La paroi mycobactérienne, la particularité des mycobactéries

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La résistance aux antibiotiques

Des cas de résistances sont apparus très rapidement après l’introduction d’antibiotique antimycobactérien. En effet, une souche de M. tuberculosis résistante à la streptomycine, antituberculeux de 1ère ligne, a été décrite en 1947 lors de la première étude clinique de l’activité antimycobactérienne de ce médicament [12].
La résistance de M. tuberculosis face à un antituberculeux résulte de mutations spontanées et aléatoires sur ses chromosomes, dont la fréquence de mutation a été évaluée entre 10-6 à 10-8 réplications bactériennes [13]. Ainsi selon Zhang et al., la probabilité qu’un bacille développe une résistance à trois médicaments simultanément chute à 10-18 et 10-20 réplications bactériennes, en considérant que les mutations impliquant des résistances ne soient pas liées [13]. Bien qu’il soit en théorie inenvisageable d’observer des résistances simultanées à trois antituberculeux, des cas de tuberculose multirésistante (multidrug-resistant, MDR) et ultrarésistante (extensively drug-resistant, XDR) sont reportés chaque année. La tuberculose multirésistante (TB-MDR) est définie comme résistante au moins à l’isoniazide et à la rifampicine, deux antituberculeux de 1ère ligne et la tuberculose ultra-résistante présente des résistances au moins à l’isoniazide, à la rifampicine, à un médicament de la famille des fluoroquinolones et à un injectable de 2ème ligne.
L’émergence de souches de MTB résistantes aux antituberculeux classiques est dûe au développement de résistances dites acquises, causées par la prise de traitement inadéquat ou inapproprié et le manque d’observance des traitements donnés [14]. Ces défauts de traitements entraînent la sélection de bacilles résistants déjà pré-existants dans la population bactérienne d’origine et favorise ainsi le développement de la tuberculose résistante. Ces bacilles résistants sélectionnés peuvent être transmis à un autre individu et propager ainsi une souche de MTB résistante. Les résistances seront alors classées en trois catégories [14]:
 résistance primaire, lorsque le patient n’aura jamais été traité auparavant contre la tuberculose et aura contracté directement une forme résistante,
 résistance acquise, lorsque le patient aura été traité une première fois pour une tuberculose sensible qui devient résistante,
 résistance initiale, lorsque l’historique du patient ne peut être vérifié, cela peut correspondre à la combinaison d’une résistance primaire et acquise.

Situation épidémiologique actuelle dans le monde et en France

Selon les estimations de 2014 de l’OMS, chaque année, la tuberculose tuerait 1,5 millions de personnes (soit 4400 décès par jour) et 9,6 millions de personnes contracteraient la tuberculose [11]. En 2014, 6 millions de nouveaux cas de tuberculose ont été reportés à l’OMS, ce qui signifie que 37% des nouveaux cas ne sont pas diagnostiqués ou déclarés à l’OMS. Toutefois, ce pourcentage est à la baisse, principalement suite à une amélioration des politiques de prise en charge de la tuberculose dans les pays émergeants. De même, la mortalité due à la tuberculose est également en recul, avec un taux de mortalité chutant de 47% entre 1990 et 2015.
Enfin, plus d’un tiers de la population mondiale est actuellement atteint de tuberculose latente, c’est-à-dire que ces personnes sont infectées par M. tuberculosis mais n’ont pas encore développé la maladie. Globalement, le taux d’incidence de la tuberculose est resté relativement stable depuis les années 1990 jusqu’au début des années 2000 où il a commencé à diminuer.
Selon le rapport de 2015, l’OMS estime, en 2014, que 3,3% des nouveaux cas (soit 480 000 cas) et 20% de tuberculose déjà traitée sont des tuberculoses multi-résistantes [11]. Des cas de TB-XDR ont été reportés dans 105 pays et correspondent à environ 10% des cas de TB-MDR. Les plus fort taux d’incidence de la TB-MDR sont dénombrés en Europe de l’Est et en Asie centrale avec des taux d’incidence dépassant les 20%. L’apparition de souches résistantes partout dans le monde renforce les préoccupations de l’OMS et place les tuberculoses MDR et XDR comme un problème de santé majeur dans les pays en voie de développement, mais aussi dans les pays développés. D’un point de vue répartition géographique, la tuberculose est répandue partout dans le monde (Figure 1). Il existe cependant des disparités puisque 58% des cas estimés de tuberculose sont concentrés en Asie et 28% en Afrique en 2014 (Figure 1) [11]. Les pays les plus touchés sont l’Inde (2200 cas pour 100.000 habitants), l’Indonésie (1000 cas pour 100.000 habitants) et la Chine (930 cas pour 100.000 habitants) qui représentent à eux seuls 43% des cas de tuberculose en 2014. Les autres régions du globe sont moins touchées, néanmoins des nouveaux cas de tuberculoses y sont signalés chaque année : en Europe (4%) et en Amérique (3%).
La France est considérée comme un pays à faible incidence de tuberculose. Selon les données de l’Institut de Veille Sanitaire en France [15], le nombre de cas de tuberculose déclarés était de 4827 cas en 2014 soit 7,3 cas pour 100.000 habitants (Figure 2). Globalement, depuis 1972, le nombre de cas diminue régulièrement chaque année à l’exception des années 2007-2008. Il existe cependant des disparités en France avec des taux de déclaration plus élevés en Ile-de-France, en Guyane et à Mayotte comparés à ceux d’autres régions françaises. La maladie touche principalement les populations en situation de précarité, les migrants en provenance de régions où le taux de contamination est élevé et les personnes âgées.

