Des nanoparticules comme pompe à efflux et inhibiteur de biofilm pour rajeunir l'effet bactéricide des antibiotiques conventionnels

Revue

Les infections chroniques identifiées par les biofilms sont difficiles à éradiquer car elles sont capables de résister à la fois aux antibiotiques et au système immunitaire de l'hôte [1]. La barrière du biofilm est l'une des principales raisons de la conversion des infections aiguës en infections chroniques [2]. Comme l'indique le rapport de l'institut national de la santé et du centre de contrôle des maladies, environ 65 à 80 % des maladies sont causées par des bactéries induisant un biofilm, principalement par des bactéries à Gram négatif Pseudomonas aeruginosa et Escherichia coli et bactérie Gram-positive Staphylococcus aureus [3]. Les antibiotiques se sont révélés inefficaces dans le traitement des infections possédant le biofilm, en raison de leur capacité limitée à traverser le rempart du biofilm et à extirper les cellules bactériennes ciblées [4]. De plus, les bactéries ont développé un système d'efflux unique pour drainer les substances toxiques et les déchets à l'extérieur de la cellule bactérienne [5]. Les pompes à efflux sont des protéines de transport liées à la membrane ayant un large spectre de spécificité de substrat et une immense capacité d'exclusion de médicaments [6].

Toutes ces maladies associées à des problèmes liés au biofilm et aux pompes à efflux conduisent à l'émergence de bactéries multirésistantes (MDR) ou de bactéries résistantes étendues (EDR) ; pour cette raison, des nanoparticules en conjonction avec des antibiotiques conventionnels ont été proposées comme approche alternative pour éradiquer ou endommager le biofilm ainsi que pour traiter les infections MDR ou EDR.

Ces nouveaux antimicrobiens, les nanoparticules métalliques, non seulement renforcent l'activité antimicrobienne des antibiotiques existants mais ravivent également leur activité bactéricide. L'application synergique d'antibiotiques et de nanoparticules métalliques a montré davantage leur effet antimicrobien potentiel que leur application individuelle [7, 8]. L'utilisation de nanoparticules avec des antibiotiques comme anti-biofilm ou inhibiteur de pompe à efflux a été bien examinée et explorée [1, 9,10,11]. Les nanoparticules métalliques ont été largement utilisées pour traiter les infections dans les lignées cellulaires humaines en raison de leur faible cytotoxicité (dépendante de la concentration), de leur surface spécifique élevée et de leur activité antibactérienne à large spectre [12,13,14]. De plus, l'application combinée de nanoparticules métalliques avec un antibiotique réduit leur concentration en tant que dosage médicamenteux et diminue donc la toxicité des deux agents pour les lignées cellulaires humaines [15]. Cette revue met l'accent sur l'application synergique des nanoparticules avec des antibiotiques comme anti-biofilm et inhibiteur de la pompe à efflux sur laquelle des recherches approfondies ont été menées pour lutter contre les infections causées par les agents pathogènes MDR ou EDR.

Les nanoparticules comme inhibiteurs de la pompe à efflux

Différentes études ont été menées pour déterminer le mode d'action des nanoparticules en tant qu'agent bactéricide. Cependant, les nombreux points sur le mécanisme d'action inhibitrice des nanoparticules sur les micro-organismes restent encore à résoudre. L'un des mécanismes possibles de l'activité bactéricide des nanoparticules est attribué à l'inhibition des pompes à efflux. Banoëe et al. en 2010, ont présenté un nouveau rôle inhibiteur de la pompe à efflux des nanoparticules d'oxyde de zinc sur les pompes à efflux NorA de S. aureus . Ils ont découvert une augmentation de 27 et 22% de la zone d'inhibition de la ciprofloxacine en présence de nanoparticules d'oxyde de zinc dans S. aureus et E. coli , respectivement [16]. Par la suite, Padwal et al. en 2014, proposer le concept d'utilisation synergique de nanoparticules d'oxyde de fer (magnétite) enrobées d'acide polyacrylique (PAA-MNP) avec la rifampicine contre Mycobacterium smegmatis en mettant l'accent sur le rôle inhibiteur de l'efflux du PAA-MNP. Ils ont utilisé une fusion de PAA-MNP et de rifampicine dans M. smegmatis ce qui a entraîné une inhibition de la croissance quatre fois supérieure à celle de la rifampicine seule. Cela peut s'expliquer par une accumulation multipliée par trois d'antibiotiques à l'intérieur des cellules bactériennes, comme le prouvent des études de transport en temps réel sur un substrat de pompe à efflux commun, le bromure d'éthidium [17].

