Service de Bactériologie Département des Maladies infectieuses et parasitaires Faculté de Médecine Vétérinaire

1. Service de BactériologieDépartement des Maladies infectieuses et parasitairesFaculté de Médecine Vétérinaire Cours de bactériologie 3ème candidature Chapitre 7: Virulence et pathogénie

2. Comment les bactéries provoquent les maladies? • mécanismes moléculaires d’interaction avec les cellules de l’hôte = connaissances desarmes d’attaquedes bactéries cours de bactériologie • Pourquoi ? = connaissance des armes de défensedes hôtes cours de physiologie, immunologie, histologie, biochimie, … • traitements spécifiques: pharmacologie (1er doctorat) • prophylaxie vaccinale: vaccinologie (2ème doctorat) VIRULENCE ET PATHOGENIE

3. maladies bactériennes: • bactériémie:bactéries véhiculées par le sang • septicémie:multiplication des bactéries dans le sang (= infection du sang) • sporémie:spores véhiculées par le sang • toxémie:toxines véhiculées par le sang (entérotoxémie, hépatotoxémie, …) VIRULENCE ET PATHOGENIE • maladies: • changement d’état de l’organisme dû à la perturbation des fonctions corporelles physiologiques suite à des lésions des tissus et organes • maladies infectieuses: maladies provoquées par des organismes vivants (bactéries, parasites, prions, virus)

4. Modes d’infection • contact direct avec une surface biologique contaminée (= contagion) • contact avec des objets inanimés contaminés • air • nourriture et eau • sols • arthropodes • flore commensale • Sources d’infection • animaux (= contagieuse) • tellurique • endogène connaissances des habitats, de la biologie et des propriétés de résistance dans le milieu extérieur des bactéries = chapitre 5 de systématique bactérienne ! VIRULENCE ET PATHOGENIE

5. VIRULENCE ET PATHOGENIE • Colonisation des surfaces 1 • Pénétration / Traversée 2 • Envahissement 3 • Effets délétères 4 Infections généralisées via les muqueuses / la peau

6. VIRULENCE ET PATHOGENIE • Colonisation des surfaces 1 • Pénétration / Traversée • Envahissement • Effets délétères 2 Infections « superficielles » (muqueuses, peau)

7. VIRULENCE ET PATHOGENIE • Colonisation des surfaces 1 • Pénétration / Traversée 2 • Envahissement • Effets délétères 3 Infections sous – cutanées ou sous - muqueuses

8. VIRULENCE ET PATHOGENIE • Colonisation des surfaces • Pénétration / Traversée 1 • Envahissement 2 • Effets délétères 3 Infections généralisées par les plaies (muqueuses, peau)

9. 1) Colonisation des surfaces muqueuses/cutanées • compétition bactérienne • traversée de la couche de mucus • résistance chimique / physique • ADHESION VIRULENCE ET PATHOGENIE

10. VIRULENCE ET PATHOGENIE Adhésion >< péristaltisme, miction, larmes, cils vibratils, … SUR LES BACTERIES: adhésines • structures spécifiques protéiques • adhésines fimbriaires (Ag F des bactéries Gram-) • adhésines afimbriaires (adhésines Afa des bactéries Gram-) • adhésines non fimbriaires (adhésines des bactéries Gram+) • OMP (internalines, invasines, intimine) • structures non protéiques • adhésines spécifiques de nature carbohydrates (peu étudiées) • adhésines non spécifique (capsules, zooglée, …): sur cellules ou sur matériaux inertes (= biofilms) • variation d’expression (t°, ions, AA) • immunogènes dans les vaccins

11. VIRULENCE ET PATHOGENIE Adhésion>< péristaltisme, miction, larmes, cils vibratils, … SUR LES CELLULES OU LA MATRICE EXTRA-CELLULAIRE: récepteurs • carbohydrates ou protéines de la membrane cytoplasmique: contacts entre cellules, accrochage à la matrice extracellulaire, récepteurs à hormones, … • protéines de la matrice extracellulaire: fibrinogène, fibronectine, collagène, vitronectine, laminine, élastine, … • présents en fonction de: • espèce • race • individu • âge • organe • très spécifiques pour la grande majorité • saturables (prévention)

