Antibiorésistance M2 Santé digestive http://physiologie.envt.fr a.ferran@envt.fr Décembre 2016 A. Ferran

Targeting virulence: a new paradigm for antimicrobial therapy Anne E Clatworthy, Emily Pierson & Deborah T Hung Nature Chemical Biology 3, 541 - 548 (2007) Published online: 20 August 2007 doi:10.1038/nchembio.2007.24

Targeting virulence: a new paradigm for antimicrobial therapy Anne E Clatworthy, Emily Pierson & Deborah T Hung Nature Chemical Biology 3, 541 - 548 (2007) Published online: 20 August 2007 doi:10.1038/nchembio.2007.24

Résistance et usage des antibiotiques Le développement de la résistance est une réponse physiologique des bactéries à tout usage d'antibiotique « Usure » inéluctable des antibiotiques

Plan Mécanismes de résistances et transmission des gènes de résistances Sélection et persistance des résistances Conséquences des résistances bactériennes dans le tractus digestif Diffusion des résistances entre les écosystèmes et moyens de lutte

Mécanismes de résistances et transmission des gènes de résistances

Mécanismes et transmission des résistances Définition/ classification de la résistance épidémiologique vs clinique Naturelle vs Acquise Types de résistances Mécanismes de résistances Supports génétiques Transmission de résistances

Mécanismes et transmission des résistances Définition/ classification de la résistance épidémiologique vs clinique Naturelle vs Acquise Types de résistances Mécanismes de résistances Supports génétiques Transmissions de résistances

Résistance : définition biologique ou épidémiologique Une bactérie est considérée comme résistante quand elle tolère des concentrations en antibiotique très supérieures à celles d'une majorité de souches de la même espèce. Pour évaluer la résistance Détermination de la CMI en milieu liquide Antibiogramme (=Détermination de la CMI en milieu gélosé)

Résistance : définition biologique CMI = Concentration Minimale Inhibitrice µg/mL

Méthode par dilution Méthode par diffusion (Antibiogramme) En milieu liquide

Droite de concordance entre la CMI et le diamètre d’inhibition 45 Exemple : Penicilline G 35 diamètre des zones d'inhibition (mm) 25 15 5 CMI (µg / ml)

Bandelettes E-test

Résistance : définition biologique

Résistance : définition biologique Front. Microbiol., 18 March 2016 | http://dx.doi.org/10.3389/fmicb.2016.00330

Résistance : définition thérapeutique Une bactérie est considérée comme résistante quand elle tolère des concentrations en antibiotique très supérieures à celles que l'on peut obtenir in vivo Classification en Sensible, Intermédiaire, & Résistante pour la clinique

Classification des résistances Résistance naturelle (=intrinsèque) prévisible Ex : vancomycine ne peut pas passer par les porines de E. coli Résistance acquise imprévisible résulte d’une modification génétique (mutation ou acquisition de gènes) d’une souche sensible

Mécanismes et transmission des résistances Définition/ classification de la résistance épidémiologique vs clinique Naturelle vs Acquise Types de résistances Mécanismes de résistances Supports génétiques Transmissions de résistances

Types de resistance Résistance unique Résistance à un seul antibiotique Résistance à une classe d’antibiotique (le plus fréquent) Résistance à tous les antibiotiques de la classe Résistance multiple Résistances à des antibiotiques de différentes classes

Résistant à au moins 3 classes Seulement sensible à 1 ou 2 classes Résistant à tous les antibiotiques

Types de resistance Résistance multiple Résistance croisée (cross-resistance): un seul mécanisme de résistance explique la résistance à plusieurs familles d’antibiotiques. Ex: multi-drug efflux pumps (mex genes) peuvent causer des resistances croisées à une grande variété de composés hétérogènes dont les AB Gène cfr Co-résistance: plusieurs gènes coexistent dans la même bactérie et confèrent une résistance à différentes familles d’antibiotiques Conséquences: pression de sélection croisée entre plusieurs familles d’antibiotiques et possibilité de sélection par les métaux lourds et les biocides

Mécanismes et transmission des résistances Définition/ classification de la résistance épidémiologique vs clinique Naturelle vs Acquise Types de résistances Mécanismes de résistances Supports génétiques Transmissions de résistances

http://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736(14)61137-5

Mécanismes de résistance (I) 1- Inactivation enzymatique Ex: bêtalactamines et bêtalactamases Ex : aminoside et acétylases, phosphorylases 2- Modification de la cible de l'antibiotique méthylation d'une adénine dans l'ARN de la sous-unité 23S du ribosome Ex :macrolides - lincosamides - streptogramines Nouvelle protéine (penicillin binding-protein) ex: R à la méthicilline SARM/MRSA gyrase ou topoisomerase altérée et absence de fixation Ex: fluoroquinolones 3- Shunt de voies métaboliques Ex : TMP / sulfates

