À mesure que la crise de la résistance aux antimicrobiens
s'aggrave, le besoin de découvrir de nouveaux antibiotiques augmente
également. Où les scientifiques devraient-ils chercher ? Les
bactéries inhabituelles et (autrefois) incultivables sont un bon
point de départ.
Les
travaux rapportés dans cet article ont été présentés à ASM
Microbe, la réunion annuelle de l’American Society
for Microbiology, qui s’est tenue du 15-19 juin 2023 à Houston.
«Chasse aux antibiotiques chez les microbes
inhabituels et incultivables », source ASM
News.
L'émergence
d'agents pathogènes résistants aux antibiotiques a largement
dépassé la découverte de nouveaux antibiotiques pour les
combattre. Cela s'explique en partie par le fait que les efforts de
découverte d'antibiotiques se concentrent généralement sur le
dépistage des microbes environnementaux cultivables (par exemple,
les bactéries du sol) pour les composés antimicrobiens. Cependant,
la plupart des microbes environnementaux ne peuvent pas être
cultivés en laboratoire et sont donc inutiles du point de vue de la
découverte de médicaments ou le sont-ils ? Aidés par des
techniques de culture intelligentes, des scientifiques accèdent à
des bactéries autrefois inaccessibles et, à partir de ces microbes,
découvrent une série de nouveaux antibiotiques.
L'âge
d'or de la découverte des antibiotiques
Ci-contre bactéries
Actinomycetes, source grottes de l'Oregon/Wikimedia Commons.
Il fut un temps où il semblait que les antibiotiques étaient
découverts à gauche et à droite. Cet «âge
d'or» de la découverte d'antibiotiques a débuté
dans les années 1940 lorsque Selman Waksman, microbiologiste lauréat
du prix Nobel, a découvert l'antibiotique à large spectre, la
streptomycine, d'une espèce d'actinomycètes du sol. La découverte
de Waksman a montré que les actinomycètes du sol étaient des
sources potentielles de nouveaux antibiotiques et a motivé les
efforts de toute l'industrie pharmaceutique pour exploiter les
bactéries à la recherche de pistes prometteuses.
Ces
efforts ont
conduit à la découverte de plusieurs des principales classes
d'antibiotiques utilisés aujourd'hui (par exemple, les
aminoglycosides, les tétracyclines, les β-lactamines, etc.).
Cependant, dans les années 1960, les progrès s'essoufflent. Les
actinomycètes du sol ont été extraits de nouveaux
antibiotiques qui pourraient être découverts avec des méthodes
de dépistage standard. Les dépistages ultérieurs d'antimicrobiens
synthétiques ont également été largement infructueux ; la
plupart des molécules synthétiques sont incapables de contourner la
membrane cellulaire bactérienne (en particulier les charges
répulsives et les pompes de la membrane externe chez les bactéries
Gram négatif), et sont donc inefficaces.
Depuis
lors, les progrès dans la découverte d'antibiotiques ont été
marginaux - ou, comme l'a déclaré lors de l’ASM
Microbe 2023, Kim
Lewis, professeur émérite universitaire et directeur de
l’Antimicrobial Discovery Center de la Northeastern University,
«Nous ne sommes pas dans une bonne place.»
Cependant tout n'est pas perdu. Pour Lewis et ses collègues, la clé
pour lancer la découverte de produits naturels consiste à regarder
là où les scientifiques n'ont jamais regardé auparavant. «Une
proposition simple est de commencer le dépistage en dehors des
actinomycètes et de voir ce que nous pouvons trouver», a dit Lewis.
«Et si vous sortez des actinomycètes, pourquoi ne pas cibler des
bactéries non cultivables ?
