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Mai 2004
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La
découverte
des antibiotiques
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Malgré la découverte des microbes par Louis Pasteur
(1822-1895)
et Robert Koch (1843-1910), pères fondateurs de la microbiologie
au dix-neuvième siècle, et en dépit de
l’identification
de nombreux agents infectieux et de la multiplication des vaccins
à
la suite de leurs travaux, les microbes ont continué à
poser
de sérieux problèmes de santé publique jusqu’au
milieu
du vingtième siècle.
On était loin, à cette époque, de disposer de
vaccins contre l’ensemble des maladies infectieuses. La pneumonie, la
diphtérie,
la syphilis, la tuberculose, pour n’en citer que quelques unes,
faisaient
des ravages. Malgré la mise en place de règles d’asepsie
dans les hôpitaux, les petites comme les grandes blessures
étaient
souvent à l’origine de septicémies mortelles et
l’accouchement
même comportait toujours le risque de fièvre
puerpérale,
malgré les progrès de l’hygiène (voir « La
naissance de la microbiologie »). C’est d’ailleurs encore
partiellement
vrai aujourd’hui puisque l’on ne dispose toujours pas, par exemple, de
vaccin contre le virus de l’immunodéficience humaine (VIH)
à
l’origine du sida ou contre le plasmodium, agent responsable du
paludisme,
qui infectent et tuent des millions d’êtres humains.
Même si la découverte des antibiotiques est loin d’avoir
permis de contrôler l’ensemble des maladies infectieuses dues
à
des bactéries (sans parler des maladies virales et parasitaires
contre lesquelles les antibiotiques sont sans efficacité), elle
a cependant constitué une véritable révolution
thérapeutique
et a permis de sauver des millions de vies.
Depuis Selman A. Waksman (1888-1973), découvreur de la
streptomycine
et prix Nobel de médecine 1952, on définit classiquement
un antibiotique comme une substance produite par un microorganisme et
capable
d’inhiber la croissance d’un autre microorganisme, voire de le
détruire.
On y ajoute aujourd’hui également des substances de
synthèse
ou de semi-synthèse qui agissent comme les antibiotiques
naturels
sur des cibles précises du métabolisme bactérien
même
si elles ne sont pas produites par des microorganismes. Les
antibiotiques
se distinguent ainsi des antiseptiques qui détruisent les
microorganismes
sans sélectivité.
Dès la fin du dix-neuvième siècle, Pasteur avait
remarqué avec son élève Joubert «
l’antagonisme
bactérien » et attiré l’attention des
microbiologistes
sur la compétition entre les microbes. Il montra notamment que
lorsque
des bactéries du charbon, Bacillus anthracis,
étaient
injectées à un animal en même temps que des
bactéries
communes, les secondes empêchaient les premières de se
développer
et les animaux ne contractaient pas la maladie. Il souligna
l’intérêt
de ce phénomène en écrivant :
« …tous ces faits autorisent peut-être les plus grandes
espérances au point de vue thérapeutique. ».
Le terme « antibiose » fut proposé en 1889 par Paul
Villemin par opposition à « symbiose » pour rendre
compte
de cet antagonisme. Dès 1897, Ernest Duchesne (1874-1912),
élève
du service de santé des armées à Lyon, envisagea
d’utiliser
l’activité antimicrobienne de moisissures à des fins
thérapeutiques.
Dans sa thèse de doctorat en médecine intitulée
«
Contribution à l’étude de la concurrence vitale chez les
microorganismes ; antagonisme entre les moisissures et les microbes
»,
il montrait que l’injection d’un bouillon de culture de la moisissure Penicillium
glaucum protégeait des cobayes auxquels avait
été
administrée une dose létale de bactéries
virulentes.
Il ne put cependant développer ses travaux et il faudra attendre
1949 pour que l’Académie de médecine lui rende hommage
comme
précurseur de la découverte des antibiotiques.
Au début du vingtième siècle, de nombreux
chercheurs
s’intéressèrent à l’antagonisme bactérien.