Transmission et déclenchement de la maladie

La tuberculose est une maladie contagieuse qui se transmet d’une personne à l’autre par voie aérienne [16]. Lorsque les personnes atteintes de tuberculose pulmonaire toussent, éternuent ou parlent, elles projettent dans l’air les germes de l’agent pathogène M. tuberculosis, via des micro-gouttelettes de mucus et une simple inhalation suffit pour être infecté. En moyenne, un malade contagieux contamine 10 individus par an.
Après inhalation de bacilles tuberculeux, dans un premier temps, la primo-infection concerne les alvéoles pulmonaires où la multiplication des bacilles est contenue par l’organisme sans présence de signe clinique [16]. La primo-infection tuberculeuse suite à l’inhalation de bacilles guérit le plus souvent spontanément par l’action du système immunitaire de l’hôte. Cependant, bien que les bacilles tuberculeux soient phagocytés par les cellules immunitaires (macrophage alvéolaire et cellules dendritiques), ils possèdent des facteurs de virulence qui leur permettent de survivre dans les cellules phagocytaires [17]. Dans 90% des cas, le bacille tuberculeux reste au repos, c’est l’infection tuberculeuse latente, asymptomatique. L’hôte infecté ne présente aucun symptôme de la maladie, n’est pas contagieux et n’est alors pas malade. Seulement un faible pourcentage (10%) des personnes infectées développeront la maladie au cours de leur vie [11]. La probabilité de développer la maladie sera plus importante pour les personnes VIH-positif ou souffrant de malnutrition ou de diabète, ou encore les fumeurs. Les bacilles tuberculeux ingérés par les macrophages se multiplient à l’intérieur de ceux-ci et déclenchent une réaction chimiotactique attirant des macrophages et autres cellules défensives dans la zone infectée [17]. Cet amas de cellules forme un granulome (ou tubercule) à l’intérieur duquel les bacilles tuberculeux se développent mal du fait de l’absence d’oxygène et peuvent donc rester à l’état de dormance. La maladie reste en phase latente et les lésions se calcifient.
Lors d’une baisse des défenses immunitaires, ces granulomes peuvent être réactivés et, en présence d’enzymes et de cytokines libérées par les cellules immunitaires présentes, provoquer une inflammation locale dommageable pour les poumons. Le patient est alors atteint de tuberculose pulmonaire avec des symptômes comme de la fièvre ou de la toux. En absence de traitement, la formation et prolifération des granulomes dans les poumons rendent la tuberculose mortelle. En effet, la prolifération du granulome se poursuit jusqu’à ce que celui-ci se rompe, ce qui permet aux bacilles de se disperser dans les poumons et de se répandre dans les systèmes sanguin et lymphatique. Les bacilles tuberculeux se retrouvent également dans les voies aériennes de l’hôte qui devient alors contagieux.
La propagation des bacilles tuberculeux dans tout l’organisme de l’hôte peut donner lieu à des tuberculoses extra-pulmonaires (14% des nouveaux cas de tuberculose selon l’OMS [11]). La tuberculose peut alors se localiser dans les ganglions lymphatiques, l’appareil ostéo-articulaire ou l’appareil génito-urinaire, les symptômes dépendant de l’organe infecté. Les cas de tuberculeuse extra-pulmonaire sont plus fréquents chez les patients co-infectés par MTB-VIH.
Lorsque la tuberculose est diagnostiquée suffisamment tôt, elle peut être traitée de manière très efficace, avec un taux de succès des traitements actuels de 85%.

Les caractéristiques de Mycobacterium tuberculosis

Les mycobactéries

Le genre Mycobacterium correspond à des bacilles aérobies à croissance plus ou moins lente appartenant à la famille des Mycobacteriaceae sous l’ordre des Actinomycetales [17]. Celui-ci est composé de près de 170 espèces, dont certaines sont pathogènes pour l’homme : M. tuberculosis (responsable de la tuberculose), M. leprae (responsable de la lèpre) et M. ulcerans (responsable de l’ulcère de Buruli).
Les espèces de Mycobacterium responsables de la tuberculose sont regroupées dans le complexe Mycobacterium tuberculosis comprenant les sous-espèces : M. tuberculosis, M. africanum, M. canettii, M. bovis, M. caprae, M. pinnipedii, M. microti, M. orygis et M. mungi [18]. Cependant, dans 99% des cas, l’espèce responsable de la tuberculose est M. tuberculosis. M. africanum n’est pas répandu à l’échelle mondiale et 20 à 50% des cas sont reportés en Afrique. M. bovis est responsable de la tuberculose chez les bovins et est aussi pathogène pour l’homme par contamination du lait par cette bactérie. Enfin, bien que rares, certains cas de tuberculose ont été observés chez l’homme pour les autres sous-espèces du complexe Mycobacterium tuberculosis [17,18].
La majorité des spécificités des bactéries du genre Mycobacterium, à savoir son caractère acido-alcoolo-résistant, sa résistance aux antibiotiques classiques ou bien sa pathogénicité, provient de sa paroi bactérienne caractéristique, très riche en acides gras et en lipides. Les mycobactéries sont des organismes ne pouvant être classés ni dans la famille des bactéries Gram-positif, ni dans celle Gram-négatif puisqu’elles possèdent des caractéristiques de ces deux familles [19]. En effet, la majorité des gènes des mycobactéries sont communs à ceux des bactéries Gram-positif. Cependant, les mycobactéries partagent également des propriétés avec des organismes Gram-négatif, telles que l’absence de conservation de la coloration de Gram ou la présence de porines dans leur couche lipidique externe, pouvant imiter le périplasme des bactéries Gram-négatif. Ainsi, dans un test de coloration de Gram colorant les bactéries Gram-positif, les mycobactéries seront très faiblement ou pas colorées.
Mycobacterium tuberculosis (ou bacille de Koch) est une mycobactérie à croissance lente. Son temps de division est de 16 à 20 heures et donne en 21 à 28 jours, sur milieu enrichi, de grosse colonies en « chou-fleur » de 3 à 4 mm avec des bacilles de 2 à 5 µm de long et de 0,3 à 0,5 µm de large (Figure 3).
Source : Centers for Disease Control and Prevention, NIH, domaine public. © Wikimedia Comons.

