Pouvoir pathogène des microorganismes

Sommaire Introduction Les diverses stratégies écologiques des microorganismes et la situation des microorganismes pathogènes 1- Le pouvoir pathogène lié à la production de toxines 2- Le pouvoir pathogène lié au pouvoir invasif

Introduction : les diverses stratégies écologiques des microorganismes (définitions)

A/ Deux grandes catégories de stratégies écologiques : - le saprophytisme - la symbiose

Saprohytisme : vie dans l’air, l’eau, le sol sans dépendre d’un autre être vivant Se nourrissent de matières organiques en décomposition qu’ils transforment en matières minérales Symbiose : vie en association étroite de 2 ou plusieurs organismes (parfois appelé parasitisme) Commensalisme Mutualisme Pathogénicité

Commensalisme Définition : relation dans laquelle un organisme (le commensal) est avantagé alors que l'autre n'est ni lésé, ni aidé Remarque : Les bactéries commensales du corps humain préfèrent habituellement coloniser des sites spécifiques Exemple : Escherichia coli vit dans le colon chez l'homme et bénéficie des éléments nutritifs, de la chaleur, et de l'abri, mais ne provoque aucune maladie, ni aucun malaise

Mutualisme Définition : vie en association de 2 ou plusieurs organismes dans laquelle tous les membres sont avantagés Exemple : microorganismes du rumen la vache fournit l'incubateur à température, pH régulés et alimentation en cellulose et eau assurée Les microorganismes digèrent les parois cellulosiques des végétaux (ruminants ne synthétisent pas de cellulases) et produisent de nombreux métabolites assimilables par la vache.

Si cet organisme produit une maladie évidente, il est dit pathogène Parasitisme Définition : relation où un des organismes symbiotes porte atteinte ou vit aux dépens d'un autre organisme (corps de l'animal = hôte). Si cet organisme produit une maladie évidente, il est dit pathogène Pathogènes spécifiques Pathogènes opportunistes

Microorganismes pathogènes spécifiques microorganismes provoquant presque toujours une maladie spécifique même chez le sujet "sain"(ex typhoïde, choléra, tuberculose, méningite) Microorganismes pathogènes opportunistes microorganismes normalement commensaux ou saprophytes ne produisant des troubles que chez un sujet à la faveur du terrain Terrain favorable Déséquilibre de la flore normale de leur «habitat» (antibiothérapie), Affaiblissement des défenses immunitaires de l’hôte (immuno-dépression, âge, …) Migration dans un autre territoire (infections urinaires, endocardites)

Effet pathogène loin de l’endroit où se trouvent les bactéries B/ Etude expérimentale du pouvoir pathogène 1- Découverte du pouvoir pathogène de Corynebacterium diphteriae Injection de Corynebacterium diphteriae à une souris : Mort de l’animal de diphtérie Autopsie réalisée : Pas de bactéries disséminées mais uniquement localisées au point d’injection Beaucoup d’organes nécrosés Effet pathogène loin de l’endroit où se trouvent les bactéries

Pas de bactéries dans le filtrat injecté B/ Etude expérimentale du pouvoir pathogène 1- Etude de Corynebacterium diphteriae (suite) Injection d’urine filtré d’ enfant atteint de diphtérie Mort de l’animal de diphtérie Pas de bactéries dans le filtrat injecté La mort n’est pas due à des microorganismes. Présence d’un produit toxique secrété par le microorganisme et présent dans l’urine : la toxine diphtérique

B/ Etude expérimentale du pouvoir pathogène 1- Etude de Corynebacterium diphteriae (suite) Bien des années plus tard : - purification de la toxine montre qu’il s’agit d’une protéine provoquant l’inhibition de la synthèse protéique

Pas de bactéries dans le filtrat injecté B/ Etude expérimentale du pouvoir pathogène 1- Etude de Streptococcus pneumoniae Injection d’un bouillon de culture filtré absence de mort de l’animal de pneumonie Pas de bactéries dans le filtrat injecté Pas de toxine pathogène secrétée par cette bactérie

