Synthèse bibliographique

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1. Escherichia coli
1.1. Habitat :
Escherichia coli a été identifié en 1885 par Theodor Esherich (Guiraud, 1998). C'est une
entérobactérie retrouvée en abondance dans la flore commensale humaine, en particulier dans
le tube digestif de l’homme qu’elle colonise dès les premières heures de la naissance. Elle
constitue l’espèce dominante de la flore aérobie anaéro-tolérante (Ahoyo et al., 2007). Elle
est présente à raison de 107à 109 bactéries par gramme de selles. Elle se répand dans la nature
(sol et eaux), souvent en provenance d’une contamination fécale (Delarras, 2007).
1.2. Classification (Prescott et al., 2003)
Phylum
Proteobactéria
Classe
Gammaprotéobactéria
Ordre
Enterobacteriales
Famille
Enterobacteriaceae
Genre
Escherichia
Remarque : ne sont représentée ici que les genres d’intérêt médical.
1.3. Caractères morphologiques
Escherichia coli est un bacille à Gram négatif. Elle mesure approximativement 2 à 4µm de
longueur et 0.6 µm de largeur. Cette bactérie ne possède ni capsule ni spores, elle se présente
isolé ou en courtes chainettes et en quelque cas, sous forme de très long filament (figure 1)
(Djelouat, 2008). Elle est généralement mobile grâce à une ciliature péritriche (Ducluzeau,
2006).
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Figure 1. Les caractères morphologiques d’Escherichia coli (Licois, 1992).
1.4. Caractères culturaux
Les colonies d'Escherichia coli apparaissent après 24 heures d'incubation à 37°C sur les
milieux gélosés. Elles sont généralement rondes, lisses, à bords régulier, de 2 à 3mm de
diamètre (Coisne, 2005). La culture en bouillon ordinaire est rapide. Elle produit un trouble
avec ondes et parfois un voile grisâtre en surface. Sur gélose ordinaire, la bactérie donne une
culture blanchâtre, épaisse crémeuse, devenant rapidement opaque et envahissant toute la
surface du milieu. Alors que sur milieu gélosé Mac Cankey les colonies donnent une
coloration rouge brique et une odeur fécaloïde (Lavigne et al., 2002).
1.5. Caractères biochimiques
Escherichia coli, cependant la recherche des caractères biochimiques, permet de confirmer
les caractères suivants (Coisne, 2005):

Fermentent le lactose et glucose avec production du gaz.

Possédant une lysine décarboxylase.

Production d’indole avec dégradation du tryptophane.

Fermentent le surbitol, le l’arabinose et le mannitol.

B-galactosidase (ONPG) positive.

Urease, citrate permiase, H2O, TDA, oxydase et Vogues proskauer (VP) négative
Rouge de méthyle positif.
On peut rencontrer des variant négatifs pour un caractère habituellement positif par exemple
l’indole ; ceci est consécutif à une mutation (Pilet et al., 1981). Les variantes immobiles et
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gazogènes d’Escherichia coli peuvent poser des problèmes du diagnostic différentiel avec les
Shigelle (Coisne, 2005).
1.6. Caractères antigéniques
Escherichia coli possède des antigènes associés à quatre types de structures (Orskovet,
1986). Les antigènes de paroi (somatiques) ou antigènes O qui correspondent aux polyosides
fixés sur les lipopolysaccharides (LPS), les antigènes de flagelles ou antigènes H de nature
protéique, constitués de flagellines, et les antigènes de surface de type F qui sont présents
chez les souches ayant des propriétés d’adhésion, et un antigène K qui masque l’antigène O.
(Versen et al., 2008).
1.7. Pouvoir pathogène
De nombreux cas d’infection à Escherichia coli ont été associés avec
du bœuf haché
insuffisamment cuit, de fruits et légumes ou d’eau contaminée avec des matières fécales
(Gomez et al., 2012). Escherichia coli possède des facteurs de virulence qui lui permettent
de s’attacher aux cellules intestinales et de libérer des toxines. L’analyse des facteurs de
virulence des souches a permis de reconnaitre cinq catégories d’Escherichia coli pathogènes,
les cinq pathotypes diarrhéogènes d'Escherichia coli (DEC) qui ont été identifiés dans les
différents pays sont les suivants (Yousef, 2012) :

Escherichia coli entérotoxinogène (ETEC): diarrhée des voyageurs.

