Bactériologie Médicale : Cours Complet

Bactériologie Médicale : Concepts Fondamentaux et Applications

Ce cours de bactériologie médicale, dispensé par le Pr. Abdoulaye MAKANERA, est destiné aux étudiants des 3^ème et 4^ème années des études médicales, pharmaceutiques et biologiques. Il couvre les aspects généraux et spécifiques des bactéries, leur physiologie, génétique, ainsi que les méthodes de lutte contre les infections bactériennes.

I- Introduction à la Bactériologie

1. Définition et Caractéristiques Générales des Bactéries

Les bactéries sont des organismes microscopiques unicellulaires classés parmi les procaryotes. Contrairement aux cellules eucaryotes, elles sont dépourvues de membrane nucléaire. Les procaryotes incluent les bactéries et les Cyanophycées (algues bleues).

• Distinction avec les Archées : Jusqu'en 1990, les bactéries étaient divisées en eubactéries ("vraies" bactéries) et archéobactéries. Des études de biologie moléculaire sur l'ARN ribosomique 16S ont montré que certaines archéobactéries (méthanogènes, thermophiles et halophiles extrêmes) diffèrent autant des eubactéries que des eucaryotes. Woese a donc proposé en 1990 de classer les archéobactéries dans un taxon primaire distinct : les Archea.

• Taille : Les cellules bactériennes sont généralement de petite taille, avec des diamètres de quelques micromètres.

• Formes : Les bactéries présentent une grande diversité de formes :

  • Coques (cocci) : Sphériques (ex: Streptococcus).

  • Bâtonnets (bacilles) : En forme de bâtonnet (ex: Bacillus).

  • Filaments enroulés en spirale : (ex: Spirillum).

  • Incurvés en virgule : (ex: Vibrion).

  • En hélice (spirochètes) : (ex: Spirochaeta).

2. Ultrastructure d'une Cellule Bactérienne

La structure interne des bactéries n'est visible qu'au microscope électronique.

a. Cytoplasme et Matériel Génétique

• Chromosome : Contient un brin d'ADN circulaire double, généralement unique.

• Ribosomes : Nombreux dans le cytoplasme.

• Plasmides : Molécules d'ADN circulaires plus petites que le chromosome, non essentielles à la multiplication bactérienne en environnement favorable. Cependant, elles peuvent conférer des avantages sélectifs (ex: gènes de résistance aux antibiotiques, aux métaux lourds, ou gènes de pathogénicité).

b. Membrane Cytoplasmique

La membrane cytoplasmique contrôle les échanges cellulaires avec l'extérieur. Elle contient le système de transport des électrons, des récepteurs spécifiques et joue un rôle important dans la réplication et la division du matériel nucléaire.

c. Paroi Bactérienne

La paroi est une structure rigide responsable de la forme bactérienne et de sa résistance à la lyse osmotique. Elle est présente chez toutes les bactéries, sauf les Mycoplasmes et les Chlamydia. La coloration de Gram distingue deux grands groupes de bactéries selon la structure de leur paroi :

• Bactéries à Gram positif (Gram+) : Leur paroi contient une couche épaisse de peptidoglycanes, parfois recouverte de polysaccharides, protéines et acides téichoïques. Elles retiennent le violet de Gentiane après traitement à l'alcool et apparaissent violettes ou bleues.

• Bactéries à Gram négatif (Gram-) : Leur paroi est plus complexe, avec une couche plus mince de peptidoglycanes, souvent entourée d'une membrane externe riche en lipides et en lipopolysaccharides (LPS). Les LPS sont constitués d'une partie lipidique (lipide A, toxique) et d'une partie polysaccharidique (antigène O, antigénique). L'alcool rend leur paroi perméable, elles perdent le violet de Gentiane et sont colorées en rouge ou rose par la fuchsine/safranine.

d. Capsule

Certaines bactéries possèdent une capsule qui recouvre la paroi. Souvent épaisse et de nature polysaccharidique (plus rarement polypeptidique), elle peut jouer un rôle important dans le pouvoir pathogène en empêchant la phagocytose. La capsule est à la base de la formation de biofilms.

e. Structures de Mobilité et Adhésion

• Flagelles : Structures protéiques permettant la mobilité. Leur disposition varie :

  • Péritriche : Disposés tout autour de la bactérie.

  • Monotriche : Un seul flagelle à un pôle.

  • Amphitriche : Un flagelle à chaque pôle.

