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Emergence et diffusion de la résistance aux antibiotiques Paul-Louis WOERTHER Hervé JACQUIER Département « Prévention Diagnostic et Traitement des Infections » CHU Henri Mondor L3 Biologie Santé...

Emergence et diffusion de la résistance aux antibiotiques Paul-Louis WOERTHER Hervé JACQUIER Département « Prévention Diagnostic et Traitement des Infections » CHU Henri Mondor L3 Biologie Santé UE One Health 4 mars 2024  Plan Généralités – Principaux éléments de la structure des bactéries – Généralités sur la résistance aux antibiotiques – Diagnostic en bactériologie médicale et détermination de la sensibilité aux antibiotiques Modèle d’étude « One Health » : émergence et diffusion des bêta-lactamases chez E. coli – Généralités sur les bêta-lactamines et les bêta- lactamases – Émergence des bêta-lactamases – Dissémination des bêta-lactamases – Prévention Caractéristiques structurales générales des bactéries Microorganismes unicellulaires Taille varie de 0.3 – 5 µm – Visibles au microscope optique (x1000) Procaryotes : pas de membrane nucléaire entourant le chromosome – Structure constante – Structure variable Principaux éléments de la structure des bactéries Structure constante Chromosome ADN bicaténaire, circulaire, unique Principaux éléments de la structure des bactéries Structure constante Chromosome ADN bicaténaire, circulaire, unique Cytosol Environ 20.000 ribosomes assurant la synthèse des protéines nécessaires au métabolisme Principaux éléments de la structure des bactéries Structure constante Chromosome ADN bicaténaire, circulaire, unique Cytosol Environ 20.000 ribosomes assurant la synthèse des protéines nécessaires au métabolisme Membrane cytoplasmique Bicouche phospholipidique associée à des protéines (transport de nutriments ou de sécrétion) Principaux éléments de la structure des bactéries Structure constante Chromosome ADN bicaténaire, circulaire, unique Cytosol Environ 20.000 ribosomes assurant la synthèse des protéines nécessaires au métabolisme Membrane cytoplasmique Bicouche phospholipidique associée à des protéines (transport de nutriments ou de sécrétion) Paroi (=peptidoglycane) Structure assurant la stabilité de la cellule Principaux éléments de la structure des bactéries Structure variable Capsule Antigène polysaccharidique jouant un rôle protecteur contre la phagocytose Principaux éléments de la structure des bactéries Structure variable Capsule Antigène polysaccharidique jouant un rôle protecteur contre la phagocytose Membrane externe Bicouche phospholipidique associée à des protéines et des lipropolyssaccharides (LPS) Principaux éléments de la structure des bactéries Structure variable Capsule Antigène polysaccharidique jouant un rôle protecteur contre la phagocytose Membrane externe Bicouche phospholipidique associée à des protéines et des lipropolyssaccharides (LPS) Pili ou fimbriae structures protéiques impliquées dans des phénomènes d’adhésion Principaux éléments de la structure des bactéries Structure variable Capsule Antigène polysaccharidique jouant un rôle protecteur contre la phagocytose Membrane externe Bicouche phospholipidique associée à des protéines et des lipropolyssaccharides (LPS) Pili ou fimbriae structures protéiques impliquées dans des phénomènes d’adhésion Flagelles structures protéiques impliquées dans la mobilité de la bactérie Principaux éléments de la structure des bactéries Structure variable Capsule Antigène polysaccharidique jouant un rôle protecteur contre la phagocytose Membrane externe Bicouche phospholipidique associée à des protéines et des lipropolyssaccharides (LPS) Pili ou fimbriae structures protéiques impliquées dans des phénomènes d’adhésion Flagelles structures protéiques impliquées dans la mobilité de la bactérie Plasmides Eléments génétiques circulaires dont la réplication est indépendante de celle du chromosome pouvant porter des gènes de virulence et de résistance aux ATB  Plan Généralités – Principaux éléments de la structure des bactéries – Généralités sur la résistance aux antibiotiques – Diagnostic en bactériologie médicale et détermination de la sensibilité aux antibiotiques Modèle d’étude « One Health » : émergence et diffusion des bêta-lactamases chez E. coli – Généralités sur les bêta-lactamines et les bêta- lactamases – Émergence des bêta-lactamases – Dissémination des bêta-lactamases – Prévention Cibles des antibiotiques… Boolchandani et al.,NRM,2019 … et leurs mécanismes de résistance… Boolchandani et al.,NRM,2019  Résistance naturelle et résistance acquise Résistance naturelle – présence chez toutes les souches de l'espèce – support chromosomique – phénotype « sauvage »  Résistance naturelle et résistance acquise Résistance naturelle – présence chez toutes les souches de l'espèce – support chromosomique – phénotype « sauvage » Résistance acquise – présence chez certaines souches de l'espèce – support :  Chromosomique (mutations de cibles des ATB ou de séquences régulatrices)  Acquisition de nouveaux gènes (transfert horizontal)  Résistance naturelle et résistance acquise Résistance naturelle – présence chez toutes les souches de l'espèce – support chromosomique – phénotype « sauvage » Résistance acquise – présence chez certaines souches de l'espèce – support :  Chromosomique (mutations de cibles des ATB ou de séquences régulatrices)  Acquisition de nouveaux gènes (transfert horizontal) Sélection d’une mutation chromosomique ATB Sélection darwinienne Mutation pré-existante (naturellement) 1 / 109  Résistance naturelle et résistance acquise Résistance naturelle – présence chez toutes les souches de l'espèce – support chromosomique – phénotype « sauvage » Résistance acquise – présence chez certaines souches de l'espèce – support :  Chromosomique (mutations de cibles des ATB ou de séquences régulatrices)  Acquisition de nouveaux gènes (transfert horizontal) Transfert horizontale de résistance Support génétique de la résistance acquise exogène Plasmides Séquences d’insertion (IS) Transposon Intégron  Plan Généralités – Principaux éléments de la structure des bactéries – Généralités sur la résistance aux antibiotiques – Diagnostic en bactériologie médicale et détermination de la sensibilité aux antibiotiques Modèle d’étude « One Health » : émergence et diffusion des bêta-lactamases chez E. coli – Généralités sur les bêta-lactamines et les bêta- lactamases – Émergence des bêta-lactamases – Dissémination des bêta-lactamases – Prévention Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Généralités PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2  Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2 Examen Microscopique Coloration de MGG Coloration de Gram  Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2 Examen Microscopique Coloration de MGG Coloration de Gram Ensemencement Incubation Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2 Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2 Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2 Identification Détermination de la (spectrométrie de masse) sensibilité aux antibiotiques Diagnostic bactériologique : méthodes culturales Germes usuels PRELEVEMENT CULTURE ANTIBIOGRAMME CLINIQUE J0 J1 J2 Ces délais sont prolongés pour des bactéries de croissance lente  Plan Généralités – Principaux éléments de la structure des bactéries – Généralités sur la résistance aux antibiotiques – Diagnostic en bactériologie médicale et détermination de la sensibilité aux antibiotiques Modèle d’étude « One Health » : émergence et diffusion des bêta-lactamases chez E. coli – Généralités sur les bêta-lactamines et les bêta- lactamases – Émergence des bêta-lactamases – Dissémination des bêta-lactamases – Prévention  Escherichia coli : une espèce ubiquitaire Habitat primaire Habitat secondaire Commensal Saprophyte Commensal aéro-anaérobie le plus Environnement hydrique fréquent du microbiote digestif des vertébrés à sang chaud Pathogène Responsable d’infections intra et extra-intestinales  Présentation du monde bactérien en quelques chiffres Procaryotes unicellulaires Présentes dans tous les écosystèmes Grande partie de la biomasse mondiale 4 – 6.1030 sur la Terre Rôles biologiques majeurs 10 000 espèces connues à ce jour Diversité estimée: 5 à 10 millions d’espèces Microbiotes humains: cutané 1012 oro-pharyngé 1010 digestif 1014 Dix fois plus de bactéries que de cellules dans le corps humain www.wikipedia.org  La résistance précède l’utilisation des antibiotiques Identification de gènes possédant