Escherichia coli entéroinvasive (EIEC): colite invasive (ressemblance clinique à la
shigellose).

Escherichia coli entéropathogènes (EPEC): gastro-entérite aigue des nourrissons.

Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC): colite hémorragique et syndrome
hémolytique-urémique.

Escherichia coli entéroagrégatives (EAgEC): diarrhées aqueuses persistantes chez les
jeunes enfants et les immunodéprimés.
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2. Antibiotiques
2.1. Définition
Les antibiotiques sont des molécules produites par des micro-organismes, possédant une
activité bactériostatique ou bactéricide à faible concentration et n'ayant pas de toxicité pour
l’hôte. Cette notion a été étendue aux molécules obtenues par hémi-synthèse (Pelaez, 2006).
Les antibiotiques composent plusieurs familles qui inhibent des voies métaboliques de la
bactérie, ils sont classés selon leur cible (paroi, ribosome, protéines ou ADN) (Figure 2).
Figure 2. Classification des antibiotiques selon leurs sites d’action (Aires, 2011).
Une littérature très abondante a apporté la preuve que l'administration prolongée et intensive,
surtout en milieu hospitalier, des antibiotiques tels que les β-lactamines, les aminosides et les
quinolones contribue à sélectionner les bactéries multi-résistantes ou BMR (Cdrom, 2001).
2.2. β-lactamines
Les β-lactamines sont des antibiotiques bactéricides possédant tous un cycle β-lactame
(responsable de l’activité antibactérienne) dans leur structure chimique. Ainsi, en fonction des
cycles et chaines latérales associées noyau β-lactame, on distingue (figure 3) (Soussy et al.,
2000):

Les céphalosporines: constituées d'un noyau dihydrothiazine (Toure, 2004) ;

Les pénicillines: les molécules de ce groupe possèdent un cycle thiazolidine
accolé au noyau β-lactame. Elles différent par la nature de leur chaine latérale ;
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
Les carbapénémes: se distinguent des pénicillines par la présence d'un atome de
carbone au lieu d'un soufre en position 1 et d'une liaison insaturée en C2-C3,
également présente sur les céphalosporines (Wolff et al., 2009) ;

Les monobactames: dont leur structure est limité au cycle β-lactame. Seul
l'aztréonam est à l'heure actuelle utilisé en clinique humaine ;

Les clavâmes ou Oxapénames: Le noyau clavâme dérive du noyau péname par
substitution du soufre en position 1 par un oxygène (Cavallo et al., 2004).
Figure 3. Classification des β-lactamines (Cavallo et al., 2004).

Mécanisme d’action
Toutes les β-lactamines ont un seul mécanisme d'action. Elles inhibent la synthèse du
peptidoglycane de la paroi bactérienne. Elles se fixent sur des protéines de membrane,
appelées PLP (les Protéines de Liaison aux Pénicillines), qui sont responsables de la
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transpeptidation, étape essentielle de la synthèse du peptidoglycane; ce qui empêche leur
fixation avec le substrat naturelle (Acyl-D-Alanyl-D-Alanine) qui présente une analogie
structurale avec le cycle β-lactame (Cavallo et al., 2004). La synthèse du peptidoglycane est
alors inhibée, la paroi cellulaire est donc fragilisée, ce qui se traduit par une lyse bactérienne
(Drawz et al., 2010).
2.3. Aminosides (les aminoglycosides)
Les aminosides sont des molécules constitués de deux ou plusieurs sucres aminés liés par une
fonction glycosidique (Figure 4). Leurs fonctions amines sont ionisées formant des
polycations (Galas et al., 2005). Ils sont classés en fonction de leur structure chimique en
trois générations (Toumi, 2008):

Les aminosides de première génération : kanamycine

Les aminosides de deuxième génération : Amikacine, Gentamicine et Tobramycine

Les aminosides de troisième génération : Nétilmycine
Figure 4. Structure des aminoglycosides (Walsh, 2003).

