Lire l`article complet

V
O
C
A
B
U
L
A
I
R
E
Les peptides antimicrobiens : des antibiotiques naturels
● S. Kayal*
u cours de l’évolution, la survie des eucaryotes
dépend de leur capacité à se défendre contre une
agression par un agent pathogène. Étant donné
l’extrême variabilité des micro-organismes (bactéries, virus,
champignons, parasites), plusieurs mécanismes de défense ont
été sélectionnés, parmi lesquels se trouvent les peptides antimicrobiens, qui s’intègrent dans le cadre du système immunitaire inné. Les peptides antimicrobiens sont très largement
répandus dans les règnes animal et végétal et se comportent
comme des antibiotiques endogènes ou naturels. Jusqu’à il y a
quelques années, ces peptides antimicrobiens étaient considérés chez les mammifères comme une relique persistante de
l’évolution, dont l’efficacité en termes de défense antimicrobienne relevait plus d’un caractère anecdotique que d’une réelle
stratégie. Il n’en est rien ! L’intérêt scientifique actuellement
porté à ces “antibiotiques naturels” est d’autant plus considérable que la résistance aux “antibiotiques classiques” est de plus
en plus importante, faisant entrevoir la possibilité d’une nouvelle stratégie anti-infectieuse à l’échelle industrielle.
A
DESCRIPTIONS ET/OU DÉFINITIONS
Depuis quelques années, de nombreuses nouvelles molécules
ont été décrites chez les mammifères, et les fonctions qui leur
sont attribuées permettent de penser qu’elles pourraient, par leur
absence ou leur dysfonction, jouer un rôle direct dans diverses
pathologies, notamment la mucoviscidose. Il s’agit de petits
peptides de 12 à 45 acides aminés qui se caractérisent par une
charge cationique importante (due à la richesse en résidus lysine
et/ou arginine) et par des propriétés physicochimiques de type
amphipathique. Typiquement, les conformations adoptées par
ces peptides sont celle d’une hélice (par exemple les cathélicidines), celle de un ou plusieurs brins ß stabilisés par des ponts
disulfures (par exemple les défensines ou les protégrines), ou
enfin une combinaison des deux structures (figure 1). Parmi ces
peptides, certains se caractérisent aussi par leur richesse en histidine (histatines) ou en proline (cathélicidine).
Défensines
Les défensines sont des peptides dont la longueur varie entre 25
et 50 acides aminés environ. Les deux types de défensines et
ß diffèrent, d’une part, par l’emplacement des liaisons disulfures,
* Laboratoire de microbiologie, INSERM U411, faculté de médecine Necker,
Paris.
La Lettre du Pneumologue - Volume III - no 6 - nov./déc. 2000
Figure 1. Structure tridimensionnelle de la drosomycine. La drosomycine est un peptide antibactérien sécrété par Drosophila melanogaster.
Sa séquence est constituée de 44 acides aminés, et possède une activité
antifongique vis-à-vis d’Aspergillus fumigatus. Sa structure tridimensionnelle est composée d’une hélice et de trois brins antiparallèles
stabilisés par des ponts disulfures.
et, d’autre part, par la nature des précurseurs et leur mode
d’expression (constitutif ou inductible). Les deux classes de
défensine possèdent une activité antimicrobienne à large spectre.
-défensines
À ce jour, six -défensines humaines (HD) ont été décrites chez
l’homme. Quatre d’entre elles, HNP 1, 2, 3 et 4 (Human Neutrophil -Defensines), sont exclusivement sécrétées par les polynucléaires neutrophiles, au sein desquels elles sont préalablement
stockées dans les granules azurophiles (1). Les deux autres
-défensines humaines, HD 5 et HD 6, sont sécrétées par les cellules de Paneth de l’intestin grêle.
Parallèlement à leur activité antimicrobienne, les HNP semblent
favoriser les lésions tissulaires, mais participent aussi à l’adaptation de l’immunité acquise en favorisant l’induction de la
réponse inflammatoire de type Th1 et Th2 (2). Au niveau des
sécrétions bronchiques, la concentration des -défensines augmente chez les patients présentant des pathologies associées à
une augmentation des polynucléaires neutrophiles, comme la
mucoviscidose, les bronchopathies chroniques obstructives ou
l’asthme. Cependant, il est actuellement difficile de dire si elles
227
V
O
C
A
B
U
L
A
I
sont directement impliquées dans la survenue de lésions de l’épithélium bronchique ou si, tout simplement, elles témoignent de
l’activité des polynucléaires.
