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 excessive des préparations disponibles a considérablement réduit leur efficacité en raison de l'apparition d'un nombre croissant de micro-organismes résistants. Les recherches actuelles visent à développer des agents thérapeutiques plus efficaces agissant sur les organismes pathogènes par le biais de mécanismes de défense trouvés dans la nature (peptides antimicrobiens) et leurs modifications possibles, donnant lieu à leurs analogues.

Mots-clés : peptides antimicrobiens ; modifications chimiques ; cyclisation ; conjugués médicamenteux ; lipidation

Liste des abréviations : AMP – peptides antimicrobiens

Le concept de résistance aux médicaments

La résistance aux médicaments est un terme désignant la résistance que possèdent les agents pathogènes et parasites contre l'action des médicaments. Cela signifie que ces agents pathogènes ont la capacité de vivre et de se reproduire en présence d'un médicament qui devrait provoquer leur destruction ou inhibition, mais cela ne se produit pas. La résistance aux médicaments peut être divisée en deux types : la résistance innée aux médicaments et la résistance acquise aux médicaments. Alors que la première est une caractéristique généralement associée aux microbes, la résistance acquise résulte du contact avec un médicament, par modification de leur matériel génétique, ce qui conduit au développement de la résistance au médicament.

Peptides antimicrobiens – caractéristiques

Les peptides antimicrobiens (AMP) sont un groupe de composés composés de 10 à 50 résidus d'acides aminés. La charge nette allant de +2 à +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 se produit par traduction ribosomale de l'ARNm qui a lieu dans tous les organismes, tandis que la seconde implique une synthèse peptidique non ribosomale réalisée principalement par des bactéries. Les peptides synthétisés par synthèse non ribosomale, tels que les antibiotiques à base de polymyxines et de gramicidine S, trouvent une large application en raison de leur activité antimicrobienne. De plus en plus, cependant, en raison de leurs propriétés stimulant l'immunité innée, les peptides issus de la synthèse ribosomale trouvent des applications. Les peptides antimicrobiens sont isolés de divers organismes.

Défensines en tant qu’AMP animales

Le groupe des peptides antimicrobiens a été principalement isolé chez les poissons, amphibiens et mammifères. La plus grande quantité a été observée dans les phagocytes, neutrophiles, macrophages et sécrétions des cellules épithéliales. Parmi les composés ayant la plus grande activité biocide figurent les défensines, en raison de leurs propriétés permettant la modulation de 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 biocide est dirigée contre un large éventail de bactéries Gram-positives, Gram-négatives et de champignons. Trois classes de défensines sont distinguées : α-, β- et θ-, qui diffèrent par la topologie des 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 trouvés dans les glandes salivaires, la paroi du tractus digestif, le tractus urinaire et la muqueuse oculaire, ainsi que NP5 présente dans les cellules de Paneth. Les β-défensines constituent la classe la plus diversifiée d’AMP, ayant été façonnées sur la plus longue période d’évolution en raison de leur détection dans le matériel génétique de tous les vertébrés classés à ce jour. Les θ-défensines, les plus récemment découvertes, incluent les peptides RTD1-3. Les défensines présentent un large spectre d’activité antimicrobienne en participant activement à la défense immunologique des organismes ; par exemple, l’α-défensine humaine HD5 élimine efficacement les infections causées par Salmonella typhimurium et Staphylococcus aureus, tandis que RTD-1 présente une activité 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, qui comprennent notamment les thionines, les défensines et les cyclotides, sont composés de 45 à 47 résidus d'acides aminés dans la chaîne. Deux sous-groupes de thionines sont distingués : 8c, qui possèdent huit résidus de L-cystéine dans la séquence formant quatre ponts disulfures, et 6c, qui en ont six et correspondent à trois liaisons -S-S.

Peptides antimicrobiens – propriétés

En tant que méthode innovante de traitement de 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 démontrent la capacité de neutraliser les toxines bactériennes, d’inhiber les réactions pro-inflammatoires et les processus de formation de biofilms, ainsi que d’accélérer la cicatrisation des plaies.

Mécanisme de pénétration des AMP dans la cellule

La pénétration des AMP dans les cellules bactériennes peut se faire par différents mécanismes. Dans la grande majorité des cas, il y a désintégration des membranes cellulaires microbiennes par lyse, via des interactions électrostatiques et hydrophobes entre les fragments chargés positivement des résidus de L-arginine ou L-lysine et les régions chargées négativement des membranes bactériennes. Trois modèles principaux du mode de pénétration des peptides antimicrobiens dans les enveloppes externes des micro-organismes sont distingués : le modèle barrel-stave, le modèle tapis et le modèle toroïdal.

