Staphylococcus aureus : Epidémiologie, physiopathologie, traitement Prof. Pierre Tattevin Service des Maladies Infectieuses et Réanimation Médicale (SMIRM) INSERM U835, Centre Hospitalo-Universitaire de Rennes Department of Infectious Diseases, University of California, San Francisco (UCSF) CNU 45-03, 15/04/2010 Journée IFR 140 - 19/09/2008

INTRODUCTION – Staphylococcus aureus Pathogène majeur pour l’homme Prévalence colonisation = 1/3 de la population en bonne santé Mortalité 80% si bactériémie (Boston, 1940) Nombreux facteurs de virulence finement régulés Capacités d’adaptation Environnement, antibiotiques Transferts horizontaux d’éléments génétiques mobiles Chambers, EID 2001; Lowy, NEJM 1998; Diep et al. Annals 2008 2

Quorum sensing et accessory gene regulator (agr) Colonisation : Croissance exponentielle Adhésines (MSCRAMM) Infection : Croissance stationnaire Exotoxines MSCRAMM = Microbial Surface Component Recognizing Adherence Matrix Molecules Gordon, Clin Infect Dis 2008

S. aureus résistant à la méticilline (SARM) Historique des SARM 1961: Commercialisation de la méticilline 1962: Apparition de la résistance à la méticilline Codée par un gène porté par une cassette chromosomique (SCCmec) Résistance à toutes les béta-lactamines Impact fort (prescriptions, pronostic) 1962-1993: SARM confinés aux structures de soins (‘hospitalier’) Émergence progressive, très liée à la consommation d’antibiotiques Dissémination mondiale de quelques clones (5 lignées ou CC) Multi-résistance associée à un coût (‘fitness cost’) 1993-2000: Premières épidémies de SARM ‘communautaire’ Australie, Europe, Amérique du Nord Clones indépendants entre eux et vis-à-vis des SARM hospitaliers Multi-résistance rare Lowy, JCI 2003; Miller et al, NEJM 2005; Gillet et al, CID 2005 4

L’émergence Mondiale des SARM communautaires Diep and Otto, Trends in Microbiol 2008 Journée IFR 140 - 19/09/2008

L’émergence Mondiale des SARM communautaires Diep and Otto, Trends in Microbiol 2008 Journée IFR 140 - 19/09/2008 6

L’émergence Mondiale des SARM communautaires Diep and Otto, Trends in Microbiol 2008 Journée IFR 140 - 19/09/2008 7

2000-2010 : Le raz-de-marée USA300 Apparition en 2000 2004 57% des infections cutanées vues aux urgences USA = SARM dont 97% = USA300 2005 : ‘Les SARM causent plus de décès aux USA que VIH, tuberculose et hépatites virales réunis’ (CDC) Moran, NEJM 2005; Klevens, JAMA 2007; Miller, Clin Infect Dis 2008 Journée IFR 140 - 19/09/2008

San Francisco, 2007-2008

1. Epidémiologie moléculaire des SARM communautaires 2. Evaluation des traitements anti-SARM 3. Physiopathologie des SARM communautaires

Principes de l’épidémiologie moléculaire des infections à Staphylococcus aureus Collection de tous les SARM isolés dans les centres de santé publics à San Francisco (1996-) 1 épisode/patient/an (doublons exclus); n > 10 000 Typage moléculaire spa typing recherche pvl et ACME par PCR Etudes complémentaires (PFGE, SCCmec) si nécessaire Journée IFR 140 - 19/09/2008 11

Annual incidence of USA300 infections by San Francisco ZIP codes (citywide incidence rate is 1 in 363) * In 2005, 1 in every 363 San Franciscans were infected with USA300. In certain San Francisco ZIP codes, rates of USA300 infection exceeds in 1 every 150 persons. These incidence rates are of culture-proven USA300 infections, which may be underestimating the true incidence rate by several fold because not all infections are cultured. In San Francisco, USA300 alone caused more disease than all the other S. aureus clones combined. We are located at the San Francisco General Hospital, marked by this red star. Liu et al., CID 2008 12