Mécanismes de résistance (II) 4- Diminution de la pénétration des antibiotiques Diminution de la perméabilité (Entrée diminuée) modification ou absence de synthèse des porines (canaux de la membrane externe) Mécanisme d'efflux (Sortie augmentée) Surexpression de pompes à efflux (peu spécifiques) ex: tétracyclines, quinolones, chloramphenicol

Mécanismes de résistance (III) Une bactérie peut avoir plusieurs mécanismes de résistances pour un même antibiotique ou pour différents antibiotiques

Mécanismes et transmission des résistances Définition/ classification de la résistance épidémiologique vs clinique Naturelle vs Acquise Types de résistances Mécanismes de résistances Supports génétiques de la résistance Transmissions de résistances

Supports génétiques de la résistance Mutation chromosomique spontanée Acquisition de nouveau matériel génétique L’ensemble des gènes portant les facteurs de résistance peut être nommé « résistome »

Supports génétiques de la résistance 1- Mutations Souvent, mutation ponctuelle Processus spontané (<10-8), survenant pendant la réplication Stable, héréditaire et transmission verticale Généralement, résistance à une seule famille. Généralement non influencées par l’antibiotique

Supports génétiques de la résistance Remarque Possibilité pour certains antibiotiques (fluoroquinolones) d’augmenter le taux de mutations L’exposition à des concentrations sub-létales d’antibiotique entraîne un stress bactérien qui déclenche une réponse du système SOS ce qui peut augmenter les erreurs de réplication

Supports génétiques de la résistance Remarque Certaines souches multi-résistantes ont des taux de mutations 1000 fois plus élevés que les autres membres de la même espèce (on parle « d’hypermutateurs »)

Supports génétiques de la résistance 1- Mutations La multiplication de la bactérie mutée devenue résistante assure la propagation de la résistance. = Transmission verticale La multiplication bactérienne étant un processus rapide, la souche résistante peut rapidement devenir dominante dans la population bactérienne notamment en présence du pouvoir de sélection de l’antibiotique et si le « fitness » est peu altéré.

Supports génétiques de la résistance 1- Mutations Conséquences variables sur la sensibilité Diminution plus ou moins importante de la sensibilité en fonction des antibiotiques Ex: Fluoroquinolones : mise en place de la résistance progressive par mutations successives

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Transmission d’un élément génétique mobile d’une bactérie donneuse à une bactérie receveuse = Transmission horizontale Possibilité d’acquisition de résistances multiples Instable et réversible

Résumé Apparition Transmission Stabilité Spectre Mutation verticale stable Souvent R à une famille Acquisition de nouveau matériel génétique Horizontale puis verticale instable R à plusieurs familles assez fréquente

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Types d’éléments mobiles Plasmides ICE : integrative and conjugative elements Transposons Intégrons

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Plasmides ADN bicaténaire, circulaires et cytoplasmiques, de petite taille (5 à 4000 fois plus petit que le chromosome), se répliquant de manière autonome Non indispensable à la bactérie. Leur transmission d'une cellule bactérienne à une autre peut s'effectuer par conjugaison ou transduction.

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles ICE : Integrative and Conjugative Elements ADN inclus dans le chromosome ne répliquant pas de manière autonome peut s’exciser puis être échangé par conjugaison avant de réintégrer un chromosome Porteur de gènes d’excision, de conjugaison, d’intégration et de régulation

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Transposons Fragment d’ADN ne répliquant pas de manière autonome capable de s’intégrer dans un chromosome ou un plasmide en l'absence d'homologie de séquence nucléotique (recombinaison illégitime). portent des gènes d’excision, d’intégration, de transposition et des gènes qui peuvent coder pour la résistance aux antibiotiques. Peuvent être portés par des plasmides et être échangés

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Integrons Fragment d’ADN ne répliquant pas de manière autonome Les intégrons constituent un système de capture et d'expression de gènes sous forme de cassettes. Un gène intI codant une protéine appelée intégrase. Elle catalyse l'insertion et l'excision de gènes Un site attI d’attachement Un promoteur Pc qui permet la transcription des gènes de cassettes.

