La découverte récente du premier gène de résistance plasmidique à la colistine mcr-1 a mis en évidence le besoin urgent d'améliorer la détection des isolats résistant à la colistine dans les laboratoires de microbiologie clinique afin de pouvoir rapidement isoler les patients porteurs. L’objectif de ma thèse a ainsi été de répondre à cette problématique par le développement et l’évaluation d’outils spécifiques. Une revue a été rédigée visant à résumer les nouveaux outils développés pour détecter la résistance aux polymyxines, y compris la présentation des méthodes actuelles phénotypiques, antibiogrammes et génotypiques. Le milieu de culture LBJMR a été développé pour détecter toutes les bactéries à Gram négatif résistantes à la colistine et également les souches d’entérocoques résistants à la vancomycine qui représentent un autre problème majeur de santé publique. LBJMR est polyvalent et a permis de dépister 3 bactéries d'intérêt clinique à partir d’un même échantillon: E. coli et K. pneumoniae résistantes à la colistine, et E. faecium résistant à la vancomycine. Un brevet a été déposé. Le kit UMIC Colistine est un dispositif commercial de détermination de la CMI basé sur la méthode de référence. Évalué conformément à la norme ISO 20776, sa sensibilité était excellente pour la détection des souches porteuses du gène mcr-1. Le kit UMIC Colistine constitue ainsi une méthode rapide et fiable pour évaluer la CMI des isolats cliniques dans les laboratoires de microbiologie clinique. Enfin, mes travaux de thèse ont compris l’analyse d’une souche de K. pneumoniae hétérorésistante à la colistine et la description d’une nouvelle espèce bactérienne : Pseudomonas massiliensis. / The recent discovery of mcr-1, the first plasmid-mediated colistin resistance gene, highlighted the urgent need to implement the detection of colistin-resistant isolates in clinical microbiology laboratories, in order to isolate carrier patients. My thesis aimed to address this issue by developing and evaluating specific tools. A review was redacted to summarize the new tools developed to detect polymyxin resistance including the current phenotyping, susceptibility testing and genotyping methods. The LBJMR culture medium has been developed to detect all colistin-resistant Gram-negative bacteria and also the vancomycin-resistant enterococci which represent another major problem of public health. The LBJMR medium allowed the detection of different bacteria of interest from the same clinical sample: colistin-resistant E. coli and K. pneumoniae and also a vancomycin-resistant E. faecium. This project led to a patent filing. The UMIC Colistine kit is a ready-to-use device based on the reference method to determine the polymyxin MIC. Evaluated in accordance with ISO 20776 standard, its sensitivity was excellent for the detection of colistin-resistant strains harboring the mcr-1 gene. The UMIC Colistin system is a rapid and reliable method to determine colistin MIC of clinical isolates in clinical microbiology laboratories. My thesis project also included the analysis of a colistin-heteroresistant Klebsiella pneumoniae strain, and the description of a new bacteril species, Pseudomonas massiliensis. These studies highlight the need to improve the detection of colistin-resistant strains by using reliable methods, suitable for diagnosis in clinical microbiology laboratories.

