Thierry PRAZUCK, Maladies Infectieuses et Tropicales CHR ORLEANS Penicillines Thierry PRAZUCK, Maladies Infectieuses et Tropicales CHR ORLEANS

Plan Introduction Structure de la paroi bactérienne, cible des pénicillines, mécanismes de résistance Structure, classification et spectre des pénicillines

Plan Introduction Structure de la paroi bactérienne, cible des pénicillines, mécanismes de résistance Structure, classification et spectre des pénicillines

Sir Alexander Fleming 1929: découverte « fortuite » d’une moisissure inhibant la croissance de Staphylocoques

Les spores de Penicillium contiennent fréquemment des pigments qui donnent aux colonies sur les aliments leur couleur caracteristique  

Penicillium Le nom Penicillium vient de penicillus = brosse, en raison de l’apparence de ses structures fructifères

Famille des ß-Lactamines La pénicilline fait partie de la famille ß-Lactamine. Elle possède un noyau ß-Lactame.

Penicillines Figure 20.6

Cephalosporines (noyau di-hydrothiazine) Figure 20.9

Plan Introduction Structure de la paroi bactérienne, cible des pénicillines, mécanismes de résistance Structure, classification et spectre des pénicillines

A. L’ enveloppe concerne l’ensemble des structures externes de la bactérie. Les deux types d’enveloppe sont les gram positifs (G+) et gram negatifs (G-). membrane externe peptidoglycane G+ G- Membrane cytoplasmique

Au contact direct de la membrane B. Paroi Donne la forme et la rigidité de la bactérie Empêche l’explosion de la bactérie Constitué par le peptidoglycane (murein) G- G+ peptidoglycane: Au contact direct de la membrane cytoplasmique

1. Peptidoglycane Large polymère de N-acetylglucosamine Et acide N-acetylmuramique reliés entre eux Renforcé par des ponts peptidiques

a. Structure générale N-acetylglucosamine N-acetylmuramic acid lysozyme breaks the -1,4 bond N-acetylglucosamine N-acetylmuramic acid Pont peptidique

b. Les sucres CH2OH O OH N-acetylglucosamine (G) OH HO NH2COCH3 CH2OH N-acetylmuramic acid (M) O OH HO NH2COCH3 -OOCCHCH3 CH2OH TB

Biosynthèse du peptidoglycane 1. Synthèse des précurseurs 2. Autolysines 3. Bactoprenol 4. Formation de la paroi 5. Transpeptidation

1. Biosynthèse des précurseurs M L-ala D-ala D-glu DAP M L-ala D-ala D-glu DAP BP M L-ala D-ala D-glu DAP G BP precurseur UDP- G BP BP = bactoprenol

Bactoprenol “transporte" le precurseur à travers M L-ala D-ala D-glu DAP G BP Bactoprenol “transporte" le precurseur à travers la membrane cellulaire vers le périplasme. precurseur Le bactoprenol a une queue hydrophobe

Les autolysines ouvrent le peptidoglycane 3. Autolysins M G site de clivage Les autolysines ouvrent le peptidoglycane TB

4. Croissance de la paroi BP M G M G L-ala D-glu Le precurseur est inseré au niveau de la zone de clivage, le bactoprenol est recyclé. DAP D-ala D-ala

5. Transpeptidation M G M G M G L-ala L-ala +D-ala D-ala D-glu D-glu DAP G M L-ala D-ala D-glu DAP G +D-ala M G L-ala D-glu DAP D-ala TB

c. Les ponts peptidiques penicilline inhibe la formation des ponts peptidique G M G L-alanine D-glutamic acid L- lysine or DAP D-alanine D-alanine L- lysine or DAP D-alanine D-glutamic acid L-alanine DAP = diaminopimelate G M G

Les enzymes bactériennes vont donc intervenir pour lier D-Ala à DAP Ce sont des transpeptidases et des transglycosylases Ce sont elles qui sont la cible des béta-lactamines On les appelle aussi PLP (proteine de liaison à la pénicilline) La bactérie meurt par déséquilibre des fonctions de construction et d’autolyse (E. Coli) Chez E.Coli, il existe 7 PLPs : PLP2 maintien de la forme PLP3 formation du septum...

