CHAPITRE V - INTERACTIONS ENTRE L HOMME ET LES MICROORGANISMES

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1 CHAPITRE V - INTERACTIONS ENTRE L HOMME ET LES MICROORGANISMES Il existe chez l être humain deux types de microflore : on appelle microflore normale l ensemble des microorganismes établissant une relation durable avec l Homme. Constituée de bactéries et de champignons (ces derniers étant essentiellement des levures), elle s oppose à la microflore transitoire. Plusieurs associations entre l Homme et le microorganisme peuvent être distinguées : Le mutualisme, équivalent à une symbiose, qui consiste en une association bénéfique pour les deux partenaires. Le commensalisme, qui est une association dans laquelle le premier organisme tire un bénéfice alors que le second n est pas affecté. La plupart des microorganismes vivant dans ou à la surface de notre corps sont des commensaux, mais de temps à autres, des bactéries initialement non pathogènes peuvent switcher vers une pratique de l opportunisme selon une frontière ténue. Le microorganisme devient alors pathogène pour plusieurs raisons : tout d abord le franchissement d une barrière biologie, puis l affaiblissement des défenses immunitaires de l hôte. Afin de donner un exemple, E. coli est une bactérie mutualiste de l intestin humain. Cependant, elle est responsable au sein de l urètre de cystites. D une manière générale, la pathogénie concerne l étude du processus par lequel une maladie se développe. Cette dernière se développe à la suite d une attaque par un pathogène microbien a un degré d infection fonction à la fois de la virulence de l agent infectieux et de la résistance de l hôte, étant elle-même fonction de facteurs génétiques, de l âge, des conditions physiologiques, de l alimentation, du stress, de l environnement et de la maladie. La virulence d un microorganisme consiste en sa capacité à provoquer des dommages et à échapper au système de défense de l hôte. LA FLORE MICROBIENNE DE L HOMME A sa naissance, un fœtus est stérile. Ce n est que quelques heures à la suite de sa venue au monde qu une flore microbienne s établit de manière naturelle au sein du système respiratoire supérieur, uro-génital inférieur, de la peau ainsi que du tractus gastro-intestinal : on parle de colonisation. Les bactéries sont associées de manière extracellulaire à ces systèmes. Certains compartiments doivent cependant rester stériles, à savoir l ensemble des organes, le sang, les tissus internes ainsi que le système lymphatique. En pratiquant un bilan numérique de la flore microbienne totale d un être humain, on dénombre au moins autant, et jusqu à dix fois plus de cellules bactériennes que de cellules constitutives de l hôte. PEAU Au niveau de la peau, représentant la première ligne de défense contre une invasion microbienne, se développe une microflore normale comprenant les genres suivants : Staphylococcus epidermis constitue la moitié de la flore normale de la peau Propionibaterium utilise les sécrétions d acides gras des glandes sébacées. Bacillus Micrococcus Ces bactéries se retrouvent à hauteur de 10 6 bactéries/cm² dans les zones humides représentées typiquement par les aisselles, les cheveux, ainsi que les pieds, et au nombre de 10 2 /cm 2 dans les zones sèches. Certains de LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 42