Quartier Castro, San Francisco

Etude 1. Epidémiologie moléculaire des bactériémies à SARM au San Francisco General Hospital, 1996-2006

The rapid emergence of USA300 was associated with a 3-fold increase in the number of bloodstream infections treated at our hospital. I remember a lab meeting in February of 2005 in which we were discussing these same data. We were all amazed at how USA300 could spread so easily and sustainably in our patient population. We also identified at this meeting a great need to understand the molecular genetic basis of what makes USA300 such a nasty and remarkable pathogen. We then wrote a grant proposal, got the fundings to determine the whole genome sequence of USA300, and publish it—all of this was done in less than 12 months thanks to collective efforts of 7 undergraduate students at UC Berkeley and Stanford. Tattevin et al., ICAAC 2008 16

Tattevin et al., ICAAC 2008 17

Tattevin et al., ICAAC 2008 18

Bactériémies à SARM, SFGH (2000-2006) USA300 vs non USA300: analyse univariée – Forme clinique Forme clinique USA300 (n=232) Non-USA300 (n=213) Odds Ratio (IC 95%) P Peau et tissus mous 105/224 (47) 52/187 (28) 2,3 (1,5-3,5) <0,001 Ostéomyélite 41/224 (18) 27/187 (14) 1,3 (0,8-2,4) 0,29 Endocardite 35/224 (16) 24/187 (13) 1,3 (0,7-2,3) 0,42 Arthrite 19/224 (8) 21/187 (11) 0,7 (0,4-1,5) 0,34 Pneumopathie 40/224 (18) 26/187 (14) 0,28 Infection liée au cathéter 37/224 (16) 59/187 (32) 0,4 (0,3-0,7) Infection du site opératoire 7/224 (3) 16/187 (9) 0,3 (0,1-0,9) 0,017 Bactériémie primitive 8/224 (4) 15/187 (8) 0,4 (0,2-1,1) 0,051 Choc septique 18/224 (8) 25/187 (13) 0,6 (0,3-1,1) 0,079 19

Bactériémies à SARM, SFGH (2000-2006) USA300 vs non USA300: analyse univariée – Forme clinique Forme clinique USA300 (n=232) Non-USA300 (n=213) Odds Ratio (IC 95%) P Peau et tissus mous 105/224 (47) 52/187 (28) 2,3 (1,5-3,5) <0,001 Ostéomyélite 41/224 (18) 27/187 (14) 1,3 (0,8-2,4) 0,29 Endocardite 35/224 (16) 24/187 (13) 1,3 (0,7-2,3) 0,42 Arthrite 19/224 (8) 21/187 (11) 0,7 (0,4-1,5) 0,34 Pneumopathie 40/224 (18) 26/187 (14) 0,28 Infection liée au cathéter 37/224 (16) 59/187 (32) 0,4 (0,3-0,7) Infection du site opératoire 7/224 (3) 16/187 (9) 0,3 (0,1-0,9) 0,017 Bactériémie primitive 8/224 (4) 15/187 (8) 0,4 (0,2-1,1) 0,051 Choc septique 18/224 (8) 25/187 (13) 0,6 (0,3-1,1) 0,079 20