Interaction avec les PLP ( protéines liant la pénicilline ): nombre variable de PLP suivant les espèces. PLP : enzymes souvent fonctionnelles intervenant dans la synthèse ou le remaniement de la paroi. fixation de la pénicilline dans le site actif de la PLP par acylation.

2. Enveloppe des G+ teichoic acids Fine couche de peptidoglycane: Jusqu’à 25 couches cytoplasmique membrane

periplasme (espace entre membrane externe et cytoplasmique) La paroi des G- (LPS) Couche superficielle periplasme (espace entre membrane externe et cytoplasmique)

4. Enveloppe des G- LPS Membrane externe porine periplasme peptidoglycane Membrane cytoplasmique

Pourquoi les béta-lactamines ont un spectre différent puisqu’elles agissent sur le même site? Parce que les bactéries ont des PLPs différents Parce que les modifications biochimiques opérées font varier l’affinité aux PLPs Parce qu’au fil du temps les bactéries ont développé des mécanismes de resistance et les antibiotiques nouveaux ont été crées pour les surpasser Parce que certaines modifications de structures permettent de traverser ou non la membrane externe des BGN

Quels sont donc les principaux mécanismes de resistance? Imperméabilité de la paroi bactérienne Inactivation enzymatique Modification de la cible Phénomène d’efflux actif

Cibles d’action des antibiotiques Figure 20.2

Imperméabilité de la paroi Entérobactéries Diminution ou absence d’expression des porines Chez E. Coli, OmpF et OmpC ont un rôle primordial dans la diffusion des béta-lactamines à travers la paroi Concerne Klebsielle, Proteus, Serratia, Enterobacter et Shigella

Imperméabilité de la paroi (2) Aucune bétalactamine n’a de poids moléculaire inférieur à la limite d’exclusion des porines... mais, 3 facteurs interviennent dans le passage: leur taille, leur charge et leur hydrophobicité ex: Dimininution de la taille des porines de Salmonella typhi murium Pour passer la paroi, une solution est de la détruire: Mode d’action des aminosides qui rendent les bactéries hypersensibles aux bétalactamines

Inactivation enzymatique Pénicillinases et béta-lactamases La première est décrite en 1944 et concerne S. aureus En 1940, 100% des S. aureus étaient Peni-S. 90% sont résistantes par production de cette pénicillinase Apparition progressive des béta-lactamases Les béta-lactamases seraient des PLP dont la fonction a été transformée

Principe d’action de la pénicillinase

Modification de la cible C’est le mode de résistance du pneumocoque Il est commun aux bactéries à gram positif Il est exceptionnel chez les BGN Les PLPs sont altérées afin de réduire leur affinité aux pénicillines Le réduction d’affinité de la pénicilline aux PLP se détecte par la technique des disques à l’oxacilline Cette réduction n’est pas homogène parmi les pénames

Phénomène d’efflux actif C’est un des mécanismes mis en jeu par Pseudomonas aeruginosa pour se débarasser des molécules de béta-lactamines ayant franchi la membrane externe Ce mécanisme existe également chez le streptocoque vis à vis de certains macrolides

Bien évidemment, ces mécanismes peuvent être associés chez la même bactérie (ex: E.Coli) E. Coli Multi-S: souche sauvage - La PeniG ne pénétre pas correctement la mb externe, mais l’amoxicilline est active (35 à 40% des souches) E. Coli producteur de pénicillinase - Amox-R, Amox-clav S (20% des souches) E.Coli hyperproducteur de pénicillinase - Amox-R, AC-R, C3G iv-S, Quin-S E. Coli produit des BLSE(<1%) - Quin-R ou S, C3G iv-R, IMP-S

Plan Introduction Structure de la paroi bactérienne, cible des pénicillines, mécanismes de résistance Structure, classification, spectre des pénicillines, et indications

Beta-Lactam Structure

Caracteristiques communes des -Lactamines Même mécanisme d’action: Inhibition de la synthèse du peptidoglycane Bactericide (sauf vis à vis de Enterococcus sp.); temps-dépendant Démie vie courte Elimination principalement rénale (sauf nafcilline, oxacilline, ceftriaxone, cefoperazone) Allergie croisée - sauf aztreonam

