Les agents antimicrobiens Introduction Ils sont utilisés : -dans les bio-industries : pour conserver les produits alimentaires, les cosmétiques -pour la désinfection du matériel et des surfaces partout dans les laboratoires, l agro-alimentaire, le pharmaceutique -en milieu médical ou pharmaceutique : pour traiter les plaies, lutter contre les maladies infectieuses Il existe différentes classes d agents antimicrobiens : -physiques : t C, rayonnements -chimiques : Javel, alcool, iode -chimiothérapeutiques : antibiotiques Quelques définitions importantes : Cf Document 1 : Définitions liées aux agents antimicrobiens Stérilisation Désinfection Décontamination Septique Aseptique Antiseptique Désinfectant Asepsie Bactéricide Fongicide Virucide Opération visant à éliminer de façon durable, tous les microorganismes vivants d un objet ou d un produit Opération au résultat momentané permettant d éliminer les micro-organismes portés sur des milieux inertes contaminés (surfaces, objets ) Opération au résultat momentané permettant d éliminer les micro-organismes au moment où l on effectue l opération Qualificatif d un milieu contenant des micro-organismes Qualificatif d un milieu ne contenant pas de micro-organismes Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d arrêter leur action) sur un tissu vivant Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d arrêter leur action) sur une surface inerte Ensemble de mesures permettant d empêcher tout apport extérieur de micro-organismes Se dit d un agent antimicrobien qui détruit les bactéries Se dit d un agent antimicrobien qui détruit les champignons (levures, moisissures) Se dit d un agent antimicrobien qui détruit les virus I-Les agents antimicrobiens utilisés pour la conservation des bioproduits
Quels sont les bioproduits concernés?, boissons, produits cosmétiques et pharmaceutiques, emballages Comment traiter un bioproduit pour assurer sa conservation? 1-Par ajout de composés à action antimicrobienne Il s agit de composés ajoutés dans le produit pour permettre sa conservation. on les appelle donc plus couramment des conservateurs Définition d un conservateur : substance chimique ajoutée en faible quantité dans un bioproduit ou dans un emballage de bioproduit pour permettre d empêcher le développement des micro-organismes et de préserver le produit. Ce sont des composés chimiques (naturels ou de synthèse) de différentes natures : Cf document 2 : Exemples de conservateurs Nature Exemples de conservateur Application Minérale Chlorure de sodium (NaCl) Dérivés de l azote : les nitrites (NO 2 ) Dérivés du soufre : les sulfites (SO 2 ) Saumure, marinade, poissons séchés Jambon Vins, bières Organique CO 2 Ethanol (alcool) Acide citrique Acide lactique Sucres Parabènes Sodas Alcools, fruits (à l eau de vie) Sodas Produits laitiers, crèmes cosmétiques Confitures Maquillages, shampoing Historiquement, à défaut de moyens modernes de conservation (réfrigération, pasteurisation ) l usage de conservateurs dans les aliments était indispensable et il a permis l élaboration de différents aliments transformés que l on utilise tous les jours : -les confitures permettent de conserver les fruits -les salaisons permettent de conserver les viandes et les poissons Cf document 3 : Utilisation historique de conservateurs Photo 1 : (tableau du 18ème siècle) Viandes faisandées la viande désèche naturellement et s acidifie empêchant ainsi la prolifération des micro-organismes Photo 2 : (gravure du 19 ème siècle) Paysan devant une assiette de poissons séchés
