J.P. Euzéby : Abrégé de Bactériologie Générale et Médicale à l'usage des étudiants de l'Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse
 

Bactériologie Générale
Bactériologie Médicale

Autres sites Web : List of Prokaryotic Names with Standing in Nomenclature - Dictionnaire de Bactériologie Vétérinaire - SBSV
 

Résistance bactérienne aux antibiotiques

Introduction

Les mécanismes génétiques et biochimiques, responsables de la résistance des bactéries aux antibiotiques, permettent de mieux comprendre l’épidémiologie de la résistance (apparition et diffusion des gènes de résistance et des souches résistantes) et de mieux appréhender les facteurs responsables de la sélection des souches résistantes.

Sur le plan génétique, la résistance des bactéries aux antibiotiques résulte soit d’une résistance naturelle soit d’une résistance acquise. La résistance naturelle ou intrinsèque est un caractère d’espèce qui touche toutes les cellules de toutes les souches alors que, la résistance acquise est un caractère qui ne concerne que quelques (ou parfois de nombreuses) souches d’une espèce donnée.
La résistance naturelle est stable, transmise à la descendance mais pas ou peu transmissible sur un mode horizontal. Inversement, la résistance acquise est moins stable, mais elle se propage souvent de façon importante dans le monde bactérien.

Résistance naturelle ou intrinsèque

La résistance naturelle a pour support génétique le chromosome bactérien et elle permet de définir le spectre d’activité des antibiotiques. Ses mécanismes biochimiques sont nombreux et quelques uns d'entre eux sont cités ci-dessous.
. Les bacilles à Gram négatif (et notamment les entérobactéries et Pseudomonas aeruginosa) sont naturellement résistants, le plus souvent à bas niveau, aux antibiotiques hydrophobes et/ou de masse moléculaire élevée (pénicilline G, pénicilline M, macrolides, rifampicine, acide fusidique, novobiocine, vancomycine) car ces antibiotiques ne peuvent traverser la membrane externe de la paroi.
. Des systèmes d'efflux constitutifs ont été identifiés chez de nombreuses bactéries à Gram négatif. Ces mécanismes d'efflux actif ont été décrit à l'origine chez Escherichia coli et Pseudomonas aeruginosa. Ils s'exercent vis-à-vis de nombreux antibiotiques dont la cible d'action est intracellulaire (quinolones, chloramphénicol, macrolides, tétracyclines...) et ils sont qualifiées de pompes d'efflux multidrogues.
L'efflux repose sur une pompe insérée dans la membrane interne et capable d'éjecter l'antibiotique hors de la bactérie grâce un canal présent dans la membrane externe et grâce à une protéine de jonction périplasmique. Cet efflux conduit à une diminution de la concentration intracellulaire de l'antibiotique et confère généralement des résistances à bas niveau.
. Les mycobactéries sont résistantes à de nombreux antibiotiques qui ne peuvent traverser la paroi très riche en lipides. À titre d’exemple, la perméabilité de la paroi de Mycobacterium chelonae vis-à-vis de la céfacétrile est 1 000 à 10 000 fois plus faible que la perméabilité de la paroi de Escherichia coli et 10 à 100 fois plus faible que celle de Pseudomonas aeruginosa.
. Les représentants de l’ordre des Mycoplasmatales, dépourvus de paroi, sont résistants aux bêta-lactamines.
. Les PLP (protéines liant les pénicillines) des entérocoques ont une faible affinité pour les pénicillines M et les céphalosporines et les PLP des entérobactéries ont une faible affinité pour la cefsulodine.
. Les quinolones de première génération sont peu actives sur Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa car elles ont une mauvaise affinité pour les gyrases de ces espèces.
. Les bactéries anaérobies sont naturellement résistantes aux aminosides car le passage des aminosides à travers la membrane cytoplasmique nécessite un système de transport actif absent chez les anaérobies. Pour les mêmes raisons, les bactéries aéro-anaérobies facultatives sont moins sensibles aux aminosides lorsqu’elles sont placées dans un environnement pauvre en oxygène.
. Certaines espèces (Klebsiella spp., Enterobacter spp., Serratia spp., Citrobacter spp., Morganella spp., Providencia spp., Pseudomonas aeruginosa, Bacteroides fragilis, Bacillus cereus, Nocardia spp., Mycobacterium spp., ...) produisent naturellement des bêta-lactamases.
. Le métronidazole n’est actif que sur les bactéries anaérobies car son activité nécessite la réduction du groupe NO2 qui ne peut être effectuée que par les systèmes transporteurs d’électrons des bactéries anaérobies.

Résistance acquise

La résistance acquise résulte d’une modification du capital génétique permettant à une bactérie de tolérer une concentration d’antibiotique plus élevée que celle qui inhibe les souches sensibles de la même espèce. En pathologie infectieuse, une bactérie est dite résistante lorsque la concentration d’antibiotique qu’elle est capable de supporter est notablement plus élevée que celle qu’il est possible d’obtenir in vivo à la suite d’un traitement.