-lactamines Pharmacologie Bactéricidie independante de la concentration – Antibiotiques temps-dépendant: La durée au dessus de la CMI est corrélée à l’efficacité Absorption La peni G est dégradée par l’acidité gastrique Les modifications structurelles biochimiques permettent la voie orale Peni V mieux absorbée better que Peni G Amoxicilline mieux absorbée que l’ampicilline

Puisque ce sont des antibiotiques temps-dépendant, pourquoi suffit il d’augmenter les doses pour vaincre une résistance?

Pharmacocinétique des antibiotiques et concentration critique Conc. Critique souche mutée Concentration plasmatique Conc. Critique Souche sauvage heure

Index inhibiteur Ratio concentration au site de l’infection CMI La concentration est liée au volume de distribution de l’antibiotique et aux barrières naturelles Lorsque la CMI augmente, la concentration doit croitre au site de l’infection

Penicillines naturelles (penicilline G, penicilline V) Peni G et Peni V obtenus par fermentation de Penicilinium chrysogenum L’interposition d’un atome d’O permet l’absorbtion digestive Spectre: - Streptocoques - Staph non bétalactamases + - Listeria - Neisseria - Leptospires - Spirochètes - Anaérobies (sf Bacteroides)

Penicillines naturelles (penicilline G, penicilline V) Gram-positive Gram-negative pen-susc S. aureus Neisseria sp. pen-susc S. pneumoniae Group streptococci Anaerobies viridans streptococci Au dessus du diaphragme Enterococcus Clostridium sp. Autres Treponema pallidum (syphilis)

Pharmacocinétique PéniG: - détruite par l’acidité gastrique - VD= 0,35L/kg - faible diffusion dans le LCR (5 à 10% des concentrations sériques) - la demie-vie étant courte (30mn): nécessité de faire 4 perfusions/24h ou en perfusion continue PeniV: - Stable en milieu acide - pic en 30-60mn - élimination rénale identique à PeniG - intervalle entre les prises: 8h Penicillines retard: - 21 jours après une injection IM de 2,4MUI, les taux sériques sont de 0,12µg/ml

Indications Infections à streptocoques - Angines: PeniV 2à3MUIx3/j pendant 10j - Erysipèle: 12 à 20 MUI/24h (traitement de référence) - Endocardites (Strepto et enterocoques) ( en association avec un aminoside), mais cela est fonction de la sensibilité à la fois à la PeniG et à l’aminoside: de 25 à 40 MUI/24h - Infections néonatales ou de l’adulte à Strepto B (en association avec la gentaline) Infections à pneumocoques: NON

Indications (2) Infections à méningocoques - Amoxicilline aussi efficace - concentrations salivaires insuffisantes n’éliminant pas le portage Syphilis - primaire: 1 seule injection d’Extencilline 2,4MUI avec xylocaine 1% - d’ancienneté >1an ou non connue ou secondaire: Idem à répéter une fois par semaine pendant 3 semaines - neurologique ou chez le patient VIH (après échec sérologique d’un traitement de 1ere ligne): 20MUI/j pendant 14 jours - congénitale: 50.000 UI/kg/j pendant 10j

Indications (3) Infections à anaérobies sus-diaphragmatiques - mais souvent multibactérien (BGN, Bactéroides...)... Chirurgie nécessaire Angine de Vincent: PeniV: 2MUI pendant 1 semaine Actinomycoses: traitement de référence. 12 à 20MUI pendant 6 semaines Infections à Listeria Pasteurella, Rouget du porc, Charbon, maladie de Lyme, Leptospirose