Emmerich et Loew identifièrent en 1899 la première
substance
chimique douée d’activité antibiotique, la pyocyanase,
produite
par Pseudomonas aeruginosa, le bacille pyocyanique. C’est une
enzyme
protéolytique capable de détruire notamment le vibrion
cholérique
et le bacille diphtérique. Des essais thérapeutiques
fondés
sur l’antagonisme bactérien furent alors mis en œuvre, comme
à
l’Institut Pasteur dès 1904. En 1927, plusieurs centaines
d’exemples
d’antibiose avaient été observés et ils
conduisirent
au développement d’une centaine d’essais thérapeutiques.
Non seulement ils n’eurent aucun succès, mais ils
provoquèrent
en outre de nombreux accidents, souvent mortels.
La découverte, en 1915 par Félix d’Hérelle
(1873-1949),
des bactériophages, virus qui détruisent uniquement les
bactéries,
suscita également des espoirs. Ils furent aussi
déçus
sur le plan thérapeutique, puisque aucun traitement
antibactérien
ne put en être tiré. Cependant, l’étude des
bactériophages
devait se révéler particulièrement féconde
en contribuant à la naissance de la biologie moléculaire
(voir « Quand la biologie devint
moléculaire
»).
Le véritable pionnier de la découverte des antibiotiques
fut sans doute René Dubos (1901-1982), bactériologiste et
biochimiste d’origine française devenu américain.
Chercheur
et professeur à l’Institut Rockefeller de New York où il
avait été embauché par le célèbre
Oswald
Avery (voir « Quand la biologie devint
moléculaire
»), il découvrit à la fin des années 1930 le
premier antibiotique, la tyrothricine. Active sur de nombreuses
bactéries,
la tyrothricine (qui était en réalité un
mélange
de trois antibiotiques) se révéla malheureusement trop
toxique
pour être administrée par voie générale.
Elle
reste cependant efficace en application locale. Contrairement à
la découverte de la pénicilline, faite un peu plus
tôt
mais par hasard, celle de la tyrothricine résultait d’une
recherche
systématique de substances antibiotiques produites par des
bactéries
du sol.
La découverte du sulfanilamide par Gelmo à l’occasion
de travaux sur les colorants date de 1908 mais il ne cherchait pas
spécialement
de substances antimicrobiennes. Ce n’est qu’entre 1932 et 1935 que
Gerhard
Domagk (1895-1964), en recherchant des substances chimiques
sélectivement
toxiques pour les bactéries, découvrit l’action
antimicrobienne
de la sulfamidochrysoïdine, un dérivé soufré
de l’acide para-aminobenzoïque. Cette découverte ouvrit la
voie à l’utilisation des sulfamides en chimiothérapie
anti-infectieuse.
Les sulfamides sont des bactériostatiques efficaces contre
certaines
bactéries et leur utilisation permit de faire diminuer la
mortalité
de la pneumonie de 20 % à 5 %. Des dérivés voisins
découverts un peu plus tard, les sulfones, furent les premiers
médicaments
actifs contre la lèpre. En outre, des accidents
hypoglycémiques
lors de l’utilisation des sulfamides devaient conduire à la
découverte
des sulfamides hypoglycémiants, stimulants de la
sécrétion
d’insuline encore utilisés aujourd’hui chez certains
diabétiques.
Ainsi, les sulfamides, premiers antibactériens de
synthèse,
donnèrent naissance à d’excellents médicaments
mais
se révélèrent inefficaces contre de très
nombreux
microbes.
Pasteur disait que le hasard dans les découvertes scientifiques
ne sourit qu’à ceux qui y sont préparés. Ce fut le
cas du découvreur de la pénicilline, sir Alexander
Fleming
(1881-1955), professeur de bactériologie à
l’hôpital
Sainte Marie de Londres, où il fit toute sa carrière.
C’est
là qu’il découvrit la recherche, dans le laboratoire des
vaccins de Sir Almroth Wright (1861-1947). Ce dernier est notamment
connu
pour avoir mis au point un vaccin contre la fièvre typhoïde
expérimenté puis utilisé par l’armée
anglaise
et a aussi laissé son nom à une méthode de
diagnostic
de la brucellose, une redoutable maladie infectieuse.