Photo 3: reconstitution des réserves de boeuf salé (Salt beef) pendant la guerre de Sécession (Etats Unis 19 ème siècle) Photo 4 : Publicité pour la conservation des fruits dans l eau de Vie 2-Par traitement avec des moyens physiques à action antimicrobienne Il existe plusieurs catégories de moyens physiques : 2.1-Les traitements thermiques Le froid ralentit la croissance des micro-organismes et permet d augmenter la durée de vie du produit. Il existe la réfrigération et la congélation. La conservation au froid n est pas forcément efficace sur toutes les flores : les microorganismes psychrophiles et psychrotrophes peuvent encore se développer au froid. Rappels : Micro-organisme psychrophile (il aime le froid) se développe de façon optimale vers 10-15 C mais peuvent pousser aussi jusqu à -5 C / -10 C pour certains. Micro-organisme psychrotrophe (il préfère le chaud mais s adapte au froid) se développe de façon optimale vers 20-40 C selon les espèces, mais peuvent encore pousser entre 0 et 4 C. Puisque certains micro-organismes peuvent encore se développer dans ces conditions, une conservation au froid ne suffit pas pour tous les bioproduits : il faut donc avoir recours à un autre traitement thermique, la chaleur. La chaleur permet de tuer les micro-organismes. Il existe plusieurs types de procédés thermiques : -la chaleur sèche (four) peu d application pour les bioproduits, surtout utilisée pour le traitement des emballages en verre ou les objets métalliques -la chaleur humide (traitement à l eau chaude ou à la vapeur) ayant des applications surtout en agro-alimentaire. Il existe de nombreuses méthodes utilisant la chaleur humide : (1) La pasteurisation : pouvant être réalisée à température modérée (63 C / 20 min on parle de basse pasteurisation) ou à température plus élevée (80 C / 2 min on parle de pasteurisation haute). On peut encore augmenter la température (140 C / qq secondes) : on parlera alors de stérilisation UHT (Ultra Haute Température) (2) L ébullition : l eau est portée à 100 C dans un récipient non clos.
(3) L autoclavage (équivalent industriel de la cocotte minute domestique) : la mise sous pression permet d augmenter la température d ébullition (vers 120 C) permettant de renforcer l impact de la chaleur. (4) L appertisation (plus simplement appelée la mise en conserve) : elle repose sur un passage à la chaleur, mais le produit a été préalablement introduit dans un récipient scellé (en verre ou en métal). (5) La tyndallisation : cette technique permet de détruire les spores bactériennes (qui ne sont pas éliminés par les traitements à 60, 80 ou 100 C). Elle concerne donc les produits qui ne peuvent être portés à cette température car ils seraient totalement dénaturés (conserves de viandes par exemple). La technique met en jeu plusieurs étapes de chauffage / froidissement. Schéma des étapes de la tyndallisation d un produit Document 4 : Traitement thermique utilisant la chaleur humide + comparaison Technologie Température / durée couramment utilisée Applications principales Destruction des formes végétatives Destruction des spores Impact sur le produit alimentaire (risque de dénaturation du produit) Pasteurisation basse 63 C / 20 min liquides Seulement les pathogènes Non Faible Pasteurisation haute 80 C/ 2 min liquides Pathogène + nombreuses autres flores Non Modéré Stérilisation UHT 140 C /qq s liquides Toutes Oui Sensible Ebullition 100 C / entre 1 à 2 h liquides et solides Toutes Non Sensible
