Streptomyces

Streptomyces est un genre de bactéries Gram positif qui se développe dans divers environnements, avec une forme filamenteuse similaire aux champignons. La différenciation morphologique des Streptomyces implique la formation d’une couche d’hyphes qui peut se différencier en une chaîne de spores. Ce processus est unique parmi les Gram-positifs, nécessitant un métabolisme spécialisé et coordonné. La propriété la plus intéressante des Streptomyces est leur capacité à produire des métabolites secondaires bioactifs tels que des antifongiques, des antiviraux, des antitumoraux, des anti-hypertenseurs, et surtout des antibiotiques et des immunosuppresseurs1.-Une autre caractéristique du genre est son développement multicellulaire complexe, dans lequel les spores en germination forment des hyphes, avec un mycélium aérien multinucléaire, qui forme des septa à intervalles réguliers, créant une chaîne de spores non nucléées.4

Lorsqu’une spore trouve des conditions favorables de température, de nutriments et d’humidité, le tube germinatif se forme et l’hyphe se développe. L’hyphe aérien suit, et un ensemble de stade initie l’organisation de divers processus tels que la croissance et le cycle cellulaire. La cellule sporogène peut contenir 50 copies ou plus du chromosome ; l’ordre, la position et la ségrégation des chromosomes pendant la sporulation est linéaire, ce qui implique au moins deux systèmes (ParAB et FtsK), qui conduisent à la différenciation et à la septation des cellules apicales en chaînes de spores. Plusieurs autres gènes essentiels à la sporulation des hyphes aériens ont été signalés chez S. coelicolor, par exemple les gènes whiG, whiH, whiI, whiA, whiB et whiD. L’explication de la présence de spores chez les Streptomyces est probablement que ces fragments sont apparus mycéliens sous une pression sélective, qui pourrait impliquer la nécessité de survivre en dehors des plantes et des invertébrés, ou dans des environnements extrêmes.

La capacité des spores à survivre dans ces environnements hostiles doit avoir été augmentée en raison du pigment et de l’arôme présents dans les spores de certaines espèces,5 ce qui stimule le développement cellulaire et la production de métabolites secondaires6. Un autre point important est l’extrémité de l’hyphe, qui est considérée comme la région la plus importante où les protéines membranaires et les lipides peuvent être sécrétés, en particulier dans la zone apicale de la croissance.7 Chez certains Streptomyces, le métabolisme secondaire et la différenciation peuvent être liés.8,9 Du point de vue phylogénétique, les Streptomyces font partie des Actinobactéries, un groupe de Gram positif dont le matériel génétique (ADN) est riche en GC (70%) par rapport à d’autres bactéries comme Escherichia coli (50%). La grande importance accordée aux Streptomyces s’explique en partie par le fait qu’il s’agit des microorganismes du sol les plus nombreux et les plus polyvalents, compte tenu de leur taux élevé de production de métabolites et de leurs processus de biotransformation, de leur capacité à dégrader la lignocellulose et la chitine, et de leur rôle fondamental dans les cycles biologiques de la matière organique.10 Deux espèces de Streptomyces ont été particulièrement bien étudiées : Deux espèces de Streptomyces ont été particulièrement bien étudiées : S. griseus, le premier Streptomyces à être utilisé pour la production industrielle d’un antibiotique – la streptomycine, et S. coelicolor, le plus largement utilisé dans les études génétiques. Diverses souches ont été séquencées et leurs génomes ont été cartographiés (tableau 1).

Le génome de S. coelicolor, par exemple, code un grand nombre de protéines sécrétées (819), dont 60 protéases, 13 chitinases/chitosanases, huit cellulases/endoglucanases, trois amylases et deux pactato lyases. Les Streptomyces sont également importants dans la décomposition initiale de la matière organique, principalement les espèces saprophytes.11

La production de la plupart des antibiotiques est spécifique à chaque espèce, et ces métabolites secondaires sont importants pour que les Streptomyces spp. puissent rivaliser avec d’autres microorganismes qui peuvent entrer en contact, ou même au sein du même genre. Un autre processus important impliquant la production d’antibiotiques est la symbiose entre les Streptomyces et les plantes, car l’antibiotique protège la plante contre les pathogènes, et les exsudats de la plante permettent le développement des Streptomyces.12 Les données de la littérature suggèrent que certains antibiotiques ont pour origine des molécules de signalisation, qui sont capables d’induire des changements dans l’expression de certains gènes qui ne sont pas liés à une réponse au stress11.