a) Le modèle barrel-stave repose sur l’interaction des peptides amphipathiques à structure α-hélicoïdale avec la membrane bactérienne, avec formation de canaux transmembranaires ou pores dont les fragments hydrophiles sont dirigés vers l’intérieur. Cela provoque l’incorporation des AMP dans l’armature lipidique de la membrane en position verticale et perturbe le potentiel transmembranaire ainsi que le gradient ionique. Ces phénomènes inhibent la synthèse d’ATP et augmentent la perméabilité membranaire, entraînant un gonflement cellulaire et une osmose ;

b) Le modèle tapis implique la liaison du peptide à la membrane et la formation d’un « tapis » à sa surface. Les chaînes peptidiques s’organisent 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. Par des interactions électrostatiques, les fragments chargés positivement de la chaîne peptidique AMP se lient aux phospholipides chargés négativement, la perméabilité de la membrane est restreinte par la structure en tapis du peptide, et la membrane est ensuite détruite, formant finalement des structures micellaires ;

c) Le modèle de pore toroïdal repose sur l’agrégation des AMP à la surface de la bicouche lipidique, provoquant son incurvation vers l’intérieur. Les régions hydrophiles de la chaîne peptidique se lient aux têtes polaires des lipides membranaires, conduisant à la désintégration de la membrane et à la formation de pores plus larges que dans le modèle barrel-stave.

Exemples de modifications chimiques des AMP

Malgré leurs nombreux avantages, les peptides antimicrobiens présentent également de nombreuses limites liées à leur application, ce qui conduit à la conception d’analogues synthétiques contenant la séquence clé de l’activité antimicrobienne ou basés sur les AMP natifs. Nous présentons ci-dessous quelques exemples :

1. Cyclisation

Quatre types de cyclisation de la chaîne peptidique des AMP naturels sont connus : entre les fragments N- et C-terminaux de la chaîne, entre le N- ou C-terminus de la chaîne peptidique et un groupe fonctionnel situé dans la chaîne latérale d’un des acides aminés présents dans la séquence, et au sein même des chaînes latérales (Fig. 4). L’effet de ces processus est une amélioration de la stabilité du peptide, ce qui se traduit par une plus grande résistance à la dégradation par les enzymes protéolytiques. Les analogues d’AMP résultant de la modification par cyclisation ont présenté des propriétés telles qu’une activité antimicrobienne accrue contre les souches d’Escherichia coli et Bacillus subtilis, une activité biocide contre les bactéries Gram-positives (diverses souches de Staphylococcus aureus et Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) et les bactéries Gram-négatives (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae), ainsi que l’utilisation de cet analogue AMP dans les brûlures cutanées, les soins des plaies post-opératoires et la prévention des infections.

2. Conjugués médicamenteux

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 la survenue d’effets indésirables. Les analogues d’AMP résultant de la modification par conjugués médicamenteux ont présenté des propriétés telles qu’une activité antimicrobienne accrue contre les souches d’Escherichia coli et Bacillus subtilis, une activité biocide contre les bactéries Gram-positives, une absence de toxicité pour les cellules épithéliales et les érythrocytes humains, une activité biocide contre les souches staphylococciques, et l’utilisation de l’analogue dans le traitement de la pneumonie communautaire, de la sinusite bactérienne aiguë et de la pyélonéphrite.

3. Lipidation

L’une des modifications post-traductionnelles les plus importantes est la lipidation, qui, en plus de réguler les fonctions des peptides et protéines, provoque également une augmentation de leur affinité pour les membranes cellulaires. L’application des analogues conçus est déterminée par la quantité et le type d’acides gras attachés ainsi que par la longueur des chaînes carbonées. L’incorporation de groupes lipidiques dans les chaînes peptidiques permet, entre autres, de modifier la solubilité dans l’eau des composés nouvellement synthétisés, leur capacité d’auto-organisation et leur stabilité thermique. Les analogues d’AMP résultant de la modification par lipidation ont présenté des propriétés telles qu’une activité antimicrobienne accrue contre les bactéries Gram-positives (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis), les bactéries Gram-négatives (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) et les champignons (Candida albicans, Candida tropicalis et Aspergillus brasiliensis).

Résumé

L’un des problèmes majeurs de la médecine moderne est l’utilisation fréquente des antibiotiques, ce qui entraîne le développement de nouvelles espèces microbiennes résistantes. Une façon d’éliminer ce problème croissant pourrait être l’utilisation de peptides antimicrobiens, qui sont un composant du système immunitaire inné de l’organisme. Le terme AMP désigne le plus souvent des composés à charge positive et à structure amphipathique, responsable de la modulation de leurs propriétés antimicrobiennes contre un large éventail de bactéries, virus et champignons. Les coûts élevés de production et la biodisponibilité limitée des AMP naturels ont nécessité la recherche de nouveaux composés modèles dont l’activité repose sur des mécanismes identifiés précédemment.

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