L’importance des pompes d’efflux dans la résistance bactérienne aux antibiotiques

Les pompes d’efflux sont des protéines de transport impliquées dans l’extrusion de substrats toxiques (y compris pratiquement toutes les classes d’antibiotiques cliniquement pertinents) de l’intérieur des cellules vers l’environnement externe. Ces protéines sont présentes dans les bactéries Gram positif et négatif ainsi que dans les organismes eucaryotes.1 Les pompes peuvent être spécifiques d’un substrat ou transporter une gamme de composés structurellement dissemblables (y compris des antibiotiques de classes multiples) ; ces pompes peuvent être associées à la résistance multiple aux médicaments (MDR). Dans le règne procaryote, il existe cinq grandes familles de transporteurs d’efflux2 : MF (major facilitator), MATE (multidrug and toxic efflux), RND (resistance-nodulation-division), SMR (small multidrug resistance) et ABC (ATP binding cassette). Tous ces systèmes utilisent la force motrice du proton comme source d’énergie3, à l’exception de la famille ABC, qui utilise l’hydrolyse de l’ATP pour exporter les substrats. Les progrès récents de la technologie de l’ADN et l’avènement de l’ère génomique ont permis d’identifier de nombreux nouveaux membres des familles ci-dessus, et la nature ubiquitaire des pompes d’efflux est remarquable. Les transporteurs qui évacuent des substrats multiples, y compris des antibiotiques, n’ont pas évolué en réponse au stress de l’ère des antibiotiques. Tous les génomes bactériens étudiés contiennent plusieurs pompes à efflux différentes, ce qui indique leurs origines ancestrales. On a estimé que ∼5-10% de tous les gènes bactériens sont impliqués dans le transport et qu’une grande partie d’entre eux codent pour des pompes d’efflux.2,4

Le rôle physiologique « normal » des transporteurs d’efflux fait l’objet d’un débat, car les bactéries sensibles aux antibiotiques ainsi que les bactéries résistantes portent et expriment ces gènes. Dans de nombreux cas, les gènes des pompes d’efflux font partie d’un opéron, avec un gène régulateur contrôlant l’expression. Une expression accrue est associée à la résistance aux substrats, par exemple la résistance aux sels biliaires et à certains antibiotiques chez Escherichia coli est médiée par la surexpression d’acrAB5. Bien que les gènes codant pour les pompes d’efflux puissent être trouvés sur des plasmides, le transport des gènes des pompes d’efflux sur le chromosome donne à la bactérie un mécanisme intrinsèque qui permet la survie dans un environnement hostile (par exemple, la présence d’antibiotiques), et ainsi les bactéries mutantes qui surexpriment les gènes des pompes d’efflux peuvent être sélectionnées sans l’acquisition de nouveau matériel génétique. Il est probable que ces pompes soient apparues pour que les substances nocives puissent être transportées hors de la bactérie, permettant ainsi sa survie. En effet, il est aujourd’hui largement admis que la « résistance intrinsèque » des bactéries à Gram négatif à certains antibiotiques par rapport aux bactéries à Gram positif résulte de l’activité des systèmes d’efflux6. Les systèmes d’efflux qui contribuent à la résistance aux antibiotiques ont été décrits chez un certain nombre de bactéries cliniquement importantes, notamment Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN et MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) et Staphylococcus aureus (NorA12). Tous ces systèmes effluent les fluoroquinolones et les pompes RND (CmeB, AcrB et les pompes Mex) exportent également de multiples antibiotiques.

La surexpression des pompes d’efflux peut résulter de mutations au sein de gènes répresseurs locaux13-15 ou peut résulter de l’activation d’un régulateur régulé par un régulateur transcriptionnel global tel que MarA ou SoxS d’E. coli16,17. La large gamme de substrats des systèmes d’efflux est préoccupante, car souvent la surexpression d’une pompe entraîne une résistance à des antibiotiques de plusieurs classes ainsi qu’à certains colorants, détergents et désinfectants (y compris certains biocides couramment utilisés). La résistance croisée est également un problème ; l’exposition à un agent appartenant au profil de substrat d’une pompe favorise la surexpression de cette pompe et, par conséquent, la résistance croisée à tous les autres substrats de la pompe. Il peut s’agir d’antibiotiques cliniquement pertinents. On en trouve un exemple avec le système MexAB de P. aeruginosa ; les mutants qui surproduisent MexAB sont moins sensibles, voire totalement résistants à toute une série d’antibiotiques (fluoroquinolones, β-lactames, chloramphénicol et triméthoprime) mais aussi au triclosan, un biocide domestique couramment utilisé18. La mauvaise utilisation potentielle des biocides et la sélection possible de bactéries résistantes aux antibiotiques ont récemment fait l’objet d’un débat dans cette revue et ailleurs.19-22 La surexpression d’une pompe d’efflux multirésistante ne confère souvent pas à elle seule une résistance de haut niveau et cliniquement significative aux antibiotiques. Cependant, ces bactéries sont mieux équipées pour survivre à la pression antibiotique et développer d’autres mutations dans les gènes codant pour les sites cibles des antibiotiques23. Il a été démontré que les souches d’E. coli résistantes aux fluoroquinolones sont sélectionnées 1000 fois plus facilement à partir des mutants que les bactéries de type sauvage24, et les E. coli hautement résistants aux fluoroquinolones contiennent des mutations dans les gènes codant pour les enzymes topoisomérases cibles et présentent une accumulation réduite et un efflux accru (régulation négative de la porine et surexpression de la pompe d’efflux).14,15 Des augmentations additives des CMI des antibiotiques ont également été observées après la surexpression simultanée de plus d’une pompe de différentes classes, ce qui donne également des E. coli hautement résistants25.