La résistance acquise a été observée dès le début de l’antibiothérapie mais sa fréquence était faible. Ultérieurement, la généralisation de l’utilisation des antibiotiques a conduit à une sélection des souches résistantes et on constate, quotidiennement, que de très nombreuses souches ne se comportent pas à l’égard des antibiotiques conformément à ce que les spectres d’activité permettraient de le supposer. Ce phénomène a atteint une telle ampleur que la seule identification bactérienne ne permet plus de prédire le comportement d’une souche isolée vis-à-vis des antibiotiques.

A - Mécanismes génétiques de la résistance acquise

Le potentiel génétique d’une bactérie est constitué d’une part d’un génophore obligatoire, le chromosome et d’autre part de un ou de plusieurs génophores facultatifs et extra-chromosomiques, les plasmides. Des gènes sont également portés par des éléments génétiques transposables et par des intégrons. Une bactérie peut ainsi acquérir une résistance aux antibiotiques par deux grands mécanismes génétiques. L’un a pour support le chromosome et définit une résistance chromosomique, l'autre a pour support les plasmides ou les éléments transposables ou les intégrons et ils définissent une résistance extra-chromosomique.

1 - Résistance chromosomique

La résistance chromosomique résulte d’une mutation dont elle en présente tous les caractères :
. Rareté
Une mutation se produit en moyenne toutes les 10⁵ à 10¹⁰ divisions mais compte tenu de l’importance des populations bactériennes dans un foyer infectieux la probabilité pour qu’il existe une bactérie résistante à un antibiotique n’est pas négligeable.
. Hasard
L’antibiotique ne provoque pas la mutation qui se produit au hasard. Il se contente de révéler et de sélectionner les bactéries mutantes.
. Spécificité
Une mutation n’affecte qu’un caractère et souvent la résistance ne concerne qu’un antibiotique ou qu’une famille d’antibiotiques ayant le même mode d’action. Il existe toutefois quelques exceptions notables à cette règle lorsque la mutation affecte les porines.
Ainsi, une seule mutation permet une résistance simultanée aux bêta-lactamines et aux aminosides chez Serratia marcescens et Pseudomonas aeruginosa ; une résistance simultanée à certaines bêta-lactamines, aux quinolones, au chloramphénicol et au triméthoprime chez Klebsiella spp., Enterobacter spp. et Serratia spp. ; une résistance simultanée aux bêta-lactamines, aux tétracyclines, au chloramphénicol et aux quinolones chez Escherichia coli.
. Indépendance
La probabilité de deux mutations simultanées est égale au produit du taux des mutations et elle est donc très faible. Cette indépendance des mutations constitue un des meilleurs arguments pour justifier l’association des antibiotiques.
. Transmissibilité
Une mutation résulte de la modification d’un gène, elle est permanente (sauf mutation réverse) et elle a un caractère héréditaire (transmission sur un mode vertical de bactérie mère à bactéries filles).

Toutes les mutations ont pour conséquence la perte ou la modification d’une protéine structurale ou enzymatique et une bactérie mutée est souvent contre-sélectionnée en l’absence d’antibiotique.

Pour certains antibiotiques (streptomycine, rifamycines, quinolones, acide fusidique, novobiocine) une seule mutation peut conférer une résistance à des taux thérapeutiques élevés alors que pour d’autres molécules (pénicilline, chloramphénicol) la résistance à des concentrations élevées ne se manifeste qu’après des mutations successives. Dans ce dernier cas, chaque mutation augmente la résistance et plusieurs mutations sont nécessaires pour entraîner une résistance élevée.

La résistance extra-chromosomique constitue le seul mode d’acquisition de résistance connu chez les mycobactéries et les brucelles et la résistance à la rifampicine et aux quinolones résulte toujours d’une mutation.

2 - Résistance extra-chromosomique

Plasmides

Les premiers plasmides de résistance aux antibiotiques ont été décrits au Japon à la fin des années 1950, lors d’une épidémie de dysenterie bacillaire à Shigella flexneri. Depuis cette date, des plasmides de résistance ont été retrouvés chez de très nombreuses espèces et on a constaté que la résistance plasmidique concerne de très nombreux antibiotiques. Deux faits expliquent l'importance de la résistance plasmidique :
. La résistance plasmidique est liée à la synthèse de protéines additionnelles et non à une modification des constituants normaux de la bactérie. Les bactéries porteuses de plasmides sont normales alors que les bactéries résistantes par mutation sont souvent fragilisées. Aussi, les bactéries porteuses de plasmides ne sont pas ou peu contre-sélectionnées en l’absence d’antibiotique.
. De nombreux plasmides de résistance sont conjugatifs ou mobilisables ce qui permet un transfert horizontal par conjugaison ou mobilisation. Les plasmides conjugatifs ou non conjugatifs peuvent également être transmis par transduction (transfert par l’intermédiaire d’un bactériophage) ou par transformation (pénétration dans une bactérie réceptrice d’ADN libre). Ces transferts sur un mode horizontal par conjugaison, mobilisation, transduction et transformation sont à l’origine d’une dissémination très importante au sein des populations bactériennes ce qui fait qualifier la résistance plasmidique de contagieuse ou d’infectieuse. Cette dissémination des gènes de résistance est exacerbée par la présence d’éléments génétiques transposables et d'intégrons.

Éléments génétiques transposables et intégrons

L’importance des éléments génétiques transposables et des intégrons inclus dans les transposons est considérable.