Mode d’action
Les aminosides se fixent sur des récepteurs bactériens et traversent rapidement la paroi,
ensuite ils sont transportés vers la membrane cytoplasmique. Dans le cytoplasme, ils se lient
aux ribosomes (sous-unité 30S) et induisent une inhibition de la traduction des ARNm, donc
la synthèse des protéines est perturbée (Yala et al., 2001). Cette fixation ne bloque pas la
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synthèse des protéines mais induit des erreurs dans le décodage des codons effectués par les
ribosomes, qui conduit à la formation de protéines anormales (Toumi, 2008).
2.4. Quinolones
Les quinolones sont des molécules obtenues par synthèse chimique, qui dérivent d’acides
carboxyliques hétérocycliques diversement substitués. Toutes les quinolones actuelles
présentent une structure bi cyclique, avec un azote en position 1, un carboxylate en position 3
et un carbonyle en position 4. Les fluoroquinolones, ainsi appelées car contenant un atome de
fluor en position 6 (Figure 5). Ces molécules d’Origine synthétique sont caractérisées par un
large spectre antibactérien (Gram négatif et positif) (Sun et al., 2010).
Figure 5. Structure commune aux quinolones (Claire, 2012).

Mécanisme d’action
Les quinolones pénètrent dans les bactéries à Gram négatif, grâce à des porines membranaire.
Ils inhibent la réplication de l’ADN bactérien an agissant au niveau des surenroulements qui
provoquent une réduction de l’espace occupé par l’ADN dans la cellule. La cible de ces
antibiotiques c’est l’ADN gyrase chez les Gram négatif, topoisomérase II et la topoisomérase
IV chez les Gram positif. Ces enzymes sont essentielles à la réplication et à la transcription
de l’ADN bactérien. Chacune de ces enzymes sont composées de 2 sous-unités codées par
des gènes gyrA, gyrB et parC, parE (Larouche, 2001).
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3. Résistance aux antibiotiques
La résistance bactérienne est prise dans sa définition « clinique », synonyme de risque d’échec
thérapeutique, c’est-à-dire, la capacité de la bactérie à se multiplier en présence d’une
concentration d’antibiotique égale ou supérieure à celle que l’on peut obtenir in vivo (Toure,
2004).
3.1. Résistance naturelle
La résistance naturelle ou intrinsèque est une caractéristique propre à une espèce bactérienne
donnée, liée au « génome bactérien » génétique de l’espèce. On parle alors du caractère
normal ou sauvage du comportement (ou du phénotype) de l’espèce vis-à-vis des
antibiotiques (Faure, 2009).
3.2. Résistance acquise
La résistance acquise est définie comme un caractère qui n’intéresse qu’un pourcentage
variable de souche d’une espèce normalement sensible. Ces souches acquièrent une résistance
supplémentaire qui modifie les caractères de la résistance naturelle (Mrquez-Lopez et al.,
2013).
3.3. Mécanisme de résistance d’Escherichia coli
3.3.1. Résistance aux β-lactamines
3.3.1.1. Mécanismes de résistance enzymatique
Chez Escherichia coli la résistance enzymatique est basée sur la synthèse des enzymes βlactamases, sont des enzymes capable d’hydrolyser les antibiotiques en ouvrant les cycles βlactamines (Drawz et al., 2010). Les classifications d’Ambler basée sur la structure
moléculaire des enzymes, variant selon leur substrat. Chez Escherichia coli, sont décrites
essentiellement les classes suivantes (Ambler, 1980):
Classe A : pénicillinases
Classe B : métallo-enzymes
Classe C : céphalosporinases
Classe D : oxacillinases
9
Synthèse bibliographique

Les β-lactamases de classe A : Pénicillinases
Elles constituent un groupe très hétérogène comprenant de nombreuses enzymes
essentiellement actives sur les pénicillines. Ces pénicillinases peuvent être spécifiques à un
genre (pénicillinases de staphylocoque) ou largement distribuées. Leur spectre d’action
comprend les pénicillines, voire les céphalosporines de 1ére génération et même les
céphalosporines de 2éme génération (C2G) (Nordmann et al., 2010). Chez Escherichia coli, le
phénotype de résistance est dû à la production des pénicillinases plasmidiques qui inactivent
les pénicillines A et G, les carboxypenicillines et les ureidopenicillines. Les inhibiteurs des βlactamases inhibent au moins partiellement l'activité de ces enzymes, ils s'expriment en
absence de tous inducteurs. Certaines de ces enzymes ont subi des mutations qui les ont rendu
actives sur un très grand nombre de substrats, outre les pénicillines, la plus part des
céphalosporines (Lavigne et al., 2002). Ces enzymes mutés ont été dénommées BLSE (βlactamases à spectre élargi).
β-lactamases à spectre élargi(BLSE)
La première épidémie par BLSE décrite en France date de 1985. Les plus souvent, ces
enzymes sont isolées des souches d’Escherichia coli. Plus de 200 BLSE ont été décrites,
classées en 11 familles en fonction de leur séquence protéique (Adjidéa et al., 2006). Les 4
familles majeures sont TEM, SHV, OXA et CTX-M, et sont le plus souvent d’origine
plasmidique (Ruppé et al., 2009). Les β-lactamases TEM-1 et SHV-1 sont fréquemment
produites par Escherichia coli, Ce type de β-lactamase confère une résistance à l’ensemble
des β-lactamines, à l’exception des céphamycines et des carbapénèmes (Géraldine, 2010).
Elles ont la propriété d’être inhibées par les inhibiteurs de β-lactamases dont l’acide
clavulanique, à la base même du principe de détection des BLSE (Boyer et al., 2011).