La colistine est un vieil antibiotique, utilisé à la fois en médecine humaine et vétérinaire. Cependant, l'arsenal antibiotique étant de plus en plus limité, la colistine apparait comme un des derniers remparts dans la lutte contre les bactéries multi-résistantes chez l'Homme. Afin de préserver l'efficacité de la colistine, deux problématiques ont été abordées dans cette thèse : (i) les risques de sélection de résistance à la colistine en lien avec la découverte fin 2015 d'un gène porté par un plasmide (mcr-1). Ainsi, l'impact de l'usage de colistine par voie orale en production porcine a été évalué in vivo et une absence de sélection a été observée dans nos conditions expérimentales. De façon similaire, l'usage (minoritaire) de colistine en médecine humaine comme prophylaxie de décontamination digestive sélective (SDD) a été étudié chez des rats hébergeant un microbiote intestinal humain. Les résultats préliminaires ne montrent pas non plus d'effet de sélection. (ii) le développement d'un modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie (PBPK) chez le porc pour l'usage par voie systémique de la colistine et de sa prodrogue, le colistine méthanesulfonate (CMS). Ce modèle a permis d'explorer la distribution tissulaire du CMS et de la colistine, notamment au niveau rénal où la toxicité est la plus fréquente. Comme application de ce modèle, l'estimation des temps d'attente avant abattage lors d'usage de CMS chez le porc a été effectué. Enfin, la capacité des modèles PBPK à réaliser des extrapolations intra et inter-espèces a été utilisé pour adapter ce modèle chez l'adulte et l'enfant, afin de pouvoir prédire les concentrations plasmatiques de colistine lors d'un traitement. / Colistin is an old antibiotic used in human and veterinary medicine. However, as less and less antibiotics are discovered, colistin is considered as a last-line antibiotic to fight against multi-drug resistant bacteria in human. In order to preserve the efficacy of colistin, two issues were investigated in this thesis:(i) Risks of selection of bacteria resistant to colistin, in conjunction with the discovery by the end of 2015 of a plasmid-mediated resistance gene (mcr-1). Thus, the impact of oral use of colistin in pigs was assessed in vivo and no selection was observed in our experimental conditions. Similarly, the use of colistin in human medicine for selective digestive decontamination was studied thanks to human flora‐associated rats. Preliminary results were also neither in favour of a selective effect of colistin.(ii) development of a physiologically-based pharmacokinetic model (PBPK) in pigs for the systemic use of colistin and its prodrug, the colistimethate sodium (CMS). This model provided a further insight into CMS and colistin tissue distribution, especially in kidneys where toxic effects are frequent. As a model application, the withdrawal period after use of CMS in pigs was estimated. Then, we used the ability of PBPK models to carry out intra and inter-species extrapolations in order to adapt this model in adults and children and eventually predict the plasmatic concentrations of colistin during a treatment with CMS.

La colistine, antibiotique appartenant à la famille des polymyxines, est un polypeptide cyclique, cationique, ciblant les membranes bactériennes. Elle est produite par Paenibacillus polymyxa via des complexes multi-enzymatiques appelés Non-Ribosomal Peptides Synthétases (NRPS). Dans le cas de la mucoviscidose, et malgré des effets secondaires importants, la colistine est utilisée comme ultime recours pour lutter contre les bactéries Gram-négatives multirésistantes responsables d’infections pulmonaires dont Pseudomonas aeruginosa. Jusqu’ici les systèmes génétiques à l’origine de la production de la colistine étaient peu connus. Au cours de cette étude, nous avons caractérisé par LC-MS haute résolution des molécules antimicrobiennes, dont des colistines, produites par un nouveau Paenibacillus. Afin d’identifier et de cloner le cluster de gène responsable de la production de ces antibiotiques, une banque d’ADN génomique a été construite et criblée par homologie de séquence avec des systèmes de production déjà connus. Ce criblage a permis de sélectionner quatre clones d’intérêt. L’étude in silico de leurs séquences a permis d’identifier les différents modules d’un nouveau cluster NRPS qui serait à l’origine de la synthèse de variants de la colistine. À terme, cette découverte pourrait permettre de mieux contrôler la production de la colistine et d’obtenir des composés plus actifs et/ou présentant des effets secondaires amoindris. En parallèle à ce premier travail, nous avons également recherché la présence de nouvelles NRPS chez une centaine de micro-organismes issus d’une station d’étude environnementale du laboratoire (vasière intertidale). Ce travail a permis de découvrir des nouvelles séquences et d’isoler un nouveau micro-organisme producteur d’antibiotique(s). / Colistin is a cationic cyclic polypeptide antibiotic belonging to the polymyxin family and targeting bacterial membranes. It is produced by Paenibacillus polymyxa through a Nonribosomal Peptide Synthetase (NRPS) mechanism. In the context of cystic fibrosis (CF), colistin is used for the treatment of lung infections caused by multiresistant Gram-negative bacteria including Pseudomonas aeruginosa. Unfortunately, this molecule is also known for its strong side effects. So far, genetic systems controlling the production of polymyxins were little known. In this study we characterized by High-resolution LC-MS the antimicrobial molecules, including colistins, of a new Paenibacillus. A genomic library of this strain was constructed and screened to identify genes involved in the production of these antibiotics. A degenerated PCR screening was performed and allowed to select four clones in the genomic library. In silico study allowed to identify a new NRPS gene cluster responsible for the biosynthesis of colistin variants. In the future, this work might allow the harnessing of the production of colistin derived structures, more active and/or showing fewer side effects. In parallel, a second investigation was performed in order to find new NRPS genes in a collection of one hundred intertidal mudflat bacterial isolates. This work has allowed the identification of new sequences and the characterization of a new antimicrobial producing strain.