ß-défensines
Les ß-défensines sont phylogénétiquement plus anciennes que
les -défensines. Chez l’homme, deux ß-défensines ont été
décrites : hBD 1 et hBD 2. Elles sont sécrétées par de nombreuses cellules épithéliales (rénales, bronchiques, urogénitales,
intestinales, etc.), et, contrairement aux -défensines, les hBD
ne sont pas stockées dans des granules cytoplasmiques, mais
sécrétées dans le milieu extracellulaire immédiatement après
leur synthèse.
La ß-défensine hBD 1 est synthétisée sous forme d’un propeptide de 68 acides aminés, et, selon le site de clivage protéolytique du domaine amino-terminal, plusieurs isoformes peuvent
être obtenues. Le nombre de résidus des différentes isoformes
varie entre 36 et 47 acides aminés. Initialement décrite au niveau
de l’appareil urinaire, son activité bactéricide vis-à-vis des bactéries à Gram négatif comme Escherichia coli est efficace à
des concentrations de l’ordre du micromolaire. Néanmoins, à
l’exception de l’isoforme possédant 36 acides aminés, l’activité antimicrobienne est généralement diminuée par une osmolarité élevée du milieu, ce qui est une caractéristique et probablement un inconvénient des défensines. La ß-défensine hBD 2,
identifiée plus récemment, est principalement synthétisée au
niveau de la peau et de l’épithélium bronchique.
Bien que le spectre d’activité antimicrobienne des ß-défensines
soit large, celui-ci prédomine sur les bactéries à Gram négatif
et semble moins efficace sur les bactéries à Gram positif comme
Staphylococcus aureus. Parmi les bactéries à Gram négatif,
Burkholderia cepacia est toujours résistante, contrairement à
Pseudomonas aeruginosa.
Physiologiquement, les concentrations des deux ß-défensines
sont élevées dans les surnageants des lavages broncho-alvéolaires (LBA) au cours des pathologies inflammatoires. L’analyse des surnageants des LBA réalisés chez des volontaires sains
montre que les isoformes de hBD 1 sont retrouvés, mais pas
ceux de hBD 2 (3). Cette observation témoigne d’un mode de
synthèse constitutif pour hBD 1 alors que, pour hBD 2, elle est
induite par des stimuli inflammatoires (infection ou cytokines)
(4). Compte tenu de son spectre d’activité (prédominant pour
les bactéries à Gram négatif), si nous admettons que la défensine hBD 2 est un élément dynamique participant au contrôle
de la flore bactérienne locale au niveau de la peau et de l’épithélium bronchique, il serait tentant de proposer une explication au caractère inhabituel des infections cutanées et pulmonaires à bactéries à Gram négatif.
Chez des patients atteints de mucoviscidose, l’analyse des
expectorations montre que les concentrations en défensines
(hBD 1 et 2) peuvent atteindre de 300 à 1 600 µg/ml. Cependant, en raison de l’osmolarité élevée des sécrétions bronchiques
observée chez ces patients, l’activité antimicrobienne, et en particulier vis-à-vis de P. aeruginosa, semble inefficace (5, 6). Ce
déficit de l’activité antimicrobienne peut théoriquement être
rapidement corrigé si l’osmolarité des sécrétions est normali228
R
E
sée (5). Bien que la causalité directe entre le déficit fonctionnel des défensines et les surinfections bronchiques chroniques
au cours de la mucoviscidose ne soit pas encore clairement établie, ces résultats constituent des arguments suffisamment
convaincants pour encourager la poursuite des recherches dans
cette voie.
Actuellement, certaines équipes essaient d’établir des stratégies
permettant de synthétiser des défensines ayant une structure
plus stable et une activité antimicrobienne indépendante de
l’osmolarité.
Cathélicidines
Cette famille de peptides antimicrobiens est synthétisée sous
forme d’un peptide précurseur de 15-18 kDa au sein duquel il
existe un domaine hautement conservé de 100 acides aminés,
appelé cathéline. Le clivage protéolytique du domaine cathéline permet de libérer le peptide appelé cathélicidine, responsable de l’activité antibactérienne. Chez l’homme, une seule
cathélicidine a été décrite. Elle est sécrétée sous forme d’un
propeptide appelé hCAP 18. Le clivage de cette dernière donne
naissance à une cathélicidine de 37 acides aminés agencés en
une structure de type hélice ; il s’agit du peptide LL 37. La
sécrétion de hCAP 18, initialement retrouvée au niveau des cellules de la moelle osseuse, a été récemment mise en évidence
par hybridation in situ au niveau de l’épithélium bronchique
ainsi qu’au niveau de la peau. Le spectre d’activité antibactérienne de la cathélicidine synthétique LL 37 est large, incluant
de nombreuses bactéries à Gram positif et à Gram négatif, dont
les P. aeruginosa, que les souches soient muqueuses ou multirésistantes aux antibiotiques. Contrairement à la plupart des
défensines, son activité antimicrobienne n’est pas affectée par
l’osmolarité du milieu, permettant d’envisager son utilisation
dans le traitement local des infections chroniques à P. aeruginosa chez les patients atteints de mucoviscidose. En contrepartie, le peptide LL 37 ne semble avoir aucune efficacité sur
les bactéries de l’espèce Burkholderia cepacia, qui sont généralement isolées au cours de la mucoviscidose et le plus souvent résistantes à toutes les classes d’antibiotiques. Outre l’activité antimicrobienne, le peptide LL 37 semble capable de se lier
avec une très haute affinité au lipopolysaccharide bactérien
(LPS), ce qui suggère sa participation à la limitation de la réaction inflammatoire locale (7).