Fleming identifia en 1922 le lysozyme, une protéine antibiotique
qui détruit certaines bactéries et qui se trouve aussi
bien
dans le blanc d’œuf que dans les larmes et la salive. La nature et le
mode
d’action du lysozyme furent élucidés par les chimistes
Ernst
Boris Chain (1906-1979) et Howard Walter Florey (1898-1968). Le
lysozyme
est, comme la pyocyanase, une enzyme capable de rompre certaines
liaisons
chimiques des parois bactériennes, provoquant ainsi la
destruction
des bactéries qui les possèdent. Malheureusement, le
lysozyme
est surtout actif sur des bactéries inoffensives pour l’homme
mais
son étude permit à Fleming d’améliorer ses
méthodes.
Le coup de chance évoqué plus haut se produisit en 1927.
De retour à son laboratoire après des vacances, Fleming
remarqua
qu’une de ses boîtes de culture contenant des staphylocoques
avait
été contaminée accidentellement par une moisissure
du genre Penicillium. Il constata alors que la croissance des
colonies
de staphylocoques était inhibée à proximité
des colonies du champignon et comprit immédiatement
l’intérêt
potentiel de sa découverte. Il identifia la moisissure comme Penicillium
notatum et appela "pénicilline" la substance inhibitrice. En
1929, conscient des potentialités de sa découverte, il
écrivait
:
« La pénicilline utilisée en doses massives n’est
ni toxique ni irritante…elle peut constituer, par applications ou en
injections,
un antiseptique efficace contre les microbes ».
Cependant, Fleming ne put isoler que de petites quantités de
pénicilline grossièrement purifiée et ses travaux
n’eurent guère d’échos. La molécule de
pénicilline
est instable et fragile et elle est donc difficile à purifier.
Il
l’utilisa dès lors pour éliminer les bactéries
indésirables
de ses boîtes de culture. Ce n’est que dix ans plus tard, en
1939,
que Ernst Boris Chain et Howard Walter Florey, qui avaient
déjà
travaillé avec Fleming sur le lysozyme, se saisirent du
problème.
Ils réussirent à isoler des quantités
substantielles
d’un sel sodique utilisable chez l’homme et, en 1941, cette
pénicilline
fut administrée à un policier anglais atteint de
septicémie.
Les résultats furent spectaculaires mais il n’y eut
malheureusement
pas assez de produit pour venir à bout de l’infection et le
malade
finit par mourir. D’autres essais furent plus concluants mais ils
restèrent
limités car on ne savait pas encore produire la
pénicilline
en grande quantité.
Dans la Grande Bretagne en guerre, il était difficile de lancer
de grands projets et la production industrielle fut mise au point aux
États-Unis.
On y mit en œuvre les méthodes de la brasserie avec
d’énormes
cuves de fermentation servant à cultiver le Penicillium
notatum
pour produire la pénicilline en quantités
appréciables.
Ce fut la première application industrielle des biotechnologies
dans l’industrie pharmaceutique. En utilisant des sous produits
abondants
et peu coûteux de l’industrie de l’amidon, Chain et Florey mirent
au point des milieux de culture permettant une production bon
marché
et, dès 1943, les hôpitaux militaires américains
reçurent
leurs premières doses. Les résultats furent
spectaculaires,
notamment chez les militaires blessés, et les grandes
sociétés
pharmaceutiques américaines, Merck, Pfizer, Squibb, etc. se
mirent
à produire de la pénicilline. Aussi, à la fin de
la
guerre, quelque 650 milliards d’unités de pénicilline
étaient
produites chaque mois permettant de traiter des centaines de milliers
de
malades (il faut en moyenne 2,5 millions d’unités pour un
malade).
Alexander Fleming, Ernst Chain et Howard Florey reçurent
conjointement
le prix Nobel de médecine en 1945 pour leurs travaux sur la
pénicilline.
