Impact Microbiologie: Agents Pathogènes (1)

La microbiologie est l'étude des microorganismes unicellulaires (libres ou en colonie) ou acellulaires. Elle couvre l'histoire, la diversité, ladétection, les maladies qu'ils causent, et les stratégies de lutte contre ceux-ci, ainsi que leurs rôles bénéfiques.

Structure et Supports du Cours de Microbiologie

• Cours 1 : Survol de la microbiologie et de son histoire (présent cours).

• Cours 2 : Bactériologie et virologie.

• Cours 3 : Parasitologie et mycologie.

Le cours utiliseun forum pour les échanges et un répétitoire pour répondre aux questions ouvertes et réviser avec des questions types sur Pingo.

Objectifs Généraux du Cours

• Distinguer les grandes classes de microorganismes et connaître leurs spécificités.

• Comprendre les étapes générales du cycle infectieux.

• Décrire les différents moyens de lutte contre les agents infectieux.

Examen

L'examen comprendra une question par deuxheures de cours, basée sur l'information fournie en rapport avec les diapositives.

Introduction Générale et Historique à la Microbiologie

1. Vue générale des microorganismes.

2. Diversité des microorganismes.

3. Découverteet observation des microorganismes.

4. Microorganismes et maladies.

5. Lutte contre les microorganismes.

6. Microorganismes, pas si mauvais.

1. Une Vue d'Ensemble des Microorganismes

DuGrec ancien μῑκρος 'petit', βίος 'vie', et -λογία 'étude', la microbiologie est l'étude des microorganismes.

• 1 millimètre (mm) = m

• 1 micromètre (µm) = m

• 1 nanomètre (nm) = m

Exemple : La bactérie Escherichia coli mesure environ1 µm de long.

Différents « Microbes » et Plusieurs Ordres de Grandeur

• Virus : de 20 nm à 1 µm (acellulaires).

• Procaryotes (Bactéries) : de 100 nm à 5 µm (unicellulaires).

• Eucaryotes (Unicellulaires) : de 5 µm à 0,5 mm (unicellulaires).

Les Microbes sont Essentiels à la Vie sur Notre Planète

• Les microbes nous aident :

  • Protection contre des pathogènes.

  • Stimulation du système immunitaire.

  • Production de substances importantes.

  • Biotechnologies, bioremédiation, etc.

• Une infime minorité des microbes pathogènes nous menace :

  • Effet direct de la réplication.

  • Production de substances toxiques.

  • Dérégulations du système immunitaire.

On estime le nombre de bactéries sur Terre à , et les virus sont encore plus nombreux !

L'Évolution et les Microorganismes

Nous avons évolué dans un monde rendu habitable par les microorganismes.

• Il y a 3.8 milliards d'années : apparition de la vie.

• Il y a 2 milliards d'années : grande oxydation et apparition d'oxygène grâce aux cyanobactéries (ex. spiruline).

• Il y a 200 000 ans : apparition de l'Homo sapiens.

Impact des Maladies Infectieuses

Environ 15 millions des 57 millions de décès annuels (>25%) sont dus directementà des maladies infectieuses.

Attention :

• Certains cancers provoqués par des microorganismes ne sont pas toujours inclus dans ces statistiques, comme le HPV (virus) ou Helicobacter pylori(bactérie).

• Ceci ne tient pas compte de l'influence de notre microbiote sur notre santé générale (obésité, diabète).

Trois Maladies Importantes

Le Triangle de Notre Santé

Notre santé est une interaction complexe entre :

• Microbes

• Génétique

• Environnement

2. Une Idée de la Diversité des Microorganismes

La Microbiologie Traite des «Microbes »

Procaryotes et Eucaryotes

• Procaryotes (Bactéries et Archées) :

  • Organismes sans noyau défini.

  • L'ADN est libre dans le cytoplasme.

  • Absence d'organelles entourées de membranes.

• Eucaryotes (Mycètes, Protistes, Algues, Animaux, Plantes) :

  • Organismes avec un noyau.

  • L'ADN est contenudans un noyau.

  • Présence d'organelles (mitochondries, chloroplastes, etc.) entourées de membranes.

Classification des Êtres Vivants : le Système des 3 Domaines

Le « Tree of Life »(arbre de la vie) divise les organismes en trois domaines principaux :

1. Archaea (Archées)

2. Bacteria (Bactéries)

3. Eukarya (Eucaryotes)

1977 : Un Troisième Domaine de Vie

Carl Woese, en séquençant les gènes codant pour l'ARN ribosomal, a découvert que les procaryotes étaient divisés en deux groupes distincts: les Archées et les bactéries.