Les plasmides de résistance sont susceptibles d’évoluer par acquisition ou pertes successives de déterminants de résistance portés par des éléments génétiques transposables. Les éléments génétiques transposables expliquent que certains plasmides soient construits de façon modulaire. Ainsi, le plasmide R1 (figure 1) possède les gènes codant pour la résistance à 5 antibiotiques différents. Ce plasmide résulte de l’acquisition par un plasmide apparenté au facteur F, d’un transposon codant pour la résistance au chloramphénicol, d’un transposon codant pour la résistance à la kanamycine et du transposon Tn4 qui code pour la résistance à la streptomycine et aux sulfamides et qui héberge lui même le transposon Tn3 porteur d’un gène de résistance pour l’ampicilline.

Les éléments génétiques transposables permettent la dissémination de gènes entre des bactéries phylogéniquement éloignées en permettant l’implantation d’un gène là où celle d’un plasmide échoue :
. Les plasmides des entérobactéries peuvent se transmettre à des espèces de la famille des Pasteurellaceae mais les plasmides transférés ne peuvent pas se répliquer dans les cellules réceptrices. Si le plasmide transféré possède des éléments transposables, ceux ci peuvent s’intégrer dans une molécule d’ADN de la bactérie hôte, par exemple un plasmide. Ainsi engendré, ce plasmide modifié pourra se transmettre entre souches de la même espèce ou entre des souches d’espèces différentes mais phylogéniquement proches.
. Des souches de Pasteurella spp., de Haemophilus spp. et d’Actinobacillus pleuropneumoniae produisent une bêta-lactamase particulière (ROB-1). Le gène ROB-1, porté par un transposon, est originaire de bactéries à Gram positif et il est vraisemblable que ce gène a été acquis par des souches animales de pasteurelles (sensu lato) à la suite d’un transfert génétique (conjugaison, transduction ou transformation) suivi d’un mécanisme de transposition sur des plasmides (Pasteurella multocida, Mannheimia haemolytica) ou sur le chromosome (Pasteurella aerogenes). Ultérieurement, ces souches ont transmis le gène à des bactéries phylogéniquement proches d’origine animale (Actinobacillus pleuropneumoniae) et d’origine humaine (Haemophilus influenzae, Haemophilus parainfluenzae, Haemophilus ducreyi).
. Plus généralement, il semble qu’il puisse se produire un transfert massif d’informations génétiques, opéré à partir des bactéries à Gram positif en direction des bactéries à Gram négatif. Une forte sélection sur la direction du transfert résulte du fait que les gènes des bactéries à Gram positif peuvent s’exprimer chez les bactéries à Gram négatif alors que l’inverse n’est pas vrai. Il existe donc, un flux polaire des gènes de résistance des bactéries à Gram positif vers les bactéries à Gram négatif et, notamment, du groupe entérocoques-streptocoques vers les bacilles à Gram négatif. Deux arguments sont en faveur de cette affirmation : a) l’analyse des séquences nucléotidiques révèle des homologies de séquence entre les gènes de résistance présents sur les bactéries à Gram positif et sur les bactéries à Gram négatif ; b) l’étude du G + C p. cent montre que certains gènes de résistance des bactéries à Gram négatif ont des valeurs de G + C p. cent voisines de celles retrouvées chez les entérocoques-streptocoques et différentes de celles du génome des bactéries à Gram négatif.
On estime, que dans les conditions naturelles, ce sont principalement les transposons conjugatifs qui seraient responsables de ce type de transfert.

Les transposons conjugatifs ont également une capacité de transfert parmi les bactéries à Gram positif proches ou phylogéniquement éloignées. Les transposons conjugatifs sont ainsi à l’origine de la résistance multiple aux antibiotiques de Streptococcus pneumoniae (à l’exception des bêta-lactamines) ou de la résistance aux tétracyclines chez Listeria spp.

Comme pour la résistance chromosomique, les gènes de la résistance extra-chromosomique ne sont pas induits par l’utilisation des antibiotiques qui se contentent de sélectionner les bactéries porteuses de tels gènes. Il est important de noter que la résistance extra-chromosomique étant souvent une multi-résistance, l’utilisation d’un seul antibiotique va sélectionner des bactéries multi-résistantes qui ne sont pas contre-sélectionnées en l’absence d’antibiotique.

B - Mécanismes biochimiques de la résistance acquise

Les mécanismes biochimiques de la résistance acquise peuvent être regroupés en trois grands types de mécanismes : (i) diminution de la perméabilité et efflux actif, (ii) modification de la cible des antibiotiques et (iii) production d'enzymes inactivant les antibiotiques.
Les principaux mécanismes biochimiques sont résumés dans le tableau I.

1 - Diminution de la perméabilité et efflux actif

a) Diminution de la perméabilité

Une diminution de la perméabilité résulte souvent d’une mutation affectant la structure des porines ou diminuant la synthèse des porines. C’est chez Escherichia coli, les Enterobacter spp., les Serratia spp., les Klebsiella spp. et Pseudomonas aeruginosa que ce mécanisme a le plus d’importance : une ou plusieurs modifications des porines sont à l’origine d’une résistance acquise aux bêta-lactamines, aux quinolones, au chloramphénicol, aux sulfamides, au triméthoprime et aux tétracyclines.