12. 2) Pénétration / Traversée des muqueuses • MECANISME • DEVENIR • LIEU VIRULENCE ET PATHOGENIE Adhésion>< péristaltisme, miction, larmes, cils vibratils, … CONSEQUENCES ET SUITES DE L’ADHESION: processus dynamique • du point de vue de la bactérie: • production d’adhésines multiples • production de toxines actives sur la cellule eucaryote • injection de toxines dans la cellule eucaryote (phagocytose) • du point de vue de la cellule eucaryote: • réarrangement du cytosquelette et phagocytose • production de cytokines inflammatoires

13. VIRULENCE ET PATHOGENIE 2) Pénétration/Traversée • Mécanisme • blessures: mécaniques, physiques, chimiques, biologiques • passage entre les cellules: ouverture des jonctions serrées suite à l’adhésion et à l’action des cytokines inflammatoires sécrétées • entrée dans les cellules épithéliales: adhésines + récepteurs • action sur le cytosquelette (mécanisme zipper: Listeria et Yersinia) • injection de toxines à action sur le cytosquelette (mécanisme trigger: Salmonella et Shigella)

14. ZIPPER 2) Pénétration/Traversée TRIGGER b) Devenir Vie intracellulaire: Vacuole Phagosome Cytoplasme + passage dans d’autres cellules M Sous-muqueuse Envahissement: sang, lymphe (extracellulaires) macrophages (intracellulaires facultatives)

15. VIRULENCE ET PATHOGENIE 2) Pénétration/Traversée • Lieu • intestin (#1 chez les animaux nouveau-nés) • amygdales (important chez le porcelet) • respiratoire (moins fréquent) • rénal (#1 chez l’homme)

16. 3) Envahissement • LE COMPLEMENT • LES PHAGOCYTES • LES ANTICORPS • LES LYMPHOCYTES CYTOTOXIQUES • L’APPROVISIONNEMENT EN FER VIRULENCE ET PATHOGENIE

17. 3) Envahissement • Le complément Molécules de surface (Ag O) Anticorps Activation « voie alternative » Activation « voie classique » Formation du C3b Opsonisation et phagocytose (Gram+ et Gram-) Dépôt VIRULENCE ET PATHOGENIE bactérie

18. 3) Envahissement • Le complément Molécules de surface (Ag O) Anticorps Activation « voie alternative » Activation « voie classique » Formation du C3b Opsonisation et phagocytose (Gram+ et Gram-) Dépôt VIRULENCE ET PATHOGENIE • masquage des antigènes de surface (capsules, …) • dérive / variation antigéniques • fixation des anticorps par l’extrémité Fc (protéine A des staphylocoques) bactérie - masquage des molécules de surface (capsule K1 d’E. coli ) Masquage des sites de dépôt de C3b (Ag O, AgK)

19. 3) Envahissement • Le complément C3b + Bb + C3b = C5 convertase Formation de C5b Dépôt dans membrane externe + C6/C7/C8/C9 = Complexe d’Attaque Membranaire (MAC) Migration C6/C7/C8/C9 dans membrane interne + Lyse (Gram -) VIRULENCE ET PATHOGENIE Formation du C3b

20. 3) Envahissement • Le complément lyses enzymatiques C3b + Bb + C3b = C5 convertase Formation de C5b Dépôt dans membrane externe + C6/C7/C8/C9 = Complexe d’Attaque Membranaire (MAC) pas de dépôt du MAC (Ag O, Ag K, OMP) Migration C6/C7/C8/C9 dans membrane interne + Lyse (Gram -) VIRULENCE ET PATHOGENIE Formation du C3b

21. 3) Envahissement • La phagocytose Contact Bactérie Migration (C5a) Phagocyte Fc L C3b L Phagocytose B P L VIRULENCE ET PATHOGENIE

22. Leucotoxine - Hémolysine 3) Envahissement • La phagocytose Hydrolyse Contact Bactérie Migration (C5a) Phagocyte Fc L C3b L Pas d’opsonisation Phagocytose B P Inhibition des modifications du cytosquelette Croissance en structure trop grande L VIRULENCE ET PATHOGENIE

23. 3) Envahissement • La phagocytose Fusion PL Destruction Présentation MHC-2 Lymphocytes Th2 CD4+ Lymphocytes B Anticorps (bactéries extracellulaires) B L VIRULENCE ET PATHOGENIE P