de très fortes homologies avec les gènes codant pour divers mécanismes de résistance: - TetM - VanHAX - Bla - AAC(3) - Erm… D’costa VM et al., Nature 2011  La résistance précède l’utilisation des antibiotiques Identification de gènes possédant de très fortes homologies avec les gènes codant pour divers mécanismes de résistance: - TetM - VanHAX - Bla - AAC(3) - Erm…  Résistance enzymatique à la Daptomycine Grotte isolée depuis 4 millions d’années 500 isolats retrouvés en culture 93 choisis au hasard (33% G+ et 64% G-) 70% des G+ sont R à 3-4 ATB testés 65% des G- sont R à 3-4 ATB testés Bhullar K et al., PLoS ONE 2012  Résistance enzymatique à la Daptomycine Grotte isolée depuis 4 millions d’années Mécanismes de résistance non- enzymatiques et enzymatiques identifiés Characterisation d’une enzyme inactivant les macrolides chez B. paraconglomeratum Streptomyces et Paenibacillus lautatus Réservoir de gènes de résistance? Bhullar K et al., PLoS ONE 2012  Bêta-lactamines Les bêta-lactamines figurent parmi les antibiotiques les plus prescrits au monde Leur usage concerne le milieu communautaire, hospitalier et vétérinaire Ces antibiotiques sont potentiellement éliminés dans l’environnement et constituent une pression de sélection importante L’émergence et la diffusion de la résistance aux bêta-lactamines est donc particulièrement pré- occupant  Classification des bêta-lactamines Pénicillines – Aminopénicillines (amoxicilline, ampicilline) – Uréidopénicillines (pipéracilline) – Carboxypénicillines (ticarcilline) Inhibiteurs de pénicillinase – Acide clavulanique, tazobactam… Céphalosporines – Céphalosporines de 1ère génération (cefalotine, cefazoline…) – Céphalosporines de 2ème génération (cefuroxime, cefamandole…) – Céphalosporines de 3ème génération (cefotaxime, ceftazidime…) – Céphalosporines de 4ème génération (céfépime, cefpirome…) Monobactams – Aztreonam Carbapénèmes – Imipénème  Classification des bêta-lactamines Pénicillines Céphalosporines Carbapénèmes Inhibiteurs de pénicillinase Monobactams (exemple : clavulanate) Mécanisme d’action des bêta-lactamines  Synthèse du peptidoglycane Acide N-acétyl muramique N-acétyl glucosamine L-Ala Glu Meso-A2pm D-Ala  Synthèse du peptidoglycane Acide N-acétyl muramique N-acétyl glucosamine L-Ala Glu Meso-A2pm D-Ala Mécanisme d’action des bêta-lactamines Mécanisme d’action des bêta-lactamines  Résistance acquise aux bêta-lactamines Modification de Imperméabilité Résistance Efflux la cible (déficit en porines) enzymatique  Résistance acquise aux bêta-lactamines Modification de Imperméabilité Résistance Efflux la cible (déficit en porines) enzymatique Bêta-lactamases Diversité des bêta-lactamases Brandt et al., Sci. Report, 2017  Diversité des bêta-lactamases DIVERSITE GENETIQUE > 1000 beta- lactamases décrites Brandt et al., Sci. Report, 2017  Diversité des bêta-lactamases DIVERSITE DIVERSITE GENETIQUE DE SPECTRE > 1000 beta- lactamases décrites Brandt et al., Sci. Report, 2017 Résistance naturelle aux b-lactamines Escherichia coli Résistance acquise aux b-lactamines Pénicillinase Sensible Pase acquise plasmidique TEM-1 Escherichia coli  Résistance acquise aux b-lactamines Beta-Lactamase à Spectre Etendu Sensible Variant allélique TEM-1 CTX-M Escherichia coli Résistance acquise aux b-lactamines Carbapénémase  Plan Généralités – Principaux éléments de la structure des bactéries – Généralités sur la résistance aux antibiotiques – Diagnostic en bactériologie médicale et détermination de la sensibilité aux antibiotiques Modèle d’étude « One Health » : émergence et diffusion des bêta-lactamases chez E. coli – Généralités sur les bêta-lactamines et les bêta- lactamases – Émergence des bêta-lactamases – Dissémination des bêta-lactamases – Prévention  Biomasse Capacité réplicative La biomasse 1 génération en 20 bactérienne = 6 x 1030 min bactéries sur la planète 0.01 erreur par Homme: 10 14 génome bactérien et bactéries par génération – 1013 selles (réparation) – 109 peau – 1010 nasopharynx Capacité adaptative Animaux, Plantes / Échanges génétiques terre (107/g), Eau douce: 106/ml Pression Sélection Transmission antibiotique résistance croisée  Emergence et diffusion de la résistance aux antibiotiques mobilisation progéniteur diffusion X X X X diversification Le succès de la diffusion et de la diversification bêta- lactamase le bon gène le bon plasmide la bonne souche Diversification X  Origine des b-lactamases Notion de progéniteurs progéniteurs identifiés : – CMY < Citrobacter freundii – DHA-1 < Morganella morganii – FOX < Aeromonas caviae – ACT-1 < Enterobacter asburiae – ACC-1 < Hafnia alvei – SHV < Klebsiella pneumoniae – CTX-M < Kluyvera sp.  