Effet pathogène des bactéries avec invasion de tout l’organisme B/ Etude expérimentale du pouvoir pathogène 2- Etude du pouvoir pathogène de Streptococcus pneumoniae Injection deStreptococcus pneumoniae capsulées à une souris : Mort de l’animal par pneumonie Autopsie réalisée : Présence de bactéries disséminées partout Injection de Streptococcus pneumoniae acapsulés absence de mort Effet pathogène des bactéries avec invasion de tout l’organisme La capsule est responsable de l’expression du pouvoir invasif

Deux grands moyens de nuire à l’hôte pour un microorganisme : - la production de toxines (= toxinogénèse) - la capacité à se répandre dans les tissus adjacents ou les autres tissus après multiplication active aux dépens des structures de l’hôte (= pouvoir invasif, parfois appelé virulence).

1- Pouvoir pathogène et toxinogénèse

1-1- Définition du terme toxine

Toxine : métabolite ou constituant cellulaire dont la libération provoque : - des troubles dans l’organisme : lésions cellulaires locales ou altérations d’activités physiologiques essentielles - l’apparition d’Ac (anticorps) spécifiques car une toxine est une macromolécule à la fois toxique et antigénique

1-2- Classification des toxines bactériennes

1-2-1- Classification biochimique Toxines protéiques Toxines lipopolyosidiques (LPS) de la membrane externe de la paroi des bactéries Gram -

1-2-2- Classification topologique Exotoxines : toxine diffusant à un moment donné de la croissance à l’extérieur de la bactérie dans le milieu environnant (correspondent le plus souvent aux toxines protéiques) Endotoxines : toxines retenues dans la cellule bactérienne et libérées à la mort de la bactérie quand la cellule est lysée (correspondent notamment aux toxines LPS)

1-3- Etude des toxines LPS

1-3-1- Caractéristiques des toxines LPS Action non spécifique : toutes les toxines LPS donnent quasiment les mêmes troubles Toxicité à une dose souvent importante Thermostable le plus souvent Immunogénicité : assez faible Impossibilité de les transformer en anatoxine (substance ayant perdu son pouvoir toxique, mais ayant conservé son pouvoir immunogène)

1-3-2- Troubles dues aux toxines LPS Faibles doses : maux de tête, malaises, fièvre, leucopénie Forts doses : choc toxique caractérisé par : Perturbations vasculaires : vasodilatations, fuite de plasma vers les tissus, hypotension et hypovolémie pouvant être mortelles Troubles de la coagulation

1-3-3- Mécanisme d’action des toxines LPS Hyperproduction des médiateurs produits normalement au cours de la réponse immunitaire : Libération exagérée de TNF a Libération exagérée d’interleukines Molécules responsables des troubles caractéristiques du choc toxique

1-4- Etude des toxines bactériennes protéiques

1-4-1- Microorganismes producteurs Essentiellement des Gram + Quelques exemples d’intérêt alimentaire Quelques bactéries Gram - Vibrio cholerae Shigella dysenteriae Staphylococcus aureus Entérotoxine staphylococcique Clostridium botulinum Toxine botulinique Clostridium perfringens Entérotoxine

1-4-2- Moment de leur libération : analyse des résultats expérimentaux

1-4-2- Moment de leur libération : analyse des résultats expérimentaux Cas a : Excrétion dans le milieu extérieur dès qu’elles sont synthétisées sans aucune altération de la structure cellulaire ni du fonctionnement de la cellule (Exotoxines vraies) Ex : entérotoxine staphylococcique toxine de Clostridium perfringens Cas b : Libération en partie par excrétion pendant la croissance et suite à la lyse cellulaire (Toxine mixte à localisation exo et endocellulaire) Ex : toxine botulinique Cas c : Libération par la lyse cellulaire (Toxines intracytoplasmiques) Ex : toxine de Shigella

