Stratégie contre la virulence des pathogènes microbiens

Chez les bactéries, un facteur de virulence est mis en place dans le but d’améliorer leur pouvoir pathogène. Ainsi, de nombreux facteurs de virulence augmentent les capacités des bactéries à coloniser et d’envahir un hôte ainsi que de contourner son système de défense. Bloquer ces facteurs de virulence est une thérapie permettant de stopper l’effet pathogène d’une bactérie le temps que le système immunitaire réagisse ou que des antibiotiques auxiliaires fassent effet.49

La sécrétion de toxine est un des facteurs de virulence bactérienne. Plusieurs agents (inhibiteurs chimiques ou anticorps) ont montré une inhibition de ces toxines entrainant le blocage de l’effet pathogène.49,50

La formation de biofilm est également un facteur de virulence et de résistance en permettant aux bactéries pathogènes une adhérence à des matériaux inertes. En effet, la matrice extracellulaire de ces biofilms est constituée de polysaccharides, protéines et ADN extracellulaire qui empêchent les antibactériens de pénétrer les cellules.51 Des matériaux de différentes compositions ont été étudiés afin d’empêcher cette adhérence, notamment dans le cadre de chirurgie et de transplantation.49 Des stratégies sont également envisagées afin de cibler les protéines adhésives bactériennes permettant leur adhérence.49

Les bactéries formant un biofilm se sont montrées 100 à 1000 fois plus tolérantes aux antimicrobiens que les bactéries ayant un mode de vie planctonique. La formation de biofilm peut également être ciblée en impactant le quorum sensing (QS) des bactéries. Le QS est un système de communication dépendant de la densité bactérienne régi par la production d’autoinducteurs (molécules de signalisation) entrainant la régulation de certains gènes, notamment ceux des facteurs de virulence et de la formation de biofilm.51 De manière générale, les bactéries à Gram négatif utilisent des N-acylhomoserine lactones (AHLs) tandis que les bactéries à Gram positif possèdent des peptides (AIP) comme autoinducteurs de leur QS. Les « autoinducteurs-2 » peuvent être secrétés à la fois par des bactéries à Gram négatif et à Gram positif (Figure I. 15). Tous ces autoinducteurs sont sécrétés dans des proportions dépendantes de la densité cellulaire. Une fois une certaine concentration d’autoinducteurs sécrétée dans l’environnement (liée alors au nombre de bactéries), leur seuil de détection par les bactéries est alors atteint et des mécanismes de régulation sont initiés, aboutissant à un comportement collectif. Empêcher cette signalisation permet d’impacter la virulence des bactéries et leur capacité à former un biofilm.51

49 Hauser A. R., Mecsas J., et al., Beyond antibiotics: new therapeutic approaches for bacterial infections. Clin. Infect. Dis.

2016, 63, p. 89–95.

50 Rouha H., Badarau A., et al., Five birds, one stone: neutralization of α-hemolysin and 4 bi-component leukocidins of

Staphylococcus aureus with a single human monoclonal antibody. mAbs 2014, 7, p. 243–254.

51 Rémy B., Mion S., et al., Interference in bacterial quorum sensing: a biopharmaceutical perspective. Front. Pharmacol.

34 Figure I. 15. Exemples d'autoinducteurs du quorum sensing de bactéries à Gram négatif et à Gram positif et exemples d’agents développés pour inhiber ce QS.

35 Plusieurs stratégies d’interférence avec le QS des bactéries, nommées quorum quenching (QQ), existent (Figure I. 15) :

- l’utilisation d’enzymes permettant la dégradation des autoinducteurs (lactonases, oxydoréductases, acylases…),

- l’utilisation d’inhibiteurs de la synthèse de ces autoinducteurs,

- l’utilisation d’inhibiteurs des interactions entre les autoinducteurs et leurs récepteurs.49

Des peptides ont été recensés possédant une activité antagoniste sur le QS de bactéries à Gram positif. Des molécules naturelles possèdent une activité QQ principalement sur les bactéries à Gram négatif : polyphénols, eugénol, patuline… tout comme des molécules synthétiques : 5-fluorouracile (5-FU) et azithromycine. Enfin des macromolécules comme des anticorps ou des cyclodextrines ont montré une capacité à piéger les autoinducteurs, bloquant ainsi la communication bactérienne.51

Le QS de la bactérie S. aureus est l’un des mieux étudiés, compte tenu de la recherche de nouvelles cibles contre ce pathogène en vue de lutter contre sa résistance aux antibiotiques. Le principal QS de S. aureus repose sur le système agr qui exprime et régule ses facteurs de virulence dont les mécanismes de résistance aux antibiotiques (régulation positive du système d’efflux).52 La région chromosomique agr code pour deux transcrits : ARN II et ARN III sous le contrôle des promoteurs P2 et P3 respectivement (Figure I. 16). Le segment ARN II est un opéron de quatre gènes, agrBDCA, codant pour les principaux composants du QS :

- AgrB, une endopeptidase jouant le double rôle d’enzyme protéolytique et transporteur transmembranaire : elle convertit AgrD en autoinducteur AIP et l’exporte dans le milieu extracellulaire,

- AgrC, une protéine réceptrice transmembranaire, qui reconnait alors l’AIP (détection et début du QS) et entraine une phosphorylation de AgrA.

