (PABA) Sulfonamides Dihydroptéroate synthétase Folate

39. Les sulfonamides Pharmacologie: A l’exception des composés conçus pour une action locale dans le gros intestin, les sulfonamides sont absorbés rapidement par voie digestive, en particulier par l’intestin grêle. La majeur partie des sulfonamides est éliminée dans l’urine. Ils sont métabolisés in vivo, en particulier dans le foie. Le méthabolite principal est le sulfonamide N4-acétylé. Le sulfonamide acétylé est inactif mais conserve sa toxicité. Distribués à travers tout les fluides, y compris le liquide céphalorachidien et la circulation fœtale. Sulfisoxazole: confiné à l’espace extracellulaire. Sulfadiazine: répartition dans le volume total d’eau (intra et extracellulaire).

40. Les sulfonamides Toxicités, effets indésirables: incidence d’environ 5% Perturbations de l’appareil urinaire, cristallurie. La prise de liquide doit être de plus de 1.2L. Anémie hémolitique aigue (sulfadiazine, 0.05%). Anémie aplasique: suppression complète de l’activité de la moelle osseuse. Rare mais plus fréquente chez les patients sidatiques. Agranulocytose (sulfadiazine, 0.1%). Réactions d’hypersensibilité. Effets indésirables dermiques, sulfisoxazole env. 2% Fièvre, sulfisoxazole env. 3% Nécrose du foie < 0.1%. Anorexie, nausées, vomissements 1-2%.

41. Les sulfonamides Utilisations thérapeutiques: Infection de l’appareil urinaire (en conjonction avec le triméthoprime; co-trimoxazone). Certaines affections respiratoires (ex. Nocardiose). Toxoplasmose. Sulfonamides peu résorbé: la sulfasalazine est très faiblement absobée par le tractus gastro-intestinal. Elle est utilisée pour le traitement de la colite ulcéreuse et l’entérite régionale. Sulfonamide à usage local: La sulfadiazine argentique et la mafénides sont utilisé en application topique, en particulier pour prévenir l’infection des brûlures.

42. Triméthoprime-Sulfaméthoxazole (co-trimoxazole) Structure chimique: Large spectre d’action du triméthoprime, semblable au sulfaméthoxane, chez les Gram+ et les Gram-. Triméthoprime 100-200x plus puissant que le Sulfaméthoxane. (Ex. S. aureus, N. meningitidis, Clamidia, S. pyogenes, S. epidermiditis,S. pneumoniae, H. influenza, Salmonella, Shigella). Bactériostatique/ bactéricide pour certaines bactéries.

43. Triméthoprime-Sulfaméthoxazole (co-trimoxazole) Mécanisme d’action: Acide para- aminobenzoïque (PABA) Synergie entre les deux composés rapport optimal in vivo: 20:1. Sulfaméthoxazole Dihydroptéroate synthétase (compétition avec le PABA) Folate Triméthoprime Dihydrofolate réductase Tétrahydofolate ADN Co-trimoxazole

44. Triméthoprime-Sulfaméthoxazole (co-trimoxazole) Fréquence de résistance plus faible que pour les composés utilisés Individuellement.Par mutation (ex. S. aureus) ou acquisition de plasmide R (Ex. Gram-). Pharmacologie: La distributions des deux médicaments inclu le liquide céphalo-rachidien et les muqueuses. Se lient aux protéines plasmatiques (40 et 65% respectivement). Triméthoprime- Sulfaméthoxazole 5:1. Co-trimoxazole Triméthoprime- Sulfaméthoxazole 20:1. Demi-vies plasmatiques de 11h et 10h.

45. Triméthoprime-Sulfaméthoxazole (co-trimoxazole) Pharmacologie: 60% du triméthoprime 25-50% du sulfaméthoxazone sont excrétés dans l’urine par 24h. Toxicités, effets indésirables: Semblables aux sulfonamides. Toxicité plus élevée en cas de déficience en folate.

46. Triméthoprime-Sulfaméthoxazole (co-trimoxazole) Utilisations thérapeutiques: Infections de l’appareil urinaire, y compris chez les infections chroniques et récidivantes. Prostatites . Bronchites chroniques (H. influenzae, S. pneumoniae). Otites moyennes. Infections gastro-intestinales (shigelloses, seconde ligne pour la fièvre thypoïde, E. coli). Infection par Pneumocystis carnii chez les patients sidatiques.

47. Fluoroquinolones Structure chimique: La ciprofloxacine la fluoroquinolone la plus utilisée « L’ancêtre », l’acide nalidixique (sans fluore) R6=F Acide carboxylique R1 R7= pipérazine Large spectre d’actionchez les Gram+ et les Gram-. Excellente activité contre les entérobactéries. Effectif contre E. coli, Salmonella, Shigella, H. influenza, Neisseria gonorrhoeae, Campylobacter, Bacillus anthracis. Peu actif contre les streptocoques et les pneumocoques. Haute incidence de résistances chez les Staphylocoques. Actifs contre les bactéries intracellulaires comme Chlamidia, Mycoplasma, Legionella, Brucella.

48. Fluoroquinolones Mécanisme d’action: Stabilisent le complexe sous-unité A de la topo II ou la topo IV avec l’ADN clivé durant la régulation de la torsion du chromosome bactérien. (La DNA gyrase introduit des superspirales négatives en coupant les deux brins d’ADN). Bloque ainsi la réplication de l’ADN. DNA girase (Topo II) Topoisomerase IV ATP

49. Fluoroquinolones Résistance par mutation du site de liaison sur la gyrase, par diminution de la perméabilité cellulaire, par mécanisme d’efflux. Résistance à la norfloxacine et à la ciprofloxacine par diminution de l’absorption dans des souches nosocomiales multirésistantes de S. aureus. Pharmacologie: La majorité des fluoroquinolones ne passent pas dans le liquide céphalo-rachidien. Exceptions: péfloxacine et ofloxacine (Concentrations 40 et 90% des niveaux sériques). Les fluoroquinolones sont données oralement et sont bien absorbées. Demi-vies plasmatiques de 3-5h pour la norfloxacine et la ciprofloxacine. 10h pour péfloxacine.

50. Fluoroquinolones Pharmacologie: L’aluminium et les anti- acides comprenant du magnésium interférent avec l’absorption des fluoroquinolones. Elimination: métabolisés par le foie (P450) et excrétés par les reins. Les fluoroquinolones ont un effet sur le métabolisme de la théophylline (par inhibition des enzymes P450). Toxicités, effets indésirables: fréquence faible Nausées, douleurs abdominales, céphalées, vertiges. Effets dermiques. Cas rares de problèmes du SNC.