Bactériémies à SARM, SFGH (2000-2006) USA300 vs non USA300: analyse univariée – Forme clinique Forme clinique USA300 (n=232) Non-USA300 (n=213) Odds Ratio (IC 95%) P Peau et tissus mous 105/224 (47) 52/187 (28) 2,3 (1,5-3,5) <0,001 Ostéomyélite 41/224 (18) 27/187 (14) 1,3 (0,8-2,4) 0,29 Endocardite 35/224 (16) 24/187 (13) 1,3 (0,7-2,3) 0,42 Arthrite 19/224 (8) 21/187 (11) 0,7 (0,4-1,5) 0,34 Pneumopathie 40/224 (18) 26/187 (14) 0,28 Infection liée au cathéter 37/224 (16) 59/187 (32) 0,4 (0,3-0,7) Infection du site opératoire 7/224 (3) 16/187 (9) 0,3 (0,1-0,9) 0,017 Bactériémie primitive 8/224 (4) 15/187 (8) 0,4 (0,2-1,1) 0,051 Choc septique 18/224 (8) 25/187 (13) 0,6 (0,3-1,1) 0,079 21

Bactériémies à SARM, SFGH (2000-2006) USA300 vs non USA300 Analyse multivariée (régression logistique) Caractéristiques Odds Ratio ajusté (IC 95%) P ATB anti-staphylococciques au cours des 30 derniers jours 0,6 (0,4 – 0,9) 0,033 Bactériémie diagnostiquée aux urgences du SFGH 2,2 (1,4 – 3,5) < 0,001 Infection associée de la peau et des tissus mous (porte d’entrée ?) 0,001 Séropositivité VIH 2,2 (1,3 – 3,9) 0,006 Tattevin et al., ICAAC 2008 22

Comparaison des souches isolées d’hémocultures et d’autres sites 76 des 445 bactériémies à SARM (17%) précédées de l’isolement de SARM d’un autre site (30 jours précédents) Globalement, 98% (74/76) paires identiques (typage moléculaire) Pour USA300, 100% (28/28) paires identiques, dont les 13 bactériémies précédées d’infections cutanées documentées 23

Discussion - Conclusions (1) Bactériémies à SARM le plus souvent communautaires Chaque année depuis 2003, > 50% diagnostics aux urgences Implications pour les traitements empiriques L’épidémie de bactériémie USA300 suit celle des infections cutanées Evolution superposable (‘en miroir’) Infection cutanée = FDR indépendant de bactériémie USA300 105/224 (47%) des bactériémies USA300 ont une infection cutanée simultanée 100% concordance entre souche d’hémoculture et souche cutanée pour USA300 L’épidémie USA300 est aussi marquée pour les infections invasives que pour les infections ‘superficielles’ 24

Discussion - Conclusions (2) Les SARM dits ‘communautaires’ sont devenus les principaux responsables d’infections nosocomiales Epidémie fulgurante Sensibilité aux autres classes d’ATB évolue Prévention Transmission hospitalière probablement pas au 1er plan Accès aux soins ? (mieux traiter les infections cutanées) Etude à replacer dans le contexte (Hôpital public USA) 50% SDF 50% toxicomanes… 90% of HCA are due to prior-hospitalization 25

Etude 2. Hôpital Laguna Honda, San Francisco (Long séjour, 1000 résidents, âge médian 70 ans) CNU 45-03, 15/04/2010

Rationnel de cette étude Les SARM hospitaliers traditionnels ont émergé massivement dans les centres de long séjour depuis 1990 Points communs avec l’épidémiologie hospitalière Pression antibiotique Clones similaires Moyens de prévention Quelques particularités Infections urinaires et respiratoires Quid en zone d’endémie USA300 ? Kerttula et al. JCM 2005; Lucet et al. Infect Control Hosp Epidemiol 2005 Journée IFR 140 - 19/09/2008 27

CNU 45-03, 15/04/2010

Etude 3. Les prisons de San Francisco (2200 résidents - Durée médiane de séjour ~ 30 j) CNU 45-03, 15/04/2010

Rationnel de cette étude Prisons = Théâtre des premières épidémies d’USA300 Californie New York Georgie Texas Etudes des FDR de colonisation et d’infection Los Angeles Aucune donnée à moyen ou long terme Que se passe t’il lorsque USA300 est introduit dans ces structures ? Aiello et al. Lancet ID 2006; Carleton et al. CID 2004; Kajita, Nature 2007 Journée IFR 140 - 19/09/2008 30