Dans le cas des aminosides, l’imperméabilité résulte d’un mécanisme différent. Elle est due à des mutations modifiant le système de transport actif de ces molécules et provoquant une diminution d’activité de tous les aminosides.

b) Efflux actif

Des mutations dans les régions régulatrices des opérons des systèmes d'efflux multi-drogues peuvent conduire à une surexpression des systèmes d'efflux constitutifs, associée ou non à une perte des porines, et conférer une multirésistance aux antibiotiques. Ainsi, la mutation des gènes marRAB de Escherichia coli entraîne une résistance aux quinolones, au chloramphénicol et aux tétracyclines.

Une acquisition de gènes peut être à l'origine de systèmes d'efflux spécifiques. Contrairement aux systèmes d'efflux multi-drogues, les systèmes d'efflux spécifiques ne permettent que l'exportation de molécules apparentées.
. Le premier exemple connu de résistance acquise par efflux transmembranaire spécifique est celui des tétracyclines. Des transposons (Tn 10 et Tn 1721) codent pour des protéines (protéines Tet) qui exportent les tétracyclines à travers la membrane cytoplasmique. Selon les protéines Tet synthétisées, la résistance concerne toutes les tétracyclines sauf la minocycline ou toutes les tétracyclines y compris la minocycline.
. Le gène cassette cmlA, initialement décrit chez Pseudomonas aeruginosa et inclus dans le transposon Tn 1696, code également pour un système d'efflux spécifique concernant le chloramphénicol et le florfénicol.
Par la suite, de nombreux autres gènes homologues de cmlA, portés par des transposons ou des plasmides, ont été identifiés chez diverses bactéries (entérobactéries, Pseudomonas aeruginosa, Photobacterium damselae subsp. piscicida, Staphylococcus lentus).
. L'acquisition d'un gène mef(A), porté par un transposon, confère la résistance par efflux aux macrolides qui possède 14 et 15 chaînons dans le noyau lactonique (érythromycine, oléandomycine, clarithromycine, ...). Les macrolides à 16 chaînons (josamycine, midécamycine, spiramycine, ...) ainsi que les lincosamides restent actifs. Un tel mécanisme a été bien décrit chez Streptococcus pyogenes et Streptococcus pneumoniae.
Chez les staphylocoques, c'est le gène plasmidique msr(A) qui, en association avec d'autres gènes chromosomiques, code pour un système de pompe à efflux. Cette pompe confère la résistance aux macrolides à 14 et 15 chaînons dans le noyau lactonique ainsi qu'aux streptogramines de type B (phénotype MSB). Les macrolides à 16 atomes restent actifs.
. Une mutation chromosomique provoque une surexpression d'une pompe à efflux responsable d'une résistance aux quinolones.

2 - Modification de la cible des antibiotiques

Modification des PLP

Les PLP ou protéines liant les pénicillines sont des enzymes qui catalysent l’étape finale de la biosynthèse du peptidoglycane et qui sont la cible des bêta-lactamines. Une modification des PLP est principalement décrite chez les bactéries à Gram positif et, beaucoup plus rarement, chez des bactéries à Gram négatif comme Neisseria gonorrhoeae et Haemophilus influenzae. La modification d’affinité des PLP résulte de trois mécanismes :

. Diminution de l’affinité des PLP pour les bêta-lactamines (Clostridium perfringens, Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae).

. Augmentation de la synthèse des PLP existantes avec hyper-expression de PLP possédant naturellement une faible affinité pour les bêta-lactamines. Cette situation est bien connue chez les Enterococcus spp où des souches résistent par augmentation de synthèse de la PLP5 .

. Synthèse d’une ou de plusieurs nouvelles PLP insensibles aux bêta-lactamines (Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae) et liée à l’acquisition de nouveaux gènes.
Dans le cas des souches de Staphylococcus aureus résistantes à la méticilline, l’acquisition et l’intégration dans le chromosome d’un gène (mecA), d’origine mal connue, induit la synthèse d’une nouvelle PLP (la PLP 2a). La PLP 2a est capable d’assurer à elle seule l’assemblage du peptidoglycane et elle confère une résistance à toutes les bêta-lactamines.
Dans le cas de Streptococcus pneumoniae la résistance est liée à diverses recombinaisons chromosomiques avec des gènes provenant d’autres streptocoques. Au moins quatre des cinq PLP de haut poids moléculaire peuvent être modifiées par rapport aux souches sensibles.

Modification de la cible des glycopeptides

La cible d’action des glycopeptides est constituée par le dipeptide D-alanyl-D-alanine. Cette cible est extrêmement bien conservée chez les bactéries synthétisant du peptidoglycane et, pendant longtemps, on a estimé qu’il ne pouvait pas y avoir d’autres solutions de rechange compatibles avec la viabilité bactérienne. C’est pourtant une modification de ce dipeptide qui a été mise en évidence chez les entérocoques résistants grâce à un mécanisme qui est l’un des plus complexes connus en matière de résistance aux antibiotiques. Deux types de résistance acquise ont été décrits chez les entérocoques, l’un concerne la vancomycine et la teicoplanine, l’autre ne concerne que la vancomycine. Ces deux types de résistance sont inductibles par les glycopeptides et la résistance n’apparaît donc qu’en présence de ces antibiotiques. Les gènes responsables de cette résistance sont présents sur des transposons (notamment Tn 1546) hébergés soit sur un plasmide autotransférable soit sur le chromosome.