Dans ce travail de thèse, l'efficacité de la voie intrapulmonaire et les paramètres biopharmaceutiques influençant la diffusion pulmonaire après nébulisation d'antibiotiques ont été évalués. La présence et l'impact de certaines pompes d'efflux dans un modèle in vitro de cellules primaires épithéliales pulmonaires de rat ont été testés. Trois fluoroquinolones et la colistine ont été utilisées comme molécules de référence. La combinaison des molécules testées a permis d'obtenir une vue d'ensemble des caractéristiques de diffusion intrapulmonaire des antibiotiques. L'étude in vivo avec les fluoroquinolones a démontré que les concentrations pulmonaires de ces molécules sont plus importantes que dans le plasma, probablement dû à la présence des transporteurs comme la glycoprotéine-P. La présence de ces transporteurs a été confirmée dans le modèle de cellules pulmonaires de rats. L'étude in vivo avec la colistine a montré qu'une lente diffusion pourrait conférer un avantage à la nébulisation par rapport à l'administration intraveineuse. En conclusion, l'administration par nébulisation des molécules, qui traversent les tissus lentement (colistine), pourrait être avantageuse, alors que pour d'autres, qui traversent vite la barrière (fluoroquinolones), la voie nébulisée pourrait ne pas présenter des avantages par rapport à la voie intraveineuse. De plus, les résultats ont démontré qu'une faible perméabilité à travers le poumon (colistine) pourrait donner un avantage à la nébulisation des antibiotiques, tandis qu'une affinité pour des transporteurs (fluoroquinolones) semble présenter un intérêt aussi bien dans le cadre d'une nébulisation que d'une administration intraveineuse. / The aim of this study was to investigate the efficiency of intrapulmonary administration and the biopharmaceutical parameters regulating the pulmonary diffusion following nebulization. We examined whether certain efflux pumps were present in an in vitro model of rat lung cells and whether these efflux pumps could be beneficial by increasing lung concentrations in vivo. Fluoroquinolones and colistin were the molecules used as reference. These different molecules allowed an overview of the intrapulmonary diffusion characteristics of antibiotics. The in vivo study with fluoroquinolones showed that their lung concentrations are higher than in plasma, probably due to glycoprotein-P. The presence of this efflux pump was confirmed in the model with rat lung cells. The in vivo study with colistin showed that a slow diffusion may confer an advantage for nebulization over intravenous administration. In conclusion, the nebulization molecules passing slowly (colistin) across the tissues may be advantageous, whereas for others, with a fast passage across the barrier (fluoroquinolones), the pulmonary route may not provide an advantage over the intravenous administration. Moreover, the results showed that a slow permeability across the lung (colistin) may confer an advantage for the antibiotic nebulization, while affinity by transporters (fluoroquinolones) is beneficial for both nebulization and intravenous administration.

Parmi les plus grandes menaces de la santé publique dans le monde entier, la résistance aux antibiotiques est à la pointe. Ceci en partie est dû à l'augmentation des infections causées par des bactéries pathogènes résistantes aux antibiotiques ainsi que la diminution du nombre actuel de nouveaux antibiotiques. Dans le souci de remédier à cette situation malheureuse, il y a eu récemment la ré-surfaçage des antibiotiques anciens et abandonnés comme les polymyxines. Colistine, un membre des antibiotiques de polymyxine, est maintenant considéré comme un antibiotique de «dernier recours» pour le traitement des infections bactériennes à Gram-négatives graves en raison de son action puissante contre ces agents pathogènes. Cependant, la résistance à la colistine parmi ces agents pathogènes a émergé dans plusieurs pays et est actuellement en augmentation. En raison de la nouvelle réintroduction relative de cet antibiotique, il ya un manque d'information complètes sur ses propriétés pharmacologiques ainsi que des mécanismes par lequel les bactéries développent une résistance contre celle-ci.Afin de combler ce manque d'information en ce qui concerne le mécanisme de résistance, nous avons donc entrepris ce projet. Tout d'abord, pour procéder à une surveillance épidémiologique des bactéries résistantes à la colistine chez les humains et les animaux domestiques et d'autre part, de décrypter les mécanismes moléculaires de résistance à la colistine parmi les bactéries résistantes isolées. / Among one of the greatest threats facing public health worldwide, antibiotic resistance is at the forefront. This is partly due to increase in infections caused by antibiotic-resistant pathogenic bacterial as well as the current dwindling number of new antibiotics. In a way to address this unfortunate situation, there have been recent resuscitation of old and abandoned antibiotics such as polymyxins. Colistin, a member of polymyxin antibiotics, is now regarded as a 'last-resort' antibiotic for the treatment of severe Gram-negative bacterial infections owing to its potent action against these pathogens. However, resistance to colistin among these pathogens has emerged in several countries and is currently on increase. Due to the relatively new reintroduction of this antibiotic, there is a lack of comprehensive information on its pharmacological properties as well as mechanisms by which bacteria develop resistance against it.In order to bridge this information gap in relation to the mechanism of resistance, we therefore undertook this project. First, to carry out an epidemiological surveillance of colistin-resistant bacteria in humans and domesticated animals and secondly, to decipher the molecular mechanisms mediating colistin resistance among the isolated resistant bacteria.

