Mécanismes de résistance à la quinolone dans les pneumocoques

Les quinolones sont largement utilisées dans le traitement des infections respiratoires, en grande partie à cause de leur activité contre Streptococcus pneumoniae et d’autres pathogènes respiratoires couramment rencontrés. Les isolats pneumococciques résistants à ces quinolones respiratoires ont maintenant commencé à émerger. La résistance est attribuable à des mutations affectant les cibles intracellulaires de ces médicaments, la topoisomérase IV et l’ADN gyrase; Le plus souvent, les souches totalement résistantes aux nouvelles quinolones ont une ou plusieurs mutations affectant l’ADN gyrase et la topoisomérase IV Bien que divers agents de cette classe présentent une sélectivité en ciblant principalement l’une ou l’autre de ces enzymes, le Le passage d’isolats en présence de n’importe quel agent peut entraîner la sélection de mutations affectant les deux enzymes. La résistance à la quinolone chez S pneumoniae est apparue dans des antécédents génétiques hétérogènes, mais est maintenant apparue dans des souches bien adaptées à la transmission régionale et mondiale.

Les agents antimicrobiens quinolone sont largement utilisés dans le traitement de la pneumonie acquise dans la communauté et d’autres infections des voies respiratoires et sont parmi les options recommandées dans les directives internationales, notamment celles publiées par l’Infectious Diseases Society of America et l’American Thoracic Society. les membres de cette classe introduits plus récemment démontrent une activité in vitro contre d’importants pathogènes bactériens des voies respiratoires, notamment Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae et Moraxella catarrhalis. Ils sont également actifs contre les agents de la pneumonie atypique, notamment Mycoplasma pneumoniae, Chlamydia pneumoniae et Espèces de Legionella La capacité d’administrer ces antimicrobiens à base de quinolone selon un schéma posologique uniquotidien ajoute significativement à leur attrait. Des études de surveillance récentes ont révélé que%% d’isolats de S pneumoniae des États-Unis et du Canada étaient sensibles in vitro aux quinolones utilisées pour traiter tra respiratoire ct infections Néanmoins, des isolats résistants ont commencé à apparaître Ici, je décris les mécanismes de la résistance aux quinolones chez S pneumoniae et passe en revue la compréhension actuelle de l’origine des souches résistantes

Mécanismes d’action

Les cibles cellulaires des antimicrobiens quinolones sont les topoisomérases bactériennes de type II. Ces enzymes introduisent des cassures dans l’ADN double brin, permettent le passage d’un brin d’ADN proche, puis referment la cassure En raison de l’état fortement condensé dans lequel L’ADN existe dans la cellule et l’entrelacement des brins d’ADN résultant de la réplication, ces fonctions sont nécessaires pour la réplication de l’ADN et la transcription efficace. L’ADN gyrase et la topoisomérase IV, les enzymes topoisomérases ciblées par les quinolones, sont des structures tétramériques composées chacune Les sous-unités sont appelées GyrA et GyrB pour l’ADN gyrase et ParC et ParE pour la topoisomérase IV. On pense que les quinolones agissent par la formation d’un complexe ternaire impliquant le médicament, la topoisomérase et la liaison de l’ADN par la quinolone. stabiliser les ruptures de brins, empêcher la réplication et la réparation de l’ADN, inhibant ainsi la croissance. la mort cellulaire est incomplètement comprise

