Peptides aux propriétés antimicrobiennes et leurs analogues obtenus par modification.

Résumé : L'augmentation observée de la résistance aux antibiotiques est actuellement l'un des principaux problèmes de la médecine moderne. L'utilisation inappropriée et l'abus des préparations disponibles ont considérablement réduit leur efficacité en raison de l'apparition d'un nombre croissant de micro-organismes résistants. Des recherches sont actuellement menées pour développer des agents thérapeutiques plus efficaces agissant sur les organismes pathogènes selon des mécanismes de défense naturels (peptides antimicrobiens) et leurs modifications possibles, obtenant ainsi leurs analogues.

Mots-clés : peptides antimicrobiens ; modifications chimiques ; cyclisation ; conjugués avec des médicaments ; lipidation

Liste des abréviations : AMP – peptides antimicrobiens

Concept de résistance aux médicaments

La résistance aux médicaments désigne la capacité des agents pathogènes et parasites à résister à l'action des médicaments. Cela signifie que ces pathogènes peuvent vivre et se reproduire en présence d'un médicament qui devrait normalement les détruire ou inhiber leur croissance, mais ce n'est pas le cas. La résistance aux médicaments peut être divisée en deux types : la résistance innée et la résistance acquise. La première est une caractéristique typique des microbes, tandis que la résistance acquise résulte du contact avec le médicament, par modification de leur matériel génétique, ce qui entraîne une résistance au médicament.

Peptides aux propriétés antimicrobiennes – caractéristiques

Les peptides antimicrobiens (AMP) sont un groupe de composés composés de 10 à 50 résidus d'acides aminés. La charge nette, comprise entre +2 et +9, résulte de la présence de résidus de L-arginine, L-lysine ou L-histidine dans la chaîne peptidique. La synthèse des AMP peut se faire de deux manières. La première est la traduction ribosomale de l'ARNm qui se produit dans tous les organismes, tandis que la seconde est la synthèse non ribosomale des peptides, principalement réalisée par les bactéries. Les peptides synthétisés par la voie non ribosomale, tels que les antibiotiques à base de polymyxines et de gramicidine S, sont largement utilisés pour leurs propriétés antimicrobiennes. Cependant, de plus en plus souvent, en raison de leurs propriétés stimulant l'immunité innée, les peptides produits par synthèse ribosomale trouvent également des applications. Les peptides antimicrobiens sont isolés à partir de divers organismes.

Défensines en tant qu’AMP animales

La majorité des peptides antimicrobiens ont été isolés à partir de poissons, amphibiens et mammifères. La plus grande quantité a été observée dans les phagocytes, neutrophiles, macrophages et sécrétions des cellules épithéliales. Les composés les plus actifs sont les défensines, en raison de leurs propriétés modulant la réponse immunitaire de l'organisme hôte. Les défensines sont des peptides antimicrobiens amphipathiques riches en résidus d'acides aminés basiques et en L-cystéine, présents chez les animaux et les plantes. Leur activité antimicrobienne cible un large éventail de bactéries Gram-positives, Gram-négatives et de champignons. On distingue trois classes de défensines : α-, β- et θ-, qui diffèrent par la topologie de leurs ponts disulfures.

Les α-défensines les plus connues sont : HNP1-4 produites principalement dans le placenta, le col de l’utérus et la muqueuse intestinale, les composés HD5 et HD6 présents dans les glandes salivaires, la paroi du tractus gastro-intestinal, urinaire et la muqueuse oculaire, ainsi que NP5 présentes dans les cellules de Paneth. Les β-défensines constituent la classe la plus diversifiée d’AMP, en raison de leur longue évolution, étant détectées dans le matériel génétique de tous les vertébrés classifiés à ce jour. Les θ-défensines, parmi les plus récemment découvertes, incluent les peptides RTD1-3. Les défensines présentent un large spectre d’activité antimicrobienne et participent activement à la défense immunitaire des organismes, par exemple, l’α-défensine humaine HD5 élimine efficacement les infections causées par Salmonella typhimurium et Staphylococcus aureus, tandis que RTD-1 a une action biocide contre Escherichia coli.

Peptides AMP végétaux

Les peptides antimicrobiens se trouvent dans toutes les espèces végétales. Une caractéristique des AMP végétaux est la présence de résidus de L-cystéine et de plusieurs ponts disulfures, qui contribuent à maintenir une structure compacte assurant une résistance protéolytique et chimique. Les AMP végétaux, notamment les thionines, défensines et cyclotides, sont composés de 45 à 47 résidus d’acides aminés dans la chaîne. On distingue deux sous-groupes de thionines : 8c, qui possèdent huit résidus de L-cystéine dans la séquence formant quatre ponts disulfures, et 6c, qui en possèdent six et trois liaisons -S-S respectivement.

Peptides aux propriétés antimicrobiennes – propriétés

Comme méthode innovante pour traiter la résistance aux médicaments, les peptides antimicrobiens sont de plus en plus utilisés avec succès. Ils présentent une forte activité contre les bactéries Gram-négatives et Gram-positives, les virus et les champignons. De plus, les peptides antimicrobiens ont la capacité de neutraliser les toxines bactériennes, d’inhiber les réactions pro-inflammatoires et la formation de biofilms, ainsi que d’accélérer la cicatrisation des plaies.

