Antibiotiques

Ce document présente une synthèse complète sur les antibiotiques, incluant leur définition, classification, modes d'action, mécanismes de résistance, et méthodes d'étude *in vitro*.

I- Définition et classification

1. Définition

• Les antibiotiques sont des agents strictement antibactériens.

• Leur action repose sur une toxicité sélective :

  • Inhibition ou destruction de la bactérie.

  • Peu ou pas de préjudices pour l'hôte.

• Ils agissent lentement mais sont efficaces à de faibles concentrations.

• Leur innocuité et leur forte efficacité permettent une administration par voie générale.

• Ils peuvent être d'origine naturelle ou synthétique.

Champs d'efficacité et modes d'action

• Champs d'efficacité :

  • Spectre étroit : efficacité limitée à certaines espèces bactériennes.

  • Spectre large : efficace contre de nombreux types bactériens.

• 2 modes d'action :

  • Bactériostatiques : inhibent la croissance bactérienne.

  • Bactéricides : entraînent la mort des micro-organismes.

• Pour être actif, un antibiotique doit :

  • Posséder une cible accessible.

  • Exister sous une forme active.

  • Interagir efficacement avec sa cible.

2. Classification

• La classification des antibiotiques est basée sur leur structure chimique.

• Cette structure détermine leurs propriétés :

  • Bactériologiques

  • Pharmacologiques

  • Toxicologiques

• Il existe 12 familles d'antibiotiques + 2 antibiotiques isolés :

  • Bêta-lactamines

  • Aminosides

  • Macrolides-Lincosamides-Streptogramines (MLS)

  • Quinolones

  • Glycopeptides

  • Tétracyclines

  • Phénicolés

  • Sulfamides/Triméthoprime

  • Polypeptides

  • Rifamycines

  • Nitro-imidazolés

  • Nitrofuranes

  • Fosfomycine (isolé)

  • Acide fusidique (isolé)

II- Mode d'action des antibiotiques

Le mode d'action des antibiotiques vise spécifiquement des processus vitaux bactériens, distincts de ceux des cellules eucaryotes, assurant ainsi leur toxicité sélective.

1. Inhibiteurs de la synthèse du peptidoglycane

Ces antibiotiques agissent à différentes étapes de la synthèse du peptidoglycane, une composante essentielle de la paroi bactérienne.

a) Inhibition de l'étape cytoplasmique (le cytoplasme)

• Fosfomycine :

  • Spectre : large (Gram+ et Gram-).

  • Effet : bactéricide.

  • Inhibe la première étape de la synthèse en se liant à la pyruvyl-transférase, bloquant la synthèse de l'UDP-NAM et arrêtant ainsi la synthèse du peptidoglycane.

• Cyclosérine :

  • Appartient aux oxazolidinones.

  • Cible Mycobacterium tuberculosis.

  • Inhibe la conversion enzymatique de la L-alanine en D-alanine.

b) Inhibition de l'étape membranaire (la MP)

• Bacitracine :

  • Mélange de polypeptides.

  • Cible les bactéries Gram+.

  • Effet : bactéricide.

  • Forme un complexe avec le transporteur lipidique, inhibant sa déphosphorylation.

c) Inhibition de l'étape pariétale (la paroi)

• Glycopeptides (Vancomycine, Teicoplanine) :

  • Ne traversent pas les membranes cellulaires.

  • Cible les bactéries Gram+.

  • Effet : lentement bactéricide.

  • Se lient aux D-alanines des pentapeptides, inhibant les transglycosylations et les transpeptidations, et bloquant la polymérisation du peptidoglycane.

• Bêta-lactamines (Pénicillines, Carbapénèmes, Monobactames, Céphalosporines, inhibiteurs de la bêta-lactamase) :

  • Spectre : variable.

  • Ciblent des structures à l'extérieur de la membrane cytoplasmique.

  • Effet : bactériostatique ou bactéricide.

  • Agissent comme des analogues de la liaison terminale D-alanine-D-alanine, inhibant les PLP (protéines de liaison à la pénicilline) et par conséquent la transpeptidation.