Le transposon Tn 1546 (figure 2) code pour neuf protéines dont deux sont nécessaires à la transposition, deux (VanR et VanS) sont responsables de la régulation de l’expression inductible et cinq sont impliquées dans la résistance. Parmi ces dernières trois (VanH, VanA et VanX) sont absolument indispensables à l’acquisition de la résistance et deux sont considérées comme accessoires (VanY, VanZ).
. VanA est une protéine capable de catalyser la formation de liaisons esters entre la D-alanine et le D-lactate. Grâce à cette enzyme, il y a formation d’un complexe D-alanine-D-lactate au lieu du peptide D-alanyl-D-alanine. Ce nouveau complexe ne présente plus d’affinité pour les glycopeptides et les bactéries sont résistantes.
. VanH est une déshydrogénase capable de produire du D-lactate à partir du pyruvate. En effet, la synthèse du D-lactate n’est pas normalement effectuée par les entérocoques qui doivent acquérir la capacité d’en fabriquer.
. VanX est une peptidase qui hydrolyse le dipeptide D-alanyl-D-alanine. En effet, la synthèse des précurseurs pariétaux contenant du D-alanyl-D-lactate n’empêche pas la synthèse normale des précurseurs contenant le dipeptide D-alanyl-D-alanine et ces deux types de précurseurs entrent en compétition. Le niveau de résistance aux glycopeptides va alors être fonction des proportions relatives de la synthèse des précurseurs normaux ou des précurseurs anormaux. En hydrolysant le D-alanyl-D-alanine, la protéine VanX augmente la proportion de précurseurs possédant le résidu D-alanyl-D-lactate.
. VanY aurait un rôle similaire à VanX et elle agirait en complément de VanX lorsque les capacités d’hydrolyse de VanX sont débordées.
. La protéine Van Z a une fonction non encore élucidée.

La dissémination horizontale de cette résistance s’effectue d’entérocoques à entérocoques, mais cette résistance a également été observée chez d’autres bactéries :
. Dans les conditions naturelles, elle a été identifiée chez Arcanobacterium haemolyticum et Oerskovia turbata.
. Expérimentalement, elle a été transférée par conjugaison d’un entérocoque avec d’autres bactéries à Gram positif (Bacillus spp., Lactococcus lactis, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Streptococcus spp.).

Ce type de résistance concerne également la médecine vétérinaire car elle a été observée chez des souches de Enterococcus faecium, isolées d’animaux de rente (notamment porcs et poulets) et de produits alimentaires d’origine animale (notamment carcasses de poulets). La sélection des souches d’origine animale est liée à l’utilisation d’un glycopeptide, l’avoparcine, en tant que facteur de croissance. La résistance à l’avoparcine est croisée avec la résistance à la vancomycine et ces souches d’origine animale auraient pu contaminer l’homme. Devant ce danger potentiel ou réel, l’avoparcine a été interdite dans tous les pays de la CEE à compter du premier avril 1997.

Modification de la cible des quinolones

Des mutations dans le gène gyrA peuvent modifier la sous unité A de l’ADN gyrase (une des cibles des quinolones) et diminuer l’affinité des quinolones pour leur cible ce qui provoque une résistance croisée, à des degrés divers, pour l’ensemble des quinolones. Ces modifications sont situées dans la sous-unité A au niveau d’un domaine d’environ 40 acides aminés et nommé "région déterminant la résistance aux quinolones (ou QRDR : Quinolone Resistance-Determining Region). Ces modifications, étudiées notamment chez Escherichia coli (substitution des acides aminés 83 et 87), Pseudomonas aeruginosa (substitution des acides aminés 83 et 87), Staphylococcus aureus (substitution des acides aminés 84 et 88), Enterococcus faecalis (substitution des acides aminés 83 et 87), Campylobacter jejuni (substitution des acides aminés 86 et 90) et des mycobactéries (substitution des acides aminés 90 et 94), confèrent une résistance qui atteint de 10 à 100 fois la CMI. L’association de deux mutations aboutit à de hauts niveaux de résistance (plus de 100 fois la CMI) et incluant les fluoroquinolones.

Des mutations dans le gène gyrB (codant pour la sous-unité B de l’ADN gyrase) peuvent modifier les acides aminés 426 ou 447 chez Escherichia coli ou les acides aminés 437 ou 458 chez Staphylococcus aureus (ces acides aminés déterminent le QRDR de la sous-unité B).
Une substitution de l’acide aminé 426 de Escherichia coli ou 437 de Staphylococcus aureus augmente de 8 fois les CMI de toutes les quinolones.
Une substitution de l’acide aminé 447 de Escherichia coli ou 458 de Staphylococcus aureus est observée chez des souches résistantes à l’acide nalidixique, à l’acide oxolinique et à la fluméquine mais sensibles à l’acide pipémidique et aux fluoroquinolones.