Autoclavage 120 C / 20 min, cosmétiques Toutes Oui Sensible Appertisation 120 C / 20 min Toutes Oui Sensible Tyndallisation Cycle 60 C/30 + refroidissement ( x2) sensibles Toutes Oui Faible On constate que tous les procédés thermiques ne sont pas forcément utilisables sur les bioproduits car ils peuvent altérer l aspect, la texture et éventuellement le goût du produit. On doit donc utiliser dans certains cas de traitements physiques autres. 2.2-La filtration La filtration permet d éliminer mécaniquement les micro-organismes. Cela concerne des produits liquides sensibles (contenant par exemple beaucoup de glucides qui pourraient caraméliser à chaud) : sirops, bières, médicaments liquides En contexte industriel, on n utilise pas des membranes filtrantes (comme les filtrations en TP), mais des appareils fonctionnant en continu avec des cartouches de filtration. 2.3-Les rayonnements Les rayonnements UV, les rayons gamma ou la lumière pulsée (flash lumineux) permettent de tuer les micro-organismes. Par contre ces rayonnements sont généralement peu pénétrants : ils ne peuvent donc pas éliminer les microorganismes vraiment en profondeur dans un aliment ou un cosmétique. Ils sont donc surtout utilisés pour traiter les aliments en surface (fruits et légumes par exemple), les emballages (barquettes pour aliments, emballages de pansements ou médicaments ) ou pour diminuer le niveau de contamination de l air dans les locaux pharmaceutiques ou alimentaires. Cf Document 5 : Bactéries avant et après traitement par rayonnements II-Les agents antimicrobiens utilisés pour la désinfection des surfaces et des matériels Quels sont les équipement concernés? Paillasses de laboratoire, matériels de laboratoire et industriels, surface et locaux dans les ateliers de production Quels antimicrobiens sont utilisés? Les désinfectants 1-Propriétés des désinfectants
Les désinfectants sont des agents chimiques de différentes natures, capables de détruire les micro-organismes présent sur une surface inerte. Ils sont utilisés à haute dose et ne sont pas spécifiques (ils détruisent de nombreuses sortes de microorganismes). Pour augmenter l efficacité d une désinfection, on peut généralement augmenter la concentration du désinfectant et augmenter le temps de contact avec les surfaces à traiter (Cf AT Destruction de S.aureus en fonction du temps de contact du Surfanios) Remarque : l utilisation à haute dose d un désinfectant permet une utilisation seulement sur des surfaces inertes. Sur un tissu vivant, on ne les utilise pas car ils entraineraient une toxicité. 2-Exemples de désinfectants Ils peuvent être utilisés sous forme : -de poudre : oxyde de calcium (chaux vive) Utilisée pour la désinfection des sols dans les élevages animaliers. -de gaz : dioxyde de chlore (ClO 2 ), ozone (O 3 ), formaldéhyde (HCOH) Utilisés pour la désinfection de l air, des murs et des environnements difficiles d accès dans les laboratoires et les locaux de production. -de liquide (usage le plus courant) : eau de Javel (hypochlorite de sodium NaClO), alcool à 90, eau oxygénée (peroxyde d hydrogène H 2 O 2 ), ammonium quaternaire (molécules contenant 4 groupements reliés sur un atome d azote R 4 -N + ) Utilisés principalement pour la désinfection des sols, des surfaces planes et des appareillages. 3-Association détergent - désinfectant De nombreux désinfectants du commerce sont en réalité associés avec un détergent. Le détergent est un composé qui permet de décoller et dissoudre les souillures présentes sur une surface (y compris les micro-organismes) afin de permettre au désinfectant d être plus efficace. Mode d action combiné d un détergent + désinfectant Sans détergent Avec détergent