Les β-lactamases de classe B: métallo-enzyme
Les enzymes de cette classe sont des métallo-enzymes car ils sont dépendants de la présence
d’ions zinc ou magnésium. Phénotypiquement, ces enzymes confèrent la résistance à diverses
β-lactamines telles que les pénicillines, avec une sensibilité variable de la pipéracilline, des
céphalosporines de 3ème génération, les carbapénèmes ou encore des céphamycines (Barrial,
2006). Comme la NDM-1 carbapenemase la primaire fois à été identifiée à France en 2008
dans Escherichia coli. Depuis lors, plusieurs rapports ont souligné sa diffusion rapide dans le
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Synthèse bibliographique
monde entier. La propagation de carbapénémase NDM implique plusieurs variantes de gènes
blaNDM associés à différents plasmides entre plusieurs espèces des Gram négatif (Trigoso,
2010).

les β-lactamases de classe C: Céphalosporinase
Les céphalosporinase sont généralement spécifiques d'une espèce, sont d'origine
chromosomique codée par le gène ampC qui s'exprime à très bas niveau. En effet,
Escherichia coli ne possède pas dans son génome le gène ampR de régulation du gène ampC
(Lavigne et al., 2002), il n’y a donc pas de sécrétion de céphalosporinase. Ce sont des
enzymes qui hydrolysent préférentiellement les Céphalosporines de 1èregénération. La
production normalement inductible de ces céphalosporinase est sous le contrôle de différents
gènes qui, s’ils sont mutés, vont aboutir à une hyperproduction spontanée de niveaux
variables. Une fois
hyperproduites,
les
céphalosporinase
peuvent
hydrolyser les
céphalosporines de 3éme génération, et entraines la résistance à ces antibiotiques (Mayoral et
al., 2010).

les β-lactamases de classe D: Oxacillinases
C’est la classe possédant le moins d’enzymes et certainement la plus éloignée
plylogéniquement des 3 autres classes. Cette classe regroupe les β-lactamases appelées
«Oxacillinases» ou OXA pour « Oxacillin-hydrolysing-abilities ». En effet, elles sont
caractérisées par leur capacité d’hydrolyser la cloxacilline et l’oxacilline (Lavigne et al.,
2002). Ces β-lactamases sont peu inhibées par l’acide clavulanique ou le tazobactam. La
majorité des OXA n’hydrolyse pas les céphalosporines de large spectre, leur action est
différente de celle des BLSE. Leur détection en routine est difficile en raison de leur
phénotype de résistance proche des autres β-lactamases. L’oxacillinase OXA-44 a été chez
les souches Escherichia coli (Boyer et al., 2011).
3.3.1.2. Mécanisme de résistance non enzymatique
Les mécanismes non enzymatiques de la résistance acquise peuvent être regroupés en trois
grands types de mécanismes: diminution de la perméabilité, efflux et modification de la cible
des antibiotiques (Euzéby, 2008).
11
Synthèse bibliographique

diminution de la perméabilité
La pénétration des β-lactamines à travers la membrane externe des bactéries a Gram négatif,
est assurée par diffusion à travers des canaux protéiques. Cette imperméabilité s'exprime par
une résistance naturelle à certaines β-lactamines. Escherichia coli possède deux types des
porines sont (OmpC et
OmpF) (Martins et al.,
2013). Chez les mutants OmpC, la
pénétration des β-lactamines n’est pas diminuée car le diamètre de la porine OmpF est
suffisamment large. Au contraire, l’absence d’OmpF s’accompagne d’une résistance à la
céfoxitine (4 fois la concentration minimale inhibitrice) (Vedel, 2005).