L’association d’une mutation dans le gène gyrA et dans le gène gyrB a été observée chez une souche de Staphylococcus aureus.

In vivo, les mutations du gène gyrA sont beaucoup plus fréquentes que celles du gène gyrB.

Des mutations du gène parC, codant pour les sous-unités ParC de la topo-isomérase IV (deuxième cible des quinolones), provoquent également un phénotype de résistance aux quinolones. De telles souches résistantes ont été isolées au sein des espèces Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Neisseria gonorrhoeae, ... La localisation et la nature des modifications de la sous-unité ParC, observées chez les souches résistantes, sont homologues de celles de la sous-unité A de la gyrase et on définit un domaine QRDR de la sous-unité ParC.

Modifications des cibles des sulfamides et du triméthoprime

La substitution de cible est un des mécanismes de résistance observés avec les sulfamides et le triméthoprime. Il résulte de l’acquisition de plasmides codant pour une dihydroptéroate synthétase ou une dihydrofolate réductase, ayant un rôle physiologique identique à celui des enzymes codées par le chromosome mais insensibles à l’agent antibactérien. Ces bactéries produisent donc des enzymes chromosomiques sensibles et des enzymes plasmidiques résistantes.

Une modification par mutation de la dihydroptéroate synthétase ou de la dihydrofolate réductase confère, respectivement, une résistance aux sulfamides ou au triméthoprime.

Modifications des ribosomes

Des substitutions d’acides aminés dans la protéine S12 de la sous-unité 30 S du ribosome provoquent une résistance à la streptomycine. Ces mutations ont été caractérisées chez Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecalis, Mycobacterium tuberculosis.

Chez Mycobacterium tuberculosis un autre type de mutation est impliqué dans la résistance à la streptomycine. Il s’agit d’une mutation dans le gène rrs, codant pour l’ARNr 16S, et qui a pour conséquence d’altérer la fixation de la streptomycine sur les ribosomes.

L’acquisition d’un plasmide portant les gènes erm (erythromycin ribosome methylation) conduit à la synthèse d’une méthylase qui méthyle l’ARNr 23S et empêche la fixation des macrolides, des lincosamides et des streptogramines de type B (résistance MLSB). La synthèse de cette méthylase peut être constitutive ou inductible. Lorsqu’elle est constitutive, on note d’emblée une résistance à l’ensemble des MLS. Lorsqu’elle est inductible, sa synthèse est déclenchée par l’érythromycine et l’oléandomycine.

La résistance à la chlarithromycine de Mycobacterium avium et de Helicobacter pylori est provoquée par la mutation du gène codant pour l’ARNr 23S.

Modification de l’ARN polymérase

La résistance à la rifampicine, observée chez Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae et chez les staphylocoques, est liée à la mutation du gène rpob qui code pour la sous-unité b de l’ARN polymérase.

3 - Synthèse d’enzymes inactivant les antibiotiques

Bêta-lactamines

Les bêta-lactamases sont des enzymes capables de cliver le cycle bêta-lactam (figure 3). Ces enzymes, produites par des bactéries à Gram positif et à Gram négatif, sont nombreuses, leur classification et leur terminologie sont complexes et seules quelques notions concernant ces enzymes sont présentées ci-dessous.

a) Production de bêta-lactamases codées par des plasmides ou des éléments génétiques transposables

Le nombre des bêta-lactamases plasmidiques est très élevé et elles sont classées selon leurs vitesses d’hydrolyse, leurs constantes d’affinité pour les bêta-lactamines, leur faculté à être inhibée par les inhibiteurs tel que l’acide clavulanique, ...

Chez les bactéries à Gram positif, les bêta-lactamases sont excrétées alors que, chez les bactéries à Gram négatif, toutes les bêta-lactamases restent localisées à l’espace périplasmique.

Sur un plan pratique, les bêta-lactamases peuvent être regroupées en 4 catégories :
. Les pénicillinases sensu stricto
Les pénicillinases vraies sont connues chez les bactéries à Gram positif, mais seule la résistance des staphylocoques par production de bêta-lactamases semble importante en clinique. Elle concerne Staphylococcus aureus subsp. aureus, Staphylococcus intermedius et Staphylococcus epidermidis. Ces bêta-lactamases sont des pénicillinases inactivant la pénicilline G, les aminopénicillines (ampicilline et ses analogues et dérivés), les carboxypénicillines et les uréidopénicillines. Elles sont par contre sans action sur l’oxacilline et ses dérivés ainsi que sur les céphalosporines. Ces pénicillinases sont inductibles et codées par des plasmides ou des transposons.
. Les bêta-lactamases à spectre élargi
Ces bêta-lactamases, codées par des plasmides, entraînent une résistance (ou une diminution d’activité) vis-à-vis des pénicillines G, des pénicillines M, des carboxypénicillines, des uréidopénicillines, des céphalosporines de 1ère et de 2ème génération (sauf les céphamycines). Les bêta-lactamases à spectre élargi sont bien inhibées par l’acide clavulanique, le sulbactam ou le tazobactam.
. Les bêta-lactamases à spectre étendu (BLSE)
Ces bêta-lactamases dérivent des enzymes précédentes par mutation des gènes codant pour les bêta-lactamases à spectre élargi. Le profil de résistance conféré est identique à celui conféré par les bêta-lactamases à spectre élargi mais, il s’étend aux céphalosporines de 3ème génération et à l’aztréonam. Les bêta-lactamases à spectre étendu sont sensibles aux inhibiteurs.
Ces enzymes sont principalement produites par des souches hospitalières de bacilles à Gram négatif (entérobactéries).
. Les bêta-lactamases résistantes aux inhibiteurs
Les bêta-lactamases résistantes aux inhibiteurs dérivent de certaines bêta-lactamases à spectre élargi par mutations ponctuelles. Le profil de résistance conféré est identique à celui des bêta-lactamases à spectre élargi mais ces enzymes ne sont pas inhibées par l’acide clavulanique, le sulbactam ou le tazobactam.