III-Les agents antimicrobiens utilisés en contexte médical ou pharmaceutique Dans quel contexte a-t-on recours à ces antimicrobiens et à quelle famille appartiennent-ils? Pour le traitement des infections de surfaces / plaies antiseptique Pour le traitement d infections bactériennes «internes» antibiotique 1-Les antiseptiques Les antiseptiques sont des agents chimiques de différentes natures, capables de détruire les micro-organismes présent sur un tissu vivant externe (peau le plus souvent). Ils ne sont pas spécifiques (ils détruisent de nombreuses sortes de microorganismes). Le principe actif antiseptique peut : -ne présenter aucune toxicité pour le tissu vivant il peut être utilisé à haute dose (iode bétadine, éosine ) -présenter un risque de toxicité pour le tissu vivant il est utilisé dans ce cas à plus faible concentration (mercurochrome, javel diluée Dakin, alcool 70, chlorohexidine ). Remarque : selon la concentration d usage, un même principe actif peut être utilisé soit comme désinfectant, soit comme antiseptique Javel concentrée : désinfectant Javel diluée : antiseptique 2-Les antibiotiques Le premier antibiotique découvert est la pénicilline. Découverte par hasard en 1928 par Flemming : il travaillait sur des cultures bactériennes qui ont été contaminées par une moisissure, Penicillium. Il constata que le développement de la moisissure inhibait le développement des bactéries : le Penicillium produisait donc un composé à action antimicrobienne Cf document 6 : Découverte de la pénicilline 2.1-Propriétés des antibiotiques Ce sont des composés chimiothérapeutiques (c est à dire que ce sont des composés chimiques utilisés pour traiter une maladie = médicaments) : un traitement par antibiotique est donc appelé une antibiothérapie. Ils sont d origine naturelle (produits par d autres micro-organismes) ou synthétique. Comparaison avec les désinfectants et les antiseptiques -On les utilise par voie générale, c est à dire qu il sont absorbés puis assimilés dans l organisme (via la circulation sanguine). -Ils sont utilisés à faible dose (de l ordre du mg)
-Ils ont une action spécifique : ils n agissent que sur les bactéries (pas sur les levures et moisissures, pas sur les virus). Selon le nombre de genre bactérien sur lequel ils peuvent agir, on dit qu ils ont un spectre d action plus ou moins large : -spectre étroit l ATB est actif sur un genre bactérien, -spectre large l ATB est actif sur de nombreux genres bactériens. -Ils ne détruisent pas systématiquement les bactéries, certains bloquent simplement la croissance bactérienne. On distingue donc deux groupes : -ATB bactériostatique bloque la croissance bactérienne, -ATB bactéricide tue les bactéries. Vu la diversité des possibilité d action des antibiotiques (spectre variable, effet bactériostatique / bactéricide), on sélectionnera alors le ou les antibiotiques les plus adaptés pour traiter une pathologie donnée. 2.2-Les différentes familles d antibiotiques Il existe de nombreuses familles d antibiotiques qui seront classées en fonction de leur mode d action sur les bactéries. Ce sont des molécules ayant une structure chimique généralement complexe. Cf document 7 : Principales familles d antibiotiques 2.3-Détermination de l efficacité des antibiotiques Cf document 8 : Détermination de l efficacité des antibiotiques -Comment nomme t-on la technique d étude? L antibiogramme -Comment expliquer, dans certains cas, qu en dessous d une certaine concentration en ATB, la souche arrive tout de même à se développer? Lorsque, dans la gélose, la concentration en ATB devient inférieure à la CMI, la souche peut se développer. Voir animations flash «Diffusion ATB 1 et 2» Rappel : CMI (concentration minimale inhibitrice) = plus petite concentration d un antimicrobien permettant d inhiber visiblement la croissance d un micro-organisme. -Comment choisir le bon ATB pour traiter une pathologie ou une bactérie donnée? Après réalisation de l antibiogramme, il faut mesurer pour chaque ATB testé le diamètre de la zone d inhibition. A l aide d une règle de mesure (abaque), on peut alors vérifier la sensibilité où la résistance de la souche. Si la souche est sensible à un antibiotique donné, il sera utilisable dans le cadre d un traitement.