La paroi mycobactérienne, la particularité des mycobactéries

La capacité de M. tuberculosis à survivre et à se répliquer dans la cellule hôte phagocytaire, constituant un environnement extrêmement hostile pour la plupart des autres microorganismes, représente l’un des aspects clés de sa virulence. Ainsi, la paroi mycobactérienne complexe de M. tuberculosis, peu perméable, est son principal facteur de virulence et elle contribue à la résistance de la mycobactérie envers les traitements classiques [20].

Structure de l’enveloppe mycobactérienne.

La paroi mycobactérienne des Mycobacteria se distingue des autres bactéries par sa grande richesse en lipides, représentant 60% du poids de la paroi mycobactérienne [21]. L’enveloppe mycobactérienne de M. tuberculosis est composée de trois éléments principaux :
(1) une membrane plasmique, (2) un complexe d’acides mycoliques, d’arabinogalactane et de peptidoglycane (MAPc) lié de manière covalente et (3) une capsule riche en polysaccharides en contact avec l’extérieur de la bactérie [22]. Ces éléments forment ainsi une double structure en bicouche avec le complexe MAPc au milieu, visualisée ci-dessous par cryo-microscopie électronique (Figure 4) [23].
La membrane plasmique ou membrane interne est constituée d’une bi-couche lipidique semblable aux autres membranes plasmiques bactériennes. La membrane plasmique a une perméabilité sélective aux ions et aux molécules organiques et contrôle les échanges entre l’intérieur et l’extérieur de la bactérie.
La partie intermédiaire, la paroi mycobactérienne, est composée d’un complexe d’acides mycoliques, d’arabinogalactane et de peptidoglycane (MAPc), une macromolécule géante entourant entièrement la cellule bactérienne, à l’extérieur de la membrane plasmique. Elle est constituée de peptidoglycanes (oligosaccharides formés à partir d’unités disaccharides de N-acétyl-glucosamine et d’acides N-glycolyl-muranique réticulés par de petits peptides) liés à l’arabinogalactane (complexe polysaccharide branché composé de sous-unités arabinose et galactose). Enfin, sur l’extrémité galactose de l’arabinogalactane sont branchés des acides mycoliques (acides gras à longue chaîne α-ramifiés et β-hydroxylés) (Figure 5). La faible fluidité de la membrane est due à la longueur variable des acides mycoliques ainsi qu’à leur mode de liaison à l’arabinogalactane.

Biosynthèse des acides mycoliques

La biosynthèse des acides gras mycobactériens, précurseurs des acides mycoliques, est réalisée par l’action de deux acides gras synthases (en anglais Fatty Acid Synthases, FAS) [29] :
 L’acide gras synthase de type I (FAS-I) est une enzyme commune aux mammifères, champignons et bactéries. Cette enzyme multi-domaines produit des acides gras avec une distribution bimodale C16-C18 et C24-C26, ces derniers correspondant à la chaîne α des acides mycoliques.
 L’acide gras synthase de type II (FAS-II), présente chez les plantes et les bactéries, est caractérisée par une série d’enzymes solubles monofonctionnelles. Ces enzymes sont responsables de l’élongation des acides gras issus de FAS-I et ainsi de la formation des longues chaînes méromycoliques.
Au cours de la phase d’élongation de la biosynthèse des acides mycoliques (FAS-II), des insaturations, en général deux double liaisons en configuration cis, sont introduites dans la chaîne méromycolique. Les mécanismes de formation de ces deux doubles liaisons sont encore méconnus et deux hypothèses sont proposées : (1) l’action de désaturases après formation de la chaîne alkyl méromycolique ou (2) l’introduction de la double liaison par déshydratation au sein de FAS-II. Les doubles liaisons seront ensuite transformées par différentes enzymes (étapes de désaturations et modifications sur le Schéma 1). La position proximale (P) sera convertie en cyclopropyle de configuration cis ou trans, la configuration trans comportant systématiquement un groupe méthyle adjacent. La positon distale (D) sera oxygénée pour former les classes d’acides méthoxy-, céto- et hydroxy-mycoliques [28,30].
La réunification des deux branches d’acides gras activés, issus de FAS-I et FAS-II, implique une réaction de condensation de type Claisen par l’enzyme polycétide synthase 13 (Pks13) conduisant à la formation d’un β-céto ester mycolique. Après l’action de différentes enzymes dont une réductase, l’acide mycolique sera transporté, par des transporteurs membranaires type MmpL3, du cytosol vers la paroi pour être relié au complexe peptidoglycane – arabinogalactane de la paroi.
La figure suivante (Schéma 1) résume la biosynthèse des acides mycoliques via FAS-I et FAS-II, ainsi que toutes les enzymes impliquées (en bleu) et les inhibiteurs connus (en rouge) dont les structures sont représentées en Figure 8.
Ce schéma représente les différents synthons ainsi que les protéines (bleu) impliquées dans la biosynthèse des acides mycoliques. Certaines de ces protéines peuvent être régulées par l’action de protéines kinases Ser/Thr indiquée alors par un astérisque (*). Les inhibiteurs connus (rouge) ainsi que les étapes inhibées sont indiquées sur le schéma. NCI : NCI-172033, TAC : thiacétazone, ISO : isoxyl, NAS : phénylsulfanylméthyl-[1,4]-naphthoquinones NAS-21 et NAS-91, INH : isoniazide, ETH : éthionamide, TRC : triclosan, PYR : pyridomycine, TLM : thiolactomycine, CCA : 4,6-diaryl-5,7-diméthyl coumarines, TP : composés comprenant un thiophène, AU1235, SQ109, BM212, I3-AG85. Les structures sont présentées en Figure 8.

