Pénicillines

Observée par hasard par Sir Alexander Fleming à son retour de vacances, un 3 septembre 1928, la pénicilline, nom générique de la toxine produite par des moisissures du genre Penicillium, son action fut décrite dès 1897 par Ernest Duchesne dans sa thèse de médecine « Contribution à l’étude de la concurrence vitale chez les micro-organismes : antagonisme entre les moisissures et les microbes ».

Ce n’est que vers 1940, que l’équipe de Howard W. Florey et Ernst B. Chain réussirent à purifier ces toxines et en faire des médicaments utilisables chez l’homme et d’autres organismes vivants, d’où la dénomination de cette classe thérapeutique : les antibiotiques. Tous trois reçurent le prix Nobel de Physiologie et Médecine en 1945. Le chimiste Edward Abraham, qui fut chargé de la purifier et y réussit par chromatographie sur colonne d’alumine, une nouveauté à l’époque, ne fut pas associé à la récompense

Les pénicillines sont des antibiotiques ß-lactamines, à rapprocher des céphalosporines, les premiers possédant un hétérocycle thioazoté à 5 atomes (thiazolidine), les seconds à 6 atomes (tétrahydrothiazine).

La recherche d’anti-infectieux fut très active, notamment à partir de la première Guerre Mondiale, afin de combattre la gangrène dont mourraient de très nombreux blessés : les anglo-saxons misèrent, dès leur découverte, sur les antibiotiques β-lactamines, alors que les allemands s’intéressèrent plutôt aux sulfamides.

Dans l’espoir de disposer de quantités importantes de pénicilline, Ernst B. Chain et Edward Abraham entament vers la fin de 1942, une collaboration avec Wilson Baker et Sir Robert Robinson (prix Nobel de Chimie1947), en collaboration avec Dorothy Crowfoot Hodgkin, pionnière des caractérisations structurales par diffraction des rayons X (prix Nobel de Chimie 1964) qui en établit la structure en 1945. Dans la pénicilline, le β-lactame fait partie d’un système bicyclique, empêchant la délocalisation électronique sur la fonction amide telle qu’observée sur un β-lactame libre et augmentant la réactivité du groupement carbonyle, à l’origine des problèmes rencontrés lors de la synthèse de cette molécule.

En 1945, plus d’un millier de chimistes anglais et américains travaillèrent sur cette synthèse, sans obtenir de résultats convaincants (rendement total inférieur à 0,1% !). Dès 1946, l’adoption d’un procédé de fermentation pratique conduisit à l’abandon de cette approche. Il fallut attendre 1957 pour que John Sheehan, chimiste américain au Massachusetts Institute of Technology, réalise la synthèse totale de la phénoxyméthylpénicilline, ou « pénicilline V », conçue davantage comme un défi scientifique que comme une filière industrielle effective. Cependant, il ouvre une voie de synthèse à de nouvelles substances qui ne sont pas disponibles dans la Nature et qui peuvent présenter des propriétés antibiotiques : ce seront les pénicillines synthétiques…

La naissance des biotechnologies modernes

Les premiers essais de la toxine extraite de Penicillium notatum, la pénicilline G, sur des êtres humains furent enthousiasmants (on l’appela « le médicament miraculeux »), quoique sa pureté ait été, a posteriori, estimée à environ 1% ! Très fragile, en concentration faible, elle exige un milieu hyper-oxygéné, d’où la difficulté qu’il y eut à la produire industriellement. La conséquence en fut la mise au point de multiples techniques destinées à accroître le rendement, et toujours opérationnelles dans de nombreux autres domaines d’application : dispositifs d’extraction et de lyophilisation à grande échelle, criblage de moisissures en provenance du monde entier, puis amélioration des souches productrices par mutagénèse et sélection. De 4 unités de pénicilline par millilitre de culture (U/mL) de P. notatum en 1940, au passage à P. chrysogenum en 1942 (80 U/mL), on atteint actuellement une production de 60 000 U/mL en 200h…

Produite industriellement par la société Pfizer dès 1944, et sans que sa structure chimique soit élucidée, la pénicilline fut d’abord réservée aux soldats alliés… et fit l’objet d’un trafic magistralement décrit dans « Le troisième Homme » mis en scène par Carol Reed en 1948 dans les ruines de Vienne.