b) Production de céphalosporinases chromosomiques par des bactéries à Gram négatif

Ces céphalosporinases sont inductibles ou constitutives et codées par le chromosome. Elles sont actives sur de nombreuses céphalosporines mais aussi sur les pénicillines à large spectre et sur l’aztréonam. Les céphalosporines de troisième génération qualifiées de non hydrolysables peuvent voir leur action inhibée par des céphalosporinases inductibles qui ne détruisent pas l’antibiotique mais inhibent son accès aux PLP.
De telles céphalosporinases sont synthétisées chez des espèces naturellement productrices de céphalosporinases inductibles (entérobactéries, Pseudomonas aeruginosa) qui, à la suite d’une mutation dans les gènes de régulation, en produisent en grandes quantités (phénotype qualifié de "hyperproduction de céphalosporinases" ou de "céphalosporinases déréprimées").

Aminosides

L’inactivation enzymatique des aminosides est le mécanisme de résistance le plus souvent observé. Il permet d’expliquer la résistance de plus de 95 % des souches d’entérobactéries résistantes aux aminosides, de 95 % des souches de Acinetobacter spp., de 95 % des souches de bactéries à Gram positif et de 50 % des souches de Pseudomonas aeruginosa.

Tous les aminosides possèdent des groupements aminés et des groupements hydroxyles nécessaires à leur activité et ces groupements peuvent être la cible de trois classes d’enzymes (figure 3):
. Les acétyltransférases ou AAC catalysent l’acétylation des groupement aminés.
. Les nucléotidyltransférases ou O-adénylyl (ANT ou AAD) agissent par adénylation des groupements hydroxyles.
. Les phosphotransférases ou APH transfèrent un groupement phosphate sur les groupements hydroxyles.

Il convient de noter les points suivants :
. Un seul aminoside peut être inactivé par plusieurs enzymes.
. Une seule enzyme peut inactiver plusieurs antibiotiques.
. Une seule souche peut produire plusieurs enzymes.

Toutes ces enzymes ont une localisation intracellulaire et elles peuvent être codées par des gènes chromosomiques ou par des plasmides ou par des éléments génétiques transposables ou par des intégrons.
. La résistance d'origine chromosomique est peu importante car les gènes sont soit peu exprimés et les souches qui les portent sont faiblement résistantes soit ils sont non exprimés et les souches sont parfaitement sensibles.
. Un codage par des plasmides ou des éléments génétiques transposables ou des intégrons est plus fréquent. Il explique la diffusion importante des gènes de résistance aux aminosides parmi les souches bactériennes. Exemples :
Le gène majeur de résistance aux aminosides, rencontré chez les germes à Gram positif, code pour une enzyme qui inactive la kanamycine, la gentamicine, la sisomycine, la tobramycine et la dibékacine. Ce gène est porté par des transposons composites ce qui aurait permis sa dissémination chez de nombreuses espèces de bactéries à Gram positif (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus agalactiae, Streptococcus mitis, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecalis, Enterococcus raffinosus, Enterococcus faecium, Enterococcus gallinarum, Enterococcus avium...).
Le gène codant pour l’APH(3’)-III présent, notamment, chez Staphylococcus aureus, a été également retrouvé chez Campylobacter jejuni.

Phénicolés

L’inactivation enzymatique est également le mécanisme de résistance le plus fréquent pour le chloramphénicol et le thiamphénicol. Elle consiste en l’acétylation par une chloramphénicol acétyltransférase du groupement hydroxyle de la molécule (figure 3). On a identifié 3 enzymes chez les bactéries à Gram négatif et cinq chez les bactéries à Gram positif. A l’exception de Streptococcus pneumoniae, ces enzymes sont codées par des plasmides. Les chloramphénicol acétyltransférases sont cependant inactives sur le florfénicol.

Autres antibiotiques

Des mécanismes d’inactivation enzymatique ont été observés pour les tétracyclines, les macrolides et les lincosamides mais ils ne constituent pas le mécanisme principal de résistance.