2. Action sur les membranes

Ces antibiotiques, agissant comme des détergents cationiques, déstabilisent la double couche phospholipidique de la membrane bactérienne, entraînant la fuite des constituants intracellulaires et la mort de la bactérie. Ils sont tous bactéricides.

3. Inhibiteurs de synthèse protéique

Ces antibiotiques ciblent les ribosomes bactériens (70S), qui sont structurellement différents des ribosomes eucaryotes (80S), conférant ainsi une toxicité sélective.

a) Sous-unité ribosomale 30S

• Aminosides (Streptomycine, Kanamycine, Gentamycine...) :

  • Spectre : très large (y compris certaines microbactéries).

  • Effet : bactéricide rapide et intense.

  • Se fixent sur la zone d'attachement de l'ARNt et des facteurs d'initiation, la zone d'interaction codon-anticodon, et l'extrémité de l'ARNr 16S.

  • 3 Conséquences :

    • Inhibition de l'initiation de la synthèse protéique.

    • Erreurs de lecture de l'ARNm, conduisant à l'incorporation d'acides aminés erronés et à des protéines peu ou non fonctionnelles.

    • Inhibition de la translocation.

• Tétracyclines :

  • Spectre : large.

  • Effet : bactériostatique.

  • ((Molécule comportant 4 cycles carbonés, de lipophilie variable.))

  • Se fixent au niveau du site A du ribosome 30S, inhibant la fixation des aminoacyl-ARNt et bloquant ainsi l'élongation de la chaîne protéique.

b) Sous-unité ribosomale 50S

• Macrolides-Lincosamides-Streptogramines (MLS) : (Érythromycine, Lincomycine, Clindamycine, Pristinamycine)

  • Chaque sous-famille a une structure différente.

  • Ciblent les bactéries Gram+, inefficaces contre les Gram-.

  • Effet : bactériostatique pour les macrolides et lincosamides, bactéricide pour les streptogramines.

  • Le site de fixation est le même (sur l'ARNr 23S), mais les actions diffèrent :

    • MLSb : Voisinage du site P, entraînant une faible interaction ribosome-peptide donc dissos donc relargage prématuré du peptide-ARNt, produisant des protéines incomplètes.

    • Lincosamides : Inhibent la fixation des aminoacyl-ARNt et la formation de la liaison peptidique.

    • Streptogramines : Inhibent la liaison peptidique.

• Phénicolés (Chloramphénicol, Thiamphénicol) :

  • Petites molécules hydrophiles qui traversent facilement les membranes.

  • Spectre : large.

  • Effet : bactériostatique.

  • Se fixent au niveau du site A de l'ARNr 23S, empêchant la reconnaissance de l'aminoacyl-ARNt et inhibant la liaison peptidique.

  • Sont très toxiques et utilisés de manière limitée, principalement pour les méningites bactériennes car ils franchissent la barrière hémato-encéphalique.

c) Ribosome 70S

• Acide fusidique :

  • Spectre : étroit, ciblant les bactéries Gram+ (Staphylococcus et Clostridies). Utilisé pour les infections à staphylocoques.

  • Effet : bactériostatique.

  • Se fixe sur le facteur d'élongation EF-G, stabilisant le complexe ribosome-GDP-EF-G. Cela bloque la translocation et épuise le facteur d'élongation, arrêtant la synthèse protéique.

4. Inhibiteurs des acides nucléiques

a) Inhibition de la synthèse d'ADN bactérien

• Quinolones / Fluoroquinolones :

  • Spectre : élargi aux Gram- et aux staphylocoques, notamment les entérobactéries.

  • Effet : bactéricide.

  • Inhibition des topoisomérases de type II, IV et de l'ADN gyrase : formation d'un complexe ternaire irréversible ADN-topoisomérase. Cela bloque la progression de la fourche de réplication (agit comme un poison), entraînant la mort de la bactérie.

b) Fragmentation de l'ADN

• Nitro-imidazolés :

  • Spectre : étroit, limité aux bactéries anaérobies strictes.

  • Effet : bactéricide.

  • Réduction intracellulaire des groupements nitrés(ca les active), entraînant leur fixation à l'ADN et sa fragmentation.

c) Inhibition de la transcription

• Ansamycines (Rifamycines, Streptovaricines) :

  • Spectre : nombreuses bactéries Gram+, certaines Gram-.