24. 3) Envahissement • La phagocytose Lyse phagosome (Hémolysine) Inhibition de la fusion (Ag O) Fusion PL Résistance Vie intracytoplasmique Destruction Présentation MHC-2 B P Présentation MHC - 1 B Lymphocytes Th1 CD4+ Immunité à médiation cellulaire: lymphocytes CTL CD8+ (bactéries intracellulaires) Activation des macrophages par IFNg (bactéries intracellulaires facultatives) L VIRULENCE ET PATHOGENIE P

25. Lyse spécifique (IgA, …) Dérive / Variation antigéniques (! Vaccins !) Bactérie qui fixe l’extrémité Fc (protéine A de Staphylococcus aureus) VIRULENCE ET PATHOGENIE 3) Envahissement • Anticorps Voie classique d’activation du complément Fab Fc

26. Leucotoxine - Hémolysine Dérive / Variation antigéniques VIRULENCE ET PATHOGENIE 3) Envahissement d) Les lymphocytes CD8+ Destruction des cellules infectées par des bactéries intracellulaires obligées (MHC-I) Fab L-CTL CD8+

27. Antagonisme de l’action de l’IFNg sur la transcription des gènes des macrophages VIRULENCE ET PATHOGENIE 3) Envahissement d) Les lymphocytes CD4+ Destruction des cellules infectées par des bactéries intracellulaires facultatives (MHC-II) LTh1 CD4+ Cytokines (IFNg) Hyperactivation des macrophages Destruction des bactéries intracellulaires facultatives

28. Transferrine Lactoferrine Ovotransferrine Récepteurs aux chélateurs eucaryotes Bactérie #2 Fe+++ Fe+++ Fe+++ Entrée directe Bactérie #1 Récepteurs Chélateurs bactériens VIRULENCE ET PATHOGENIE 3) Envahissement e) Approvisionnement en Fe

29. Fer / Chélateur Hémolysine Cytolysine Bactérie #1 VIRULENCE ET PATHOGENIE 3) Envahissement e) Approvisionnement en Fe Erythrocytes (hémoglobine) Cellules (ferritine)

30. Bactérie #2 !Lactobacillus: Fe++ Mn++(= probiotiques) VIRULENCE ET PATHOGENIE 3) Envahissement e) Approvisionnement en Fe Erythrocytes (hémoglobine) Cellules (ferritine)

31. 4) Effets délétères • EXOTOXINES PROTEIQUES • - cytolysines enzymatiques (phospholipases) • - cylosines formant pores aérolysine-like • - cytolysines formant pores cholestérol-dépendentes • - cytolysines formant pores de la famille RTX • - toxines A=B à activité intracellulaire directe • - toxines peptidiques à activité intracellulaire indirecte • - enzymes non « toxiques » • REPONSES INFLAMMATOIRE ET IMMUNES • - endotoxines • - superantigènes • - hypersensibilités VIRULENCE ET PATHOGENIE Hémolysines, leucotoxines, neurotoxines, entérotoxines,cytotoxines, nécrotoxines… (en fonction des lésions ou signes cliniques reconnus)

32. VIRULENCE ET PATHOGENIE PFTs aérolysine-like: 7 monomères PFTs cholestérol-dépendentes: de 12 à 50 monomères Phospholipases PFTs de la famille RTX: une seule molécule 4) Effets délétères a) Exotoxines protéiques Cytolysines (= à activité membranaire) Flux d’ions et de molécules d’eau Noyau mRNA Ribosomes Cytosquelette Protéines leucotoxines, hémolysines + phagosome

33. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères • Exotoxines protéiques • phospholipases: toxine a de Clostridium perfringens, deux phospholipases de Listeria monocytogenes, … • toxines formant pores aérolysine-like: aérolysine d’Aeromonas hydrophila, hémolysine a de Staphylococcus aureus et St. intermedius, … • toxines formant pores cholestérol-dépendentes: perfringolysine O (toxine q), streptolysine O (SLO), listériolysine (LLO), … • toxines formant pores de la famille RTX (« Repeat in toxins »): hémolysine a (Hly) d’Escherichia coli, leucotoxines/ hémolysines d’Actinobacillus pleuropneumoniae (Apx), leucotoxines de Mannheimia haemolytica (Lkt), …