Protégrines
Les protégrines sont de petits peptides de 16 à 18 résidus
d’acides aminés formant un feuillet ß (brins ß antiparallèles)
stabilisé par deux ponts disulfures. Elles sont sécrétées, comme
les cathélicidines, sous forme d’un propeptide contenant un
domaine cathéline de 100 acides aminés. Outre le clivage du
domaine cathéline, la maturation de la protégrine nécessite
l’activité de l’élastase sécrétée par les granules des polynucléaires neutrophiles (8). Les peptides matures de protégrines
possèdent un large spectre d’activité antimicrobienne (antibactérienne, fongicide, virale) à condition que la longueur de la
chaîne peptidique soit d’au moins 16 acides aminés. L’activité
antimicrobienne n’est pas modifiée par des concentrations éleLa Lettre du Pneumologue - Volume III - no 6 - nov./déc. 2000
vées de NaCl, mais le mécanisme d’action reste mal connu. En
effet, la petite taille des peptides ne devrait théoriquement pas
leur permettre de traverser la bicouche lipidique, mais il a été
rapporté récemment que les protégrines seraient capables de se
dimériser,voire de se polymériser, lorsqu’elles interagissent
avec les phospholipides membranaires. Ce phénomène pourrait
participer au mécanisme de l’altération de la bicouche lipidique
nécessaire à l’activité antimicrobienne.
Granulysine
Récemment décrites, les caractéristiques de leur séquence peptidique permettent de les classer dans la famille des protéines
dites saponin-like. Elles sont sécrétées par les granules des lymphocytes cytotoxiques (CTL) et des natural killer. La granulysine humaine (9 kDa) possède in vitro une activité antibactérienne à large spectre (Streptococcus typhimurium, Listeria
monocytogenes, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, etc.),
mais également antifongique (Candida albicans) et antiparasitaire (Cryptococcus neoformans, Leishmania major, etc.) (9).
L’activité antimicrobienne de la granulysine dépend directement de la sécrétion concomitante de perforine par les CTL afin
de pouvoir délivrer la granulysine à l’intérieur des cellules
cibles. De ce fait, il est physiologiquement concevable que la
granulysine puisse participer à la défense contre les agents
pathogènes intracellulaires comme Listeria monocytogenes et
Trypanosoma cruzi ou Mycobacterium tuberculosis (9). Bien
qu’il ne s’agisse que de résultats obtenus in vitro, cette étude
démontre clairement que les CTL, en plus de leur activité cytolitique, participent directement à la défense antimicrobienne en
délivrant la granulysine à l’intérieur des cellules infectées.
Histatines
Il s’agit de petits peptides, riches en histidines, sécrétés principalement par les glandes salivaires. Leur spectre est surtout de
type antifongique, notamment sur Candida albicans et Cryptococcus neoformans, particulièrement dans des conditions de pH
acide. Bien que les mécanismes de leur activité antifongique ne
soient pas actuellement connus, les histatines ne semblent pas
agir sur Candida albicans en détruisant la membrane, mais en
se fixant sur une protéine de 67 kDa.
En contrepartie de cette activité antifongique intéressante sur
le plan thérapeutique, notamment chez les patients immunodéprimés, ces peptides antimicrobiens sont malheureusement très
rapidement inactivés par Porphyromonas gingivalis, agent
majeur des parodontopathies. Cet inconvénient justifie actuellement la mise au point d’un dérivé synthétique dont la structure serait plus stable et plus active.
MÉCANISMES D’ACTION DES PEPTIDES ANTIMICROBIENS
La plupart des peptides cationiques possèdent une activité antimicrobienne à large spectre.