Il a été démontré que l’expression des systèmes Mex de P. aeruginosa et du système d’efflux acrAB d’E. coli est plus importante lorsque les bactéries sont stressées, par exemple lors de la croissance dans un milieu pauvre en nutriments, de la croissance jusqu’à la phase stationnaire ou d’un choc osmotique ; ces conditions inhospitalières peuvent correspondre à la situation au sein d’une infection26,27. La surexpression non régulée des pompes d’efflux est potentiellement désavantageuse pour la bactérie car non seulement des substrats toxiques seront exportés mais des nutriments et des intermédiaires métaboliques pourront être perdus. Des travaux sur P. aeruginosa ont suggéré que les mutants surexprimant les pompes Mex sont moins capables de résister au stress environnemental et sont moins virulents que leurs homologues de type sauvage.28 Par conséquent, l’expression des pompes est étroitement contrôlée. Cependant, les mutants et les isolats cliniques qui surexpriment les pompes d’efflux sont stables et couramment isolés ; il se peut que ces mutants accumulent des mutations compensatoires leur permettant de se développer aussi bien que les bactéries de type sauvage.

Récemment, l’utilisation d’inhibiteurs de pompes d’efflux a été étudiée afin d’améliorer et de potentialiser l’activité des antibiotiques exportés. Une telle stratégie a été utilisée pour développer des inhibiteurs qui réduisent l’impact des pompes d’efflux sur l’activité des fluoroquinolones. Comme de nombreuses pompes d’efflux présentent une homologie structurelle importante, on espère qu’un composé inhibiteur sera actif contre une série de pompes provenant de différentes espèces bactériennes. La plupart des recherches se sont concentrées sur les pompes d’efflux Mex de P. aeruginosa et sur leurs inhibiteurs. Un de ces inhibiteurs a abaissé les CMI des fluoroquinolones pour les souches sensibles et résistantes.2 En outre, la fréquence de sélection des souches résistantes aux fluoroquinolones était également plus faible en présence de l’inhibiteur, ce qui suggère que l’efflux peut être important dans la sélection de la résistance aux fluoroquinolones. Des observations similaires ont été faites pour S. pneumoniae et S. aureus.29,30 On a également décrit la nécessité d’un système d’efflux intact pour permettre le développement de mutations de la topoisomérase et donc de la résistance aux fluoroquinolones chez E. coli.31 Le lien entre l’efflux actif et les mutations dans les gènes codant pour les protéines du site cible suggère que l’utilisation de tels inhibiteurs, en association avec des antibiotiques substrats, peut être utile en augmentant à la fois l’activité et la gamme d’espèces pour lesquelles un médicament peut être efficace. La conception de nouveaux médicaments et la modification de molécules existantes devraient désormais être effectuées en tenant compte des pompes d’efflux. Les modifications structurelles qui réduisent la capacité d’un antibiotique à être efflué sans compromettre son activité peuvent conduire à la mise au point de composés plus puissants, il est certain que l' »effluxabilité » des médicaments doit maintenant être prise en compte, car les agents sont développés en fonction de leur efficacité globale et de la probabilité de développement d’une résistance.

En conclusion, il existe de plus en plus de preuves que le rôle des pompes d’efflux dans la résistance aux antibiotiques chez les bactéries est important. Bien que la résistance de haut niveau ne soit pas nécessairement le résultat des seules pompes d’efflux MDR, l’association de la surexpression de ces gènes parmi les isolats cliniques hautement résistants ne peut être ignorée. La résistance intrinsèque aux antibiotiques de certaines espèces peut également être largement due aux pompes d’efflux. La sélection de mutants d’efflux par les biocides présents dans l’environnement est une préoccupation potentielle ; des travaux supplémentaires sont nécessaires pour quantifier le risque, s’il existe, d’un tel processus. Les augmentations synergiques de la résistance observées avec la surexpression du ou des systèmes d’efflux ainsi que les mutations du site cible peuvent conduire à des bactéries hautement résistantes qui sont difficiles à traiter. L’effet des pompes d’efflux doit être pris en compte dans la conception des futurs antibiotiques et le rôle des inhibiteurs évalué afin de maximiser l’efficacité des antibiotiques actuels et futurs.

Pour ceux qui sont intéressés, il existe un certain nombre d’excellents articles de synthèse axés sur les pompes d’efflux.2,3,9,11,32,33

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