Les prisons aux USA (0,8% de la population versus 0,1% en France)

CNU 45-03, 15/04/2010

Implications Prisons = Catalyseurs des épidémies d’USA300 ? Durée de séjour médiane = 30 j puis retour communautés Incarcération récente = FDR USA300 (grandes villes USA) Corrélation prévalence USA300 - % pop. incarcérée (Boston) Rôle des politiques carcérales dans l’hétérogénéité des épidémies de SARM communautaires ? Problématique de l’accès aux soins Agence Reuters 2008; Kajita, Nature 2007; Popovich K, CID 2010 Journée IFR 140 - 19/09/2008 33

Quand évoquer une infection à SARM communautaire en France ? Contexte Pas de FDR classiques de SARM traditionnels Populations défavorisées (foyers) Provenance zone d’endémie (Amérique du Nord, Maghreb) Forme clinique Infections cutanées suppuratives récidivantes et transmissibles Pneumopathie nécrosante et hémorragique Antibiogramme Sensibilité aux fluoroquinolones USA300 : S à doxy, cotri, clinda ST80 (clone européen) : R à kana tétra fuci Confirmation = Toxine PVL (PCR) Recommandations Françaises du Groupe ‘SARM-co’, 2010

1. Epidémiologie moléculaire des SARM communautaires 2. Evaluation des traitements anti-SARM 3. Physiopathologie des SARM communautaires

Evaluation de nouveaux traitements dans les endocardites du lapin à SARM - 1 CNU 45-03, 15/04/2010

Evaluation de nouveaux traitements dans les endocardites du lapin à SARM - 2 CNU 45-03, 15/04/2010

CNU 45-03, 15/04/2010

1. Epidémiologie moléculaire des SARM communautaires 2. Evaluation des traitements anti-SARM 3. Physiopathologie des SARM communautaires

Arbre phylogénétique des 5 principaux complexes clonaux de SARM communautaires PVL + PVL + PVL + PVL + PVL + Vandenesch F, Emerg Infect Dis 2003; Diep B and Otto M, Trends in Microbiol 2008 41

Quel est le rôle de la leucocidine de Panton-Valentine (PVL) dans l’émergence et dans la virulence des infections à SARM communautaires ?

Corrélation étroite avec certains tableaux cliniques PVL = Leucocidine de Panton et Valentine Toxine synergohyménotropique Première description 1894 Publication princeps 1932 (SASM PVL+) Lien épidémiologique fort PVL-SARM communautaires Les 5 principaux groupes clonaux de SARM-co sont PVL + versus ~2% c/o SARM non communautaires et SASM Corrélation étroite avec certains tableaux cliniques Pneumopathie communautaire nécrosante Lésions cutanées suppuratives Numerous case reports and case series have described severe and often fatal infections due to the USA300, including bacteremia, septic shock, endocarditis, necrotizing pneumonia, necrotizing fasciitis, and osteomyelitis. Lina et al. CID 1999; Gillet et al. CID 2005; Miller et al. NEJM 2005 43

Diep et al. Lancet 2005

Robinson D, Lancet 2005; Boyle-Vavra, Lab Invest 2007

Leucocidine de Panton-Valentine (PVL) = ‘Signature’ SARMco * In 2005, 1 in every 363 San Franciscans were infected with USA300. In certain San Francisco ZIP codes, rates of USA300 infection exceeds in 1 every 150 persons. These incidence rates are of culture-proven USA300 infections, which may be underestimating the true incidence rate by several fold because not all infections are cultured. In San Francisco, USA300 alone caused more disease than all the other S. aureus clones combined. We are located at the San Francisco General Hospital, marked by this red star. Boyle-Vavra, Lab Invest 2007 Journée IFR 140 - 19/09/2008 46