2 ces microorganismes raffoleront des composés lipidiques qu ils y trouveront, formant des acides gras responsables d une diminution de ph. Cette augmentation d acidité contribue d une certaine manière à limiter la prolifération d autres bactéries. Leurs excrétions étant riches en acides gras et autres nutriments, les glandes sudoripares apocrines seront également utilisées par les bactéries. APPAREIL RESPIRATOIRE Le système respiratoire inférieur reste stérile. Cependant, au sein de la bouche, du nasopharynx et de la gorge, nous trouverons une microflore majoritairement constituée de Streptococcus salivarius, mutans, sandis ainsi que de Staphylococcus. La concentration bactérienne salivaire est de 10 8 bact/ml. TRACTUS INTESTINAL La répartition des microorganismes au sein du tractus intestinal est très variable en fonction de l organe du système digestif considéré, les microorganismes étant ingérés simultanément aux aliments, au mucus et à la salive. L estomac sera ainsi inoculé en permanence, mais la plupart des microorganismes ne supporteront pas les conditions d acidité y régnant : la concentration y sera donc de 10 bact/ml de fluide stomacal, principalement composée de bactéries acido-résistantes comme les lactobacilles et les levures. Au sein de l intestin grêle, nous trouverons 10 3 bact/ml. La flore microbienne de l intestin réside en fait dans le colon, qui constitue la cuve de fermentation chez l Homme : on y retrouvera bactéries de plus de 350 espèces différentes par gramme de matière en fermentation. Ces genres pratiquant une respiration évidemment anaérobie seront, parmi d autres : Bacteroïdes Lactobaciliées Bifidobacterium Clostridium E. coli Ces bactéries du colon apportent à l Homme leurs propriétés de synthèse de vitamines comme la vitamine B12, la riboflavine, la biotine ainsi que la vitamine K. Fait intéressant, notons que 20 à 25% de la matière fécale excrétée par jour est constituée de microorganismes, correspondant à microorganismes. APPAREIL URO-GENITAL Le rein, l urètre et la vessie constituent des compartiments stériles. La partie inférieure de l urètre, autant chez l homme que chez la femme, est colonisée par des bactéries des genres Streptococcus, Bacteroïdes, ainsi que de mycobactéries, à la différence près que la microflore féminine évoluera en fonction du cycle menstruel. Le vagin définissant un milieu acide, nous y trouverons des lactobacilles acidotolérants. Le glycogène produit par les muqueuses y sera utilisé lors de processus de fermentation par ces bactéries, permettant un maintien des valeurs de ph entre 4,4 et 4,6, utile dans la lutte contre les pathogènes. DEFENSES INNEES DE L HOMME PRINCIPALES BARRIERES DE DEFENSE CONTRE L INFECTION La peau, les différentes membranes ainsi que les cils permettent le rejet des microorganismes. Chez une peau saine, il n existe pas de point d entrée de microorganismes. Le phénomène de desquamation joue un rôle lors de l évacuation des microorganismes de surface, tout comme les membranes des LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 43

3 épithéliums ainsi que les mouvements des cils, qui entraînent eux les matières étrangères vers l'extérieur. On parle de phénomènes d adhésion. L acidité des compartiments, notamment dans l estomac, le vagin, et sur la peau, limite le développement de microorganismes. L antagonisme microbien, qui consiste en une colonisation de la microflore prévenant l invasion des pathogènes. DEFENSES CHIMIQUES Le lysozyme, enzyme présente dans de multiples liquides biologiques comme le sang, la sueur, les larmes, la salive et les sécrétions nasales, aura pour cible essentielle les bactéries Gram + grâce à l hydrolyse des liaisons glycane β-1,4 induisant la dégradation du peptidoglycane et la lyse cellulaire des bactéries sous l effet de la pression osmotique. La lactoperoxydase est une peroxydase présente au sein de la salive et du lait maternel dégradant l eau oxygénée en en oxygène singulet, cette espèce provoquant des dommages de type stress oxydatif. La B-lysine est une enzyme présente au sein des plaquettes sanguines, plus particulièrement à proximité des régions blessées ou abrasées de l organisme, exerçant une action bactéricide plus particulièrement dirigée contre les Gram+. LA REPONSE INFLAMMATOIRE La réponse inflammatoire, ayant lieu à la suite d une agression de type coupure, piqure, abrasion ou altération des tissus, fera principalement appel à deux types de cellules phagocytaires : les leucocytes polynucléaires, et les macrophages. Nous observerons au sein des tissus endothéliaux, de la peau ainsi que de certaines muqueuses une dilatation immédiate des capillaires de proximité de la zone lésée, induisant un afflux sanguin augmenté localisé. Des protéines de la surface des cellules endothéliales des capillaires seront activées, telle la sélectine, dont le pouvoir chimioattracteur permettra d attirer des polynucléaires neutrophiles à proximité de la zone blessée. La réponse non spécifique se fera alors en deux temps : les neutrophiles constituent la première ligne de défense en agissant selon un mode d action similaire aux macrophages, qui arrivent dans un second temps. En conséquence, une réponse inflammatoire est engagée au niveau du site blessé, avec l apparition de rougeur, douleur, gonflement et augmentation de la température. C est seulement lorsque les monocytes circulants dans le sang passent dans les tissus qu ils se différencient en macrophages. LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 44