Leur mécanisme d’action est gouverné par leur caractère cationique et leur capacité à adopter une structure amphipathique en
solution ou lors de leur contact avec les phospholipides de la
membrane cible. Quant à leur mécanisme d’action propre, l’interLa Lettre du Pneumologue - Volume III - no 6 - nov./déc. 2000
action avec la membrane du pathogène provoque une détérioration fonctionnelle de celle-ci qui se traduit par d’importants
échanges ioniques anarchiques de part et d’autre de la membrane,
aboutissant à des perturbations du gradient ionique et de l’homéostasie intracellulaire.
Actuellement, deux modèles sont proposés pour expliquer les
interactions entre les peptides antimicrobiens et la membrane
plasmique des agents pathogènes :
– d’une part, le modèle dit du “tonneau” (barrel-stave model)
qui se traduit par la formation de pores transmembranaires
hydrophiles ;
– d’autre part, le modèle dit du “tapis” (carpet model), qui se traduit par la déformation et la déstabilisation de la bicouche lipidique provoquées par l’insertion de structures peptidiques parallèlement à l’axe de l’hélice .
Le mécanisme antimicrobien est donc de type bactéricide et il
est qualifié de peu spécifique. En effet, l’interaction des peptides antimicrobiens avec les surfaces membranaires ne fait
généralement pas intervenir des récepteurs spécifiques. Cependant, la principale de leurs caractéristiques est de pouvoir différencier les membranes des eucaryotes de celles des microbes
grâce à une interaction préférentielle avec des phospholipides
neutres (10).
RÔLE PHYSIOLOGIQUE AU COURS
DE LA RÉSISTANCE NATURELLE AUX INFECTIONS
Du point de vue d’un micro-organisme pathogène, les tissus
d’un organisme multicellulaire sont une source d’aliments et
d’énergie. Au cours de l’évolution, deux systèmes immunitaires
de lutte contre les agents infectieux ont été sélectionnés, l’immunité innée et l’immunité acquise. L’immunité innée est phylogénétiquement plus ancienne que l’immunité acquise, qui est
apparue il y a seulement 400 millions d’années et qui existe uniquement chez les vertébrés. Cette dernière a été la plus étudiée
au cours de ces dernières décennies, et présente deux caractéristiques essentielles. D’une part, la spécificité, qui est fondée
sur l’existence d’un large répertoire de molécules de reconnaissance engendrées par des réarrangements somatiques
[immunoglobulines et récepteurs T des lymphocytes T (TCR)],
et, d’autre part, la clonalité, qui fait référence à la notion de
mémoire du stimulus antigénique grâce à la sélection de lymphocytes spécifiques. En contrepartie de cette très haute affinité, la réponse immunitaire de type acquise est lente à se mettre
en place. Bien que moins spécifique, le système immunitaire
inné, auquel appartiennent les peptides antimicrobiens, semble
mieux adapté à une réponse rapide, voire immédiate, et constitue la première ligne de défense lors de l’agression par un agent
pathogène. Le mécanisme lui permettant de distinguer entre le
“soi” et le “non-soi infectieux” est plus simple et fondé sur
l’expression par les agents pathogènes de motifs moléculaires
qui leur sont propres. La spécificité des peptides cationiques
pour les membranes microbiennes dépend surtout de la différence de composition de la bicouche lipidique. Contrairement
aux membranes plasmiques des eucaryotes, les membranes des
procaryotes se caractérisent par une concentration élevée en
229
V
O
C
A
B
U
L
A
I
phospholipides anioniques, par l’absence de cholestérol, et
par un potentiel de membrane important (négatif sur le versant
intracellulaire).
Chez les vertébrés, l’effet antimicrobien puissant de certains
peptides cationiques, leur sécrétion constitutive par les phagocytes, ainsi que leur présence permanente au niveau de nombreuses muqueuses servant d’interface entre le milieu extérieur
et le milieu intérieur font qu’ils se trouvent en première ligne
de défense lors d’une agression par un agent pathogène. Cependant, chez l’homme, il est difficile de déterminer le rôle précis
joué par une défensine, dans la mesure où d’autres mécanismes
entrent également en jeu lors de la réponse de l’hôte vis-à-vis
d’une agression infectieuse. Toutefois, un des rôles importants
que pourraient avoir les peptides antimicrobiens est celui de
prévenir la dissémination d’un processus infectieux. Bien que
très peu de données existent dans la littérature sur les facteurs
physiologiques qui contrôlent l’équilibre d’une flore bactérienne commensale, l’influence des peptides antimicrobiens sur
la flore bactérienne résidente, cutanée, respiratoire ou intestinale, ne semble pas négligeable. Chez l’animal, il a été démontré que la diminution de la production locale de peptides antimicrobiens induite par une corticothérapie provoque une
pullulation bactérienne au niveau de la peau. Dès lors, l’hypothèse selon laquelle la diminution de l’activité antimicrobienne
des défensines induites par l’hyperosmolarité des sécrétions
bronchiques des patients atteints de mucoviscidose participe
directement au caractère chronique de l’infection par des bactéries à Gram négatif comme Pseudomonas aeruginosa semble
bien correspondre à la réalité des constatations cliniques (5, 6).