Mécanismes de résistance

La résistance aux antibiotiques quinolones chez S pneumoniae peut résulter de mutations cibles dans les gènes codant pour les sous-unités de la topoisomérase IV principalement parC ou ADN gyrase principalement gyrA, ou les deux Enhanced quinolone efflux, entraînant une réduction des concentrations intracellulaires de médicaments, contribue également modestement à la résistance. Les mécanismes de la résistance aux quinolones chez S pneumoniae ont été explorés en utilisant plusieurs approches. Les mutants résistants peuvent être sélectionnés in vitro après l’exposition d’un test. souche à l’antimicrobien d’intérêt, soit à des concentrations choisies habituellement multiples fixés de la CMI ou après passage en série dans des concentrations incrémentielles du médicament colonies résistant aux quinolones dérivées de ces expériences peuvent être examinées pour les modifications du niveau d’efflux de médicament et de mutations dans topoisomerase subu gènes nit Pour des raisons pratiques, la plupart des projets qui utilisent le séquençage d’ADN se concentrent sur des régions spécifiques de ces gènes, appelés «régions de détermination de la résistance aux quinolones», où les mutations menant à la résistance sont regroupées. gyrA-est déduit de l’emplacement des mutations conduisant aux premiers incréments de résistance aux médicaments Ces mêmes outils peuvent être appliqués à l’étude des isolats cliniques résistants aux quinolones de S pneumoniae La disponibilité d’isolats cliniques résistants permet d’évaluer comment la résistance peut avoir évolué. En outre, l’aptitude à préparer des topoisomérases sous forme purifiée et biologiquement active a permis une évaluation quantitative des activités inhibitrices de diverses quinolones sur des fonctions enzymatiques. L’activité de l’ADN gyrase peut être mesurée au moyen d’essais rémission. de superenroulement de l’ADN plasmidique relaxé, et l’activité de la topoisomérase IV peut être mesurée par décaténation de chaînes hautement imbriquées d’ADN de kinétoplaste

Résistance à la quinolone parmi les isolats cliniques

Brueggemann et al ont recherché des mutations affectant l’ADN gyrase ou la topoisomérase IV chez des isolats avec des CMI de ciprofloxacine de ⩾ μg / mL et à partir d’un échantillon d’organismes plus sensibles pendant cette période, en commençant par une collection d’isolats cliniques de S pneumoniae. la proportion d’isolats avec des CMI de ciprofloxacine de ⩾ μg / mL est demeurée relativement stable% – et% in -, et la différence incrémentale de résistance à la lévofloxacine% -% n’a pas atteint de signification statistique Des mutations en parC ou gyrA n’ont pas été observées chez les isolats ciprofloxacine MIC de & lt; μg / mL Cependant, des mutations ont été trouvées dans% d’isolats avec des CMI de μg / mL, dans% d’isolats avec CMI de μg / mL, et% d’isolats avec CMI de & gt; μg / mL Environ deux tiers des pneumocoques porteurs de mutations présentaient des modifications de la parC seulement, ce qui entraînait le plus souvent la substitution d’acides aminés SerPhe, tandis que seulement% présentaient des mutations dans le gyrA seulement SerPhe ou SerTyr; Les résultats de cette étude ont également illustré les effets relatifs des mutations du parC et du gyrA sur les activités des fluoroquinolones par rapport aux CMI moyennes de la population entière d’isolats, les CMI de la ciprofloxacine Ces données confirment la conclusion que la topoisomérase IV est la cible principale de la ciprofloxacine chez S pneumoniae. En revanche, les mutations de la gyrA seule ont eu le plus grand impact sur la gatifloxacine. Cependant, bien que l’augmentation de la CMI ait été la plus forte chez ces -méthoxy-fluoroquinolones, les moyennes géométriques des CMI de la gatifloxacine μg / mL et de la moxifloxacine μg / mL ont été comparées aux CMI de la moxifloxacine. chez les mutants gyrA étaient encore inférieurs à ceux de la ciprofloxacine et de la lévofloxacine μg / mL et μg / mL, respectivement