Antibiotiques

Malgré le succès de la découverte des antibiotiques, et les avancées dans le processus de leur production, les maladies infectieuses restent encore la deuxième cause de mortalité dans le monde, et les infections bactériennes causent environ 17 millions de décès par an, touchant principalement les enfants et les personnes âgées. L’histoire des antibiotiques dérivés de Streptomyces a commencé avec la découverte de la streptothricine en 1942, et avec la découverte de la streptomycine deux ans plus tard, les scientifiques ont intensifié la recherche d’antibiotiques au sein du genre. Aujourd’hui, 80% des antibiotiques proviennent du genre Streptomyces, les actinomycètes étant les plus importants.16 Ceci est visible sur la Fig. 1.

Réplication de l’ADN

L’ADN gyrase (topoisomérase) contrôle la topologie de l’ADN en catalysant le schéma de clivage et la liaison de l’ADN. Cette réaction est importante pour la synthèse de l’ADN et la transcription de l’ARNm. Le clivage complexe-quinolone topoisomérase-ADN empêche la réplication, ce qui entraîne la mort de la bactérie.18-20

Synthèse de l’ARN

L’ARN polymérase ADN-dépendante assure la médiation du processus de transcription et constitue le principal régulateur de l’expression des gènes chez les procaryotes. Ce processus enzymatique est essentiel à la croissance cellulaire, ce qui en fait une cible intéressante pour les antibiotiques. Un exemple est la rifamycine, qui inhibe la synthèse de l’ARN en utilisant une liaison stable à haute affinité avec la sous-unité β dans le canal ARN/ADN, séparant le site actif en inhibant l’initiation de la transcription et en bloquant le chemin de la croissance de la chaîne ribonucléotidique.18-20

Synthèse de la paroi cellulaire

La paroi cellulaire bactérienne est constituée de peptidoglycane, qui aide à maintenir la pression osmotique, conférant la capacité de survivre dans divers environnements. La biosynthèse du peptidoglycane comporte trois étapes : la première étape se déroule dans le cytoplasme, où les précurseurs de faible poids moléculaire sont synthétisés. Dans la deuxième étape, la synthèse de la paroi cellulaire est catalysée par des enzymes liées à la membrane ; et dans la troisième étape, l’antibiotique agit en empêchant les β-lactames et la polymérisation de la synthèse des glycanes des enzymes de la paroi cellulaire, en agissant sur les transpetidades.18-20

Synthèse des protéines

Le processus de traduction de l’ARNm se déroule en trois phases : initiation, élongation et terminaison impliquant les ribosomes cytoplasmiques et d’autres composants. Le ribosome est composé de deux sous-unités (50S et 30S), qui sont les cibles du principal antibiotique qui inhibe la synthèse des protéines. Les macrolides agissent en bloquant la sous-unité 50S, empêchant la formation de la chaîne peptidique : la tétracycline dans la sous-unité 30S agit en bloquant l’accès de l’aminoacyl-ARNt au ribosome ; la spectinomycine interfère avec la stabilité de la liaison peptidyl-ARNt au ribosome ; et la streptomycine, la kanamycine et la gentamicine agissent dans l’ARNr 16S qui fait partie de la sous-unité 30S du ribosome18.-20

Membrane cytoplasmique

La membrane cytoplasmique agit comme une barrière de diffusion pour l’eau, les ions et les nutriments. Les systèmes de transport sont composés principalement de lipides, de protéines et de lipoprotéines. La daptomycine s’insère dans la membrane cytoplasmique des bactéries de manière calcium-dépendante, formant des canaux ioniques, déclenchant la libération de potassium intracellulaire. Plusieurs antibiotiques peuvent provoquer une perturbation de la membrane. Ces agents peuvent être divisés en agents cationiques, anioniques et neutres. Les composés les plus connus sont la polymyxine B et le colisteméthate (polymyxine E). Les polymyxines ne sont pas largement utilisées car elles sont toxiques pour les reins et le système nerveux.18-20 Le dernier antibiotique lancé en 2006 par Merck (platensimycine) a un mécanisme d’action différent des précédents, puisqu’il agit en inhibant les bêta-cétoacyl synthases I / II (FabF / B), qui sont des enzymes clés dans la production d’acides gras, nécessaires à la membrane cellulaire bactérienne13.