L’énoyl-ACP réductase de M. tuberculosis : InhA

Au sein de FAS-II, parmi les cibles potentielles, l’enzyme InhA, une énoyl-[acyl-carrier-protein] réductase présente un intérêt particulier. En effet, l’enzyme InhA a fait ses preuves en tant que cible de deux antituberculeux majeurs, l’isoniazide et l’éthionamide. De plus, cette enzyme est une cible de choix puisque l’homme ne possède pas d’enzyme orthologue à l’InhA, limitant ainsi les effets secondaires.
L’enzyme InhA est une enzyme NADH-dépendante, produite par la mycobactérie et essentielle pour la biosynthèse des acides mycoliques. Enzyme de la famille des déshydrogénases/réductases, elle catalyse la dernière étape de réduction du cycle d’élongation de FAS-II (Schéma 1 et Schéma 2) [31]. L’inhibition de l’enzyme InhA entraîne une altération de la paroi mycobactérienne et conduit à la lyse de la cellule mycobactérienne [32].

Les outils de la lutte antituberculeuse

Afin de lutter contre la tuberculose, différents outils ont été mis en place pour diagnostiquer la maladie, prévenir sa propagation et soigner les personnes infectées.

Dépistage et diagnostic

La technique la plus efficace de diagnostic est l’examen direct des crachats et des prélèvements broncho-alvéolaires au microscope afin de rechercher des bacilles acido-alcoolo-résistants par coloration de Ziehl-Neelsen (utilisant la fuchsine) ou par coloration à l’auramine (lecture par microscope en fluorescence). Le nombre des bacilles observés sur les frottis correspond à la contagiosité du malade et un examen direct positif correspond à au moins 10 000 bactéries par mL. Toutefois, la présence de bacilles acido-alcoolo-résistants ne signifie pas obligatoirement qu’il s’agit de M. tuberculosis.
La culture est la méthode la plus sensible et la plus sûre, mais son délai de réponse est long puisque le temps nécessaire pour la croissance du MTB est habituellement de 3 à 8 semaines en milieu solide et de 10 à 20 jours en milieu liquide. L’identification repose classiquement sur des caractères phénotypiques (aspect des colonies, délai de croissance, caractères biochimiques). Un antibiogramme permet de rechercher une résistance primaire aux antituberculeux de première ligne ou secondaire lors de l’échec du traitement avec rechute.
L’OMS recommande pour les pays en développement l’utilisation de l’automate Xpert MTB/RIF, qui automatise complètement les trois processus (préparation de l’échantillon, amplification et détection) requis pour des tests moléculaires fondés sur l’amplification en chaîne par polymérase (PCR) en temps réel [11]. Cet automate peut être utilisé dans un laboratoire peu équipé et même dans un laboratoire mobile. Il permet une détection rapide de M. tuberculosis en quelques heures et il permet de diagnostiquer d’emblée la résistance à la rifampicine. Cette résistance étant rarement isolée, cet automate permet ainsi de détecter très rapidement les souches MTB multirésistantes.
Un test de réaction cutanée à la tuberculine (protéines obtenues à partir d’une culture chauffée de M. tuberculosis) peut également être réalisé. Il consiste en l’injection intradermique de 0,1 mL de tuberculine sur la face antérieure de l’avant-bras qui entraîne une réponse immunitaire chez les personnes exposées à la mycobactérie. Le diamètre de l’induration est mesuré au bout de 72 heures et le seuil de positivité correspond à une augmentation d’au moins 5 mm de ce diamètre. Enfin, d’autres éléments de diagnostic sont également employés comme des radiographies pour détecter la présence de lésion pulmonaire.