  • Lophotriche : Plusieurs flagelles à un ou aux deux pôles.

• Pili (ou fimbriae) : Éléments rigides et plus courts que les flagelles, de nature protéique. Ils interviennent dans les interactions avec d'autres bactéries ou cellules eucaryotes (ex: pili sexuels pour la conjugaison).

f. Spores

Certaines bactéries à Gram positif (notamment Clostridium et Bacillus) peuvent former des spores en conditions défavorables (pénurie de nourriture, pH/température extrêmes, dessiccation, désinfectants). Les spores sont des structures très résistantes à la dessiccation et à la chaleur, permettant la survie prolongée des bactéries. Dans des conditions favorables, elles redonnent naissance à des formes végétatives.

II- Physiologie Bactérienne

1. Multiplication Bactérienne

Les bactéries se multiplient par scissiparité (division binaire). Le rythme de multiplication est rapide en conditions favorables (nutriments, température, pH, pression osmotique, oxygène, absence d'inhibiteurs).

a. Cultures Bactériennes

Les bactéries sont cultivées sur des milieux complexes (extraits ou hydrolysats de viande), liquides ou solides. L'ajout de gélose solidifie les milieux de culture. Une faible quantité de bactéries inoculées sur milieu solide forme des colonies séparées ; une grande quantité forme une nappe confluente. En milieu liquide, les bactéries se dispersent et rendent le liquide trouble.

b. Cinétique de la Croissance Bactérienne en Milieu Liquide

La croissance peut être suivie par turbidimétrie ou dénombrement des unités formant colonie (CFU).

1. Phase de latence : Les bactéries s'adaptent au milieu, la multiplication est minime.

2. Phase de croissance exponentielle : Multiplication maximale, décrite par l'équation .

   • : nombre de bactéries au temps .

   • : nombre initial de bactéries.

   • : constante de croissance (nombre de dédoublements par unité de temps).

   • Le temps de doublement pour la plupart des bactéries pathogènes humaines est d'environ 30 minutes.

3. Phase stationnaire : La multiplication ralentit et le nombre de bactéries reste constant, le milieu commençant à s'épuiser.

4. Phase de décroissance : Diminution du nombre de bactéries due à l'épuisement des nutriments et/ou l'accumulation de déchets toxiques.

2. Besoins Nutritifs

Les besoins varient selon les espèces : eau, source de carbone, ions minéraux (K+, Mg2+, phosphates), azote, soufre, oligoéléments (fer, Co2+, Mn2+, Zn2+) et facteurs de croissance.

• Bactéries autotrophes : Capables de synthétiser tous leurs constituants à partir des éléments de base.

• Bactéries hétérotrophes : Incapables de synthétiser certains constituants (ex: acides aminés, enzymes) et nécessitent qu'ils soient fournis dans le milieu de culture.

Le transport des petites molécules à travers la membrane cytoplasmique et la membrane externe (chez les Gram-) peut être passif ou actif (via des perméases).

3. Conditions Physico-Chimiques

• Température :

  • La plupart des bactéries pathogènes ont une température optimale de croissance d'environ 37°C.

  • Psychrophiles : Peuvent se multiplier à basse température (<0°C), comme Listeria, expliquant la contamination d'aliments réfrigérés.

  • Thermophiles : Se multiplient à des températures >45°C (bactéries environnementales).

  • Les bactéries non sporulées sont généralement tuées au-dessus de 60°C.

  • Mésophiles : Se multiplient entre 10 et 45°C.

• pH :

  • Les pH optimaux de croissance sont proches de la neutralité (pH = 7) pour la plupart.

  • Certaines croissent entre pH 5,5 et 9.

  • Acidophiles : Croissent à pH bas (jusqu'à pH 1).

  • Alcalinophiles : Croissent à pH élevés.

• Pression Osmotique : La paroi bactérienne confère une résistance relative aux variations. Les fortes concentrations de NaCl ou de sucre inhibent la croissance, ce qui est utilisé dans l'industrie alimentaire. Les halophiles nécessitent une concentration minimale de sel.

• Oxygène :

  • Aérobies strictes : Nécessitent de l'oxygène pour cultiver.

  • Anaérobies strictes : Ne peuvent cultiver qu'en absence d'oxygène.

  • Aéro-anaérobies facultatives : Cultivent avec ou sans oxygène (les plus fréquentes en pathologie).

  • Micro-aérophiles : Nécessitent une faible pression d'oxygène.