Indications (4) Prévention des rechutes d’érysipèle: Extencilline 2,4MUI toutes les 3 à 4 semaines 6 à 12 mois (uniquement en cas d’érysipèle récidivant) Prévention des infections pneumococciques chez le splénectomisé (organique ou fonctionnel) PeniV 1MUI/j jusqu’à 15ans ou jusqu’à 5 ans après splénectomie

oxacilline et cloxacilline Penicillinase-Resistant Pénicillines (nafcilline, oxacilline, meticilline) méticilline oxacilline et cloxacilline La chaine latérale crée un encombrement stérique qui rend l’antibiotique moins accessible aux pénicillinases du staphylocoque Il ne synthétise pas de BL Affinité pour les PLP réduite Faible activité pour les streptocoques ou entérocoques (l’amox a une sensibilité 10 fois sup à l’oxa à la PLP2a)

Penicillinase-Resistant Pénicillines (oxacilline: Bristopen, Orbénine) Developpés pour bloquer l’action de la penicillinase de S. aureus qui inactive les pénicillines naturelles Gram-positive S. aureus Meti-S ou Oxa-S

Mécanismes de résistance Synthèse d’une PLP2a additionnelle - Résistance « vraie à la méticiline » - Staph Meti-R Pourquoi le Staph meti-R est il aussi Q-R? Hyperproduction de bétalactamases - sur l’antibiogramme, le Staphylocoque est sensible à l’amoxi-clav - Cela confère une résistance de bas niveau à l’oxacilline - Pour les infections sévères, les bétalactamines, même avec un inhibiteur, ne sont pas recommandées

Pharmacocinétique Stable en milieu acide mais biodisponibilité moyenne (30-50%) Diffusion identique à la PéniG (faible dans le LCR, l’oeil ou la prostate) Pénétration moyenne dans l’os, un peu meilleure dans les articulations Elimination urinaire principalement. Demie-vie:1heure

Quel antibiotique peut on associer à la Peni M? Aminosides - bactéricidie précoce - action complémentaire - pas de synergie vraie Fosfomycine - action synergique - mais réduit la production de PLP2a chez le S. aureus Meti-S Rifampicine ou acide fusidique - association indifférente - protège l’acquisation de R à la Rifampicine - bonne diffusion tissulaire Quinolones - Prudence...(CI à la rifampicine ou en relais)

Indications Septicémies et endocardites (+ Staphylococcie maligne de la face): - 2g toutes les 6 heures (8G/j) sans dépasser 12g – durée: 6 semaines sur coeur G, 2 sur coeur droit - en association (aminosides ou rifampicine) Infections cutanées mineures (impétigo...) - 3g/j pendant 10 jours - mais pas les morsures: strepto, pasteurelles... Arthrites aigues: même doses que pour les septicémies: 2 semaines puis relais 4 semaines à la dose de 50 à 100 mg/kg/j

Aminopenicillines (ampicilline, amoxicilline) L’hydroxylation de l’amoxicilline augmente son absorbtion digestive La formulation dispersible de l’amox permet un allongement de la demie vie et autorise, dans certains cas, deux prises par jour. Elimination rénale

Aminopenicillines (ampicilline, amoxicilline) Developpés pour augmenter l’activité vis à vis des germes aérobies gram-négatifs Gram-positive Gram-negative peni-S S. aureus Proteus mirabilis Group streptococci Salmonella, Shigella viridans streptococci certains E. coli Enterococcus sp. L- H. influenzae Listeria monocytogenes

EVOLUTION DE LA RESISTANCE DU PNEUMOCOQUE

JUSQU’OU L’AMOXICILLINE SERA ACTIVE ? F Souches avec CMI > 4 mg/l s encore rares, s surtout chez l’enfant (portage - otites) s possibles chez l’adulte (observatoire du Pneumocoque 1999) F Peut-on avoir des souches plus résistantes ? s oui, au laboratoire avec CMI = 16 mg/l

Mécanismes de resistance béta-lactamases - ex: H. influenzae, bacteroides Modification des PLP - ex: pneumocoque, enterocoque, staphylocoques Modification de perméabilité - BGN

Indications Pneumonie franche lobaire aigue - 3gr/J pendant 10 à 14 jours Bronchite ou surinfection de BPCO peu sévères ?? Méningites purulentes (12 g/j) - oui pour N meningitis - pour S. pneumoniae, les recommandations sont Claforan+(fosfo ou vanco) Méningite à listéria +++ (+ aminoside) Infections Urinaires: NON Maladie de Lyme (phase primaire) Endocardites bactériennes