  • Effet : bactériostatiques, parfois bactéricides.

  • Forme des complexes stœchiométriques stables avec la sous-unité bêta du cœur de l'ARN polymérase ADN-dépendante, inhibant la transcription dès son début.

• Actinomycine :

  • Non utilisée comme antibiotique en raison de sa toxicité extrême, mais employée dans le traitement de certains cancers très spécifiques.

  • Se fixe au voisinage du promoteur.

5. Antimétabolites

Sulfamides / Diaminopyrimidines

• utilisés en association.

• Spectre : large (Gram+ et Gram-), efficaces contre certaines bactéries résistantes à d'autres antibiotiques.

• Effet : bactériostatiques individuellement, mais **bactéricides** en synergie.

• Leur action synergique inhibe le métabolisme des folates, entraînant la mort de la cellule par carence en acides nucléiques.

• Mécanisme d'action :

  • Sulfamides : Agissent comme des analogues de l'acide para-aminobenzoïque (PAB). La bactérie les utilise par erreur pour produire l'acide folique, ce qui bloque les voies métaboliques.

  • Triméthoprime : Inhibe l'enzyme qui catalyse la synthèse de l'acide folique, bloquant ainsi les voies métaboliques et la synthèse des acides nucléiques.

6. Antituberculeux

Ces antibiotiques sont spécifiques des mycobactéries, inhibant la synthèse des acides mycoliques, composants exclusifs de leur paroi.

• Isoniazide / Pyrazinamide :

  • Effet : bactéricides.

  • Sont activés par des enzymes intrabactériennes, produisant des analogues de la nicotinamide. Ceux-ci sont incorporés, rendant les NAD non fonctionnels et bloquant ainsi leur rôle habituel dans la synthèse.

• Ethambutol :

  • Effet : bactériostatique.

  • Inhibe le transfert des acides mycoliques du cytoplasme vers la paroi en formation, empêchant la synthèse de la paroi des mycobactéries.

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III- Mécanismes de résistance

1. Mécanismes génétiques

a) Résistances naturelles

• Affectent toutes les souches d'une même espèce bactérienne.

• Les bactéries sont insensibles au mode d'action de l'antibiotique.

• Exemple : le bacille de la tuberculose.

• Le support génétique est toujours chromosomique.

• Les gènes impliqués font partie du patrimoine génétique inné de la bactérie, et ne sont pas acquis via transferts génétiques ou plasmides (logique c naturelles).

b) Résistances acquises

• N'affectent que quelques souches naturellement sensibles.

• Acquisition par :

  • Mutations chromosomiques.

  • Acquisition de gènes via éléments génétiques mobiles (plasmides, transposons).

  • Support génétique : Chromosomique : mutations, plasmides et/ou transposons intégrés au chromosome, gènes recombinants. Extrachromosomique : plasmides et/ou transposons portés par des plasmides.

Résistances acquises par mutations chromosomiques

• Mutations spontanées, rares (10^-9).

• Discontinues mais avec des effets variés.

• Spécifiques et indépendantes.

• Héréditairement stables : transmission verticale à la descendance.

• Non transférables en dehors de la descendance (pas de conjugaison), ce sont donc des résistances minoritaires en clinique.

• C'est le seul mode d'acquisition pour certains antibiotiques ou bactéries ((par exemple, les polymyxines, ou le bacille tuberculeux).

Résistances acquises par acquisition de gènes (plasmides/transposons)

• Impliquent souvent de multiples gènes de résistance.

• Stables et transmises à la descendance.

• Forte transmission horizontale :

  • Plasmides : par conjugaison, transduction, transformation.

  • Transposons : par transposition, conjugaison.

• Ce mécanisme est prédominant en clinique.

Résistances acquises par acquisition de gènes chromosomiques

• Rares espèces sont capables de transformation naturelle.

• Intégration par recombinaison au niveau de régions homologues.

• Ce mécanisme est anecdotique en clinique.