4. Métabolisme

Les bactéries sont classées selon leur type de métabolisme :

• Métabolisme oxydatif ou respiratoire : Dégradation complète du glucose via le cycle de Krebs, avec l'oxygène comme accepteur final d'électrons. Le système de transport d'électrons est membranaire.

• Métabolisme fermentatif : Dégradation incomplète du glucose aboutissant à la formation de composés organiques (essentiellement des acides organiques), en l'absence d'oxygène.

III- Bactériophages

1. Définition et Structure

Les bactériophages (phages) sont des virus qui infectent les bactéries. Ils sont constitués d'une molécule d'acide nucléique (ADN ou ARN) formant leur génome, entourée d'une capside protéique. Ils possèdent une "tête" et une "queue".

2. Cycle de Vie

Comme tous les virus, les phages sont des parasites intracellulaires obligatoires, incapables de réplication autonome. Ils utilisent l'équipement enzymatique de la cellule hôte.

• Phages virulents (lytiques) : L'infection bactérienne entraîne la multiplication virale, la lyse de la bactérie et la libération de nouveaux virions (ex: phages T2, T4 chez E. coli).

• Phages tempérés : N'entraînent pas systématiquement la lyse. Ils peuvent intégrer leur ADN dans le génome bactérien et persister au fil des générations (lysogénie). Le prophage est transmis à la descendance de la bactérie lysogène, offrant un avantage stratégique pour la persistance du phage.

IV- Génétique Bactérienne

Les modifications du patrimoine génétique bactérien sont cruciales en bactériologie médicale car elles affectent le pouvoir pathogène et la résistance aux antibiotiques.

1. Mutations

Les mutations sont des altérations du génome bactérien. La substitution d'un nucléotide est la plus fréquente ; des délétions ou insertions peuvent aussi survenir. Les mutations sont rares ( à ) mais héréditaires (transmission verticale) et peuvent être réversibles.

2. Transposons (Gènes Sauteurs)

Ce sont des éléments génétiques mobiles fréquents chez les bactéries. Ce sont des séquences d'ADN de longueur variable, flanquées de séquences répétitives inverses qui permettent leur excision. Une fois excisé, un transposon peut se réinsérer sans homologie de séquence dans un site variable du chromosome ou d'un plasmide, entraînant délétions, insertions ou réarrangements. Les transposons portent souvent des gènes de résistance aux antibiotiques.

3. Transfert Horizontal de Gènes

Les bactéries n'ont pas de reproduction sexuée, mais elles transfèrent du matériel génétique par trois mécanismes :

• Conjugaison :

  Transfert unidirectionnel d'ADN, généralement plasmidique, d'une bactérie donneuse à une bactérie réceptrice via un "accouplement". C'est le mécanisme le plus fréquent dans la nature.

  • Structures : Les pili sexuels chez les bactéries à Gram (-) et les adhésines chez les bactéries à Gram (+) permettent l'accouplement.

  • Concerne principalement les plasmides : Molécules d'ADN circulaire, bicaténaire, extrachromosomiques, à réplication autonome. Les plasmides peuvent porter des gènes de résistance aux antibiotiques et aux métaux lourds.

  • Les plasmides conjugatifs peuvent transférer en bloc des gènes de résistance, contribuant à leur diffusion rapide dans les populations bactériennes (transfert horizontal).

• Transformation :

  Des fragments d'ADN bactérien libre (libérés lors de la lyse bactérienne, par exemple) pénètrent dans des bactéries réceptrices et s'intègrent à leur propre ADN par recombinaison. Ce processus se produit entre bactéries de même espèce ou d'espèces apparentées (ex: genres Neisseria, Streptococcus, Haemophilus).

• Transduction :

  Transfert d'ADN bactérien via un bactériophage. Le phage injecte son acide nucléique dans la bactérie. S'il est lytique, il provoque la lyse ; s'il est tempéré, il intègre son ADN dans le génome bactérien (lysogénie) et se réplique avec le chromosome.

V- Antibiotiques

1. Historique et Définition

La découverte de la pénicilline par Alexander Fleming en 1928 (redécouverte après Ernest Duchesne) a révolutionné la thérapeutique. Un antibiotique est une substance (produite par des microorganismes ou synthétique) capable d'empêcher la croissance (action bactériostatique) ou de tuer les bactéries (action bactéricide), sans toxicité pour les cellules hôtes.