Résistance

Selon Nikaido20, 100 000 tonnes d’antibiotiques sont produites chaque année, qui sont utilisées dans l’agriculture, l’alimentation et la santé. Leur utilisation a eu un impact sur les populations de bactéries, induisant une résistance aux antibiotiques. Cette résistance peut être due à des modifications génétiques telles que des mutations ou l’acquisition de gènes de résistance par transfert horizontal, ce qui se produit le plus souvent chez des organismes de taxonomie différente.21,22 Les mutations peuvent entraîner des changements au niveau du site d’action du médicament, entravant ainsi l’action de l’antibiotique.23 La plupart des gènes de résistance se trouvent dans le même groupe que le gène de biosynthèse de l’antibiotique.24 Dans la nature, la principale fonction des antibiotiques est d’inhiber les concurrents, qui sont amenés à inactiver ces composés par une modification chimique (hydrolyse), et des changements au niveau du site d’action et de la perméabilité membranaire25. Une étude réalisée avec des Streptomyces provenant de sols urbains a montré que la plupart des souches sont résistantes à plusieurs antibiotiques, ce qui suggère que ces gènes sont fréquents dans cet environnement.20 De nombreux gènes de résistance sont situés sur des plasmides (plasmide A), qui peuvent être transmis par conjugaison à une souche sensible ; ces plasmides sont stables et peuvent exprimer le gène de résistance26. La sensibilité à un antibiotique particulier peut être affectée par l’état physiologique de la bactérie, et la concentration de l’antibiotique ; ceci peut être observé dans les biofilms par un mécanisme connu sous le nom de formation de persister – de petites sous-populations de bactéries survivent à la concentration létale de l’antibiotique sans aucun mécanisme de résistance spécifique, bien que ce mécanisme ne produise pas de résistance de haut niveau.27

Les micro-organismes qui se développent dans un biofilm sont associés à des infections humaines chroniques et récurrentes et sont résistants aux agents antimicrobiens.28 La propagation des souches résistantes n’est pas seulement liée à l’utilisation des antibiotiques, mais aussi à la migration des personnes, qui dispersent les souches résistantes parmi les habitants des communautés éloignées où l’utilisation des antibiotiques est très limitée.24 En raison de la difficulté à obtenir de nouveaux antibiotiques, l’industrie pharmaceutique a apporté des modifications aux antibiotiques existants ; ces semi-synthétiques sont plus efficaces et moins susceptibles d’être inactivés par les enzymes qui provoquent la résistance. Cette pratique est devenue la stratégie pour les antibiotiques actuellement utilisés et est connue sous le nom de deuxième, troisième et quatrième génération d’antibiotiques.29,30

Génome et nouveaux antibiotiques

Avec la disponibilité des génomes d’un grand nombre de pathogènes, des centaines de gènes ont été évalués comme cibles pour de nouveaux antibiotiques. Un gène est reconnu comme essentiel lorsque la bactérie ne peut pas survivre si le gène est inactif, et peut devenir une cible lorsqu’une petite molécule peut modifier son activité.31 L’analyse génétique a montré qu’un gène peut coder une fonction qui est importante chez une bactérie mais pas chez une autre.32 167 gènes ont été déterminés comme essentiels à la croissance bactérienne et sont des cibles potentielles pour de nouveaux antibiotiques.33,34 GlaxoSmithKline a mené des études avec l’antibiotique GKS299423 agissant sur la topoisomérase II, afin d’empêcher les bactéries de développer une résistance.35

Utilisation

La demande mondiale d’antibactériens (antibiotiques) est en constante augmentation. Depuis leur découverte au 20e siècle, les antibiotiques ont considérablement réduit la menace des maladies infectieuses. L’utilisation de ces « médicaments miracles », combinée à l’amélioration de l’hygiène, du logement, de l’alimentation et à l’avènement des programmes de vaccination de masse, a entraîné une chute spectaculaire des décès dus à des maladies autrefois très répandues et souvent mortelles. Au fil des ans, les antibiotiques ont sauvé des vies et soulagé la souffrance de millions de personnes. En permettant de maîtriser de nombreuses maladies infectieuses graves, ces médicaments ont également contribué à l’augmentation de l’espérance de vie au cours de la dernière partie du 20e siècle.