Figure Vue largeDownload slideFigure Effet des mutations parC et gyrA sur les CMI in vitro des quinolones contre Streptococcus pneumoniae Figure Vue largeDownload slideFigure Effet des mutations parC et gyrA sur les CMI in vitro des quinolones contre Streptococcus pneumoniae Jones et al ont étudié isolats non sensibles à ⩾ de plusieurs quinolones et isolats sensibles à la lévofloxacine identifiés à partir d’isolats de S pneumoniae collectés au cours d’un programme mondial de surveillance Le profil le plus courant de mutations associées à la sensibilité réduite des isolats, impliquait des mutations uniques dans SerPhe parC , ou une souche avec AspAsn et dans gyrA SerPhe Des mutations simples dans gyrA SerPhe plus doubles mutations dans SerPhe, LysAsn, AspAsn, AspAsn, ou ArgCys ont été trouvés dans les souches Cinq souches avaient seulement des mutations simples dans gyrA Bien qu’un certain nombre de souches hébergées seul ou en combinaison mutations dans parE ou gyrB de la topoisomérase IV et de l’ADN gyrase, respectivement, les auteurs ont été incapables de leur attribuer un rôle contributif spécifique dans la sensibilité réduite aux quinolones Pour les isolats pneumococciques résistants à l’ofloxacine collectés aux États-Unis et étudiés par Weigel et al , la résistance aux fluoroquinolones était la seule résistance significative caractère représenté Comparativement à une souche de type sauvage, les isolats à doubles mutations du parC et du gyrA ont multiplié les augmentations des CMI de la gatifloxacine, de la gémifloxacine et de la lévofloxacine, multiplié par des augmentations du CMI de la moxifloxacine et multiplié par augmentation de la CMI de la sparfloxacine La nature de la mutation ou d’autres caractéristiques de fond de la souche hôte a eu un effet appréciable sur les niveaux de résistance observés. Par exemple, une souche avec des mutations dans GyrA GluLys et parC SerPhe était plus résistante à tous des médicaments mentionnés ci-dessus qu’une autre souche avec des substitutions SerPhe et AspTyr dans les gènes codant pour l’ADN gyrase et la topoisomérase IV, [En particulier, l’isolat avec des mutations affectant GyrB GluLys et ParC SerPhe a montré une résistance à la lévofloxacine MIC, μg / mL et des effets différentiels sur sa sensibilité à la gatifloxacine MIC , μg / mL et moxifloxacine MIC, μg / mL Les mutations dans le parC se retrouvent couramment chez les souches de S pneumoniae avec des CMI de lévofloxacine à l’extrémité supérieure de la gamme sensible Cependant, ces mutations uniques semblent, dans la plupart des cas, insuffisantes pour confère une résistance complète Par exemple, Blosser et al ont identifié des mutations parC dans des isolats avec des CMI de lévofloxacine de μg / mL, alors que tous sauf des isolats avec des CMI de ⩾ μg / mL avaient des mutations dans gyrA ainsi que parC Jorgensen et al. ont trouvé des mutations parC dans des isolats de S pneumoniae avec des CMI de lévofloxacine de μg / mL, alors que des souches avec des CMI de – μg / mL présentaient des mutations dans gyrA et un efflux parC ou PAREAn Pompe identifiée chez S pneumoniae, PmrA, a% identité d’acides aminés avec les pompes d’efflux d’autres bactéries gram-positives: NorA chez Staphylococcus aureus et Bmr chez Bacillus subtilis Inhibition de cette pompe d’efflux par la réserpine a le plus grand effet sur les CMI ciprofloxacine et peu d’effet sur les CMI de moxifloxacine Brenwald et al ont examiné des isolats cliniques de S pneumoniae avec des CMI de ciprofloxacine de & gt; μg / mL ou des CMI de norfloxacine de & gt; μg / mL et ont trouvé que ⩾% présentait une réduction de ⩾ de CMI en présence de réserpine, en accord avec l’activité d’une pompe à efflux Une approche similaire a montré des signes d’efflux inhibiteurs de réserpine en% d’isolats de pneumocoques sensibles à la lévofloxacine Bast et al ont noté que la réserpine augmentait substantiellement l’activité de la quinolone en% des pneumocoques avec des CMI de ciprofloxacine de – μg / mL, mais seulement chez% des isolats avec des CMI de & lt; μg / mL et en% de ceux avec des CMI de & gt; μg / mL Il existe des preuves que des pompes autres que PmrA peuvent affecter l’efflux des quinolones chez les pneumocoques Pestova et al ont sélectionné des mutants résistants au bromure d’éthidium d’une souche de S pneumoniae knock-out pmrA et ont montré que l’activité des quinolones pourrait être améliorée. -pli par incubation avec de la réserpine Ces expériences ont suggéré la présence d’une pompe pouvant être inhibée par la réserpine capable d’extruder des quinolones qui était distincte de PmrA