2. Mécanismes d'Action des Antibiotiques

Les antibiotiques ciblent des processus vitaux spécifiques aux bactéries, permettant une toxicité sélective. Les cinq mécanismes principaux sont :

1. Inhibition de la synthèse de la paroi bactérienne : Affecte la structure essentielle à l'intégrité bactérienne.

2. Inhibition de la synthèse des protéines : Cible les ribosomes bactériens (différents de ceux des eucaryotes).

3. Inhibition de la synthèse des acides nucléiques : Interfère avec la réplication ou la transcription de l'ADN/ARN bactérien.

4. Altération de la membrane cytoplasmique : Perturbe l'intégrité de la membrane, essentielle aux échanges cellulaires.

5. Activité antimétabolite ou antagonisme compétitif : Bloque des voies métaboliques essentielles à la bactérie.

3. Principales Familles d'Antibiotiques

• 1. Bêta-lactamines : Famille la plus utilisée due à leur spectre d'action, pharmacocinétique, excellente tolérance et large disponibilité.

  • Comprend : pénames, oxapénames, carbapénèmes (ex: imipénème), céphèmes, céphamycines, oxacéphèmes, monobactames (ex: aztréonam).

  • Exemples de pénicillines : Pénicilline G, V, M, ampicilline, amoxicilline, oxacilline.

  • Exemples de céphalosporines (céphèmes) : céfalotine, céfotaxime, ceftriaxone.

• 2. Aminosides (ou aminoglycosides) : Ex: gentamicine, tobramycine, amikacine.

• 3. Cyclines : Ex: tétracycline, doxycycline.

• 4. Phénicolés : Ex: chloramphénicol, thiamphénicol.

• 5. Macrolides, lincosamides, streptogramines :

  • Macrolides : érythromycine, azithromycine.

  • Lincosamides : lincomycine, clindamycine.

  • Streptogramines : pristinamycine.

• 6. Polypeptides : Ex: bacitracine, polymyxine B, colistine.

• 7. Sulfamides et associations : Ex: sulfamides, triméthoprime.

• 8. Quinolones : Ex: acide nalidixique, ciprofloxacine, ofloxacine.

• 9. Divers : Ex: rifampicine, vancomycine, fosfomycine.

4. Mécanismes de Résistance Bactérienne aux Antibiotiques

La résistance peut être naturelle ou acquise.

• Résistance naturelle : Caractéristique intrinsèque à une espèce ou un genre bactérien (toutes les souches y sont résistantes.

• Résistance acquise : Apparaît chez une souche initialement sensible, souvent via mutation ou transfert horizontal de gènes.

Plusieurs mécanismes confèrent cette résistance :

1. Inactivation de l'antibiotique par une enzyme :

   • Bêta-lactamases : inactivent les bêta-lactamines (hydrolyse ou inhibition).

   • Enzymes inactivant les aminosides : acétyltransférases, nucléotidyltransférases, phosphotransférases.

   • Enzymes inactivant le chloramphénicol, les macrolides, les lincosamides et les synergistines.

2. Efflux actif de l'antibiotique : Pompes qui expulsent l'antibiotique hors de la bactérie.

3. Présence d'une enzyme alternative : La bactérie utilise une autre enzyme pour la fonction biologique inhibée par l'antibiotique.

4. Modification de la cible : L'antibiotique ne peut plus se fixer ou agir efficacement sur sa cible (paroi, ribosome, etc.).

5. Imperméabilité ou diminution de la perméabilité : La membrane bactérienne devient moins perméable à l'antibiotique, réduisant sa concentration intracellulaire.

VI- Antiseptiques

Un antiseptique est une substance qui tue ou prévient la croissance des microorganismes (bactéries, virus, champignons) sur les surfaces externes du corps. Ils se distinguent des antibiotiques car ils agissent localement et non à l'intérieur du corps. Utilisés pour désinfecter plaies, brûlures et lésions cutanées.

Chaque antiseptique a des propriétés, indications et contre-indications spécifiques. Il n'existe pas d'antiseptique universel. Une mauvaise utilisation peut entraîner des intoxications, notamment chez les enfants.

Principales Familles d'Antiseptiques

1. Colorants : Utilisés pour l'effet asséchant. Ex: éosine aqueuse/alcoolique, solution de Milian. Inconvénients: tâchent la peau et le linge.

2. Alcools : L'alcool à 70° est la dilution la plus efficace (90° est moins efficace). Ex: alcool à 70°, alcool camphré (ne pas utiliser à fortes doses chez l'enfant). Inconvénients: dessèche la peau, pique, inflammable, ne s'applique pas sur les muqueuses.