2. Mécanismes biochimiques

Ces mécanismes concernent à la fois les résistances naturelles et acquises et s'observent à l'échelle moléculaire.

a) Défauts d'accumulation

• Liés à la membrane externe (Gram-) : entrée insuffisante

  • Résistance naturelle : Imperméabilité de la membrane externe. Exemple : résistance des Gram- aux antibiotiques hydrophobes (pénicillines G et M, macrolides, glycopeptides, acide fusidique). Les porines permettent normalement l'entrée massive des antibiotiques polaires.

  • Résistance acquise : Baisse de la quantité de porines ou changement de leur conformation. Exemple : Résistance aux bêta-lactamines, quinolones, tétracyclines, sulfamides, triméthoprime.

• Liés à la membrane cytoplasmique : entrée insuffisante

  • Due à une absence ou altération des systèmes de transport actif.

  • Résistance naturelle : Absence de phosphorylation oxydative. Exemple : streptocoques, entérocoques, anaérobies stricts résistants aux aminosides.

  • Résistance acquise : Altération du système de transport du glycérol-phosphate et/ou des hexoses-phosphates. Exemple : Résistance à la fosfomycine.

• Liés à la membrane cytoplasmique : sortie excessive (l'antibiotique rentre mais il est expulsé aussitôt)

  • Résistance naturelle : Pompes d'efflux multidrogues d'origine chromosomique. Ces pompes sont à l'origine des résistances naturelles.

  • Résistance acquise : Mutation dans le système de régulation entraînant une hyperexpression et des multirésistances acquises. Exemple : Hyperproduction du système MexAB-OprM chez P. aeruginosa conférant une résistance aux bêta-lactamines et fluoroquinolones. Les systèmes d'efflux sont également condensés par les Gram+.

  • Il existe aussi des systèmes d'efflux codés par des plasmides et/ou transposons. Exemple : Résistance acquise aux tétracyclines par synthèse de protéines Tet chez les Gram+. C'est une résistance acquise par transfert d'éléments génétiques mobiles.

b) Défauts de cibles

• Absence de cibles ou d'affinité des cibles

  • Bactéries dépourvues de paroi : résistance aux antibiotiques inhibiteurs de la synthèse de peptidoglycane (ex: mycoplasmes).

  • Absence d'affinité pour les PLP (protéines de liaison à la pénicilline/liposylines) : résistance aux céphalosporines (Listeria).

  • Absence d'affinité des topoisomérases de type II : résistance aux quinolones (Gram+, P. aeruginosa, anaérobies stricts).

  • Insensibilité de la DHPS : résistance au triméthoprime (Acinetobacter, Neisseria, Branhamella, Brucella...).

• Altérations des cibles (Résistances acquises)

  • Diminution de l'affinité :

    • Mutation dans la zone d'interaction des enzymes cibles avec l'ADN → Quinolones.

    • Modification du facteur d'élongation EF-G → Acide fusidique.

    • Altération de la sous-unité bêta de la transcriptase → Rifamycines.

  • Modification de la cible :

    • Méthylation de l'ARNr 23S → MLS (empêche les MLS d'accéder à leur site de fixation).

    • Analogues aux facteurs d'élongation qui se fixent aux ribosomes → Tétracyclines.

  • Augmentation de la production de la cible :

    • Réduit l'efficacité de l'antibiotique, car l'antibiotique ne pourra pas se fixer sur toutes les cibles. Même s'il se fixe, l'effet sera limité en raison de la pléthore de sites.

    • Augmentation des enzymes impliquées dans le métabolisme du folate → Sulfamides, diaminopyrimidines (résistance).

    • Modification des PLP → Bêta-lactamines ( résistance).

c) Détoxication enzymatique de l'antibiotique

La bactérie cherche à détruire l'antibiotique par la production d'enzymes bactériennes, souvent retrouvées chez les Gram-.

• Enzymes bactériennes :

  • Gènes chromosomiques : caractéristiques de l'espèce → Résistance naturelle.

  • Gènes plasmidiques/transposables : retrouvés chez des espèces très variées.

• Bêta-lactamases :

  • Hydrolysent le pont bêta-lactame des bêta-lactamines.

  • Pénicillinases et céphalosporinases hydrolysent/inactivent les pénicillines ou les céphalosporines.