34. A EF A’ LF 1(A+B) B 1A + 1A’ + 1B 1A + 1B: C2 of Clostridium botulinum 1A + 1B + 1B’ « Cytolethal Distending Toxins » VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères • Exotoxines protéiques Toxines dimériques de type A=B à activité intracellulaire directe 1A + 4-8B

35. ToxineA=B A Métabolisme enzymatique B A2 B A Hypersécrétion d’eau et d’ions A1 Noyau Cytosquelette Métabolisme de l’ADN Synthèse des protéines • fixation par sous-unité B • entrée de toute la toxine par « receptor-mediated endocytosis » • passage intracytoplasmique via Golgi : toxines dimériques • sortie de l’endosome grâce au sous-domaine T de B: toxines monomériques • toxicité par sous-unité A après hydrolyse en A1 (= toxine activée) et A2 Vers le Golgi que la sous-unité A traverse via le système Sec61

36. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères • Exotoxines protéiques • modification de la cible par ADP-ribosylation: entérotoxine LT d’Escherichia coli, toxine i de Clostridium spiroforme, exotoxine A de Pseudomonas aeruginosa, toxine diphtérique de Corynebacterium diphteriae, … • modification de la cible par glucosylation: toxine a de Clostridium novyi, ToxA et ToxB de Clostridium difficile, … • modification de la cible par déamidation: toxines dermonécrotiques de Pasteurella multocida (PMT) et de Bordetella bronchiseptica (DNT), …

37. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères • Exotoxines protéiques • clivages enzymatiques • de l’ARNr 16S: toxines Shiga (Vero) d’Escherichia coli • des protéines SNARE: toxines tétanique (Clostridium tetani) et botuliques (Clostridium botulinum) • des kinases PAPKK: facteur létal (LF) de la toxine charbonneuse (Bacillus anthracis) • activité adénylate cyclase intrinsèque: facteur oedématogène (EF) de la toxine charbonneuse (Bacillus anthracis)

38. VIRULENCE ET PATHOGENIE Activation d’une cascade Hypersécrétion d’eau et d’ions Toxine oligopeptidique Métabolisme enzymatique 4) Effets délétères a) Exotoxines protéiques Toxines peptidiques à activité intracellulaire indirecte Entérotoxines STa d’Escherichia coli (18 et 19 acides aminés): le récepteur est la GMP cyclase + Yersinia enterocolitica, Klebsiella pneumoniae, … Récepteur Toxine Noyau

39. extension, protection, nutrition VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères a) Exotoxines protéiques Enzymes non toxiques • collagénase, élastase, hyaluronidase, streptokinase, streptodornase, … • coagulase • DNase, protéase, lipases, glucidases, … • uréases avec production d’ammoniaque • irritation et inflammation (infections urinaires) • tamponner le pH stomaccal (hélicobactéries dans l’estomac

40. 4) Effets délétères • EXOTOXINES PROTEIQUES • - cytolysines enzymatiques (phospholipases) • - cylosines formant pores aérolysine-like • - cytolysines formant pores cholestérol-dépendentes • - cytolysines formant pores de la famille RTX • - toxines A=B à activité intracellulaire directe • - toxines peptidiques à activité intracellulaire indirecte • - enzymes non « toxiques » • REPONSES INFLAMMATOIRE ET IMMUNES • - endotoxines • - superantigènes • - hypersensibilités VIRULENCE ET PATHOGENIE

41. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères • Réponses inflammatoire et immunes • lipide A du LPS des Gram - • acide teichoïque des Gram + Endotoxines • liaison à la « LPS-binding protein » • interaction avec les macrophages (CD14+) • production brutale de grandes quantités de cytokines • activation des cascades du complément et de la coagulation • vasodilatation, hypotension, coagulation intravasculaire disséminée • décompensations multiples = choc septique (endotoxinique) • coma, mort

42. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères b) Réponses inflammatoire et immunes Superantigènes (immunotoxines) • provoquent une interaction directe et non spécifique entre les CPA et les lymphocytes • activation de trop de clones de lymphocytes • hyperproduction de nombreuses cytokines • décompensation généralisée (cfr endotoxine) • choc, coma, mort • Exemples: • Entérotoxines de Staphylococcus aureus • Composant de membrane de Mycoplasma arthritidis