Bien que les Archées soient procaryotes (sans noyau), leur information génétique est plus proche de celle des eucaryotes.

Des Procaryotes aux Eucaryotes

Attention :

Les mitochondrieset les chloroplastes sont des organelles eucaryotes d'origine procaryote.

• Les mitochondries ont un système d'expression génique similaire aux bactéries, ce qui les rend sensibles aux antibiotiques qui inhibent la traduction bactérienne.

• On pense que les mitochondries descendent de bactéries similaires aux Rickettsies (intracellulaires obligatoires).

• Les chloroplastes seraient dérivés des cyanobactéries (photosynthétiques).

3. La Découverte et l'Observation des Microorganismes

1546 - Hieronymus Fracastoro : Le Concept de l'Épidémiologie

Ce médecin et poète italien a proposé le concept d'organismes invisibles et transmissibles, les Seminarina contigionis(semences de contagion), comme origine des maladies (ex. la syphilis causée par Treponema pallidum).

Il a proposé trois modes de transmission :

1. Contact direct.

2. Transmission indirecte (air,objets).

3. Attirance du mal par le corps.

1854 - John Snow : « Le Père de l'Épidémiologie »

À Londres, John Snow a démontré que les cas de choléra étaient liés à une pompe à eau spécifique. Ila identifié la source de la maladie 30 ans avant la découverte de la bactérie Vibrio cholerae par Robert Koch en 1884.

1858 - Florence Nightingale : « La Mère de l'Épidémiologie »

Elle a établiun lien statistique entre les conditions sanitaires déplorables et les maladies (typhus, choléra, dysenterie) chez les soldats, ce qui a conduit à une réorganisation de l'armée britannique. 10 fois plus de soldats mouraient de maladies que de combats.

L'Épidémiologie

Science qui étudie la transmission, l'incidence (nombre de nouveaux cas) et la prévalence (nombre total de cas) des maladies.

• Épidémie : Augmentation significative de cas (ex. choléra, Ebola).

• Pandémie : Distribution large d'une épidémie, atteignant plusieurs continents (ex. grippe, COVID-19).

• Endémie : Présence habituelle d'une maladie dans une région ou population (ex. paludisme, tuberculose).

1676 - Antoine van Leeuwenhoek : Le Premier Microscope

Il est le premier à avoir observé et décrit les microorganismes grâce à son microscope simple qu'il a conçu.

La Microscopie Aujourd'hui

• Microscopesimple : Permet de voir des organismes d'environ 10 micromètres, comme le gamète du parasite du paludisme.

• Microscope à fluorescence à super résolution : Atteint une résolution d'environ 50 nanomètres, permettant d'observer des structures comme la tubulineou l'ADN avec une grande précision.

• Microscopie électronique : Utilise des électrons au lieu de photons, offrant une résolution de l'ordre du nanomètre (voire de l'angström avec traitement d'image). Le matériel observé n'est plus vivant.

Comparaison des Tailles et Techniques d'Observation

• Cellule eucaryote : Visible au microscope optique.

• Bactérie (Treponema pallidum) : Visible en microscopie optique à fluorescence.

• Adénovirus : Visible en microscopie électronique.

Les Méthodes de Classification et d'Identification des Microorganismes

• Caractères morphologiques : Forme (microscopie).

• Caractères tinctoriaux : Couleur aprèscoloration (microscopie optique).

• Épreuves sérologiques : Détection d'anticorps dans l'hôte.

• Bases nucléotidiques, protéines : Composition (antigène, ADN).

• Épreuves biochimiques : Métabolitesproduits.

• Combinaison de plusieurs méthodes.

4. Les Microorganismes et les Maladies

Les Épidémies/Pandémies à Travers les Âges

L'histoire est jalonnée de grandes épidémies et pandémiescausées par des microorganismes, de la peste aux pandémies virales modernes.

Les Maladies Infectieuses : Purification et Culture du Pathogène

Robert Koch (1843-1910) est célèbre pour son travail sur la tuberculose (Mycobacterium tuberculosis,Bacille de Koch).

Isolement du Pathogène

Fanny Hesse (1850-1934) a contribué de manière significative à la culture bactérienne sur gélose, permettant l'isolement et la purification des bactéries.

Les Postulats de Koch (1884)

Ces postulats sont des critères pour établir une relation de causalité entre un microorganisme et une maladie :

1. Un même agent pathogène doit être présent chez tous les individus malades et absent desindividus sains.

2. L'agent pathogène doit pouvoir être isolé de l'hôte malade et cultivé en pureté.

3. L'injection de cette culture pure à un hôte sain doit provoquer la même maladie.

4. L'agent pathogène doit pouvoir être ré-isolé du second hôte et être identique au premier.

Attention :

Ces règles ne s'appliquent pas toujours parfaitement. Par exemple, pour les pneumonies (plusieurs agents), le streptocoque du groupe A (différents états pathologiques), le paludisme (parasite), ou la variole (virus).