Boyle-Vavra, Lab Invest 2007

Lesions cutanées suppuratives et S. aureus PVL+ Lina G et al. CID 1999

Les pneumopathies nécrosantes à S. aureus PVL+ Gillet et al. Lancet 2002; Micek et al. Chest 2005

Pas si simple… Voyich, Clin Infect Dis 2006 50

Labandeira-Rey, Science 2007 51

52

Pas seulement une querelle de scientifiques Impact des antibiotiques sur l’excrétion de PVL Béta-lactamines ou glycopeptides = libération massive PVL Linézolide, clindamycine = inhibe synthèse protéique (dont PVL) Intérêt d’une immunisation anti-PVL Passive (Ig polyvalentes) Active (vaccination) Compréhension des épidémies de SARM communautaires Optimiser leur contrôle (Amérique du Nord) Les prévenir (reste du Monde) Dumitrescu, AAC 2007 et CMI 2008; Stevens, JID 2007 Gauduchon, JID 2004 53

Quorum sensing et accessory gene regulator (agr) Colonisation : Croissance exponentielle Adhésines (MSCRAMM) Infection : Croissance stationnaire Exotoxines MSCRAMM = Microbial Surface Component Recognizing Adherence Matrix Molecules Gordon, Clin Infect Dis 2008

Pas d’effet de la toxine PVL sur le système agr Comparaison toxines sécrétées phases stationnaires/exponentielles Profils idem souches sauvages et souches isogéniques délétées pvl

Etude du rôle de PVL dans les bactériémies du lapin Sensibilité PVL leucocytes lapin ~ polynucléaires homme Souches USA300 et USA300Δpvl = remplacement allélique pvl par cassette (gènes de résistance à la spectinomycine) Injection intra-veineuse de 7,5 log10 CFU SARM Randomisation USA300 vs USA300Δpvl Euthanasie à 24 h, 48 h ou 72 h Compte bactéries viables (en insu du groupe de randomisation) Rate Reins Poumons 90% of HCA are due to prior-hospitalization Diep B, Palazzolo-Ballance A, Tattevin P. et al. PLoS One 2008 Journée IFR 140 - 19/09/2008 56

Effet biphasique de la toxine PVL sur la virulence des bactériémies à SARM chez le lapin SF8300wt SF8300Δpvl P value log10CFU/g + deviation standard 24 h post infection n=19 Lung 3.41 + 0.57 3.19 + 0.38 0.179 Spleen 3.62 + 0.57 3.44 + 0.38 0.27 Kidney 4.09 + 1.92 2.63 + 1.76 0.020 48 h post infection n=18 2.88 + 0.56 2.79 + 0.65 0.65 2.72 + 0.90 2.64 + 0.82 0.78 4.48 + 1.49 3.20 + 1.91 0.030 72 h post infection n=12 2.70 + 1.40 2.68 + 1.18 0.96 2.70 + 1.34 3.03 + 0.78 0.47 4.75 + 1.55 5.50 + 0.79 0.151 90% of HCA are due to prior-hospitalization Diep B, Palazzolo-Ballance A, Tattevin P. et al. PLoS One 2008 Journée IFR 140 - 19/09/2008 57

Etude du rôle de PVL dans les pneumopathies du lapin Aucun modèle validé de pneumopathie à S. aureus chez le lapin ! Inoculation intra-trachéale Randomisation USA300 vs USA300Δpvl LukS-PV, LukF-PV, LukS + LukF Evaluation (en insu du groupe de randomisation) Courbe de survie 0-48 h Aspect macroscopique poumons (score, photos) Poids poumon (œdème lésionnel) – Histologie LBA post-mortem (protéines, IL-8, PVL) + GDS, lactates 90% of HCA are due to prior-hospitalization Diep B, Chan L, Tattevin P et al. PNAS 2010 Journée IFR 140 - 19/09/2008 58