CONCLUSION
Les efforts considérables réalisés ces dernières années ont permis d’identifier de nouveaux peptides cationiques ainsi que de
mieux appréhender leur mode et leur spectre d’action antimicrobiens. Leur caractère primordial pour la défense antimicro-
R
E
bienne est actuellement bien établi pour les plantes et les
insectes. Chez l’homme, en dehors du déficit fonctionnel des
défensines constaté chez les patients atteints de mucoviscidose,
nos connaissances restent limitées pour ce qui est de leurs rôles
physiologiques et de leurs mécanismes d’action au cours des
processus infectieux. Néanmoins, l’importance des travaux
récents permet d’espérer que les peptides cationiques puissent
prochainement figurer parmi les alternatives thérapeutiques aux
traitements anti-infectieux classiques (11).
■
R
É
F
É
R
E
N
C
E
S
B
I
B
L
I
O
G
R
A
P
H
I
Q
U
E
S
1. Ganz T, Selsted ME, Szklarek D et al. Defensins. Natural peptide antibiotics
of human neutrophils. J Clin Invest 1985 ; 76 : 1427-35.
2. Lillard JW Jr, Boyaka PN, Chertov O, Oppenheim JJ, McGhee JR. Mechanisms for induction of acquired host immunity by neutrophil peptide defensins.
Proc Natl Acad Sci USA 1999 ; 96 : 651-6.
3. Singh PK, Jia HP, Wiles K et al. Production of beta-defensins by human
airway epithelia. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 14961-6.
4. Harder J, Meyer-Hoffert U, Teran LM et al. Mucoid Pseudomonas aeruginosa, TNF-alpha, and IL-1beta, but not IL-6, induce human beta-defensin-2 in
respiratory epithelia. Am J Respir Cell Mol Biol 2000 ; 22 : 714-21.
5. Smith JJ, Travis SM, Greenberg EP, Welsh MJ. Cystic fibrosis airway epithelia fail to kill bacteria because of abnormal airway surface fluid. Cell
1996 ; 85 : 229-36.
6. Goldman MJ, Anderson GM, Stolzenberg ED et al. Human beta-defensin-1
is a salt-sensitive antibiotic in lung that is inactivated in cystic fibrosis. Cell
1997 ; 88 : 553-60.
7. Turner J, Cho Y, Dinh NN, Waring AJ, Lehrer RI. Activities of LL-37, a
cathelin-associated antimicrobial peptide of human neutrophils. Antimicrob
Agents Chemother 1998 ; 42 : 2206-14.
8. Shi J, Ganz T. The role of protegrins and other elastase-activated polypeptides in the bactericidal properties of porcine inflammatory fluids. Infect
Immun 1998 ; 66 : 3611-7.
9. Stenger S, Hanson DA, Teitelbaum R et al. An antimicrobial activity of
cytolytic T cells mediated by granulysin. Science 1998 ; 282 : 121-5.
10. Lohner K, Latal A, Lehrer RI, Ganz T. Differential scanning microcalorimetry indicates that human defensin, HNP-2, interacts specifically with biomembrane mimetic systems. Biochemistry 1997 ; 36 : 1525-31.
11. Hancock RE, Lehrer R. Cationic peptides : a new source of antibiotics.
Trends Biotechnol 1998 ; 16 : 82-8.
CLAUDIE DAMOUR -TERRASSON ET Toute l’équipe du groupe de presse et d’édition SR. Teleperformance Média Santé...
vous donnent rendez-vous avec le nouveau millénaire
...trois cent soixante-cinq jours en 2001
...trois cent soixante-cinq rendez-vous avec nos publications...
m i l l e m e r c i s p o u r v ot r e f i d é l i t é e t
bonne année
2001
à to u s
Les articles publiés dans “La Lettre du Pneumologue” le sont sous la seule responsabilité de leurs auteurs.
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays.
© EDIMARK S.A. - décembre 1998
Imprimé en France - EDIPS - 21800 Quetigny - Dépôt légal : 4e trimestre 2000
230
La Lettre du Pneumologue - Volume III - no 6 - nov./déc. 2000