Vaccination

Le vaccin BCG

L’unique vaccin utilisé en prévention d’une infection tuberculeuse chez les enfants est le BCG (Bacille de Calmette-Guérin) développé en 1921 à partir d’une souche atténuée de M. bovis. Il est efficace dans la prévention de la majorité des formes virulentes de MTB chez les enfants et les nouveaux nés mais son efficacité de prévention de la tuberculose chez l’adulte est limitée. L’efficacité et le faible coût du vaccin BCG en font le vaccin le plus largement utilisé dans le monde avec plus de 3 milliards de personnes vaccinées [33].
En France, la vaccination est obligatoire pour les étudiants, les assistantes maternelles, les sapeurs-pompiers et personnels exerçant des professions à caractère sanitaire ou social dans les secteurs de la santé et dans les pénitenciers. La vaccination n’est plus obligatoire pour les enfants depuis 2007 bien qu’elle soit recommandée pour certaines populations à risques. Cependant, la vaccination avec le BCG est fortement déconseillée chez les personnes atteintes du SIDA du fait du risque de contamination par le BCG lui-même. D’autre part, l’efficacité du BCG dans la prévention de la tuberculose active chez les adultes a été contestée par plusieurs études cliniques [34], avec le plus bas niveau de protection observé dans les pays ayant la plus forte incidence de tuberculose. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer l’échec du BCG. L’une d’entre elles propose que le niveau de protection fourni par le BCG n’est pas assez élevé lorsque la population est en contact régulier avec le pathogène, comme dans les pays à forte incidence en tuberculose virulente. Cette sensibilisation préalable l’agent pathogène induit un niveau d’immunité antimycobactérienne ne fournissant pas une protection significative contre l’infection par M. tuberculosis et portant atteinte à la capacité du BCG à persister dans les tissus hôtes après la vaccination, ce qui rend le BCG moins efficace [33].

Stratégies de vaccination alternatives

Pour limiter l’apparition de nouveaux cas de tuberculose dans les pays à forte incidence, la recherche de nouveaux vaccins est essentielle et, aujourd’hui, une quinzaine de nouveaux vaccins sont en développement clinique, dont trois à visée thérapeutique [35,36]. Deux objectifs sont poursuivis dans le cas de la vaccination préventive : la première vise à obtenir une meilleure efficacité que celle du BCG, tandis que la seconde a pour but de booster son efficacité.
Les vaccins préventifs en cours de développement clinique sont composés de vaccins vivants atténués et de vaccins sous-unitaires recombinants avec des protéines de fusion ou des vecteurs viraux modifiés. Les vaccins vivants atténués, développés soit en atténuant M. tuberculosis soit en modifiant génétiquement le BCG, ont l’avantage de persister plus longtemps dans l’hôte, pouvant ainsi fournir l’expression durable des antigènes immunodominants et donc une stimulation immunitaire plus intensive. Les vaccins sous-unitaires ne contiennent que les antigènes de M. tuberculosis stimulant le mieux la protection immunitaire comme des protéines recombinantes de fusion mycobactérienne ou des vecteurs viraux modifiés [37–39].
Bien que la majorité des vaccins soient conçus à des fins prophylactiques contre l’infection par M. tuberculosis, des recherches s’intéressent également au développement de vaccins thérapeutiques contre la tuberculose [40–42]. Le but des vaccins thérapeutiques est de renforcer le système immunitaire des patients pour éliminer les cellules infectées par M. tuberculosis, prévenir la réactivation de la tuberculose et réduire la durée de la chimiothérapie.

Traitements antibiotiques

Le premier antibiotique introduit pour traiter les personnes atteintes de tuberculose a été la streptomycine, découverte en 1944 par l’américain Selman Walksman [2]. La période entre 1950 et 1970 a été un point tournant dans la lutte contre la tuberculose : la plupart des médicaments antituberculeux actuels ont été découverts et avec les nouveaux schémas thérapeutiques mis en place, les scientifiques espéraient éradiquer cette maladie [43,44].
Les principales molécules constituant l’arsenal antituberculeux de 1ère, 2ème et 3ème génération vont être décrites brièvement dans les paragraphes suivants. Toutefois, les pro-drogues utilisées dans le traitement de la tuberculose étant à la base de ce travail de thèse, elles seront détaillées dans le chapitre suivant (Chapitre III), sous la forme d’une mini-revue rédigée en anglais afin de pouvoir la soumettre pour publication.