Une cassette est constituée d'un gène adjacent à un site spécifique de recombinaison attC reconnu par l'intégrase. Chez la majorité des intégrons de classe 1, la région 3' contient trois cadres de lecture ouverts. Le premier, qacED1, est un dérivé tronqué du gène qacE codant pour la résistance aux ammoniums quaternaires. Le second cadre de lecture est le gène sulI qui code pour la résistance aux sulfamides. Le troisième cadre de lecture désigné ORF5 ne code pour aucune fonction connue http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/transposons/integrons/integrons.html

(Douard, 2011)

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Cassettes de gènes Ne répliquent pas de manière autonome Existent sous une forme libre circulaire et sous forme linéaire intégrée au sein d'un intégron. Elles sont constituées d'une séquence codante et d'un site de recombinaison attC. E N’ont pas de promoteurs

Supports génétiques de la résistance 2-Acquisition d’éléments génétiques mobiles Une minorité des intégrons, ceux associés aux gènes de résistance aux antibiotiques, sont hébergés au sein de transposons (Tn21, Tn1696, etc.) eux-mêmes véhiculés par des plasmides très souvent conjugatifs

(Douard, 2011)

Mécanismes et transmission des résistances Définition/ classification de la résistance épidémiologique vs clinique Naturelle vs Acquise Types de résistances Mécanismes de résistances Supports génétiques de la résistance Transmissions des gènes de résistances

Transmission des gènes de résistance conjugaison transduction transformation

Todar’s online textbook of bacteriology

Transmission des gènes de résistance Conjugation (le plus important) contact et appariement entre bactéries Transfert de materiel génétique (plasmide) 85% des échecs thérapeutiques avec Staphylococci (b-lactam), Enterobacteriaceae (ampi, sulfa, TMP, genta) et Enterococci (vanco) Transduction Introduction d’un gène par un bacteriophage (virus) Transformation intégration d'un fragment d'ADN étranger et libre dans une bactérie https://youtu.be/Zxi8xyeZXHk

Plan Mécanismes de résistances et modes de transmission des gènes de résistances Sélection et persistance des résistances Conséquences des résistances bactériennes dans le tractus digestif Diffusion des résistances entre les écosystèmes et moyens de lutte

Sélection des résistances

Pouvoir sélectif des antibiotiques L’antibiotique ne crée pas de résistances L’antibiotique exerce essentiellement une pression de sélection sur les populations de bactéries et va favoriser le développement des populations ayant mis en place des mécanismes de résistance.

Exemple : Sélection d’un mutant résistant les mutations sont spontanées donc parmi 108 clones, 1 clone est résistant avant tout traitement antibiotique Si un antibiotique est administré, le clone muté résistant à cet antibiotique peut être sélectionné.

exposition à l’antibiotique Bactéries résistantes Sélection de bactéries résistantes CMI des bactéries Bactéries sensibles

forte exposition en antibiotique Bactéries résistantes Pas de sélection de bactéries résistantes CMI des bactéries Bactéries sensibles

Bactéries résistantes Fenêtre de Sélection des Mutants CMI des bactéries Bactéries sensibles

Co-selection des résistances Un plasmide peut porter plusieurs gènes de résistance (co-résistance) et donc l’ensemble des gènes de résistance peut être sélectionné par un seul antibiotique Ex: tetracyclines per os diminue la sensibilité de la flore caecale des poulets à l’ampicilline, la streptomycine et aux sulfamides

Co-selection des résistances Exemple Lors de l’interdiction de l’avoparcine comme additif, on a observé que le taux de résistance de E faecium à la vancomycine était passé de 81 à 12% en 30 mois chez le poulet mais que pendant le même temps, il était resté inchangé chez le porc. le plasmide du porc portait VanA, gène de résistance à la vancomycine et le gène erm(B) conférant une résistance aux macrolides; or la tylosine, un macrolide, a continué d’être utilisée chez le porc ce qui a assuré la co-sélection de VanA et de Erm(B).

Co-selection des résistances Les métaux et les désinfectants peuvent jouer un rôle de sélection Exemple : Le gène de résistance au cuivre (tcrB) peut être porté sur le même plasmide que VanA et ErmB et ils peuvent être co- sélectionnés ensemble.

Persistance de la résistance

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Persistance de la résistance Durée de persistence très différente selon les germes et les antibiotiques De la disparition en quelques semaines après arrêt du traitement au maintien plusieurs années y compris sans pression de selection Dépend de la compétitivité ou « fitness » de la bactérie

Persistance de la résistance Souvent, les bactéries résistantes ont une vitesse de croissance plus lente que les mêmes bactéries non résistantes Exemples: -10 à -25 % pour les E. coli R à la fosfomycine Multiplication 1.4 à 2 fois plus longue pour S. Typhimurium R à FQ Multiplication 1.3 fois plus longue pour certains SARM … Sans antibiotique, les souches sensibles peuvent redevenir majoritaires

Persistance de la résistance Parfois, il se produit des mutations compensatoires Résistance devient inductible. Ex : R à la tétracycline par le transposon Tn10 Présence de gènes « compensatoires » sur le plasmide ou le chromosome (si chromosome, diffusion du plasmide compromise) Retour à la sensibilité peu probable