  • Inactivation totale et définitive de l'antibiotique.

  • Plusieurs centaines de bêta-lactamases plasmidiques/transposables existent. C'est le mécanisme principal de résistance chez S. aureus et les Gram- aux bêta-lactamines.

  • Exemple : les bêta-lactamases à spectre élargi (BLSE) dérivées des TEM-1, TEM-2 et SHV-1. Les bactéries produisant des BLSE sont résistantes à toutes les bêta-lactamines (dérivés et bêta-lactamines elles-mêmes).

• Enzymes modifiant les aminosides :

  • 3 catégories :

    • Aminosides-phosphotransférases (modifient la fonction OH).

    • Aminosides-acétyltransférases (modifient la fonction NH₃).

    • Aminosides-adényl ou -nucléotidyltransférases (modifient la fonction OH).

  • Ces enzymes entraînent une description de la fixation à la cible.

  • Elles peuvent être produites naturellement ou être d'origine plasmidique/transposable.

• Enzymes modifiant les phénicolés :

  • Chloramphénicol-acétyl-transférases.

  • Produites dans certaines circonstances propres à chaque bactérie, ou de manière permanente.

  • Plasmidiques inductibles chez les Gram+ et constitutives chez les Gram-.

d) Autres mécanismes

• Résistance aux antimétabolites :

  • Absence ou réduction du besoin en métabolites (folates exogènes ou mutants auxotrophes en thymine/thymidine).

• Résistance aux antibiotiques nécessitant une activation intracellulaire (s'ils ne sont pas activés, ils sont inefficaces) :

  • Modification des nitroréductases bactériennes → Nitro-imidazolés.

  • Altération des KatG et pyrazinamidases → Isoniazide, pyrazinamide.

• Tolérance :

  • Résistance à l'effet bactéricide des antibiotiques. Au mieux, on obtient un effet bactériostatique.

Il est important de distinguer les mécanismes génétiques des mécanismes biochimiques de résistance.

IV- Méthodes d'étude de l'activité *in vitro* des antibiotiques

1. Définitions des caractéristiques et des points limites

Ces méthodes impliquent la réalisation de courbes de croissance bactérienne pour comparer l'effet des antibiotiques.

• Antibiotiques bactériostatiques ou bactéricides :

  • Bactériostatique : , mais . Si la présence est similaire entre le témoin et l'antibiotique, cela signifie qu'il n'y a pas d'effet.

  • Bactéricide : , l'effet est temps ou dose dépendant.

• Définition de points limites :

  • Concentration minimale inhibitrice (CMI) : la plus faible concentration d'antibiotique qui inhibe toute croissance visible de la bactérie.

  • Concentration minimale bactéricide (CMB) : la concentration d'antibiotique qui laisse au maximum 0,01% de survivants.

2. Notion de sensibilité et de résistance

Trois catégories cliniques sont définies pour évaluer la réponse bactérienne à un antibiotique :

• Souches sensibles (S) : forte probabilité de succès thérapeutique en cas de traitement par voie systémique aux posologies usuelles de l'antibiotique.

• Souches résistantes (R) : forte probabilité d'échec thérapeutique, quel que soit le type de traitement initié par l'antibiotique.

• Souches intermédiaires (I) : succès thérapeutique imprévisible. Cela peut être dû à un mécanisme de résistance insuffisant ou à des CMI proches des concentrations critiques. Si la bactérie n'est pas traitée avec l'antibiotique donné, il peut y avoir un succès ou un échec.

3. Méthodes de détermination des paramètres

a) Antibiogramme

• Méthode qualitative qui permet de déterminer la sensibilité d'une souche à un grand nombre d'antibiotiques, guidant ainsi la démarche thérapeutique.

• Antibiogramme standard : par diffusion en gélose.

• Antibiogrammes automatisés ou semi-automatisés :

  • Utilisation de cartes, galeries ou cassettes

b) Détermination des CMI et CMB

• Méthode quantitative

• Méthodes standards : Par dilution / Par diffusion

• Méthodes automatisées ou semi-automatisées : Semi-automatisées : utilisation de galeries ou microplaques et Automatisées