Les antituberculeux de 1ère ligne

Les modalités du traitement varient en fonction de la sensibilité aux antibiotiques de la bactérie isolée. Généralement le traitement curatif repose sur une association de 4 principes actifs parmi les cinq antituberculeux de 1ère ligne : streptomycine, rifampicine (RIF), isoniazide (INH), pyrazinamide (PZA) et éthambutol (EMB) (Figure 9).
Le schéma classique de la quadrithérapie consiste en une seule prise orale quotidienne, à jeun, pendant les deux premiers mois, des principes actifs : rifampicine, isoniazide, pyrazinamide et éthambutol. Une bithérapie rifampicine/isoniazide est ensuite maintenue les 4 mois suivants afin d’éviter toute rechute et d’assurer une extermination complète du bacille dans l’organisme.
La Streptomycine est l’un des premiers antibiotiques utilisé dans le traitement de la tuberculose en 1946. Il a un large spectre d’action et appartient à la famille des aminoglycosides. Il est très actif sur la croissance du bacille tuberculeux avec une concentration minimale inhibitrice* (CMI) de 1,7 µM mais reste néanmoins inactif vis-à-vis des infections latentes. Il détruit les bacilles en croissance en se liant à l’ARN ribosomique 16S du bacille et interfère ainsi avec la production de protéines. Les mutations associées aux résistances à la streptomycine ont été identifiées sur les gènes codant pour l’ARNr16S (rrs) ou pour la protéine ribosomale S12 (rpsL) intervenant dans le maintien de la structure du ribosome. Ces deux mutations sont responsables de près de 70% des cas de résistance à la streptomycine.
L’isoniazide (INH), introduit en 1952, est l’un des antituberculeux les plus efficaces dans le traitement de la tuberculose avec une CMI d’environ 0,2 µM. Il n’est actif que sur les bacilles en croissance en condition aérobique. Il pénètre dans la mycobactérie en traversant la membrane par diffusion passive. L’isoniazide est une pro-drogue nécessitant d’être activée par l’enzyme mycobactérienne catalase-peroxydase KatG. Le métabolite actif, formé par liaison covalente avec le cofacteur NAD(H), cible l’enzyme InhA, une énoyl-[acyl-carrier-protein] réductase impliquée dans la synthèse des acides mycoliques qui sont des composants essentiels de la paroi bactérienne. Les principales résistances à l’INH, représentant 75% des cas, sont liées à des mutations sur les gènes katG (codant pour l’enzyme d’activation) ou inhA (codant pour l’enzyme cible) [45,46].
Le pyrazinamide (PZA) est un antituberculeux très important dans le traitement de la tuberculose, malgré une activité très modeste sur les bacilles en croissance (CMI = 130 – 400 µM). En effet, il est l’un des seuls antituberculeux à cibler les bacilles dormants résidant en milieu acide, permettant ainsi de réduire la durée du traitement antituberculeux. Cette pro-drogue, découverte dans les années 1950, est métabolisée en acide pyrazinoïque par l’action de l’enzyme pyrazinamidase, Pzase, encodée par le gène pncA. Son mécanisme d’action n’est à ce jour toujours pas élucidé mais plusieurs propositions sont faites dans la littérature dont une action sur la protéine ribosomale S1 (RpsA), des perturbations de la production d’énergie de la membrane de la bactérie ou encore une acidification du milieu [47]. La mutation du gène pncA est la cause principale de résistance au pyrazinamide.
* La concentration minimale inhibitrice se définit comme la plus petite concentration d’antibiotique qui inhibe toute culture d’une souche bactérienne après un temps donné de culture à 37 °C. L’éthambutol, découvert en 1961, est un antituberculeux de 1ére ligne important car il pontentialise l’effet d’autres antituberculeux comme les rifamycines, les aminoglycosides et les quinolones. Sa CMI est autour de 2,5 µM et son mécanisme d’action implique l’inhibition d’une arabinosyl transférase, enzyme qui synthétise l’arabinogalactane, un des constituants de la paroi des mycobactéries. La résistance de MTB à l’éthambutol est liée dans la moitié des cas à une mutation au niveau du gène embB qui code pour l’arabinosyl transférase.
La rifampicine, introduite en 1972, interfère avec la synthèse d’ARN en se liant à la sous-unité β de la polymérase d’ARN mycobactérienne, enzyme encodée par le gène rpoB et indispensable dans la transcription et l’expression des gènes mycobactériens. Composé essentiel dans le traitement de la tuberculose, son activité CMI est d’environ 0,5 µM sur MTB. La très grande majorité des résistances à la rifampicine (96% des cas) est liée à des mutations du gène rpoB.

Les antituberculeux de 2nde ligne

L’apparition de résistances aux antituberculeux de 1ère ligne nécessite d’employer des antituberculeux de seconde ligne dans les cas où la polychimiothérapie n’est pas efficace. Ces médicaments sont souvent moins puissants, plus toxiques (plus d’effets secondaires), plus coûteux et moins pratiques d’utilisation lorsqu’il s’agit d’injectable. Dans le cas des tuberculoses multi-résistantes, le traitement peut comprendre jusqu’à cinq principes actifs et durer deux ans.
Les principaux médicaments de seconde ligne sont : l’acide para-aminosalicylique, des fluoroquinolones (moxifloxacine, levofloxacine, ciprofloxacine), des aminoglycosides (kanamycine, amikacine, capréomycine), des thioamides (éthionamide, prothionamide), ou encore la cyclosérine (Figure 10).
L’acide para-aminosalicylique (PAS), découvert dans les années 1940 pour le traitement des maladies inflammatoires chroniques de l’intestin, est l’un des premiers antituberculeux, avec la streptomycine, a être utilisé à la fin des années 1940 dans le traitement de la tuberculose. Son utilisation est actuellement réservée aux cas de tuberculose multi- et ultra-résistante au vu des effets indésirables qu’il engendre (troubles gastro-intestinaux). Il est considéré comme une pro-drogue qui, une fois modifié, agit en tant qu’anti-métabolite. Son mécanisme d’action repose sur l’inhibition de la synthèse de l’acide folique via l’inhibition de l’enzyme dihydrofolate réductase. Il est également décrit pour empêcher la capture du fer par M. tuberculosis, le fer étant un cofacteur essentiel à la bactérie [48–50].
Les fluoroquinolones, découvertes dans les années 1980, sont représentées principalement par l’ofloxacine, la ciprofloxacine, la gatifloxacine, la levofloxacine et la moxifloxacine. Ce sont des antibiotiques à large spectre, largement utilisés pour le traitement des infections bactériennes des voies respiratoires, gastro-intestinales, des voies urinaires ou encore de certaines maladies sexuellement transmissibles (MST). La majorité des fluoroquinolones cible l’ADN gyrase, une topoisomérase de type II, enzyme essentielle à la réplication des chromosomes circulaires et donc à la réplication de l’ADN bactérien. Ils sont responsables de nombreux effets secondaires (principalement gastro-intestinal).
Les aminoglycosides, kanamycine, amikacine ou capréomycine (peptide cyclique) sont des antibiotiques qui, comme la streptomycine, se fixent aux sous-unités ribosomales, bloquant ainsi la synthèse des protéines. Ces antituberculeux sont administrés par voie intraveineuse, avec des effets secondaires au niveau de l’audition et des reins.
Les thioamides, éthionamide et prothionamide, sont des pro-drogues analogues de l’isoniazide, ciblant la protéine InhA impliquée dans la synthèse d’acides gras de la paroi mycobactérienne. Malgré un mécanisme d’action identique à celui de l’isoniazide, le mécanisme d’activation diffère de ce dernier puisqu’il fait intervenir l’enzyme monooxygénase à flavine EthA.
La cyclosérine, synthétisée en 1952, est un analogue structural de l’acide aminé D-alanine, qui est un élément essentiel à la synthèse de la paroi mycobactérienne. Il agit par compétition avec l’acide aminé D-alanine en inhibant les enzymes D-alanyl-D-alanine synthétase, alanine racémase et alanine perméase, impliquées dans la synthèse des peptidoglycanes.