Carboxypenicillines (carbenicilline, ticarcilline) Addition d’un groupe carboxyl ou sulfonique Modification du comportement antibactérien: - perte de l’affinité pour les PLP des G+: faible activité sur les G+

Carboxypenicillines (ticarcilline: Ticarpen) Developpés pour augmenter l’activité vis à vis des germes aérobies gram-négatifs résistants Gram-positive Gram-negative marginal Proteus mirabilis Salmonella, Shigella certains E. coli L- H. influenzae Enterobacter sp. Pseudomonas aeruginosa

Indication Infections à Pseudomonas aeruginosa sensible - Leur fréquence est de plus en plus limité en raison des nombreux mécanismes de resistance développés par ce germe (bétalactamases; efflux...etc)

Ureidopenicillines (piperacilline, azlocilline) Developpés pour augmenter l’activité vis à vis des germes aérobies gram-négatifs résistants Gram-positive Gram-negative viridans strep Proteus mirabilis Group strep Salmonella, Shigella Enterococcus E. coli L- H. influenzae Anaerobies Enterobacter sp. FBonne activité Pseudomonas aeruginosa (sf Bacteroides) Serratia marcescens certaines Klebsiella sp.

Mécanisme d’action Leur hydrophobicité, associée au caractère mono-anionique (2 charges négatives) permettent un passage rapide à travers la membrane externe des BGN Inhibition du dernier stade de maturation du peptidoglycane (PLP3), empêchant la formation du septum lors de la division Effet inoculum in vitro: CMI plus basses lorsque l’inoculum croit. Moyennement hydrolysées par les céphalosporinases de type I des BGN ou la bétalactamase à large spectre (SHV-1)(Klebsiella) Hydrolysées par les pénicillinases (idem aminoP)

Mécanismes de résistance Modification de la perméablilité (entérobactéries: porines). Cependant le coefficient de diffusion reste élevé vis à vis de P. aeruginosa Modification de l’affinité aux PLP (S. pneumoniae) Production de béta-lactamases +++ Efflux actif (P. aeruginosa)

Associations Effet antagoniste avec l’imipénème ou la céfoxitine (fort pouvoir inducteur de céphalosporinase) avec un inhibiteur de béta-lactamase avec un aminoside: accroissement de la vitesse de bactéricidie, réduction de l’émergence de variants, meilleure pénétration dans le biofilm (P. aeruginosa) avec une fluoroquinolone: accroissement de la vitesse de bactéricidie, réduction de l’émergence de variants

Cinétique voie iv diffusion globalement identique dans les organes mais: - bonne pénétration cutanée et bronchique - faible pénétration dans le LCR (15% des taux sériques - pénétration osseuse moyenne à faible Elimination rénale (70%)

Indications De plus en plus rare en pratique courante en raison de l’écologie bactérienne Dans une stratégie de descalade après documentation bactériologique d’infections séveères à germes sensibles (infections abdominopelviennes)

Inhibiteurs de bétalactamases Acide clavulanique Tazobactam Sulbactam + + Amoxicilline Pipéracilline = = Amoxi-clav Piper-tazo (Augmentin) (Tazocilline) + Ticarcilline = Ticar-clav (Claventin) On conserve le spectre initial de l’antibiotique de base et on récupère les bactéries issues de ce spectre sécrétant des bétalactamases Ex: P. aeruginosa ( R-naturelle à l’amox, il ne peut être efficace avec son IB)

Antibacterial Antibiotics Inhibitors of Cell Wall Synthesis Figure 20.8

Mécanisme de l’inhibition les IB sont des antibiotiques de type bétalactamine Ils sont spécifiques des bétalactamases qui sont elles même des PLPs dérivés Ce sont des inhibiteurs « suicides » car leur hydrolyse conduit au blocage de la bétalactamase et leur action ne concerne pas directement la structure bactérienne

Quelles sont les bétalactamases qui intéressent les pénicillines? TEM1 et TEM2 (E. Coli, Proteus) SHV-1 (Klebsielle) Pénicillinase plasmidique: Haemophilus.... Céphalosporinase de Bactéroides Pénicillinase de S. aureus