Toxine protéique de Shigella 1-4-3- Les principales propriétés des toxines protéiques : 1-4-3-1- étude de l’une des propriétés Toxines bactériennes des milliers de fois plus puissantes que des poisons connus comme dangereux comme la strychnine ou l’arsenic Substance toxique Indice de toxicité Strychnine 1 Arsenic 0,03 Venin de serpent 10 LPS bactérien 0,1 Toxine diphtérique 2000 Toxine tétanique 70 000 Toxine protéique de Shigella 700 00 Toxine botulinique 700 000 1 g de toxine botulinique ou tétanique est suffisant pour tuer 10 millions de personnes

1-4-3- Les principales propriétés des toxines protéiques 1-4-3-2- Liste des propriétés essentielles Synthétisées par des bactéries spécifiques (contenant souvent un plasmide ou un prophage porteur du gène de la toxine) Souvent thermolabiles (inactivées entre 60°C et 80°C) avec une exception : l’entérotoxine staphylococcique Fort pouvoir toxique pour certaines (toxine botulinique par exemple) Induction de troubles spécifiques Fortement immunogènes Transformables en anatoxines

1-4-3- Les principales propriétés des toxines protéiques 1-4-3-3- Les anatoxines

1-4-3- Les principales propriétés des toxines protéiques 1-4-3-3- Les anatoxines Définition d’une anatoxine : toxine ayant perdu son pouvoir toxique mais ayant conservé son pouvoir antigénique Obtention d’anatoxines : action du méthanal (formol) pendant 30 à 40 jours à 40°C Intérêt des anatoxines : utilisation pour vacciner (anatoxine diphtérique, anatoxine tétanique).

1-4-3- Les principales propriétés des toxines protéiques 1-4-3-4- Conséquence du pouvoir immunogène Possibilité d’injecter l’anatoxine à des animaux (lapin, cheval….) Synthèse d’Ac spécifiques par l’animal Recueil du sang et purification des Ac contenus dans le plasma Injection possible des Ac à des personnes contaminées ou susceptibles d’être contaminées afin de leur permettre de ne pas avoir de troubles. Applications : - sérum antitétanique - sérum antibotulinique

1-4-4- Les diverses catégories de toxines protéiques en fonction de leur mécanisme d’action Neurotoxines (toxines à action spécifique sur les neurones) Toxines cytotoniques (toxines perturbant les échanges ioniques et/ ou d’eau) Toxines cytolytiques (toxines détruisant la membrane plasmique) Toxines cytotoxiques (toxines responsables de la mort cellulaire) Toxines désorganisant le cytosquelette Immunotoxines (toxines agissant sur le système immunitaire)

1-4-4-1 Les neurotoxines (action spécifique sur les neurones) : cas de la toxine botulinique

Fonctionnement normal de la synapse (jonction) neuro-musculaire Arrivée du potentiel d’action à l’extrémité de l’axone Déclenchement de la fusion des vésicules contenant le neuromédiateur (acétylcholine) avec la membrane plasmique de l’axone Libération du neuromédiateur dans l’espace synaptique Fixation du neuromédiateur sur un récepteur présent dans la membrane du myocyte Liaison provoquant un changement de conformation du récepteur induisant une ouverture du canal sodium Entrée de sodium dans le myocyte et donc déclenchement du potentiel d’action délenchant à son tour la contraction musculaire.

1-4-4-1 Les neurotoxines (action spécifique sur les neurones) : mécanisme d’action de la toxine botulinique Toxine botulinique responsable du clivage des protéines permettant la liaison des vésicules d’acétylcholine à la membrane lors de l’arrivée d’un potentiel d’action Conséquences : - Absence de liaison des vésicules à la membrane de l’axone - Pas de libération de l’acétylcholine dans l’espace intersynaptique - Absence de transmission du potentiel d’action du neurone au muscle - Absence de contraction des muscles Paralysie flasque de tous le corps et mort de la personne par asphyxie (paralysie des muscles respiratoires)

novembre 2006 Cellule procaryote

1-4-4-2- Toxines cytotoniques (exemple : toxine cholérique) Toxine active sur une protéine : protéine G Activation par la protéine G de l’adénylate cyclase Augmentation du taux d’AMP cyclique Action sur le canal chlorure Absence d’absorption par la cellule des ions chlorures Entrainement hors de la cellule de charges positives (sodium) Sortie massive d’eau par compensation osmotique, d’où diarrhée massive aqueuse