Persistance de la résistance Les souches cliniques résistantes les plus fréquentes sont celles qui portent les mutations dont le coût est le plus faible. Arrêt de l’antibiotique ne garantit pas la disparition de la résistance

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Conséquences de la présence de bactéries résistantes dans le tractus digestif

Cas des bactéries pathogènes digestives Virus: 70% des diarrhées Salmonella non typhi Campylobacter ssp : C. jejuni > 60% Toxi-infections à Staphylococcus STEC, EHEC Shigella : sonnei > flexnerii > dysenteriae, plutôt rares Yersinia enterocolitica Clostridium difficile : 1er agent des diarrhées hospitalières, forte incidence

Cas des bactéries pathogènes Si le patient se contamine par une bactérie pathogène résistante aux antibiotiques = risque d’échec thérapeutique Rarement un problème car ces infections ne nécessitent pas d’antibiothérapie Seulement patients avec d’autres facteurs aggravants

Cas des bactéries commensales Facteurs de risque d’être porteur de résistances : Voyage en zone intertropicale Traitement antibiotique récent Dans le tube digestif, ces bactéries sont non pathogènes = pas de signe de portage = pas de conséquence immédiate néfaste pour le porteur

Cas des bactéries commensales Bactéries multi-résistantes digestives Entérobactéries productrices de ß-lactamases à spectre étendu (E-BLSE) Entérobactéries productrices de Carbapénémases (EPC) Entérocoques résistants aux glycopeptides (ERG) (vancomycine)

Cas des bactéries commensales Danger si contamination d’autres sites qui conduit à une infection (108 Entérobactéries et 106 entérocoques/g de selle) Souvent, ce sont des infections nosocomiales = contractées dans un établissement de santé. Le plus souvent, le patient s’infecte avec sa propre flore (digestive, cutanée,…). Cette flore peut être primaire si le patient la porte à son arrivée à l’hôpital, ou modifiée, dite secondaire, acquise lors du séjour à l’hôpital ou lors de la prise en charge.

Cas des bactéries commensales Infections nosocomiales sont favorisées par: Immunodépression/rupture de barrières naturelles Age (prématurité, personnes âgées). Atteintes physiques (dispositifs invasifs) Atteintes chimiques (altération de la flore microbienne endogène par un traitement antibiotique à large spectre, diminution de l’acidité gastrique par des traitements anti-ulcéreux)

Cas des bactéries commensales Bactéries multi-résistantes digestives Entérobactéries productrices de ß-lactamases à spectre étendu (EBLSE), Entérobactéries productrices de Carbapénémases (EPC) = infections urinaires, septicémies, infections digestives ou respiratoires Entérocoques résistants aux glycopeptides (ERG) (vancomycine) = endocardite, infections urinaires, infections cutanéo-muqueuses Risque d’échec du traitement = pronostic vital engagé

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Diffusion des résistances entre les écosystèmes

cdc

Circulation des bactéries résistantes ou des gènes de résistance Pour que le matériel génétique diffuse, il faut qu’il soit présent en grandes quantités Les antibiotiques favorise cette amplification

Antibiorésistance: chaîne des responsabilités en médecine vétérinaire Facteurs mécanismes Possibilité d’action Ecologie microbienne Émergence Sélection par les antibiotiques Innovation thérapeutiques Prescripteurs Bonne pratiques ou non Outils de diagnostic Formation Circuits commerciaux Eleveurs Organisation des filières Pratiques d’élevage Limiter l’accessibilité Consommateurs Exigence sur les prix mondialisation Information Valeurs politique D’ après Chauvin; Thèse Univ Rennes 2009 p87

Lutte contre le développement des résistances

Le plan national pour préserver l’efficacité des antibiotiques a été décliné autour d’un programme d’actions pluriannuel, avec pour objectif de maîtriser et de rationaliser la prescription des antibiotiques.

Plan antibiotiques Le troisième plan a pour titre « plan national 2011- 2016 d’alerte sur les antibiotiques ». « Derrière ce titre se profile une menace de santé publique majeure : un nombre croissant de situations d’impasse thérapeutique contre des infections bactériennes, du fait du développement des résistances aux antibiotiques. »

PLAN NATIONAL DE RÉDUCTION DES RISQUES D’ANTIBIORÉSISTANCE EN MÉDECINE VÉTÉRINAIRE (mis en place par le ministère de l’agriculture) Ce plan 2012-2017 prévoit un usage prudent et raisonné des antibiotiques se traduisant par : des objectifs quantitatifs : la réduction de 25% de l’usage des antibiotiques en médecine vétérinaire en 5 ans des objectifs qualitatifs : un effort particulier de réduction des antibiotiques d’importance critique en médecine vétérinaire

Du marketing social pour combattre l’antibiorésistance

Conclusion