-Lors d un traitement antibiotique, le médecin impose une posologie (quantité de médicaments à ingérer par intervalle de temps, exemple : 2 comprimés de 500 mg, 2x par jour). Pourquoi impose-t-il cette posologie maximale? Car l antibiotique peut devenir toxique au delà d une certaine concentration. -Quelle peut donc être la signification des concentrations critiques inférieures et supérieures (CCI et CCS) évoquées dans le document? Ces valeurs représentent la concentration sanguine an ATB chez le patient lorsqu il reçoit un traitement ATB standard avec une posologie de routine (CCI) ou bien avec une posologie renforcée (CCS). Il n est pas possible d augmenter la posologie au delà de la CCS car sinon risque de toxicité pour le patient. En résumé, les souches vis à vis d un ATB peuvent être : -résistantes l ATB est non utilisable pour un traitement, -intermédiaires l ATB est peu recommandé, car il oblige à utiliser une forte posologie, -sensible l ATB est utilisable pour le traitement. IV-Mode d action des différentes solutions antimicrobiennes Cf document 9 : Mode d action des antimicrobiens Antimicrobien Microorganismes cibles Mortalité? Mode d action Réfrigération, congélation Non Ralentissement du métabolisme ralentissement de la croissance Chaleur (sèche ou humide : pasteurisation, appertisation, etc.) Oui bactéricide Destruction des protéines par dénaturation thermique : -élimine les protéines de structure des membranes et paroi apparition de pores et vide du contenu cellulaire -émiline les enzymes (nature protéique) arrêt du métabolisme Filtration (si taille > aux pores) Non au moment de la filtration Elimination mécanique
Rayonnements Oui bactéricide Impact sur les acides nucléiques (ADN, ARN) : -la cellule ne peut plus dupliquer son matériel génétique (arrêt de croissance) -les anomalies créées empêchent la fabrication de constituants cellulaires normaux (arrêt du renouvellement des constituants cellulaires) Désinfectant, antiseptiques Oui bactéricide De nombreux modes d actions possibles selon le principe actif : -Dissolution des membranes, dénaturation des protéines création de pores et vide du contenu cellulaire -Oxydation de composés cellulaires arrêt métabolique De nombreuses cibles possibles selon l antibiotique : Antibiotiques Bactéries Bactéricide oui Bactéristatique non
Document 1 : Définitions liées aux agents antimicrobiens Opération visant à éliminer de façon durable, tous les microorganismes vivants d un objet ou d un produit Opération au résultat momentané permettant d éliminer les micro-organismes portés sur des milieux inertes contaminés (surfaces, objets ) Opération au résultat momentané permettant d éliminer les micro-organismes au moment où l on effectue l opération Qualificatif d un milieu contenant des micro-organismes Qualificatif d un milieu ne contenant pas de micro-organismes Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d arrêter leur action) sur un tissu vivant
Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d arrêter leur action) sur une surface inerte Ensemble de mesures permettant d empêcher tout apport extérieur de micro-organismes Agent antimicrobien qui détruit les bactéries Agent antimicrobien qui détruit les champignons (levures, moisissures) Agent antimicrobien qui détruit les virus Document 2 : Exemples de conservateurs Nature Exemples de conservateur Application Saumure, marinade, poissons séchés Minérale Dérivés de l azote : les nitrites (NO 2 ) Dérivés du soufre : les sulfites (SO 2 ) Sodas Alcools, fruits (à l eau de vie) Acide citrique Organique Acide lactique Confitures Parabènes Document 3 : Utilisation historique de conservateurs
Document 4 : Traitement thermique utilisant la chaleur humide Autoclave Pasteurisateur Document 4 (suite) : Traitement thermique utilisant la chaleur humide Technologie Température / durée couramment utilisée Applications principales Destruction des formes végétatives Destruction des spores Impact sur le produit alimentaire (risque de dénaturation du produit)
Pasteurisation basse 63 C / 20 min liquides Pasteurisation haute 80 C/ 2 min liquides Stérilisation UHT 140 C /qq s liquides Ebullition 100 C / entre 1 à 2 h liquides et solides Autoclavage 120 C / 20 min, cosmétiques Appertisation 120 C / 20 min Tyndallisation Cycle 60 C/30min + refroidissement ( x2) sensibles Document 5 : Bactéries avant et après traitement par rayonnements Document 6 : Découverte de la pénicilline