Études avec des mutants résistants à la quinolone sélectionnés in vitro

Gootz et al ont sélectionné des mutants de première étape de S pneumoniae avec une sensibilité réduite aux CMI de ciprofloxacine de – μg / mL à des taux de ⩾ dans le cfu plaqué en présence de quinolone à une concentration multipliée par la CMI. mutations en parC Un deuxième cycle de sélection sur des plaques contenant de la ciprofloxacine à une concentration multipliée par la CMI des mutants de première étape les moins sensibles a entraîné la sélection de mutants de seconde étape à peu près au même rythme, avec des CMI de l’ordre de – μg / mL Ces mutants de seconde étape ont montré des altérations du parC et du gyrA. De telles expériences révèlent que bien que le parC puisse être la principale cible de la ciprofloxacine, l’exposition continue à cet agent permet la sélection de colonies avec des mutations dans un gyrA cible secondaire. La facilité avec laquelle les mutants résistants peuvent être sélectionnés par l’utilisation de diverses concentrations de quinolones varie avec l’agent Fukuda et Hiramatsu ont trouvé que S pneumoniae m résistant Les agents pourraient être sélectionnés sur des plaques contenant de la sparfloxacine à des concentrations aussi élevées que la CMI. En revanche, les mutants résistants à la ciprofloxacine ou à la trovafloxacine n’ont pas pu être sélectionnés à des concentrations de & gt; fois la CMI, et les mutants résistants à la lévofloxacine n’ont pas pu être obtenus à des concentrations de & gt; fois la CMI A deux fois la CMI, la résistance à la gatifloxacine s’est produite à un taux de & lt; En outre, la nature des mutations observées variait également avec l’utilisation de différentes quinolones. Les mutants sélectionnés sur des plaques contenant de la ciprofloxacine, de la norfloxacine, de la trovafloxacine et de la lévofloxacine présentaient des mutations dans la parC, alors que celles de la gatifloxacine ou de la sparfloxacine présentaient des mutations dans la gyrA As est le cas avec la gatifloxacine, le placage sur la moxifloxacine et la C-méthoxy quinolone permettent la sélection de mutants de première étape dans le gyrA, plutôt que dans le parC Une autre façon de sélectionner les pneumocoques résistants aux quinolones est le passage séquentiel. d’un seul agent antimicrobien Boos et al a passé des isolats à des concentrations croissantes de ciprofloxacine, sparfloxacine, gatifloxacine, moxifloxacine et gémifloxacine pendant plusieurs jours Les CMI des organismes récupérés après passage avaient augmenté à μg / mL pour la gémifloxacine, μg / mL pour la sparfloxacine , et μg / mL pour les mutations de la ciprofloxacine, de la gatifloxacine et de la moxifloxacine dans le gyrA, le parC ou les deux trouvé et la résistance aux quinolones était stable après le passage des souches en l’absence de médicament Aucun médicament ne semblait avoir un avantage distinct en termes de potentiel inférieur de sélection pour les souches résistantesDavies et al ont réalisé une expérience similaire en prenant des isolats de S pneumoniae par des passages séquentiels dans des concentrations subinhibitrices de quinolones, suivis par des passages dans un milieu sans antibiotique. Lorsque la sélection a été effectuée en présence de lévofloxacine, des souches avec des CMI finales de – μg / mL ont été obtenues Deux des souches portaient des mutations dans les gyrA seulement. / mL Des mutations dans gyrA plus parC ont été trouvées dans la souche avec la plus haute MIC μg / mL D’autres combinaisons de mutations qui ont été rencontrées comprenaient des analyses de parC et gyrB, parE et gyrA, et parE et gyrBTransformation ont prouvé que des mutations affectant l’ADN gyrase ou topoisomérase IV sont responsables de la résistance aux quinolones. La transformation de gènes parC mutants en pneumocoques sauvages augmentation de la CMI de la ciprofloxacine et multiplication des CMI de la lévofloxacine et de la sparfloxacine La transformation avec la gyrA mutante seule a augmenté la CMI de la moxifloxacine et de la sparfloxacine et la transformation avec les gènes gyrA et parC doublement mutés a entraîné une augmentation spectaculaire de la moxifloxacine, les CMI de la sparfloxacine et de la ciprofloxacine à ⩾ μg / mL