Toute Règle a Ses Exceptions !

1. Des microorganismes différents peuvent causer les mêmes symptômes (ex. pneumonie, méningites).

2. Un même microorganisme peut causer différents états pathologiques (ex. Mycobacterium tuberculosis, Streptococcus pyogenes).

3. Certains microorganismes ne peuvent pas être cultivés en culture pure (virus, parasites, certaines bactéries).

4. Considérations éthiques pour les microorganismes n'infectant que l'humain.

5. Il existe des porteurs sains (pathogènes opportunistes).

Les Commensaux et les Opportunistes

• Commensaux : Microorganismes qui vivent sur/dans un hôte sans lui causer de préjudice, profitant de la relation.

• Opportunistes : Microorganismes de la flore normale qui peuvent causer des maladies lorsque l'hôte est affaibli (système immunitaire compromis, blessure, etc.).

  Exemple : Staphylococcus aureus (staphylocoque doré) est un porteur nasal asymptomatique pour 20% à 30% de la population. C'est un opportuniste redouté à l'hôpital, causant des infections posts chirurgicales graves.

La simple présence d'un microorganisme opportuniste ne signifie pas une infection active.

Une Vision Plus Générale – Les Maillons du Cycle Infectieux

Le cycle infectieux implique une chaîne d'événements :

• Pathogène : Virus, bactéries, mycètes, parasites.

• Réservoir : Êtres humains, animaux, environnement.

• Sortie : Voies respiratoires, gastro-intestinales, urogénitales, conjonctive, peau, voie parentérale ou placentaire.

• Transmission.

• Entrée.

• Hôte réceptif : Âge, malnutrition, stress, maladies chroniques, déficitsimmunitaires, environnement, microbiote.

Contagiosité (R₀) et Mortalité

Le nombre de reproduction de base (R₀) est un indicateur de la contagiosité d'une maladie. Le R₀ dépend de plusieurs facteurs:

• Du mode de transmission (aérien, contact, selles, alimentaire, sexuel, surfaces).

• Du nombre de particules transmises.

• De la stabilité du pathogène dans l'environnement.

• De la durée de l'infection.

• De la sévérité de l'infection.

5. La Lutte Contre les Microorganismes

Question Pingo (Exemple de Réflexion)

En cas d'épidémie de choléra à Londres, quelles mesures prendre?

• Retirer les manivelles des pompes à eau (mesure historique de John Snow).

• Distribuer des bouteilles d'eau.

• Vérifier le fonctionnement du système de traitement des eaux usées.

• Vérifier les stocks ensels de réhydratation.

L'Hygiène des Mains : Ignaz Philipp Semmelweis (1847)

Attention :

Ignaz Philipp Semmelweis a démontré l'importance de l'hygiène desmains pour prévenir la transmission de la fièvre puerpérale (causée par des streptocoques) dans les maternités. La désinfection des mains avec une solution chlorée a réduit drastiquement la mortalité.

C'est une pratique indispensable dans leshôpitaux aujourd'hui.

1865 - Pasteur : Réfutation de la Génération Spontanée et la Stérilisation

Pasteur a démontré que les organismes ne se forment pas spontanément, ouvrant la voie aux concepts de stérilisation et de pasteurisation.

• Stérilisation : Élimination totale de tous les microorganismes et virus d'un milieu (chaleur, vapeur, irradiation, produits chimiques).

• Pasteurisation : Réchauffement à 68-88°C pour une courte durée, suivi d'un refroidissement rapide, pour réduire (non éliminer totalement) la charge bactérienne.

  Exemple : Le lait pasteurisé a éliminé les cas de tuberculose dus à Mycobacterium bovis en Suisse.

1880 - Joseph Lister : L'Asepsie et l'Antisepsie

• Asepsie : Ensemble des mesures visant à empêcher l'apport de microorganismes exogènes (ex. salle d'opérationstérile).

• Antisepsie : Opération destinée à détruire ou inactiver les microorganismes sur les tissus vivants (ex. désinfectant cutané).

Attention :

Lister utilisait unspray de phénol, qui s'est avéré fortement corrosif et toxique pour les patients. Cet exemple souligne l'importance d'utiliser des agents antimicrobiens sûrs et spécifiques.