No description available.

No description available.

Les antibiotiques sont des molécules incontournables dans le traitement des infections bactériennes. L’émergence et la dissémination de la résistance aux antibiotiques chez la pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa, ont amené l’Organisation Mondiale de la Santé à déclarer indispensable le développement de nouvelles approches thérapeutiques pour lutter contre cette bactérie. Bien que certaines alternatives aient été envisagées, la préservation de l’activité d’antibiotiques majeurs tels que les aminosides et la colistine est primordiale. La caractérisation des mécanismes de résistance à ces médicaments est nécessaire pour la mise au point de nouvelles molécules et mieux prendre en charge les patients. Dans ce contexte, nous montrons que des mutations dans le gène fusA1 (codant le facteur d’élongation EF-G1A) et dans l’opéron pmrAB (système à deux composants PmrAB) entrainent une augmentation de la résistance aux aminosides chez des mutants isolés au laboratoire et des souches issues de patients, atteints ou non, de mucoviscidose. Certaines substitutions d’acide aminé dans EF-G1A accroissent les niveaux de résistance de 2 à 16 fois aux quatre sous-classes d’aminosides. Par ailleurs, des changements d’acide aminé dans le système à deux composants PmrAB activent l’expression des gènes PA4773-PA4774-PA4775, et la production de norspermidine et de spermidine. La synthèse de ces polyamines va de pair avec une baisse de 4 à 16 fois de la sensibilité aux aminosides à noyan 2-désoxystreptamine bisubstitué en 4,6 (gentamicine, amikacine et tobramycine). De plus, il apparaît que la résistance des mutants pmrB à la colistine est en partie dépendante de la pompe d’efflux MexXY(OprM), un système impliqué dans la résistance naturelle, adaptative ou acquise aux aminosides. Enfin, nous montrons que les mutants pmrB surproduisent des alcaloïdes contenant un motif azétidine, par une voie de synthèse non-ribosomale et dépendante du quorum sensing. Ces alcaloïdes diminuent la virulence de P. aeruginosa dans le modèle Galleria mellonella. / Antibiotics are invaluable drugs to combat bacterial infections. Emergence and spread of antibiotic resistance in the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa have led the World Health Organization to consider as a crucial priority the development of new therapeutic approaches to fight this bacterium. In addition to other alternatives, preservation of activity of major antibiotics such as aminoglycosides and colistin is primordial. Consequently, characterization of the resistance mechanisms to these drugs is a prerequisite to design novel molecules, and improve patient care. In this context, we show that mutations in gene fusA1 (encoding elongation factor EF-G1A) and in operon pmrAB (two-component system PmrAB) lead to an increased resistance to aminoglycosides in in vitro-selected mutants and strains isolated from cystic fibrosis (CF) and non-CF patients. Certain amino acid substitutions in EF-G1A confer a 2- to 16-fold increased resistance to the four aminoglycoside subclasses. On the other hand, amino acid variations in two-component system PmrAB activate the expression of genes PA4773-PA4774-PA4775, and production of norspermidine and spermidine. This upregulated polyamine biosynthesis is associated with a 4- to 16-fold decreased susceptibility to 4,6-di-substituted deoxystreptamine aminoglycosides (gentamicin, amikacin and tobramycin). Moreover, our work reveals that the acquired resistance of pmrB mutants to colistin partially depends upon pump MexXY(OprM), a system that otherwise mediates intrinsic, adaptive and acquired resistance to aminoglycosides. Finally, we show that pmrB mutants overproduce azetidine-containing alkaloids by a quorum-sensing-regulated, nonribosomal peptide synthetase pathway. These alkaloids impair the virulence of P. aeruginosa in a Galleria mellonella infection model.