Les antituberculeux de 3ème ligne

Durant les cinquante dernières années, seulement deux molécules ont été approuvées et commercialisées comme des antibiotiques spécifiques de la tuberculose : la bédaquiline et le délamanid (Figure 11) [51,52]. Ces deux molécules, administrables par voie orale, sont recommandées pour traiter les cas de tuberculose pulmonaire multi-résistante chez l’adulte en association avec d’autres antituberculeux. Leur utilisation reste cependant limitée par manque de recul sur leurs effets à long terme.
La bédaquiline, développée par Janssen, compagnie pharmaceutique du groupe Johnson and Johnson, sous le nom de Sirturo®, a été approuvée par la Food & Drug Administration (FDA) en 2012 et par l’Agence Européenne des Médicaments (EMA) en 2014. Ce médicament est actif sur souche MTB sensible (CMI = 0,05 µM) et sur souches MTB-MDR (CMI = 0,2 µM). Il possède un mécanisme d’action original et agit en bloquant l’ATP synthase de MTB, enzyme vitale à la bactérie pour sa production d’énergie.
Le délamanid a été approuvé par l’EMA en 2014 et est développé par Otsuka Pharmaceutical sous le nom de Deltyba®. Bien que son mode d’action précis ne soit pas certain, le delamanid est reconnu pour être une pro-drogue bloquant la synthèse des acides mycoliques de la paroi mycobactérienne avec une bonne activité sur souches sauvage et multirésistante (CMI = 0,011 – 0,045 µM) [53].

Nouvelles cibles et pipeline de nouvelles molécules

Parmi les nouvelles molécules en développement, le prétomanid (PA-824) est actuellement en phase III (Figure 12, Figure 15). Cet analogue structural du délamanid développé par TB Alliance, est également une pro-drogue de la famille des nitroimidazoles, nouvelle classe d’agents antibactériens. Cette molécule est active sur des souches sensibles (CMI = 0,4 – 0,7 µM) et multirésistantes (CMI = 0,8 – 1,5 µM) de la tuberculose et sur les formes actives et latentes (milieu anaérobie) [57]. Son mécanisme d’action, similaire à celui du délamanid, n’est pas encore élucidé et il conduit à une inhibition de la synthèse de la paroi mycobactérienne ou une intoxication respiratoire par la libération d’oxyde nitrique [58].
Différentes familles chimiques ainsi que différentes cibles sont en cours d’étude dont quelques exemples sont présentés ci-dessous et résumés dans les figures 12 et 13 [59] :
 les antagonistes de la chaîne respiratoire comme le composé Q203 (Phase I, cible le cytochrome bc1),
 les inhibiteurs de DprE1, enzyme épimérase impliquée dans la synthèse des polysaccharides arabinogalactanes, composants essentiels de la paroi mycobactérienne. L’enzyme DprE1 est la cible de benzothiazones (PBTZ169, BTZ043 en pré-clinique), de 1,4-azaindoles ou de TCA1,
 les inhibiteurs de MmpL3, protéine membranaire impliquée dans le transport de métabolites et dans la synthèse de la paroi mycobactérienne, dont les composés SQ109 (Phase II), AU1235, BM212 ou un composé de la famille des indolcarboxamides.
 les inhibiteurs directs de l’enzyme InhA,
 les inhibiteurs de la synthèse protéique de la famille des oxazolidinones ciblant l’ARN ribosomal comme les composés Sutezolid (Phase II) et Linezolid (Phase II),
 les inhibiteurs de leucyl-ARNt synthétase, enzyme essentielle pour la synthèse de protéines, comme les oxaboroles développés par GSK dont le composé GSK147.
Le schéma suivant regroupe les antituberculeux actuellement utilisés ainsi que les nouvelles cibles thérapeutiques. La majorité des études cliniques sur le traitement de la tuberculose propose des polychimiothérapies incluant les « anciens » et les nouveaux traitements.
Aujourd’hui, le pipeline de candidats potentiels et de nouvelles combinaisons d’antituberculeux est riche de plusieurs composés en phase clinique ou pré-clinique (Figure 14 et Figure 15). La Figure 14 présente les essais cliniques pour l’organisation TB Alliance et la Figure 15 regroupe des essais cliniques en cours dans différentes entreprises pharmaceutiques selon le groupe Working Group on New TB Drugs. Parmi les molécules en cours d’études cliniques, aucune ne présente de structure chimique originale.