Lit pour personnes souffrant de choléra

Lit pour personnes souffrant de choléra

1-4-4-3- Toxines cytolytiques: toxines provoquant la lyse des cellules Toxine agissant en formant des pores dans la membrane cellulaire Soit suit à une activité phospholipasique : lécithinase de Staphylococcus aureus Doit suite à une activité de perforine (après action sur le cholestérol membranaire) : listériolysine

1-4-4-4- Toxines cytotoxiques : toxines provoquant la mort de la cellule Exemple toxine diphtérique Mode d’action de la toxine : blocage de la traduction absence de protéines structurales et enzymatiques Mort de la cellule

1-4-4-5- Toxines désorganisant le cytosquelette Exemple toxine des EPEC Mode d’action de la toxine : Fixation de la toxine sur l’entérocyte Disparition des microvillosités Disparition des jonctions serrées Perte de l’étanchéité de l’épithélium Fuite des constituants cellulaires Diarrhée

1-4-4-6- Immunotoxines Exemple entérotoxine staphylococcique Mode d’action de la toxine : Stimulation anormale du système immunitaire (superantigène) Production d’une quantité excessive d’interleukines Voir présentation de TP : intoxinations

Existence de toxines microbiennes autres que les toxines bactériennes : Phytotoxines Mycotoxines (aflatoxines, ochratoxines……..)

2- Pouvoir invasif et facteurs l’influençant

Pouvoir invasif = capacité d’un agent pathogène à envahir les tissus stériles de l’individu. Possibilité de deux types d’invasion non exclusifs : Invasion intracellulaire (Listeria, Salmonella, virus…) Invasion extracellulaire (Clostridium perfringens, Pneumocoque…)

2-1- Les diverses étapes et les facteurs de pathogénicité mis en jeu

Avec nécessité de résister - Etape de pénétration dans l’organisme - Etape d’adhésion : fixation sur une structure de l’hôte et de colonisation - Etape de pénétration dans les cellules et tissus de l’hôte Etape de multiplication. Avec nécessité de résister aux défenses de l’hôte

2-1-1- Pénétration 3 grandes voies de pénétration : - voie aérienne - voie digestive - voie cutanéo-muqueuse (dont la voie sexuelle)

2-1-2- Adhésion à un constituant de l’hôte 2-1-2-1- Rôle Attachement du microorganisme aux muqueuses digestive, respiratoire et urogénitale afin d’empêcher son expulsion mécanique (assurée notamment par battement des cils, péristaltisme intestinal…). Etape dépendant de la capacité du pathogène à concurrencer avec succès la microflore normale de l’hôte pour les éléments nutritifs

2-1-2- Adhésion à un constituant de l’hôte 2-1-2-2- Structures responsables Fimbriae Pili Capsule Adhésines de surface Couche S, glycocalyx Acides teichoïques et lipoteichoïques de la paroi

2-1-2- Adhésion à un constituant de l’hôte 2-1-2-3- Mécanismes - Cas 1 : interaction entre fimbriae, pili, polyosides capsulaires et récepteurs présents sur certaines cellules de l’hôte (= fixation spécifique) - Cas 2 : interaction électrostatique entre certains constituants superficiels (du microorganisme et des constituants de la membrane plasmique de la cellule hôte (= fixation non spécifique)

2-1-3- Pénétration dans les cellules et les tissus 2-1-3-1- Pénétration dans les cellules Pénétration active : par production de substances lytiques altérant les tissus de l’hôte par désorganisation de la surface cellulaire Pénétration passive par passage par de petites lésions dans une membrane, par endocytose……