4 cellules souches multipotentes lignée myéloïde lignée lymphoïde globules rouges plaquettes Progéniteur granulocytemonocyte éosinophiles basophiles lymphocyte B lymphocyte T monocytes neutrophiles macrophages macrophages résidents macrophages circulants Les neutrophiles, éosinophiles et basophiles constituent les granulocytes, qui sont des leucocytes polynucléaires, ou globules blancs circulants. Les macrophages peuvent former des lignées circulantes transportés par le système lymphatique essentiellement dans les alvéoles pulmonaires, le péritoine et la cavité abdominale, et des lignées résidentes assurant un rôle de veille sanitaire au sein des tissus tels que surface des épithéliums, vaisseaux sanguins, lymphe, foie, rate, ganglions lymphatiques. Ceux-ci constituent le système le système réticulo-endothélial. La lymphe permet le transport des déchets cellulaires au sein de capillaires puis de vaisseaux sanguins, ainsi que celui des macrophages dans les tissus. Les neutrophiles et les macrophages sont des cellules phagocytaires attirées au siège de l infection. Lors du processus de phagocytose, le phagosome est fusionné avec un ou plusieurs lysosomes. Ceux-ci comprennent plus de 60 systèmes enzymatiques différents, dont des protéases, lipases, ainsi que des espèces actives de l oxygène produisant incidemment une grande quantité de peroxyde d hydrogène ayant des effets délétères dus à un stress oxydant. On parle d un phagolysosome. MECANISMES DE LA PATHOGENESE Les microbes peuvent être transmis par des contacts directs personne à personne, selon un transfert qui peut être de plusieurs formes : Transfert vertical : baiser, relation sexuelle, éternuement (distance inférieure à 1m), contact Transfert horizontal : placenta, allaitement Contact indirect : via l environnement, air, poussière, nourriture, eau, objets souillés Via un vecteur : interne, externe LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 45

5 Les portes d entrée aux microorganismes sont nombreuses (blessure, perfusion, sonde, cathéter, implants, etc.), et tout support extérieur, même dans des conditions stériles, peut porter un microorganisme se développant selon un biofilm. Nous y trouvons directement de grandes quantités de pathogènes, ou au moins une quantité étant capable de trouver les nutriments nécessaires à leur multiplication. Il y a donc fixation de ceux-ci puis multiplication, engendrant une éventuelle production de toxines ainsi qu une altération des tissus induisant à l état pathologique. Il existe plusieurs types de pathogènes : Les pathogènes obligatoires ne peuvent en dehors de leur hôte, ce sont plus souvent des espèces parasites que l on ne retrouve que peu chez les bactéries. Les pathogènes accidentels n ont pas pour but de provoquer la maladie, mais c est lors d un contact accidentel avec l homme au sein de leur milieu de vie (en général le sol et l eau) que celle-ci est provoquée. La virulence n est donc pas indispensable à la survie du microorganisme. Nos prendrons comme exemple Clostridium tetani, l agent responsable du tétanos. Les pathogènes opportunistes font partie de la microflore normale et vivent selon un mode de vie commensaliste, mais peuvent présenter une certaine pathogénie chez des individus immunodéprimés. ADHESION L adhésion d un microorganisme à la surface d un tissu, pouvant être considérée comme facteur de virulence, est liée à la présence de facteurs d adhésion : les fimbriae et les adhésines. Toutes les bactéries ne sont pas capables d adhésion sur n importe quel type cellulaire : il existe une certaine spécificité épithéliale. Celle-ci est en partie due au fait que les adhésines consistent en des glyco ou lipoprotéines reconnues par des protéines réceptrices de l épithélium hôte. L adhésion n est cependant pas synonyme obligatoire de virulence. Prenons l exemple d E. coli et Neissera gonorrhae qui ne présentent pas de pathogénicité en cas d adhésion plus forte. Pour qu un microorganisme devienne virulent, il est nécessaire qu il se multiplie et colonise le milieu. Or, cette capacité de colonisation est liée à l adhésion du microorganisme. C est en cela que l on caractérise les bactéries pathogènes comme capables d adhésion, de multiplication puis de colonisation. ET PARFOIS, PENETRATION BACTERIES NON INVASIVES A la suite de l adhésion, les bactéries ont la possibilité de pénétrer l épithélium. Dans le cas où il n y a pas de pénétration, les bactéries sont considérées comme non invasives, au sein desquelles nous avons : Bordetela pertussis, agent de la coqueluche Corynebacterium diphteriae, agent de la diphtérie Vibrio cholerae, agent du choléra LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 46