Table des matières

I. LA TUBERCULOSE
I.1. La tuberculose d’hier à aujourd’hui
I.1.1. L’histoire de la tuberculose
I.1.2. La recrudescence de la tuberculose et ses raisons
I.1.3. Situation épidémiologique actuelle dans le monde et en France
I.2. Transmission et déclenchement de la maladie
I.3. Les caractéristiques de Mycobacterium tuberculosis
I.3.1. Les mycobactéries
I.3.2. La paroi mycobactérienne, la particularité des mycobactéries
II. LES OUTILS DE LA LUTTE ANTITUBERCULEUSE
II.1. Dépistage et diagnostic
II.2. Vaccination
II.2.1. Le vaccin BCG
II.2.2. Stratégies de vaccination alternatives
II.3. Traitements antibiotiques
II.3.1. Les antituberculeux de 1ère ligne
II.3.2. Les antituberculeux de 2nde ligne
II.3.3. Les antituberculeux de 3ème ligne
II.3.4. Nouvelles cibles et pipeline de nouvelles molécules
III. PRODRUGS IN TUBERCULOSIS TREATMENT (REVIEW)
III.1. Isoniazid
III.1.1. Mechanism of action
III.1.2. INH activation mechanism by KatG enzyme
III.1.3. Resistances to INH
III.2. Ethionamide and Prothionamide
III.2.1. Mechanism of action
III.2.2. ETH activation mechanism by EthA enzyme
III.2.3. Resistances to ETH
III.3. Thioacetazone and Thiocarlide (Isoxyl)
III.3.1. Mechanism of action
III.3.2. Activation mechanism by EthA enzyme
III.3.3. Resistances
III.4. para-Aminosalicylic acid
III.4.1. Mechanism of action
III.4.2. PAS activation mechanism
III.4.3. Resistances
III.5. Pyrazinamide
III.5.1. Mechanism of action
III.5.2. PZA activation mechanism by PncA enzyme
III.5.3. Resistance to PZA
III.6. Delamanid
III.6.1. Mechanism of action
III.6.2. Activation mechanism by Ddn enzyme
III.6.3. Resistance
IV. LES MECANISMES DE LA RESISTANCE MYCOBACTERIENNE AUX ANTIBIOTIQUES
IV.1. Les pompes à efflux
IV.2. Inactivation de l’antibiotique
IV.3. Modification de la cible
V. PRO-DROGUES : APPROCHES ETUDIEES DANS LA LITTERATURE POUR CONTOURNER LES RESISTANCES
V.1. Boosters de l’activation de la pro-drogue
V.2. Inhibiteurs directs de la cible de la pro-drogue
OBJECTIFS DES TRAVAUX DE THESE
PARTIE 1 : ETUDE DE NOUVELLES APPROCHES POU  CONTOURNER LES RESISTANCES
I. MOLECULES HYBRIDES INH-ETH
I.1. Introduction
I.2. Synthèse des thiohydrazides
I.2.1. Etude de la synthèse du pyridine-4-carbothiohydrazide I-1
I.2.2. Synthèse de benzothiohydrazides
I.2.3. Conclusion
I.2.4. Partie expérimentale
I.3. Les thiohydrazides sont-ils activables par l’enzyme KatG ?
I.4. Les thiohydrazides sont-ils activables par l’enzyme EthA ?
I.5. Conclusion
II. CONCEPTION DE MOLECULES ANALOGUES DE L’ISONIAZIDE POTENTIELLEMENT ACTIVABLES PAR KATG MUTEE
II.1. Hypothèse d’une modification du potentiel d’oxydation de KatG : stratégie des hydrazides plus facilement oxydables
II.1.1. Introduction
II.1.2. Article 1: ChemistrySelect, 2016, 1(2), 172-179
II.1.3. Supporting information
II.1.4. Résultats non publiés associés à l’article
II.1.5. Conclusion
II.2. Hypothèse d’une modification structurale de l’enzyme KatG : stratégie des hydrazides à chaînes longues
II.2.1. Introduction
1II.2.2. Résultats et discussion
II.2.3. Conclusion
II.2.4. Partie expérimentale
III. MOLECULES CHIMIO-ACTIVABLES : COMPLEXES DE FER DE L’ISONIAZIDE ET D’ANALOGUES
III.1. Introduction
III.2. Iron(II) complexes of isoniazid and analogues : synthesis, characterization and study of their oxidative properties in the presence of H2O2 (article en préparation)
PARTIE 2 : MECANISMES D’ACTIVATION DE L’ISONIAZIDE ET DE L’ETHIONAMIDE
I. MECANISME D’ACTIVATION DE L’ISONIAZIDE
I.1. Mécanisme d’activation décrit dans la littérature
I.1.1. Le radical isonicotinoyle
I.1.2. Formation du métabolite actif
I.1.3. Formation des métabolites non-actifs
I.2. Mécanisme d’activation de l’INH d’un point de vue moléculaire
I.2.1. Article 1 : Chemistry Select, 2016, 1(2), 172-179, partie mécanistique
I.3. Résultats non publiés associés à l’article
I.3.1. Hydrazides substitués
I.3.2. Autres hydrazides étudiés
I.3.3. Activation enzymatique par BpKatG
I.3.4. Formation du radical R-PBN en RPE
I.3.5. Formation des adduits avec le NAD+
I.4. Conclusion
II. MECANISME D’ACTIVATION DE L’ETHIONAMIDE
II.1. Article 2: Ethionamide biomimetic activation and an unprecedented mechanism for its conversion into the active and non-active metabolites
II.2. Résultats non publiés associés à l’article
II.2.1. Adduits avec le cofacteur NADP+
II.2.2. Oxydation d’analogues de l’ETH : pyridine-4-carbothioamide et benzothioamide
II.2.3. Oxydation du thiacétazone
II.2.4. Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
I. TABLE DES FIGURES
II. TABLE DES SCHEMAS
III. SCHEME TABLE
IV. TABLE DES TABLEAUX
BIBLIOGRAPHIE

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