Dès lors, d’autres antibiotiques furent recherchés
à
partir des microorganismes les plus divers.
S. Waksman (1888-1973) passa au crible des milliers de microorganismes.
Avec Schatz et Bugie, il découvrit la streptomycine en 1944 dans
des cultures de la bactérie Streptomyces griseus. Elle
fut
expérimentée chez les tuberculeux dès
l’année
suivante avant d’être commercialisée en 1949.
Waksman
découvrit bien d’autres antibiotiques importants,
l’actinomycine,
la griséine, la néomycine et quelques autres encore. Il
reçut
le prix Nobel de médecine en 1952.
Dans les années suivant la seconde guerre mondiale, on
découvrit
d’autres antibiotiques majeurs. En 1947 furent isolées les
premières
aérosporines. En 1948, Ehrlich isola le chloramphénicol
à
partir de Streptomyces et Duggar la tétracycline. Streptomyces
se révéla décidément un auxiliaire
précieux
: il est à l’origine de nombreux autres antibiotiques comme
l’érythromycine
(1952), l’amphotéricine B (1956), la vancomycine (1956), la
kanamycine
(1957), la lincomycine (1962). En 1963, c’est la gentamicine qui fut
extraite
d’une moisissure.
On connaît aujourd’hui une dizaine de familles principales
d’antibiotiques
permettant de contrôler la quasi totalité des
bactéries.
Les antibiotiques, contrairement aux antiseptiques, agissent sur des
cibles
moléculaires précises du métabolisme
bactérien
: synthèse de la paroi (pénicillines), synthèse
des
protéines (aminosides), synthèse de l’ADN (quinolones).
Leur
spectre d’action est varié et diffère selon les
espèces
de bactéries. La modification des molécules naturelles
par
la chimie a, par la suite, permis d’obtenir de nouvelles
propriétés
facilitant l’utilisation thérapeutique des antibiotiques. Ainsi
l’ampicilline est une pénicilline résistante aux enzymes
bactériennes.
L’utilisation des antibiotiques a donc constitué une
considérable
révolution médicale et on considère qu’elle a
permis
d’allonger de dix ans la durée de vie moyenne de l’espèce
humaine.
La diversité des antibiotiques et de leurs modes d’action
devraient
permettre de faire face à la plupart des infections
bactériennes
si ne se posait pas le problème des résistances aux
antibiotiques,
conséquence de l'écologie microbienne et illustration de
l’extraordinaire capacité d'adaptation du vivant. En effet,
selon
les espèces, les bactéries peuvent présenter une
résistance
naturelle ou une résistance acquise à un ou plusieurs
antibiotiques.
On sait déterminer par des tests, les antibiogrammes (tests qui
permettent d’évaluer l’efficacité d’un antibiotique sur
telle
ou telle souche de bactéries), le profil de résistance
d'une
souche bactérienne. La résistance naturelle est un
caractère
spécifique, c’est à dire partagé par toutes les
souches
de la même espèce. L’espèce est ou n’est pas
sensible
à tel ou tel antibiotique en fonction de son équipement
biochimique
déterminé par ses gènes. Les spectres d’action des
différents antibiotiques sur les différentes
espèces
de bactéries sont connus. En revanche, la résistance
acquise
différencie des souches de la même espèce. Dans une
souche habituellement sensible à un antibiotique apparaît
un clone qui se développe même en présence de
l’antibiotique.
Il s’agit d’un caractère héréditaire lié
soit
à une mutation dans un gène de la bactérie, soit
à
l’acquisition d’un nouveau gène, en particulier par
l’intermédiaire
d’un plasmide, petit fragment d’ADN transmis par une autre
bactérie.