6 Helicobacter pylori, agent responsable d ulcères Celles-ci peuvent exercer leur pouvoir pathogène tout en restant à la surface des muqueuses, comme Helicobacter pylori. Capable de résister à un stress acide de ph 2, cette bactérie possède un équipement de protection efficace ainsi qu une enzyme uréase qui, libérée dans le milieu, induira la formation locale d ammoniac. Le ph de l acide chlorhydrique ainsi neutralisé induira l endommagement de l épithélium stomacal, mettant à nu les capillaires du tissu conjonctif. BACTERIES INVASIVES Au contraire des précédentes, les bactéries invasives pénètrent les épithéliums pour se développer sous la muqueuse. Dans certains cas, le premier siège de la prolifération se situe sous le site d infection, mais le plus souvent, les microorganismes se retrouveront au sein d une autre niche dans laquelle ils seront plus silencieux (comme les deux super-méchants ci-contre). Celle-ci peut être localisée dans des organes relativement distants de l infection, et ainsi endommager des cellules neuronales ou cardiaques, par exemple. La migration du site d infection au site de prolifération est effectuée à travers le système lymphatique ou le sang. Ce mécanisme se retrouve lors de la listériose, salmonellose, shigellose, et méningite. La microbiologie cellulaire et plus particulièrement l étude du cycle de réplication intracellulaire des bactéries invasives permettent de comprendre d un point de vue fondamental le fonctionnement de la cellule hôte. Un grand nombre de ces études ont été effectuées dans des laboratoires de niveau P2 et P3 de l institut Pasteur de Paris. CAS DE LISTERA MONOCYTOGENES Listeria monocytogenes est une bactérie responsable des infections des fromages crus résistante au sel et au froid. Chez l homme, elle envahit et pénètre l épithélium intestinal jusqu aux vacuoles, qu elle lysera. Chez les bactéries invasives dont Listera monocytogenes, les facteurs de virulence ont été mis en évidence grâce à la purification d une population, mutagénèse, puis recherche de mutants non pathogènes. C est grâce à l observation des processus physiologiques bloqués que les scientifiques ont réussi à isoler un gène inta codant pour l internaline, qui est une protéine responsable de l entrée du microorganisme dans les cellules épithéliales. Le deuxième facteur de virulence chez notre microorganisme d intérêt est une enzyme, la listériolysine, capable d hydrolyser les constituants de la vacuole. LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 47

7 Une fois la bactérie libérée dans le cytosol, elle se multipliera et métabolisera les composants s y trouvant en suspension pour sa propre croissance. Dans une cellule infectée, nous trouverons de 100 à 200 bactéries, dont des systèmes vidéo ont pu permettre la mise en évidence de leurs mouvements. Dans ce sens, les scientifiques ont finalement identifié un gène, ActA, codant pour une protéine recrutant l actine du cytosquelette de la cellule hôte. Celle-ci permet une poussée de la membrane jusqu à la création d une vacuole à double membrane qui sera lysée. COLONISATION ET FACTEUR DE VIRULENCE La multiplication de l agent pathogène peut provoquer un débordement des défenses immunitaires ainsi qu une absorption augmentée de nutriments. Certaines bactéries peuvent libérer des toxines, molécules cytotoxiques ayant pour but d endommager la cellule. Parmi l arsenal que possède le pathogène, nous trouvons différentes enzymes : les collagénases, que l on trouve chez le genre Clostridium, attaqueront l épithélium, l élastase endommagera les membranes, l hyaluronidase et deux autres enzymes dégraderont le ciment intercellulaire assurant une certaine cohésion et protection des tissus, la lécithinase entraînera plus directement la formation de pores dans les cellules en hydrolysant les phospholipides membranaires, la cellule hôte est ainsi perforée. La virulence est la capacité d un microorganisme à provoquer une maladie. Elle dépend de plusieurs facteurs, qui peuvent être : capacité d invasion, capacité de lésion, capacité de captage du fer via un sidérophore : la concentration sanguine en fer libre étant relativement faible (10-18 M), les microorganismes pathogènes développent des sidérophores qui peuvent être plus affins que les protéines de l hôte, comme la lactoferrine ou la transferrine. gène codant pour un changement de phase (reconnaissance entre gènes de fimbriae), capacité de recombinaison des gènes de structure codant pour les protéines des fimbriae, présence de plasmides fournissant une résistance à des antibiotiques ou codant pour des toxines, Etc. INTERACTIONS ENTRE MICROORGANISMES PATHOGENES ET CELLULES PHAGOCYTAIRES Les microorganismes possèdent néanmoins des stratégies de protection contre les phénomènes phagocytaires, dits facteurs anti-phagocytaires, dont quelques uns sont présentés ci-dessous : Facteur Agent pathogène Action Leucocidine Pneumocoque Destruction des lysosomes Streptococcus Staphylococcus Hémolysine Listeria Bordetella Formation de pores dans les lysosomes, provoquant la fuite de LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 48