Origine des b-lactamases Notion de progéniteurs Exemple de la famille des CTX-M mobilisation Kluyvera sp. diffusion X X X X diversification  Origine des b-lactamases Notion de progéniteurs Exemple de la famille des CTX-M D’après G. Arlet  Origine des b-lactamases Notion de progéniteurs Exemple de la famille des CTX-M Kluyvera ascorbata E. Coli CTX-M15  Plan Généralités – Principaux éléments de la structure des bactéries – Généralités sur la résistance aux antibiotiques – Diagnostic en bactériologie médicale et détermination de la sensibilité aux antibiotiques Modèle d’étude « One Health » : émergence et diffusion des bêta-lactamases chez E. coli – Généralités sur les bêta-lactamines et les bêta- lactamases – Émergence des bêta-lactamases – Dissémination des bêta-lactamases – Prévention Sélection, diversification et diffusion des bêta- lactamases Woerther et al., CMR, 2015  Succès des CTX-M le bon gène le bon plasmide la bonne souche  Succès des CTX-M le bon gène le bon plasmide la bonne souche Diversification X  Succès des CTX-M le bon gène le bon plasmide la bonne souche Diversification X Diffusion  Succès des CTX-M le bon gène le bon plasmide la bonne souche Diversification X Diffusion Phénomène spontané mais sélectionné par pression de sélection antibiotique  Succès des CTX-M Environnement génétique Fond génétique des souches (… et des plasmides !) Pression de sélection  « Switch » de l’épidémiologie des E-BLSE 1980 2002 2023 K. pneumoniae E. coli Variants BLSE de pénicillinases BLSE CTX-M (TEM et SHV) Problématique communautaire Nosocomial Importée à l’hôpital Pression de sélection et en communautaire transmission manuportée Diffusion pandémique  Résistance aux C3G Emergence massive de bactéries sécrétrices de BLSE Portage rectal en milieu communautaire Bewan et al., JAC, 2017  Résistance aux C3G Emergence massive de E. coli producteurs de BLSE Prélèvements cliniques 2002 2022 Données issues de l’ECDC - ecdc.europa.eu Prélèvements cliniques Healthcare institutions  Transfert entre différents habitats Recueil de souches de E. coli BLSE sur l’île de la Réunion Miltgen, JAC, 2022  Transfert entre différents habitats Recueil de souches de E. coli BLSE sur l’île de la Réunion Miltgen, JAC, 2022  Transfert entre différents habitats Recueil de souches de E. coli BLSE sur l’île de la Réunion Interaction entre les compartiments: Eaux Usées  Humains Eaux Usées  Animaux de ferme Miltgen, JAC, 2022 Futur succès des carbapénémases ?  Résistance aux carbapénèmes Emergence massive de bactéries résistantes aux carbapénèmes Prélèvements cliniques 2009 2021 Données issues de l’ECDC - ecdc.europa.eu Prélèvements cliniques Healthcare institutions  Conclusions Habitat des bactéries hébergeant des bêta-lactamases – Environnement (eau, microbiote végétal) – Microbiote digestif des humains et des animaux  Conclusions Habitat des bactéries hébergeant des bêta-lactamases – Environnement (eau, microbiote végétal) – Microbiote digestif des humains et des animaux Mobilisation, diffusion, et diversification des gènes codant des bêta-lactamases – Phénomènes spontanés – Sélectionnés par la pression antibiotique  Conclusions Habitat des bactéries hébergeant des bêta-lactamases – Environnement (eau, microbiote végétal) – Microbiote digestif des humains et des animaux Mobilisation, diffusion, et diversification des gènes codant des bêta-lactamases – Phénomènes spontanés – Sélectionnés par la pression antibiotique Nécessité de prévention – Importance de mesures d’hygiène à l’hôpital – Contrôle de la diffusion entre les différents habitats homme / animal / environnement – Bon usage des antibiotiques Conclusions  Epilogue Pays émergents – Faible niveau d’hygiène – Pathologies infectieuses digestives – fortes pressions antibiotiques Nouveaux antibiotiques ? – Sélection de résistance rapide  Retour à l’ère pré-antibiotique ?