Ce dernier type de résistance se propage rapidement et certaines
infections peuvent devenir très difficiles à soigner,
notamment
lorsque les résistances deviennent multiples. Des espèces
différentes peuvent même échanger des gènes
de résistance portés par des plasmides. Le mode d’action
des antibiotiques - ils agissent sur une réaction chimique
précise
du métabolisme bactérien - est tel que certaines
mutations
des bactéries les rendent capables d’inactiver tel ou tel
antibiotique,
soit en rendant impossible sa pénétration cellulaire,
soit
en le détruisant par une enzyme, soit en contournant par
d’autres
réactions la cible de l’antibiotique. Le phénomène
de résistance a donc une origine génétique et
l’utilisation
massive des antibiotiques, chez les animaux comme chez l’homme, exerce
une pression de sélection qui favorise l’apparition de souches
résistantes.
On observe ainsi régulièrement de nouvelles
résistances
y compris face à des antibiotiques réputés depuis
longtemps pour leur efficacité. Bien que de nouveaux
dérivés
soient mis régulièrement sur le marché, les
résistances
progressent et commencent à poser de sérieux
problèmes
aux médecins. En effet, les bactéries se multiplient
rapidement.
Une bactérie se divise en deux cellules filles identiques
à
la cellule mère. Après quelques minutes à quelques
dizaines de minutes de croissance, chaque bactérie se divise
à
nouveau. Lorsque le milieu est favorable, il est donc rapidement envahi
par les descendants des bactéries qui l’ont colonisé.
Chez
l’homme, le système immunitaire est le plus souvent capable de
détruire
les bactéries mais si rien n’empêche leur multiplication
dans
l’organisme, il se produit une septicémie rapidement mortelle.
On considère que les bactéries représentent la
majorité de la biomasse. Leur nombre compense leur taille. Elles
sont présentes dans tous les habitats de la planète et
remplissent
des fonctions essentielles dans tous les écosystèmes.
Heureusement,
seul un petit nombre d’espèces est pathogène.
Chez l'homme diverses espèces commensales sont
nécessaires
au bon fonctionnement de l'appareil digestif qui en contient des
milliards.
C'est pourquoi on observe parfois des désordres intestinaux lors
de l'administration d'antibiotiques. De nombreuses espèces sont
utilisées industriellement notamment dans les industries
pharmaceutique
et agroalimentaire. C’est d’ailleurs le yaourt, inventé il y a
des
milliers d'années, que nous utiliserons comme source de
bactéries
pour les observer car il en contient un grand nombre. Le yaourt
résulte
de la coagulation du lait lors de sa fermentation par
différentes
espèces de bactéries, streptocoques, bacilles,
bifidobactéries.
OBSERVER
DES
BACTÉRIES
Les antibiotiques agissent uniquement sur les bactéries,
microorganismes
formés d’une seule cellule dont la taille dépasse
rarement
2 ou 3 µm et qui ne comporte ni noyau, ni compartiments,
contrairement
aux cellules constituant les animaux, les champignons et les plantes.
Les cellules bactériennes
présentent des formes variées : arrondie (coques), en
bâtonnet
(bacilles), en vrille (spirochètes), etc.
Les bactéries sont trop petites pour être visibles
à
l’œil nu et il faut donc utiliser un microscope pour les voir. Le
microscope
à une seule lentille présenté dans cette rubrique
(voir « L’invention du microscope
»)
ne permet pas d’observer des bactéries en raison de son
grossissement
insuffisant.
Matériel
Microscope, lame, lamelle, yaourt, bleu de méthylène
à 2 %.
Comment procéder ?
Bien mélanger le yaourt avec une cuillère.
Prélever un échantillon de la taille de 3 à 4
têtes d’épingle avec la pointe d’un couteau et le placer
sur
la lame.
Ajouter une goutte d’eau et mélanger avec la pointe du couteau.
Ajouter une goutte de bleu de méthylène et
mélanger.
Recouvrir d’une lamelle.
Utiliser un grossissement de 400 au minimum.
Résultat
Quelques bactéries du yaourt
(coloration par le bleu de méthylène x 400)
On observe essentiellement des streptocoques en forme de petits points
disposés en files. Ces files sont des colonies résultant
de la division des cellules. |
Streptocoques du yaourt
(coloration par le bleu de méthylène x 1000)
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Bifidobacterium dans un yaourt "au bifidus"
(coloration par le bleu de méthylène x 1000)
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