Cultiver
l'incultivable
Seulement
1% des bactéries environnementales peuvent se développer sur une
boîte de Petri, laissant un énorme 99% non cultivé. La plupart de
ces bactéries ne peuvent pas être cultivées en laboratoire en
utilisant des techniques de culture traditionnelles ; si les
scientifiques ne peuvent pas les cultiver, ils ne peuvent pas accéder
à leurs produits potentiellement utiles. Au cours des 20 dernières
années, cependant, Lewis et ses collaborateurs ont développé des
méthodes pour cultiver des microbes du sol incultivables. Le ticket,
a expliqué Lewis, est de faire en sorte que les microbes se sentent
chez eux, c'est-à-dire de «tromper» les cellules en leur faisant
croire qu'elles se développent dans leur environnement naturel, où
elles ont accès aux nutriments et à d'autres facteurs de
croissance. Avec son collègue, Slava
Epstein, professeur de biologie à la Northeastern University,
Lewis a inventé ce qu'il a qualifié en plaisantant de «système
très sophistiqué». Le
système
se compose d'une membrane semi-perméable, tamponnée avec un
mélange d'agar et de cellules environnementales (c'est-à-dire un
échantillon de sol dilué), prise en sandwich entre 2 rondelles
métalliques. Le sandwich peut être placé dans un site
d'échantillonnage extérieur ou dans un environnement naturel simulé
en laboratoire. La membrane permet aux molécules de l'environnement
de se diffuser vers l'intérieur et vers l'extérieur. Après
plusieurs semaines d'incubation, des microcolonies bactériennes
peuplent la membrane et peuvent être isolées. Notamment, une fois
qu'une population cellulaire a été établie, les bactéries sont
plus aptes à se développer sur une boîte de Petri en laboratoire
(jusqu'à 40% de récupération de la croissance). Une autre
itération de la technologie, connue sous le nom de puce
d'isolement (ichip), comprend des centaines de minuscules
chambres de diffusion contenant environ 1 cellule bactérienne
chacune, rationalisant ainsi le processus en permettant aux
scientifiques de cultiver et d'isoler des bactéries individuelles.
La
ichip. Pour assembler l'appareil, une plaque recouverte de minuscules
trous est plongée dans une suspension de cellules environnementales,
recouverte de membranes et scellée entre 2 plaques supplémentaires.
Source : Nichols D., et al. Applied and Environmental Microbiology,
2010.
NovoBiotic
Pharmaceuticals, une société de biotechnologie cofondée par
Lewis et Epstein, qui se concentre sur la découverte et le
développement de nouveaux médicaments à partir de sources
naturelles, a utilisé la technologie de la chambre de diffusion pour
cribler des échantillons de sol à l'échelle industrielle. La
société possède désormais une collection de plus de 64 000
isolats bactériens incultivables et, à partir de ces isolats
inhabituels, a identifié plusieurs antibiotiques prometteurs.
Médicaments
provenant de microbes incultivables
Le
principal antibiotique de la société, la teixobactine, a
été isolé à partir d'une bactérie du sol précédemment non
cultivée appelée Eleftheria terrae. Lewis a
souligné que le composé montre une excellente activité contre un
grand nombre d'agents pathogènes Gram positif, quel que soit leur
profil de résistance aux antibiotiques, est non toxique pour les
cellules eucaryotes et, sur la base des preuves actuelles, semble
tuer les agents pathogènes sans résistance détectable. Cela est
probablement dû au fait que les cibles de la teixobactine sur la
membrane cellulaire (lipide II et lipide III - respectivement
précurseurs du peptidoglycane et de l'acide teichoïque,) sont
immuables. Autrement dit, ce ne sont pas des protéines (c'est-à-dire
qu'elles ne sont pas directement codées par des gènes) et
n'acquièrent donc pas de mutations génétiques susceptibles de
conférer une résistance aux antibiotiques. Cette découverte
suggère que «le paradigme selon lequel les bactéries développeront
toujours une résistance à tout est incorrecte», a dit Lewis.
L'efficacité
de la teixobactine est également liée à son mécanisme
unique à deux volets. Les molécules de teixobactine ne se
contentent pas de se lier à leurs cibles, ce qui inhibe la synthèse
de la paroi cellulaire, mais s'associent également pour former des
structures supramoléculaires en forme de feuille. «La membrane
s'amincit sous la structure supramoléculaire», a expliqué Lewis.