2-1-3- Pénétration dans les cellules et les tissus 2-1-3-2- Pénétration dans les tissus A partir de la pénétration dans une cellule, possibilité d’atteinte de tissus plus profonds et de dissémination dans tout l’organisme du fait de la production d’enzymes ou de substances facilitant la propagation : - lécithinase, hyaluronidase, coagulase, hémolysine, collagénase……

2-1-4- Multiplication Nécessité pour le microorganisme de trouver chez l’hôte un environnement favorable à sa multiplication : éléments nutritifs, pH adéquat, température adéquate…. Conséquence : - certains ne peuvent se multiplier que dans certaines cellules spécifiques de l’hôte - certains se multiplient activement dans le plasma sanguin où ils rejettent leurs déchets métaboliques toxiques, d’où septicémie

2-2- Les mécanismes de résistance à la défense de l’hôte

novembre 2006 Cellule procaryote

novembre 2006 Cellule procaryote

novembre 2006 Cellule procaryote

- Résistance à l’immunité non spécifique * Résistance à la phagocytose * Résistance au complément - Résistance à l’immunité spécifique

2-2-1- Résistance à la phagocytose

2-2-1- Résistance à la phagocytose Phagocytose = processus d’endocytose par lequel des macrophages ou des granulocytes neutrophiles capturent des microorganismes dans une vésicule d’endocytose, puis les détruisent par digestion lysosomiale. Résistance des microorganismes par : Inhibition du chimiotactisme des cellules phagocytaires Inhibition de l’attachement du microorganisme sur la cellule phagocytaire Résistance à la digestion lysosomiale Absence de destruction du microorganisme

2-2-2- Résistance aux composants du complément Complément = ensemble de protéines plasmatiques intervenant en complément des anticorps pour détruire les microorganismes Résistance au complément par : - la sécrétion d’enzymes protéolytiques (Pseudomonas aeruginosa) qui détruisent les protéines du complément - ou par leur paroi (capsule, lipopolysaccharide, protéines de la membrane externe) empêchant le composant C3 du complément de se fixer à la bactérie. Absence de destruction du microorganisme

2-2-2- Résistance aux composants du complément

2-2-3- Résistance à l’immunité spécifique Mécanisme - Variation antigénique du microorganisme : anticorps présents incapables de s’unir à l’antigène - Similitude des Ag du microorganisme avec les Ag de l’hôte - Sécrétion d’IgA protéases par le microorganisme

2-3- Les facteurs de l’hôte favorisant l’agression

- Facteurs immunitaires L’âge L’état physiologique et hormonal Les facteurs génétiques Les facteurs environnementaux

2-3-1- Facteurs immunitaires Mécanisme - Barrières naturelles (cutanées ou muqueuses) altérées : pénétration possible des bactéries à travers la peau et les muqueuses - Immunodépression naturelle ou acquise : pas d’inactivation du microorganisme Cas particulier : l’âge car Chez les jeunes enfants le système immunitaire n’est pas complètement mature Chez les personnes âgées, le système immunitaire a perdu son efficacité

2-3-2- Etat physiologique et hormonal - Malnutrition, traitement médicamenteux….. * diminuent la réponse immunitaire * favorisent doncl’infection

2-3-2- Etat physiologique et hormonal - Malnutrition, traitement médicamenteux….. * diminuent la réponse immunitaire * favorisent donc l’infection

2-3-3- Facteurs environnementaux - Pollution atmosphérique - Conditions climatiques - Surpopulation, mauvais niveau d’hygiène, insalubrité de l’habitat Facteurs favorisant l’infection

Conclusion

- Pouvoir pathogène : capacité d’un microorganisme d’induire des changements pathologiques ou une maladie. - Virulence correspondant à l’intensité du pouvoir pathogène. - Pouvoir pathogène exercé par * l’invasion de l’organisme hôte * et / ou la production de toxines - Induction de maldies par certaines toxines en l’absence du microorganisme toxinogène