L’ArgA phosphorylée régule positivement le système agr en se liant au promoteurs P2 et P3. Le segment ARN III active l’expression de facteur de virulence (protéases, hémolysines, toxine α…) et réprime la transcription de gènes codant pour des protéines de surface (protéine A, protéines de liaison à la fibronectine…) qui interviennent dans les processus de colonisation de S. aureus.52,53

La protéine A chez S. aureus permet notamment l’inhibition de la phagocytose par le système immunitaire.

52 Yarwood J. M., Schlievert P. M., Quorum sensing in Staphylococcus infections. J. Clin. Invest. 2003, 112, p. 1620–1625.

53 Salam A. M., Quave C. L., Targeting virulence in Staphylococcus aureus by chemical inhibition of the accessory gene regulator system in vivo. mSphere 2018, 3.

36 Figure I. 16. Représentation schématique du système agr de S. aureus.

Des molécules quenching de ce système ont déjà été répertoriées (Figure I. 17).53 Les biarylhydroxycétones (F12 et F19) entrainent une perturbation de l’interaction entre AgrA et P3. La combinaison de ces molécules avec des antibiotiques a montré un effet de synergie et une diminution de la concentration minimale inhibitrice (CMI) des antibiotiques sur SARM. La savirine a également été décrite comme QQ en inhibant l’activation de P3. Deux molécules isolées de champignons ont été rapportées pour leur activité QQ. La ω-hydroxyémodine (OHM) isolé de Penicillium restrictum inhibe la fixation de AgrA aux promoteurs. L’acide ambuique, métabolite fongique, semble perturber la biosynthèse des autoinducteurs AIP. Des extraits de plantes (feuilles de Castanea sativa et baies de Schinus terebinthifolia) ont également montré un effet QQ non bactéricide en diminuant l’expression du système agr.53

Figure I. 17. Molécules répertoriées pour une activité QQ sur S. aureus.

Le quorum quenching semble une perspective prometteuse pour une stratégie antivirulente et peut être employé de manière complémentaire aux agents antimicrobiens. Peu de molécules ont été testées cliniquement pour leur effet QQ. L’effet QQ de l’antibiotique azithromycine n’a été évalué qu’après sa commercialisation en tant que traitement des fibroses kystiques, tout comme l’activité QQ de la 5-fluorouracile (5-FU) utilisée en tant qu’agent antitumoral. Cependant, de nombreux agents QQ ont été intégrés avec succès dans des équipements médicaux comme les cathéters, afin de lutter contre leur contamination. Par exemple, des peptides inhibiteurs du QS agr de S. aureus ont été ajoutés à des nanofibres polymériques, procurant au matériau une activité

37 biologique contre S. aureus sur trois semaines.54 A ce jour, peu de choses sont connues sur de potentiels mécanismes de résistance des bactéries à cette stratégie QQ, mais l’expérience de la résistance aux antibiotiques montrent que les agents QQ doivent être choisis et utilisés scrupuleusement.51

Le plus grand succès de la santé publique au 20ème siècle a été le traitement des infections aboutissant à une diminution de la mortalité due à ces maladies. Les efforts gouvernementaux pour améliorer l’hygiène ont également contribué au concept d’une santé publique collective. L’assainissement des eaux, la gestion des déchets, la sécurité alimentaire, le contrôle des animaux porteurs de maladies et les activités de prévention ont été autant de mesures prises afin d’accompagner l’industrialisation, l’immigration et le développement des villes pouvant favoriser la propagation rapide des maladies infectieuses.8 Ainsi l’incidence de la tuberculose et de la peste aux États-Unis a fortement diminué entre 1900 et 1940 avant l’introduction des thérapies antibiotiques.8 Cependant, c’est le développement de ces thérapies qui a le plus participé à cette réussite. Les antibiotiques sont utilisés depuis plus de 80 ans et ont permis de sauver des patients atteints d’infections aux streptocoques, staphylocoques, gonorrhées et syphilis. Cependant, le 20ème siècle a vu la montée et la propagation de nouvelles maladies infectieuses comme le SIDA ainsi que des épidémies importantes de grippe. L’apparition de ces nouvelles maladies souligne l’importance d’une prévention continue pour lutter contre leur propagation.

La résistance aux traitements antibiotiques par de nombreux micro-organismes pathogènes renverse actuellement cette avancée thérapeutique. Ainsi, il a été observé la réémergence de la tuberculose (incluant les souches multi-résistantes aux antibiotiques), de même que l’apparition et la dissémination rapide de souches de S. aureus résistantes à la vancomycine. Il est nécessaire aujourd’hui de continuer à protéger nos acquis en matière de santé en trouvant de nouvelles stratégies afin d’éviter un retour à l’ère pré-antibiotique.

54 Kratochvil M. J., Yang T., et al., Nonwoven polymer nanofiber coatings that inhibit quorum sensing in Staphylococcus

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