3. Dérivés iodés : Conviennent aux plaies et brûlures superficielles. Ex: Bétadine, alcool iodé. Inconvénients: ne pas associer au mercure, à éviter en cas d'allergie, chez la femme enceinte et les enfants.

4. Biguanides : Utilisés pour l'antisepsie cutanée et muqueuse, bien tolérés. Ex: Biseptine, Septéal, Hibitane. Inconvénients: inactivés par le savon, ne pas utiliser dans les lavages d'oreilles.

5. Agents de libération des halogènes (dérivés chlorés) : Utilisés pour l'antisepsie cutanée et muqueuse. Ex: Dakin Cooper, Amukine. Inconvénients: peuvent être irritants.

6. Diamidines : S'utilisent pour l'asepsie de la peau et des muqueuses, bien tolérées. Ex: Hexomédine, Hexaseptine. Inconvénients: l'utilisation fréquente sur les muqueuses est à éviter en raison de l'alcool.

7. Ammoniums quaternaires : Asepsie des plaies superficielles, effet détergent. Inconvénients: ne pas mettre dans les yeux ou les oreilles, inactivés par le savon.

8. Dérivés du phénol (Savons antiseptiques) : Antisepsie de la peau et des muqueuses. Ex: Septivon. Inconvénients: ne pas utiliser avec de l'eau très chaude (formation de composés toxiques).

9. Dérivés mercuriels : Traitement d'appoint des affections cutanées infectées. Ex: dermachrome. Inconvénients: ne pas associer aux antiseptiques iodés.

10. Oxydants : Ex: eau oxygénée (H₂O₂), permanganate de potassium (KMnO₄). Effet hémostatique et nettoyant. Inconvénients: desséchants, H₂O₂ est caustique, KMnO₄ tâche la peau et le linge.

VII- Méthodes de Stérilisation

La désinfection et la stérilisation sont essentielles pour prévenir les infections en milieu sanitaire. Les agents physiques sont primordiaux en stérilisation, tandis que les agents chimiques (germicides) sont utilisés pour la désinfection.

1. Définitions Clés

• Asepsie : Absence totale de microorganismes contaminants dans un environnement, sur un matériel ou une surface.

• Antisepsie : Procédure de destruction des microorganismes existants sur un organisme vivant (peau, muqueuses), une surface ou un objet.

• Stérilisation : Ensemble de procédures visant à détruire toutes les toxines et tous les microorganismes (vivants, y compris les spores) dans un local, une substance ou sur un instrument. Elle est réalisée par des procédés physiques (chaleur, radiations UV) ou chimiques (antiseptiques). Un objet stérile est entièrement exempt de germes vivants.

• Désinfection : Destruction des microorganismes dans un lieu, sur un objet ou une partie externe du corps. Elle ne conduit pas nécessairement à la stérilisation.

2. Procédés de Stérilisation

Deux groupes de procédés sont couramment utilisés :

• Procédés par agents physiques : Chaleur et radiations.

• Procédés par agents chimiques.

a. Stérilisation par la Chaleur

Les facteurs essentiels sont le degré thermique (température), le temps d'exposition et la pénétration complète de la chaleur.

• Autoclavage (vapeur d'eau sous pression) :

  • Procédé de sécurité très efficace.

  • La température dépend de la pression de vapeur (ex: 1 kg de pression = 120°C).

  • La durée varie selon la nature des objets à stériliser.

• Stérilisation par ébullition :

  • Procédé d'urgence, moins efficace que l'autoclavage.

  • L'ajout de 2% de borate ou carbonate de soude élève le point d'ébullition à 104-106°C.

  • L'ébullition doit être maintenue 20 à 30 minutes.

• Chaleur sèche : Four Pasteur (air chaud), flamme (flambage stérile), incinération.

Réflexions et Applications Pratiques

• La compréhension des mécanismes de résistance aux antibiotiques est cruciale pour développer de nouvelles stratégies thérapeutiques et prévenir la propagation des souches résistantes.

• Le respect des protocoles d'asepsie, d'antisepsie et de stérilisation est fondamental en milieu médical pour rompre la chaîne de transmission des infections.

• Les différentes sensibilités bactériennes aux facteurs environnementaux permettent d'exploiter des méthodes de conservation des aliments et de contrôle de la croissance microbienne.