De la chasse aux antibiotiques chez les microbes inhabituels et incultivables. De nouveaux antibiotiques efficaces existent. C'est simplement une question d'où (et comment) on regarde !

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.