modification de la cible d'antibiotique
Ce mécanisme est décrit chez Escherichia coli. Les résistances sont liées à des mutations
dans les gènes chromosomiques qui codent pour les PLP normales ou à l'acquisition de gènes
étrangers codant pour des PLP ayant peu d'affinité pour les β-lactamines. On peut ainsi
aboutir à des altérations quantitatives et qualitatives des PLP, avec diminution d'affinité pour
les β-lactamines, soit par augmentation de leur production, soit par synthèse de nouvelles PLP
de très faible affinité (Angela et al., 2011).

Les pompes d’efflux
Les pompes d’efflux sont des protéines de transport membranaire très répandus chez les
bactéries à Gram négatif. Leur rôle est de préserver l’équilibre physico-chimique du milieu
intracellulaire en s’opposant à l’accumulation de transport de substances nutritives et par
export de substances toxiques comme les antibiotique (Aires, 2001). Chez Escherichia coli, il
existe 37 pompe d’efflux (AcrAB-TolC) est composé de 3 protéines : le transporteur AcrB,
protéine de la famille RND qui insérée dans la membrane cytoplasmique; une protéine de la
membrane externe TolC, constituant un tunnel entre le périplasme et l’extérieur et la
lipoprotéine périplasmique AcrA, permettant la liaison entre AcrB et TolC (Martins et al.,
2013).
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Synthèse bibliographique
3.3.2. Résistance aux aminosides
Les aminosides forment une classe d’antibiotiques qui conserve une place incontournable au
sein de l’arsenal antibactérien hospitalier. Leur large spectre d’activité et leur effet bactéricide
constituent des atouts majeurs. En revanche, leur utilisation a contribué à la sélection de
souches résistantes par différents mécanismes incluant l’inactivation enzymatique, la
modification de la cible ribosomale et la diminution de leur accumulation intracellulaire
(Lambert et al., 2012).
3.3.2.1. Résistance non enzymatique
La diminution d’imperméabilité membranaire est due à des mutations modifiant le système de
transport actif de tous les aminosides et provoquant une diminution de leurs activités.La
modification de la cible au niveau des protéines ribosomales ou de l'ARN 16S par mutation
chromosomique est rare sauf pour le cas de la streptomycine car une seule mutation peut
engendrer une résistance de haut-niveau. Par exemple, des mutations dans la protéine
ribosomique S12 (une composante essentielle de site A de la sous-unité 30S du ribosome)
sont impliquées dans la résistance à la streptomycine (Galimand et al., 2003).
La méthylation de l’ARN 16S concerne essentiellement la guanine en position 1405, elle
confère la résistance à la gentamicine, la tobramycine, la nétilmicine et l’amikacine, en
revanche l’activité de la néomycine n’est pas affectée (Liou et al., 2006).
3.3.2.2. Résistance enzymatique
Le mécanisme majeur de résistance aux aminosides repose sur la modification enzymatique
de certains groupements chimiques de ces antibiotiques. Trois classes d’enzymes
modificatrices des aminosides sont impliquées (Figure 6): les acétyltransférases (AAC), les
phosphotransférases
(APH)
et
les
adénylyltransférases
(AAD)
encore
appelées
nucléotidyltransférases (ANT) (Maria et al., 2008).
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Synthèse bibliographique
Figure 6. Sites d'inactivation enzymatique des aminosides (Toumi, 2008).
3.3.3. Mécanisme de résistance aux quinolones
La résistance aux quinolones chez Escherichia coli survient principalement par mutations
successives au niveau des gènes chromosomiques des cibles des quinolones, dont la cible
principale est l'ADN gyrase, par exemple, la région située à proximité du site catalytique,
entre les acides aminés 67 et 106, correspond à la (quinolone-resistance-determining-region)
QRDR, où est retrouvée la majorité des mutations responsables de résistance aux
fluoroquinolones (Fu et al., 2013). Mais aussi par des modifications des systèmes d'efflux ou
des porines. Chez Escherichia coli le système d'efflux AcrAB-TolC participe à la résistance
de bas niveau aux quinolones, où une mutation dans les répresseurs d’AcrAB, acrR ou dans
le répresseur de MarA, marR entraine une hyperproduction de la pompe d’efflux (Audrey et
al., 2010).
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