La résistance croissante des organismes pathogènes, entraînant des formes d’infection graves et difficiles à traiter, a encore compliqué la situation, comme dans le cas de Klebsiella pneumoniae36,37 et d’autres micro-organismes résistants aux carbapénèmes.38 Les infections causées par des bactéries résistantes ne répondent pas au traitement, ce qui entraîne une maladie prolongée et un risque accru de décès. Les échecs de traitement conduisent également à de longues périodes d’infectivité avec des taux de résistance élevés, ce qui augmente le nombre de personnes infectées circulant dans la communauté et expose ainsi la population au risque de contracter une souche multirésistante.39

Lorsque les bactéries deviennent résistantes aux antibiotiques de première génération, le traitement doit être changé pour des médicaments de deuxième ou troisième génération, qui sont souvent beaucoup plus chers et parfois toxiques. Par exemple, le médicament nécessaire pour traiter le Streptococcus pneumoniae multirésistant, le Staphylococcus aureus, le Klebsiella pneumoniae et le Mycobacterium tuberculosis, peut coûter 100 fois plus cher que les médicaments de première génération utilisés pour traiter les formes non résistantes. Le plus inquiétant est que la résistance à pratiquement tous les antibiotiques a augmenté.

Même si l’industrie pharmaceutique a intensifié ses efforts pour développer de nouveaux médicaments afin de remplacer ceux qui sont utilisés, les tendances actuelles suggèrent que certaines infections n’auront pas de thérapies efficaces dans les dix prochaines années. L’utilisation des antibiotiques est le facteur critique dans la sélection de la résistance.40,41 Paradoxalement, la sous-utilisation par manque d’accès et traitement inadéquat peut jouer un rôle aussi important que la surutilisation. Pour ces raisons, une utilisation appropriée est une priorité pour prévenir l’émergence et la propagation de la résistance bactérienne. Les facteurs liés aux patients sont les principales causes de l’utilisation inappropriée des antibiotiques. Par exemple, de nombreux patients pensent que les nouveaux médicaments coûteux sont plus efficaces que les anciens.

En plus de provoquer des dépenses inutiles, cette perception encourage la sélection de la résistance à ces nouveaux médicaments, ainsi qu’aux anciens médicaments de leur classe.42 L’automédication avec des antibiotiques est un autre facteur important qui contribue à la résistance, car les patients peuvent ne pas prendre des quantités adéquates du médicament. Dans de nombreux pays en développement, les antibiotiques sont achetés en doses uniques et pris seulement jusqu’à ce que le patient se sente mieux, ce qui peut se produire avant l’élimination de la bactérie.43

Les médecins peuvent être poussés à prescrire des antibiotiques pour répondre aux attentes des patients, même en l’absence d’indications appropriées, ou par l’influence des fabricants. Certains médecins ont tendance à prescrire des antibiotiques pour soigner des infections virales, ce qui les rend inefficaces contre d’autres infections. Dans certains contextes culturels, les antibiotiques administrés par injection sont considérés comme plus efficaces que les formulations orales. Les hôpitaux sont une composante essentielle du problème de la résistance aux antimicrobiens dans le monde.14,44 La combinaison de patients très sensibles, de patients atteints d’infections graves et d’une utilisation intense et prolongée d’antibiotiques a donné lieu à des infections nosocomiales hautement résistantes, difficiles à contrôler, ce qui rend l’éradication de l’agent pathogène coûteuse.

En septembre 2001, l’Organisation mondiale de la santé (OMS) a lancé la première stratégie mondiale pour lutter contre les graves problèmes causés par l’émergence et la propagation de la résistance aux antimicrobiens. Connue sous le nom de Stratégie mondiale de l’OMS pour la maîtrise de la résistance aux antimicrobiens45, cette stratégie reconnaît que la résistance aux antimicrobiens est un problème mondial qui doit être traité dans tous les pays. Aucune nation, aussi efficace soit-elle, ne peut fermer sa frontière aux bactéries résistantes, d’où la nécessité d’un contrôle approprié en tous lieux. Une grande partie de la responsabilité incombe aux gouvernements nationaux, avec une stratégie et une attention particulière aux interventions qui impliquent l’introduction de la législation et des politiques régissant le développement, l’autorisation, la distribution et la vente des antibiotiques.46

Découvrir de nouveaux antibiotiques efficaces contre la résistance bactérienne n’est pas impossible, mais c’est un domaine de recherche complexe et difficile. C’est également un domaine qui n’a pas été le centre d’intérêt principal de l’industrie pharmaceutique ces dernières années, car les antibiotiques représentent généralement un retour sur investissement relativement faible, et les normes élevées de développement des médicaments sont également des facteurs qui influencent ce manque d’intérêt.