Mécanisme de pénétration des AMP dans la cellule

La pénétration des AMP à l’intérieur des cellules bactériennes peut se faire par différents mécanismes. Dans la plupart des cas, il y a désintégration des membranes cellulaires des micro-organismes par lyse, via des interactions électrostatiques et hydrophobes entre les fragments chargés positivement des résidus de L-arginine ou L-lysine et les zones des membranes bactériennes chargées négativement. Trois principaux modèles décrivent la pénétration des peptides antimicrobiens à travers les enveloppes externes des micro-organismes : le modèle du bouchon de tonneau, le modèle du tapis et le modèle des pores toroïdaux.

a) Le modèle du bouchon de tonneau repose sur l’interaction des peptides amphipathiques à structure α-hélicoïdale avec la membrane bactérienne, formant des canaux transmembranaires ou des pores avec des fragments hydrophiles orientés vers l’intérieur. Cela entraîne l’insertion verticale des AMP dans la structure lipidique de la membrane, perturbant le potentiel transmembranaire et le gradient ionique. Ces phénomènes inhibent la synthèse d’ATP et augmentent la perméabilité membranaire, conduisant à un gonflement cellulaire et à l’osmose ;

b) Le modèle du tapis consiste en la liaison du peptide à la membrane et la formation d’un « tapis » à sa surface. Les chaînes peptidiques s’alignent à l’extérieur de la membrane de manière à ce que leurs régions hydrophiles soient orientées vers les fragments hydrophiles des phospholipides, et les régions hydrophobes vers le cœur de la membrane. Grâce aux interactions électrostatiques, les fragments chargés positivement de la chaîne peptidique AMP se lient aux phospholipides chargés négativement, réduisant la perméabilité de la membrane par la structure du tapis peptidique, puis la membrane est détruite, formant finalement des structures micellaires ;

c) Le modèle des pores toroïdaux repose sur l’agrégation des AMP à la surface de la bicouche lipidique, provoquant son pliage vers l’intérieur. Les régions hydrophiles de la chaîne peptidique se lient aux têtes polaires des lipides membranaires, entraînant la désintégration de la membrane et la formation de pores plus larges que dans le modèle du bouchon de tonneau.

Exemples de modifications chimiques des AMP

Malgré leurs nombreux avantages, les peptides antimicrobiens présentent aussi plusieurs limitations liées à leur utilisation, ce qui conduit à la conception d’analogues synthétiques contenant la séquence clé pour l’activité antimicrobienne ou basés sur les AMP natifs. Voici quelques exemples :

1. Cyclisation

Quatre types de cyclisation de la chaîne peptidique des AMP naturels sont connus : entre les extrémités N- et C-terminales de la chaîne, entre l’extrémité N- ou C-terminale et un groupe fonctionnel situé dans la chaîne latérale d’un acide aminé de la séquence, et au sein même des chaînes latérales (Fig.4). Ces processus améliorent la stabilité du peptide, augmentant sa résistance à la dégradation par les enzymes protéolytiques. Les analogues AMP issus de la cyclisation ont montré des propriétés telles qu’une activité antimicrobienne accrue contre des souches d’Escherichia coli et Bacillus subtilis, une action biocide contre des bactéries Gram-positives (différentes souches de Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) et Gram-négatives (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae), ainsi que leur utilisation pour les brûlures cutanées, les soins des plaies postopératoires et la prévention des infections.

2. Conjugués avec des médicaments

Un autre type de modification chimique des AMP est la liaison covalente avec des antibiotiques, ce qui améliore leur activité antimicrobienne et réduit la dose thérapeutique du médicament, éliminant ainsi les effets indésirables. Les analogues AMP issus de cette modification ont montré une augmentation de l’activité antimicrobienne contre des souches d’Escherichia coli et Bacillus subtilis, une action biocide contre des bactéries Gram-positives, une absence de toxicité pour les cellules épithéliales et les érythrocytes humains, une action biocide sur des souches de staphylocoques, et une utilisation dans le traitement de la pneumonie communautaire, de la sinusite bactérienne aiguë et de la pyélonéphrite.

3. Lipidation

L’une des modifications post-traductionnelles importantes est la lipidation, qui, en plus de réguler les fonctions des peptides et protéines, augmente leur affinité pour les membranes cellulaires. L’efficacité des analogues conçus dépend de la quantité et du type d’acides gras attachés ainsi que de la longueur des chaînes carbonées. L’incorporation de groupes lipidiques dans les chaînes peptidiques permet notamment de modifier la solubilité dans l’eau des nouveaux composés synthétisés, leur capacité à s’auto-organiser et leur stabilité thermique. Les analogues AMP issus de la lipidation ont montré une augmentation de l’activité antimicrobienne contre des bactéries Gram-positives (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis), Gram-négatives (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) et des champignons (Candida albicans, Candida tropicalis et Aspergillus brasiliensis).

Conclusion

L’un des problèmes majeurs de la médecine moderne est l’utilisation fréquente des antibiotiques, ce qui entraîne l’émergence de nouvelles espèces microbiennes résistantes. Une solution pour éliminer ce problème croissant pourrait être l’utilisation de peptides antimicrobiens, éléments du système immunitaire inné de l’organisme. Le terme AMP désigne généralement des composés chargés positivement et de structure amphipathique, responsables de la modulation de leurs propriétés antimicrobiennes contre un large éventail de bactéries, virus et champignons. Le coût élevé de production et la biodisponibilité limitée des AMP naturels ont rendu nécessaire la recherche de nouveaux composés modèles, dont l’action repose sur les mécanismes connus à ce jour.

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