Document 7 : Principales familles d antibiotiques Famille d antibiotique Exemples commerciaux Pénicillines Céphalosporines Aminosides Macrolides Tétracyclines Quinolones Sulfamides Amoxicilline, Augmentin, Clamoxyl Céfazoline, Orelox, Fortam Tobrafen, Garamycin collyre Zithromax, Clarithromycine, Aknilox Doxycicline, Aknin, Minac Avalox, Tarvid, Ciproxine Bactrim, Nopil, Salazopyrin Indications Bronchites, pneumonies, infections ORL, méningites Bronchites, pneumonies, infections ORL, méningites Maladies infectieuses, infections oculaires, maladies intestinales, plaies infectées Infections bucco-dentaires, infections ORL, infections génitales Acné, infections génitales, infections pulmonaires Infections urinaires et génitales ATB de seconde intention pour les infections uro-génitales persistantes Exemple : structure générale d une pénicilline (la partie R est variable selon le groupe de pénicilline)
Document 8 : Détermination de l efficacité des antibiotiques On réalise un antibiogramme : après étalement de la souche bactérienne à tester sur gélose Mueller Hinton, on dépose différents disques comportant des antibiotiques pré-imprégnés. Les antibiotiques diffusent dans la gélose de façon à former un gradient de concentration (la concentration décroit plus on s éloigne du disque). On obtiendra une zone d inhibition de la croissance bactérinne autour du disque de cet antibiotique A l aide de vos connaissances et des informations du document, répondre aux questions suivantes : -Comment nomme t-on la technique d étude? -Comment expliquer, dans certains cas, qu en dessous d une certaine concentration en ATB, la souche arrive tout de même à se développer? -Comment choisir le bon ATB pour traiter une pathologie ou une bactérie donnée? -Lors d un traitement antibiotique, le médecin impose une posologie (quantité de médicaments à ingérer par intervalle de temps, exemple : 2 comprimés de 500 mg, 2x par jour). Pourquoi impose-t-il cette posologie maximale?
-Quelle peut donc être la signification des concentrations critiques inférieures et supérieures (CCI et CCS) évoquées dans le document? Document 9 : Mode d action des antimicrobiens Antimicrobien Microorganismes cibles Mortalité? Mode d action Réfrigération, congélation Ralentissement du métabolisme ralentissement de la croissance Chaleur (sèche ou humide : pasteurisation, appertisation, etc.) Destruction des protéines par dénaturation thermique : -élimine les protéines de structure des membranes et paroi apparition de pores et vide du contenu cellulaire -émiline les enzymes (nature protéique) arrêt du métabolisme Filtration (si taille > aux pores) Rayonnements Impact sur les acides nucléiques (ADN, ARN) : -la cellule ne peut plus dupliquer son matériel génétique (arrêt de croissance) -les anomalies créées empêchent la fabrication de constituants cellulaires normaux (arrêt du renouvellement des constituants cellulaires) Désinfectant, antiseptiques Antibiotiques De nombreux modes d actions possibles selon le principe actif : -Dissolution des membranes, dénaturation des protéines création de pores et vide du contenu cellulaire -Oxydation de composés cellulaires arrêt métabolique De nombreuses cibles possibles selon l antibiotique :
Document 9 : Mode d action des antimicrobiens Antimicrobien Microorganismes cibles Mortalité? Mode d action Réfrigération, congélation Ralentissement du métabolisme ralentissement de la croissance Chaleur (sèche ou humide : pasteurisation, appertisation, etc.) Destruction des protéines par dénaturation thermique : -élimine les protéines de structure des membranes et paroi apparition de pores et vide du contenu cellulaire -émiline les enzymes (nature protéique) arrêt du métabolisme Filtration (si taille > aux pores) Rayonnements Impact sur les acides nucléiques (ADN, ARN) : -la cellule ne peut plus dupliquer son matériel génétique (arrêt de croissance) -les anomalies créées empêchent la fabrication de constituants cellulaires normaux (arrêt du renouvellement des constituants cellulaires) Désinfectant, antiseptiques De nombreux modes d actions possibles selon le principe actif : -Dissolution des membranes, dénaturation des protéines création de pores et vide du contenu cellulaire -Oxydation de composés cellulaires arrêt métabolique
De nombreuses cibles possibles selon l antibiotique : Antibiotiques