Études de résistance utilisant des enzymes purifiées

Les progrès dans la capacité à exprimer, purifier et reconstituer l’ADN enzymatiquement actif gyrase et topoisomérase IV ont fourni un autre moyen d’étudier directement les effets des quinolones contre les enzymes pneumococciques Dans ces conditions expérimentales, l’activité topoisomérase IV tend à être plus sensible à l’inhibition par les quinolones. l’activité de l’ADN gyrase Cependant, l’importance des différences de valeurs IC entre l’ADN gyrase et la topoisomérase IV dépend des structures de divers composésKishii et al ont trouvé que le rapport IC de l’ADN gyrase au IC de la topoisomérase IV était ⩾ En revanche, ce rapport était ⩾ pour la gatifloxacine et la moxifloxacine, pour lesquelles la cible principale des pneumocoques semble être l ‘ADN gyrase. Ces chercheurs ont fourni des preuves expérimentales que les groupes C – méthoxy de ces derniers composés contribuent à la synthèse. sélectivité accrue de la gatifloxacine et de la moxifloxacine pour l’ADN gyrase ont trouvé que la substitution du groupe méthoxy de la gatifloxacine par un groupe H aboutissait à un rapport IC de ⩾ proche de celui de la ciprofloxacine, reflétant la perte relative d ‘activité contre l’ ADN gyrase. D ‘autre part, l’ addition d ‘un groupe C – méthoxy la molécule de ciprofloxacine AM-; Dans ces expériences, le rapport IC de la lévofloxacine était intermédiaire entre ceux de la ciprofloxacine et de la moxifloxacine, mais plus proche de celle-ci

Les structures chimiques de la ciprofloxacine et analogues de la ciprofloxacine utilisés dans les études avec topoisomérase IV purifiée et ADN gyrase Figure View largeDownload slideFigure Les structures chimiques de la ciprofloxacine et analogues de la ciprofloxacine utilisés dans les études avec topoisomérase IV purifiée et ADN gyrase L’influence Les études comparant la ciprofloxacine à un composé analogue à la ciaminofenylsulfonyl-pipérazinyl-ciprofloxacine substituée en C, appelé NSFQ- , ont révélé la préférence de la structure par rapport à la cible pour la ciprofloxacine, l’IC pour l’activité de l’ADN gyrase super-enroulante était de le CI pour l’activité de la décaténation topoisomérase IV était de μmol / L, donnant un rapport pratiquement identique aux résultats obtenus par d’autres . Cependant, pour les N-sulfanilylpipérazinyl fluoroquinolone NSFQ-, les valeurs IC pour superenroulement et décaténation étaient – μmol / L et – μmol / L, respectivement Ainsi, la modification structurelle en C- pour donner NSFQ- a entraîné une inversion complète de la sensibilité de la cible, avec une préférence pour l’ADN gyraseNot tous les chercheurs ont rapporté des différences marquées dans la sélectivité de diverses quinolones pour l’inhibition de la topoisomérase IV versus l’ADN gyrase, comme déterminé par l’utilisation d’enzymes reconstituées. La gémifloxacine était l’inhibiteur le plus puissant, suivie de la moxifloxacine et de la gatifloxacine, et la ciprofloxacine et la lévofloxacine étaient les inhibiteurs les plus faibles. Cependant, les inhibiteurs les plus puissants étaient les inhibiteurs les plus puissants. , les rapports IC étaient ⩾ pour tous les agents antimicrobiens testés En présence d’ADN gyrase purifiée, la gémifloxacine suivie par la moxifloxacine étaient les plus efficaces pour stimuler la rupture de l’ADN; en présence de topoisomérase IV, la gémifloxacine suivie de la moxifloxacine et de la ciprofloxacine étaient les plus actives En présence d’enzymes reconstituées provenant de souches présentant des mutations bien caractérisées en gyrA ou en parC, la capacité de tous les médicaments à stimuler la rupture de l’ADN était nettement réduite. avec gemifloxacin restant le plus actif