Rôle de la toxine PVL dans le modèle de pneumopathie nécrosante à SARM du lapin Diep B, Chan L, Tattevin P et al. PNAS 2010

Dans ce modèle, les SARM PVL+ entraînent Pneumopathie hypoxémiante (pO2 = 33 mmHg) et hémorragique Choc septique (lactates = 15 mmol/L) Oedème pulmonaire massif Journée IFR 140 - 19/09/2008 60

SARM PVL+ et pneumopathie nécrosante 9 h post infection Diep B, Chan L, Tattevin P et al. PNAS 2010 Journée IFR 140 - 19/09/2008 61

Immunopathologie des SARM PVL+ dans les pneumopathies Secrétion locale et systémique d’IL-8 Afflux massif de PNN avec multiples débris cellulaires

Rôle direct de PVL dans les pneumopathies nécrosantes PVL est secrétée in situ La croissance bactérienne intra-pulmonaire est indépendante de PVL Diep B, Chan L, Tattevin P et al. PNAS 2010

La toxine PVL purifiée reproduit le tableau de pneumopathie nécrosante neutropenic rabbits neutropenic rabbits Lapins ‘normaux’ Lapins normaux Cet effet est dépendant des PNN Lapins neutropéniques CNU 45-03, 15/04/2010 Journée IFR 140 - 19/09/2008 64

PVL et pneumopathies nécrosantes (résumé) CNU 45-03, 15/04/2010 Diep B, Chan L, Tattevin P et al. PNAS 2010

Conclusions (1) PVL semble un facteur de virulence important, mais… Modèles murins discordants Autres facteurs de virulence plus convaincants chez la souris α-hémolysine peptides cytolytiques (PSM) Mécanisme discuté Rôle temps-dépendant de PVL dans la bactériémie du lapin avec un phénotype biphasique Avantage initial pour les souches PVL+ (invasion ?) PVL délétère dans un second temps (réponse immune ?) 66

Conclusions (2) Modèle de pneumopathie à SARM du lapin Reproductible (peu de variations inter-expérimentales) Plutôt simple et rapide Maladie très proche des descriptions de pneumopathies nécrosantes à S.aureus PVL+ chez l’homme Évolution sur-aiguë Détresse respiratoire précoce Bactériémie Lésions nécrosantes et hémorragiques Étude du rôle de PVL, certes, mais aussi: Tests d’autres candidats-facteurs de virulence Evaluer différentes stratégies antibiotiques Immunisation passive (IgIV) et active (vaccination) 67

L’Europe est-elle à la veille d’une épidémie de SARM communautaire ‘USA-like’ ? SARM communautaire apparu en même temps en France et aux USA Succès épidémique particulier du clone USA300 Rôle d’ACME (arginine catabolic mobile element) ? Mais USA300 signalé dans 10 pays d’Europe, dont France et pas de transmission soutenue en Europe à ce jour… Moins de FDR pour épidémies USA300 en France ? Socio-économiques (accès aux soins, promiscuité, prisons) Comportementaux (IVDU, MSM, hygiène)

Modélisation mathématique d’une épidémie R0 = t x n x d R0 = Indice de reproductivité t = probabilité de transmission lors d’un contact n = nombre de contacts d = durée de contagiosité Si R0 < 1, extinction; si R0 = 1, stabilité; si R0 > 1, progression Hypothèses Accès aux soins (lésions cutanées chroniques non soignées) ? Rôle des prisons comme catalyseur de cette épidémie ?

Yes, we can ! Diminution de la méticillino-résistance en France (2004-…) Surveillance épidémiologique SARM en France SARM-co = 3,6% des SARM en 2006-2007 versus < 1% en 2004 Succès du contrôle des premières épidémies d’ERV Groupe SARM-co ex CTINILS Proposition de recommandations de prise en charge et de prévention des infections à SARM communautaire Dauwalder et al. JCM 2008; Werner et al. Eurosurv 2008