«Nous avons pensé que [cela] pourrait perturber la membrane - et
c'est le cas.» Il a souligné que «la teixobactine nous donne une
recette pour développer des composés sûrs et actifs sur la
membrane», qui sont restés quelque peu insaisissables, malgré les
meilleurs efforts des scientifiques pour les trouver. Les
scientifiques ont depuis découvert un autre
antibiotique, la clovibactine, qui cible de la même
manière le lipide II et «se transforme en une structure
supramoléculaire», bien qu'un peu différente de la teixobactine.
La
teixobactine endommage la membrane cellulaire. Ici, des cellules de
Staphylococcus aureus en l'absence d'antibiotique (No AB) ou
traitées à la teixobactine (Teix) ou à la vancomycine (Vanc), un
autre antibiotique qui cible le lipide II et perturbe la synthèse
des peptidoglycanes. Source Homma T., et al. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy, 2016.
«La
conclusion de ces composés est… [que] la nature a clairement
développé des composés qui ont évolué pour éviter la
résistance», a dit Lewis. «Et notre notion de ce qui est une cible
appropriée ou médicamenteuse n'est pas pertinente parce que la
nature est inconsciente de cette [notion].»
La
teixobactine est actuellement en phase de développement préclinique
avancé. Des composés de la collection NovoBiotic qui ciblent
M. tuberculosis ont également été découverts,
et la société a récemment reçu un financement pour
exploiter sa collection de médicaments antifongiques afin de
lutter contre l'agent pathogène fongique Candida auris.
S'attaquer
aux Gram négatif
La
découverte d'antibiotiques contre les bactéries Gram positif est
notable. Cependant, Lewis a reconnu qu'il existe un besoin primordial
de composés qui ciblent les agents pathogènes Gram négatif, qui
sont particulièrement préoccupants du point de vue de la résistance
aux antimicrobiens (3 des 5 agents pathogènes répertoriés
comme des menaces
de résistance aux antimicrobiens «urgentes» par le Centers for
Disease Control des États-Unis et Prévention sont Gram négatif).
Pourtant, lors du screening du sol, le «taux de réussite» pour les
composés ciblant les bactéries Gram négatif est 2 fois plus faible
que pour les bactéries Gram positif. Lewis estime qu'il faudrait 100
ans pour trouver des pistes contre les bactéries Gram négatif avec
le pipeline d'échantillonnage standard de sol.
Image ci-contre de nématodes entomopathogènes isolés d'une espèce
de teigne du pommier. Source : Alexandra695, Wikimedia Commons.
Pour
résoudre ce problème, Lewis et ses collaborateurs réduisent leur
champ d'action, en se concentrant sur les bactéries dont ils savent
qu'elles ont des exigences similaires en matière d'antibiotiques que
les humains (par exemple, actifs contre les bactéries Gram négatif,
faible toxicité, efficacité in vivo). Il s'avère que les
bactéries vivant dans les intestins des nématodes entomopathogènes
sont de bons candidats. Les composés antimicrobiens produits par ces
microbes intestinaux doivent avoir une faible toxicité vis-à-vis de
leur hôte nématode, être capables de voyager à travers les tissus
et doivent agir contre les agents pathogènes à Gram négatif, qui
sont des concurrents clés dans l'environnement intestinal des
nématodes.
Jusqu'à
présent, cette approche a été couronnée de succès. Par exemple,
un screening d'isolats intestinaux de nématodes appartenant au genre
Photorhabdus a révélé un antibiotique, la darobactine,
qui est actif contre les agents pathogènes Gram négatif prolifiques
(par exemple, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella
pneumonieae, Acinetobacter baumannii et autres) in
vitro et chez la souris, mais montre une activité limitée
contre les micro-organismes Gram positif et d'autres symbiotes.
Surtout, la darobactine cible un complexe sur la surface bactérienne
Gram négatif (le complexe
BAM), qui surmonte la nécessité de contourner la membrane
externe, une formidable barrière pour de nombreux composés. Lewis a
noté que d'autres composés dérivés de Photorhabus sont en
cours de développement.
Dans
l'ensemble, le travail de Lewis et de ses collègues - de la culture
de microbes du sol incultivables à la capitalisation sur les
microbes intestinaux des nématodes - pointe vers un message clé :
de nouveaux antibiotiques efficaces existent. C'est simplement une
question d'où (et comment) on regarde.