8 Capsule Pneumocoque Méningocoque nutriments qui seront utilisés par les bactéries pathogènes pour se multiplier Protection contre la phagocytose Afin de donner quelques exemples, les microorganismes du genre Brucella, et plus particulièrement Brucella abortus connue pour provoquer des avortements au sein de cheptels ovins, pratiquent une reproduction au sein même des phagolysosomes. Legionella pneumophila est capable de former des microcolonies dans les monocytes. Mycobacterium tuberculosis peut se multiplier dans le macrophage. Comme quoi. LES TOXINES La virulence d un microorganisme étant fonction de sa capacité à provoquer des symptômes, nous ne pourrions pas continuer sans citer la production de toxines. Celles-ci sont classifiées en deux catégories : les endotoxines, et les exotoxines. LES ENDOTOXINES N étant rien d autre que le lipide A du LPS, nous les retrouverons uniquement chez les bactéries à Gram -. Celui-ci n est actif qu une fois libéré dans le milieu extérieur à la suite de l hydrolyse de la bactérie et la dégradation du LPS, et sa toxicité est nulle à faible dose. Cette molécule peu spécifique d un site n étant pas protéique, elle est thermostable. Elle est également peu immunogène, et l on ne dispose d aucun vaccin contre des bactéries à endotoxines. En cas d infection à bactéries Gram - importante et lorsque celle-ci mène à la libération du lipide A, nous observons en premier lieu une altération de l épithélium endothélial des vaisseaux sanguins. Ceux-ci vont alors véhiculer de l interleukine 1 IL-1 favorisant la thrombose, ainsi qu un facteur de coagulation de Hageman favorisant la fibrinolyse. Des plaquettes seront recrutées, et la fibrinolyse entraînera la digestion des fibrilles, provoquant de nouvelles hémorragies internes, détresse respiratoire, perte de conscience, chute de pression sanguine. TELEPOUAY Les endotoxines sont à l origine d une réaction pyrogène : en effet, l interleukine étant également un messager stimulant l hypothalamus des prostaglandines, cette élévation de température stimulera dans certains cas les lymphocytes T, dont le taux de phagocytose augmentera, provoquant également la réduction de fer disponible dans le sang. LES EXOTOXINES De nature protéique, elles sont thermolabiles. Libérées dans le milieu extérieur, elles diffusent vers d autres régions du corps. Parfois létales à faibles doses, elles sont spécifiques de l espèce, avec un mode d action et une structure propres à chacune d entre elles. Etant très immunogènes, des vaccins ont pu être développés, comme par exemple dans le cas de pathologies comme la diphtérie, le tétanos et la coqueluche, où celui-ci est orienté contre la toxine. Les toxines sont classées en fonction de leur type d action : LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 49

9 Entérotoxine : provoque dysenterie et troubles intestinaux, par exemple chez Vibrio cholerae Neurotoxine : perturbe l influx nerveux, entraînant une paralysie pouvant être assez rapide, comme par exemple chez Clostridium botulinum, agent responsable du botulisme dont la toxine est de 100 à 1000 fois plus efficace que le cyanure, ou Clostridium tetani, agent responsable du tétanos. Cytotoxines : substances tuent les cellules en elles-mêmes, en bloquant par exemple les synthèses protéiques ou détruisant les membranes cellulaires de différents organes essentiels. Cas de la diphtérie. Toxine pyrogénique : protéines stimulant la libération des cytokines, engendrant un pic de fièvre important aboutissant à un syndrome de choc anaphylactique, par exemple chez Staphylococcus aureus. Voyons un exemple de mode d action d une cytotoxine. Celle-ci est organisée en deux domaines : un domaine A porte la zone d activité enzymatique, et B un domaine de reconnaissance comprenant un récepteur compatible. Dès reconnaissance du domaine B par une cellule, tout ou partie du complexe AB est internalisé, et le site active interférera avec le chargement d un ARNt au niveau du ribosome en bloquant la traduction d une protéine. LSV Semestre 3 Microbiologie générale - 50

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