L’activité antibiotique des β-lactamines est dirigée contre les germes possédant une paroi riche en peptidoglycanes (« Gram+ »). Elles inhibent les transpeptidases extraxcytoplasmiques, à l’origine de l’activation d’hydrolases qui lysent la paroi bactérienne et tuent l’organisme. Faut-il encore qu’elles puissent agir ! Comme elles ressemblent structurellement à la D-alanyl-D-alanine, elles peuvent se fixer de manière covalente à un résidu sérine de protéines appelées « Penicillin Binding Proteins » (PBP), et ainsi approcher leur cible et être actives.

Mais comme la Nature tente de maintenir un heureux équilibre entre les espèces (ce que certains appellent biodiversité), certaines bactéries sécrètent des enzymes, les β-lactamases, qui hydrolysent, et donc inactivent, les β-lactamines. Leur synthèse est codée au niveau des chromosomes (ou des plasmides), et leur sécrétion peut être constitutive ou induite et ainsi à l’origine de l’essentiel des phénomènes de résistance observés.

Le spectre d’action de la pénicilline G est relativement limité : elle est active sur les streptocoques, méningocoques, gonocoques, pneumocoques… et elle est sensible aux pénicillinases. Il a donc fallu créer diverses molécules apparentées. Des pénicillines dites M (méticilline, oxacilline et cloxacilline) ont été mises au point, mais ont des effets secondaires (risque de phlébite). Vinrent alors l’ampicilline (pénicilline A), les amino-pénicillines, l’amoxicilline à effet prolongé, et la flucloxacilline, pour les plus utilisées. On couple parfois l’utilisation de pénicillines avec des inhibiteurs des β-lactamases, comme l’acide clavunalique (produit par Streptomyces clavuligerus), ou le sulbactam (sous forme d’ester sulbactam-ampicilline) et le tazobactam.

Actuellement, tout le monde s’accorde sur le fait que les impacts de l’usage excessif d’antibiotiques, aggravés par la rareté des nouveaux médicaments mis sur le marché, pourraient induire un risque de crise sanitaire mondiale à moyen ou long terme. L’utilisation de grandes quantités d’antibiotiques, non seulement à des fins thérapeutique et prophylactique, mais comme facteurs de croissance et de gain de masse corporelle dans l’alimentation animale (élevage et pisciculture), commence tout juste à être perçue pour ce qu’elle est : une cause significative d’anti-biorésistance.

Encore un peu d’histoire !

L’utilisation des moisissures pour traiter des infections est connue dès la plus haute Antiquité. On savait, dans l’ancienne Chine, faire régresser des panaris à l’aide de peaux de fruits moisies. Des utilisations pragmatiques, des remèdes de « bonne femme », sont rapportés dans les traditions orales et les contes de très nombreux pays. Les bergers des Causses traitaient avec du roquefort les plaies infectées afin de prévenir la gangrène, mais ils furent poursuivis pour exercice illégal de la médecine et leur méthode taxée de charlatanisme… jusqu’à la découverte des propriétés de Penicillium roquefortum !

Une grande crise sanitaire de la fin du XIXe et du début du XXe siècle tînt aux ravages causés par la syphillis. Il fut décidé de lancer une étude clinique sur son évolution et ses effets lorsqu’elle n’est pas traitée. Une population de métayers afro-américains de Tuskegee, Alabama, fit les frais, de 1932 à 1972, de cette expérimentation.

Il fallut attendre une trentaine d’années après le développement de la pénicilline et qu’un épidémiologiste, Peter Buxtun, révèle le scandale à la presse (articles dans le Washington Post, puis le New York Times, 1973), pour que l’expérience soit abandonnée, et que les autorités politiques américaines posent les principes de base de la bioéthique en matière d’expérimentation humaine (Belmont Report et Office for Human Research Protections, 1979).

À la même époque (1946-1948), afin de savoir si la pénicilline pouvait empêcher, et pas seulement guérir, la syphilis, un accord confidentiel entre institutions sanitaires américaines et le gouvernement guatémaltèque, permit à des chercheurs d’exposer au germe, sciemment, mais à leur insu, 696 prisonniers, soldats et malades mentaux guatémaltèques : 427 contractèrent la maladie, dont 369 bénéficièrent ensuite d’un traitement approprié. En octobre 2010, quand ce scandale fut découvert, le gouvernement américain présenta ses excuses officielles pour ce qu’il qualifia de « crime contre l’humanité ».

Pensée du jour
« Les antibiotiques, ça n’est plus automatique… encore faut-il pouvoir en bénéficier ! »

Sources

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