Potentiel de résistance et de propagation supplémentaires

Bien que la résistance aux «quinolones respiratoires», c’est-à-dire celles ayant une activité contre S pneumoniae et d’autres agents pathogènes des voies respiratoires courants parmi les isolats cliniques de S pneumoniae, reste très rare dans la plupart des régions du monde, Davies et al ont échantillonné une large collection de pneumocoques sensibles à la lévofloxacine et n’ont trouvé aucune mutation QRDR dans les isolats avec des CMI lévofloxacine de μg / mL, alors que% d’isolats avec CMI de μg / mL et% de ceux avec CMI de μg / Les chercheurs ont estimé que ⩾% des pneumocoques sensibles à la lévofloxacine présentaient des mutations «silencieuses» dans le cancer de la prostate. Ce sous-groupe d’organismes constitue vraisemblablement une population à risque de développer une résistance à ceci et d’autres quinolones respiratoires comme le résultat d’une mutation de deuxième étape. Des preuves disponibles suggèrent que La résistance aux quinolones est apparue dans les souches génétiquement hétérogènes des pneumocoques. La résistance aux quinolones a été observée chez les souches sensibles à la pénicilline et à la pénicilline Comme mentionné précédemment, la résistance aux quinolones peut être le seul trait de résistance antimicrobienne cliniquement pertinent Liñares et al a noté des profils de PFGE distincts parmi les isolats de S pneumoniae avec des CMI de ciprofloxacine de ⩾ μg / mL Une étude sur les pneumocoques résistants à la lévofloxacine retrouvés aux Etats-Unis – n’a trouvé que des paires d’isolats indiscernables ou étroitement apparentés génétiquement Des études de surveillance ont également documenté la présence d’isolats résistants aux quinolones chez des souches représentant des clones épidémiques internationaux de S pneumoniae . L’apparition de résistances aux quinolones chez les représentants des clones EspagneF- et EspagneV- internationaux des pneumocoques multirésistants est préoccupante. la future diffusion de ces organes isms En effet, des études menées à Hong Kong ont confirmé la dissémination régionale d’un clone pneumococcique multirésistant, désigné Hong KongF- Vingt-deux des isolats résistants aux quinolones étaient indiscernables par le PFGE. Par typage multilocus, ces souches étaient identiques au clone désigné SpainF-

Conclusions

La résistance aux quinolones des pneumocoques peut être attribuée à des mutations affectant les cibles intracellulaires de ces médicaments, topoisomérase IV et / ou ADN gyrase. L’activité d’une ou plusieurs pompes d’efflux contribue modestement à la résistance à ces agents mais peut jouer un rôle facilitateur dans mutations résistantes aux quinolones Les mutations affectant la sous-unité ParC, cible primaire de la ciprofloxacine, réduisent significativement l’activité de cet agent in vitro Les isolats avec des mutations simples de parC restent souvent sensibles à la lévofloxacine et aux autres quinolones respiratoires d’usage courant, bien que les MIC de lévofloxacine En revanche, les mutations uniques affectant gyrA confèrent souvent une résistance à ces agents, et les isolats avec mutation in à la fois dans gyrA et parC ou dans les gènes des sous-unités complémentaires gyrB et parE ont les niveaux les plus élevés de structures Quinolone de résistance, tels que les substituants aux positions C- et C-, affectent la topoisomérase sélectivité des cibles de ces agents Cependant, bien que les différentes quinolones diffèrent par leurs sélectivités cibles, déterminées par la nature et la facilité de sélection des mutants de première étape et par leurs activités inhibitrices enzymatiques in vitro, lorsque les pneumocoques sont soumis à un passage en série augmentant progressivement. Les pneumocoques résistants à la quinolone constituent un groupe hétérogène d’organismes Cependant, il existe déjà des preuves d’une dissémination clonale de souches résistantes aux quinolones au niveau régional. Le développement de la résistance aux quinolones dans les souches de l’épidémie internationale bien établie clones présage la propagation de la résistance aux quinolones chez cette espèce

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