1796 – Jenner et le Vaccin Contre la Variole

Edward Jenner a pratiqué la première vaccination, démontrant que l'inoculation du cowpox (variole bovine) protégeait contre la variole humaine. La variole a été éradiquée en 1977 grâce à un programme mondial de vaccination.

Concept de la Protection Croisée

Les virus du cowpox et de la variole, bien que distincts, partagent des antigènes communs, permettant une immunité croisée.

Pasteur et les Vaccins Atténués

En1880, Pasteur a développé la méthode d'atténuation de la virulence des microbes. Ses travaux ont conduit aux vaccinations contre le choléra des poules, le charbon (anthrax) et la rage (1880-1885).

L'atténuation est souvent obtenue par passages successifs du pathogène dans des cultures de cellules ou embryons, où il accumule des mutations dans des gènes de virulence.

Les Principes Généraux de Développement d'un Vaccin

Un vaccin est une préparation antigénique qui provoque une réponse immunitaire dirigée contre un agent pathogène spécifique. Il existe trois principes principaux :

1. Utilisation d'un microbe entier :

   • Vaccin inactivé.

   • Vaccin vivant atténué ou à protection croisée.

   • Vaccin à vecteur viral.

2. Exposition d'antigènes (protéines, sucres) : Qui activent le système immunitaire.

3. Utilisation du matériel génétique (ADN ou ARN) : Qui codepour des antigènes.

Peut-on Éradiquer une Maladie ?

La possibilité d'éradiquer une maladie dépend du réservoir infectieux.

Attention :

• La variole et la poliomyélite sont ou peuvent être éradiquées car leur réservoir est uniquement humain.

• Il est difficile d'éradiquer des maladies avec un réservoir animal ou environnemental (ex. grippe, choléra)ou plusieurs réservoirs compliqués (paludisme).

• Les maladies à réservoir humain unique mais avec des obstacles à la vaccination (syphilis, VIH) sont aussi un défi.

Paul Ehrlich et la « Balle Magique » (Chemiothérapie)

Ehrlich cherchait des substances chimiques qui tuaient sélectivement les pathogènes sans nuire au patient.

• 1904 : Découverte du Trypan, actif contre les trypanosomes (parasite dela maladie du sommeil).

• 1910 : Commercialisation du Salvarsan pour le traitement de la syphilis (bactérie Treponema).

Le principe est de cibler le pathogène spécifiquement.

Sir Alexander Fleming et la Pénicilline (1928)

Fleming a découvert la pénicilline, un antibiotique produit par le champignon Penicillium notatum.

Les Mécanismes d'Actiondes Antibiotiques

Les antibiotiques ciblent des processus biologiques bactériens suffisamment différents de ceux de l'hôte pour n'affecter que la bactérie. Ce principe de spécificité s'applique aussi aux antiviraux, antifongiques et antiparasitaires.

Attention :

Cependant, des problèmes persistent :

• Toxicité de certains médicaments.

• Apparition de résistances et multirésistances.

• Échappement vaccinal (les pathogènes évoluent et échappent à l'immunité vaccinale).

• Manque de vaccins efficaces contre certains pathogènes (ex. parasites).

• Maladies émergentes ou ré-émergentes.

5. Les Microorganismes, Pas Forcément Mauvais...

Le Microbiote

C'est l'ensemble des microorganismes vivant dans un environnement spécifique (ex. microbiote intestinal). Il est souvent inoffensif ou bénéfique :

• Empêche la prolifération d'organismes nuisibles.

• Produit des substances utiles (vitamines).

• Participe au développement du système immunitaire.

• Facilite la digestion.

Un déséquilibre du microbiote peut cependantentraîner des maladies.

Pasteur (1854-57) : La Fermentation

La fermentation est le métabolisme de sucres en l'absence d'oxygène.

• Fermentation éthylique (levure) : Glucose éthanol + énergie (ATP).

• Fermentation lactique (lactobacille) : Glucose acide lactique + énergie (ATP).

Les Microorganismes et le « Bien-être » des Humains

• Traitement deseaux usées.

• Bioréstauration (dégradation de polluants).

• Lutte contre des nuisibles en agriculture.

• Biotechnologies :

  • Production de substances (vaccins, insuline).

  • Thérapiegénique (dystrophie musculaire de Duchenne).

  • Outils d'édition génomique (ex. CRISPR-Cas9).

Objectifs d'Apprentissage de ce Cours

À la fin de ce cours, vous devrez être capable de discuter :

• L'histoire de la microbiologie et des maladies infectieuses.

• La classification et la description des microorganismes.

• Les maladies ou les bienfaits associés aux microbes.

• Les moyens de lutte contre les maladies infectieusesen général.