Origine des gènes de résistance aux antibiotiques

Les gènes de résistance aux antibiotiques pourraient avoir deux origines :

Selon une hypothèse classique, l’origine semble devoir être recherchée chez les microorganismes qui synthétisent naturellement des antibiotiques (de très nombreux antibiotiques, utilisés en thérapeutique, dérivent de ces antibiotiques naturels) et qui doivent se protéger de l’action de ces substances. La synthèse d’antibiotiques par des microorganismes aurait pour fonction d’éliminer d’autres microorganismes, présents dans la même niche écologique et susceptibles de rivaliser pour l’acquisition de nutriments. Le sol est certainement l’écosystème principal où se déroule cette lutte pour la vie :
. La plupart des microorganismes producteurs d’antibiotiques sont telluriques.
. Un plasmide de résistance aux antibiotiques contient souvent des gènes de résistance aux métaux lourds (mercure, plomb, cadmium, bismuth, sels d’argent, ...) qui sont largement présents dans la terre.

Plus récemment, on a montré que certains gènes de résistance auraient un rôle dans le métabolisme cellulaire. Le cas le mieux connu est celui d’un gène chromosomique codant pour l’enzyme AAC(2’)-Ia capable d’inactiver certains aminosides et retrouvée chez Providencia stuartii. Cette enzyme aurait pour rôle physiologique l’acétylation du peptidoglycane et les aminosides ne seraient que des substrats fortuits.

Quelques notions sur l’épidémiologie de la résistance aux antibiotiques

Toute l’épidémiologie de la résistance aux antibiotiques a pour point de départ l’utilisation de ces molécules qui permettent la sélection des bactéries résistantes. Un gène de résistance ainsi sélectionné pourra ultérieurement diffuser au sein des populations bactériennes et les bactéries résistantes pourront elles mêmes diffuser d’un biotope à un autre.

A - Sélection des bactéries résistantes

Les antibiotiques n’induisent pas la résistance mais, grâce à leur pression de sélection, ils permettent l’émergence des souches résistantes qui, au sein d’un biotope, seront favorisées par rapport aux souches sensibles.

Si la résistance a pour origine une mutation, le biotope sera colonisé par une souche, le plus souvent monorésistante et généralement plus fragile que les souches sauvages. Lorsque la pression de sélection diminue, par arrêt d’utilisation de l’antibiotique, la souche mutée est contre-sélectionnée et le biotope sera à nouveau colonisé par des souches sauvages sensibles.

Si la résistance est liée à un mécanisme extra-chromosomique, le biotope sera colonisé par une souche souvent multirésistante et l’utilisation d’un seul antibiotique peut être à l’origine de l’émergence d’une souche multirésistante. Les souches ainsi sélectionnées ont une viabilité normale et elles sont peu ou pas contre-sélectionnées en l’absence d’antibiotique.

La sélection des souches résistantes s’effectue soit dans l’environnement soit in vivo :

- Sélection dans le milieu extérieur
. Les antibiotiques à usage agricole (traitement des maladies bactériennes des plantes), les résidus d’antibiotiques présents dans le milieu extérieur et la présence de métaux lourds sont à l’origine de la sélection de bactéries résistantes.
. Le rôle de certains sels minéraux à usage industriel est bien connu. Ainsi, en aval d’une usine photographique rejetant des sels d’argent dans une rivière, le pourcentage de souches résistantes de Aeromonas spp. est plus élevé que le pourcentage retrouvé en amont.

- Sélection in vivo

L’utilisation d’antibiotiques comme facteur de croissance pouvait être à l’origine de l’émergence de souches résistantes, mais elle est actuellement interdite.
Les deux autres modalités d’utilisation des antibiotiques in vivo sont à l’origine de la sélection de bactéries résistantes.
. Toute antibiothérapie, quelque soit son succès, sélectionne des souches résistantes. Plus l’utilisation des antibiotiques est importante (ou anarchique), plus la fréquence d’apparition des bactéries résistantes est grande. C’est donc en milieu hospitalier et dans les élevages hors sol que les pourcentages de bactéries résistantes sont les plus importants.
. L’antibioprévention est généralement condamnée par les microbiologistes sauf dans certains cas particuliers (chirurgie septique, prévention d’infections identifiées à potentiel épidémique et pour lesquelles aucun vaccin n’est disponible ou utilisable en urgence). Cette condamnation repose sur le fait que l’antibioprévention est généralement aveugle et qu’elle conduit à utiliser des antibiotiques à large spectre. Il faut cependant souligner que les microbiologistes effectuent rarement des actes thérapeutiques ou chirurgicaux, ils ne sont pas confrontés aux problèmes rencontrés par les praticiens et il est toujours facile de donner des conseils !

B - Diffusion de la résistance

La diffusion de la résistance s’effectue soit par la diffusion des gènes de résistance soit par la diffusion des souches bactériennes résistantes.

Les plasmides, les éléments génétiques transposables et les intégrons peuvent diffuser entre bactéries phylogénétiquement éloignées.

La diffusion des souches résistantes se fait par des mécanismes similaires à celui de la diffusion des souches sauvages et elle sera donc fonction de l’espèce bactérienne. Il convient toutefois d’insister sur la transmission à l’homme de bactéries résistantes d’origine animale. Cette transmission conduit, parfois, certains médecins à préconiser l’interdiction des antibiotiques en médecine vétérinaire (!!!). Ce sont principalement les transmissions à l’homme de souches de salmonelles résistantes d’origine animale ou de souches de Campylobacter jejuni résistantes aux fluoroquinolones (soit par contact direct soit par ingestion d’aliments mal cuits) qui ont suscité le plus de polémiques.

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