43. hypersensibilité de type I • anaphylaxie (IgE) • immédiate • pas d’origine bactérienne VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères b) Réponses inflammatoire et immunes Hypersensibilités

44. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères b) Réponses inflammatoire et immunes Hypersensibilités • hypersensibilité de type II • parenté (mimétisme) antigénique entre le micro-organisme et les cellules/tissus de l’hôte • fixation des IgM et IgG • activation du complément, dépôt du MAC et lyse cellulaire • recrutement de phagocytes et action des enzymes lysosomiaux • anticorps opsonisants et phagocytose des cellules • cytotoxicité à médiation cellulaire dépendante d’anticorps (ADCC) par les cellules NK (avec récepteurs pour l’extrémité Fc des anticorps) • Streptococcus pyogenes : myocarde • Borrelia burgdorferi : cartilage articulaire

45. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères • dépôt des complexe immuns (IgM, IgG) dans les parois des petits vaisseaux sanguins • activation de la cascade du complément • recrutement de phagocytes • action des enzymes lysosomiaux • production de cytokines • activation de la cascade de coagulation • formation de thrombi • dommages/bouchage des vaisseaux • mort des cellules b) Réponses inflammatoire et immunes Hypersensibilités • hypersensibilité de type III • dépôt des complexes immuns dans les tissus • activation de la cascade du complément • recrutement de phagocytes • action des enzymes lysosomiaux • dommages aux tissus locaux • Borrelia burgdorferi (arthrites), actinophytoses (Actinobacillus lignieresii, Actinomyces bovis)

46. VIRULENCE ET PATHOGENIE 4) Effets délétères b) Réponses inflammatoire et immunes Hypersensibilités • hypersensibilité de type IV • immunité à médiation cellulaire • hypersensibilité retardée: Th1 CD4+ • (cytolyse à médiation par les cellules T: Tctl CD8+) • infections par des pathogènes intracellulaires facultatifs • tuberculose, paratuberculose, brucellose • yersiniose (pseudotuberculose) • francisellose (tularémie) • rhodococcose, nocardiose • survie dans les macrophages: épitopes sur MHC2, transformation LTh1, production de cytokines • infiltration cellulaire continue, diffuse ou granulomateuse (= « tubercules » avec cellules épithélioïdes et géantes de Langhans) • transformation caséeuse et destruction des tissus • activation des macrophages par interféron g • intradermoréaction positive (tuberculination)

47. Service de BactériologieDépartement des Maladies infectieuses et parasitairesFaculté de Médecine Vétérinaire Cours de bactériologie 3ème candidature Chapitre 8: Traitement de l’infection

48. Traitement de l’infection • Quelques définitions • Mécanismes d’action et cibles • Spectres d’activité antibactérienne • Bactériostase/Bactéricidie • Mécanismes de résistance • Associations • Distribution in vivo (pharmacocinétique) et toxicité: voir 1er doctorat • Principes cliniques d’application chez l’animal: voir 2ème et 3ème doctorat

49. Antibiotiques: tous sauf ceux cités (+ dérivés semi-synthétiques) Molécules à activité anti-bactérienne d’origine naturelle (au départ) pouvant être utilisées par voie générale ou locale dans un but thérapeutique ou prophylactique • Antibiomimétiques: sulfamidés et diaminopyrimidines • Antiseptiques: nitrofuranes, quinolones, nitroïmidazoles Molécules à activité anti-bactérienne d’origine synthétique agissant par mime d’un molécule impliquée dans le métabolisme bactérien pouvant être utilisées par voie générale ou locale dans un but thérapeutique ou prophylactique Molécules à activité anti-bactérienne d’origine synthétique pouvant être utilisées par voie générale ou locale dans un but thérapeutique (à action spécifique) ou prophylactique (à action non spécifique; voir chapitre 9) Traitement de l’infection Quelques définitions

50. Traitement de l’infection Mécanismes d’action et cibles Inhibiteurs de la synthèse de la paroi bactérienne Perturbateurs des membranes externe et cytoplasmique Inhibiteurs de la synthèse protéique Inhibiteurs de la synthèse des acides nucléiques Inhibiteurs métaboliques de la synthèse de l’acide folique (inhibiteurs compétitifs ou antibiomimétiques)