Malgré les tendances de croissance attendues pour le marché mondial des antibiotiques, leur succès à long terme est principalement influencé par deux facteurs principaux – la résistance et la concurrence des génériques. La résistance aux antibiotiques oblige à réduire leur utilisation. L’augmentation de la résistance aux antibiotiques rend difficile la guérison des infections. Un inconvénient majeur est la difficulté pour l’industrie de trouver de nouveaux antibiotiques – ceux qui sont utilisés sont généralement des modifications permanentes pour produire de nouvelles formes. Malgré les avantages dont disposent les grandes entreprises dans le développement de nouveaux antibiotiques : a) cibles bien définies, b) mode de recherche efficacement établi, c) biomarqueurs pour le suivi, d) outils sophistiqués pour étudier le dosage, et e) approbation plus rapide par les organismes de réglementation, elles ont donné la priorité à d’autres maladies, car le retour sur investissement des antibiotiques est faible, bien qu’ils représentent un marché de 45 milliards de dollars, juste derrière les médicaments pour les problèmes cardiovasculaires et le système nerveux central47. Un autre problème est la concurrence des génériques à des prix beaucoup plus bas.48 Dans certains cas, les grandes entreprises ont transféré la responsabilité aux petites entreprises de développer de nouveaux antibiotiques, comme la daptomycine, développée par Cubist et licenciée à Lilly.49

Perspectives

Malgré ce scénario, certaines entreprises ont établi une position sociale et une responsabilité pour maintenir le développement de nouveaux antibiotiques. Un exemple est le potentiel de tels partenariats dans la lutte contre la tuberculose (TB). Aujourd’hui, la tuberculose multirésistante touche un demi-million de personnes par an, son traitement prend deux ans, elle n’est guérie que dans la moitié des cas et elle survient principalement dans les régions où l’indice de développement humain est faible.

Pour accélérer le développement de nouveaux traitements, une importante collaboration, la TB Alliance, explore des mécanismes de financement créatifs et un soutien pour la phase finale des essais cliniques. Une autre action importante est la collecte de micro-organismes dans différents environnements, tels que les environnements marins, pour l’isolement de nouvelles substances ; ces études ont obtenu des résultats importants en évaluant ces actinomycètes de l’environnement.30,50 Une autre initiative est le Centre de biotechnologie de l’Amazonie-CBA, qui a étudié les micro-organismes de la région amazonienne, car cette région, avec sa grande diversité de micro-organismes, a la capacité de produire de nouveaux antibiotiques ; d’excellents résultats ont été obtenus principalement en ce qui concerne Mycobacterium tuberculosis.

Il est encore nécessaire de réglementer l’utilisation des antibiotiques pour encourager les entreprises pharmaceutiques à investir dans le développement de nouveaux antibiotiques. Le principal défi reste au niveau de la réglementation, afin de trouver une solution qui assure la viabilité commerciale du développement des antibiotiques. La fusion de ces entreprises a un impact immédiat, en réduisant le nombre de groupes de recherche et de développement concurrents ; de tels changements provoquent souvent une révision stratégique des domaines thérapeutiques de recherche et de développement, où le développement de nouveaux antibiotiques doit entrer en concurrence avec d’autres domaines qui peuvent être plus intéressants sur le plan commercial.

Contrairement au premier antibiotique, dont le mode d’action moléculaire était inconnu jusqu’à son introduction sur le marché, les technologies ont évolué (génomique fonctionnelle), permettant d’évaluer l’interaction entre le mécanisme d’action de la cible antibiotique et le développement de la résistance spécifique de la bactérie51,52. Malgré les projets de séquençage d’organismes pathogènes et l’étude de nouvelles cibles, peu de succès ont été obtenus.53,54 D’un point de vue technique, les entreprises qui restent engagées dans la recherche de nouveaux antibiotiques en utilisant les nouvelles technologies réussiront ; les défis sont grands, mais pas insurmontables.

Conflit d’intérêt

Tous les auteurs déclarent ne pas avoir de conflit d’intérêt.