Comment la bactérie devient elle resistante aux IB? En hyper-produisant une béta-lactamase (ex: E. Coli, S. aureus) En modifiant sa structure moléculaire (Bétalactamase de type TEM résistante aux inhibiteurs: IRT) ex: E. Coli, Klebsielle, Proteus Production de céphalosporinases

Combinaison à l’acide clavulanique (1) (Augmentin) Developpé pour augmenter l’activité de l’amoxicilline sur les souches productrices de -lactamases Gram-positive Gram-negative S. aureus H. influenzae E. coli Anaerobies Proteus sp. Bacteroides sp. Klebsiella sp. Neisseria gonorrhoeae Moraxella catarrhalis

Cinétique - Synergie L’administration conjointe ne modifie pas les paramètres cinétique de chacune des deux molécules Les concentrations et les diffusions sont parallèles dans le tissu pulmonaire et ORL L’effet synergique optimal est obtenu lorsque l’inhibiteur contrarie totalement l’activité enzymatique Si la concentration d’inhibiteur est insuffisante, à doses recommandées, le germe hyperproduit des béta-lactamases Conséquences: fractionne les doses en raison de la demie-vie courte... Augmenter les doses! mais effets II ++

Exemples de S. aureus S. aureus n°1 S. aureus n°2 S. aureus n°3 Peni R Amoxiclline R Oxacilline S Amox-clav S FQ S S. aureus n°2 Peni R Amoxiclline R Oxacilline S Amox-clav R/I FQ S S. aureus n°3 Peni R Amoxiclline R Oxacilline R Amox-clav R FQ R/S Mécanismes de resistance?

Indications les situations cliniques faisant intervenir des germes potentiellement producteurs de bétalactamases: - respiratoire: bronchopneumopathies, pneumonie d’inhalation, surinfection de BPCO sévères - ORL: sinusite, otites - cutané: morsures, plaies souillées peu sévères, (erysipèle) - infections intra-abdominales peu sévères ou documentées - Neutropénies fébriles de courte durée (en association avec Ciflox)

Combinaison à l’acide clavulanique (2) (Claventin) Récupère les P. aeruginosa uniquement producteurs de penicillinase Ses indications varient donc selon l’écologie locale sur les infections à pyocyanique ou dans les situations documentées dans une stratégie de désecalade antibiotique

Combinaison au Tazobactam (Tazocilline) Spectre - cocci G+: Strepto, Enterococcus faecalis, staph Meti-S - BGN dont P. aeruginosa+++ - Anaérobies: Bactéroides

CINETIQUE Administration iv 4g toutes les 8h ou toutes les 12h en cas de clairance diminuée VD=12litres, diffusion LCR très faible

INDICATIONS Pneumonies nosocomiales (+aminoside ou QII +/- Vanco) Péritonites et infections intra-abdominales sévères Neutropénies fébriles « a priori » de longue durée ou à risque (+ Amikacine) Infections des parties molles sévères ou pied diabétique (+/- vanco) Endométrites du post-partum ou post cesarienne

-Lactamines Effets indésirables Hypersensibilité – 3 to 10 % Incidence plus forte en cas de voie parentérale ou associée à la procaine Réactions modérées à sévères – rash jusqu’à l’anaphylaxie et décès Anticorps produits contre les éléments de dégradation ou la pénicilline elle même Réaction croisée entre les pénicillines; 4% avec les autres -lactamines Désensibilisation possible

-Lactamines Effets indésirables Neurologiques – penicillines et carbapenemes (imipenème) Principalement chez les patients receivant de fortes doses en présence d’ insuffisance rénale Irritabilité, confusion, convulsions Hematologiques Leucopenie, neutropénie, thrombocytopénie – traitement prolongé (> 2 semaines)

-Lactamines Effets indésirables Gastrointestinal Elévation des transas, nausée, vomissement, diarrhée, colite pseudomembraneuse (C. difficile) Néphrite interstitielle Infiltration cellulaire des tubules rénaux (Type IV hypersensitivity reaction – caracterisée par une élévation brutale de la créatinine; risque IRO Principalement avec la meticilline ou nafcillin