Il existe deux mécanismes possibles par lesquels les nanoparticules métalliques peuvent entraver le fonctionnement des pompes à efflux. Un mécanisme possible est la liaison directe de nanoparticules métalliques au site actif des pompes à efflux, bloquant l'extrusion d'antibiotiques à l'extérieur des cellules. Les nanoparticules métalliques peuvent ici agir comme un inhibiteur compétitif de l'antibiotique pour le site de liaison des pompes à efflux [18]. Un autre mécanisme possible est la perturbation de la cinétique d'efflux. L'effet des nanoparticules d'argent pour la perturbation de la cinétique d'efflux de la pompe d'efflux MDR, MexAM-OPrM, a déjà été examiné dans P. aeruginosa [19]. Il peut être suggéré que les nanoparticules métalliques peuvent entraîner l'arrêt du gradient de protons suivi d'une perturbation du potentiel membranaire ou d'une perte de la force motrice des protons (PMF), entraînant une détérioration de la force motrice essentielle à l'activité de la pompe à efflux [18, 20, 21]. Cependant, la contrainte majeure dans la liaison directe des nanoparticules avec les pompes à efflux est leur petite taille et leur réactivité. De plus, les nanoparticules peuvent également se lier à d'autres protéines membranaires plutôt que d'interagir simplement avec les pompes d'efflux, et à cause de cela, la possibilité que les nanoparticules s'associent en particulier à un transporteur d'efflux à chaque fois au cours de l'exposition est limitée.

Christine et al. a montré plus tôt dans leurs études concernant le rôle inhibiteur d'efflux des nanoparticules de cuivre sur la pompe d'efflux NorA, en partie en raison de la génération d'ions Cu(II) à partir de nanoparticules de cuivre. Cet effet partiel provenant directement des nanoparticules de cuivre peut impliquer l'interaction directe des nanoparticules avec les pompes à efflux, soutenant la première hypothèse, tandis qu'un effet partiel dû à la libération d'ions Cu(II) pourrait indiquer la perturbation du potentiel membranaire et la perturbation du fonctionnement des pompes à efflux, soutenant la deuxième hypothèse [9]. Chatterjee et al. ont également révélé la perte de potentiel membranaire de E. coli cellules de -185 à -105 et -75 mV après croissance de cellules bactériennes en présence de concentration de 3,0 et 7,5 μg/ml de nanoparticules de cuivre, respectivement, pendant 1 h [22]. Le mécanisme explicite du rôle inhibiteur de l'efflux des nanoparticules reste encore déroutant et nécessite des recherches plus approfondies.

Les nanoparticules comme agent anti-biofilm

Le biofilm offre une résistance aux bactéries, mais ce défi s'intensifie si le biofilm est produit par des bactéries résistantes aux médicaments [23]. De nombreuses études ont montré d'énormes capacités des nanoparticules métalliques à désintégrer la barrière de biofilm épais à travers les différents modes d'action [24,25,26,27]. Le pouvoir de pénétration des nanoparticules métalliques reste toujours une caractéristique utile pour les utiliser contre les infections par biofilm [28,29,30]. Cette fusion unique de deux modalités différentes, les nanoparticules et l'antibiotique, a ouvert une nouvelle voie pour lutter contre les bactéries MDR ou EDR productrices de biofilm.

L'une des études éloquentes a été menée par Gurunathan et al. élucider l'effet bactéricide et anti-biofilm augmenté de différents antibiotiques avec des nanoparticules d'argent. L'utilisation symbiotique d'ampicilline et de nanoparticules d'argent a considérablement amélioré l'inhibition du biofilm chez les bactéries Gram-négatives et Gram-positives de 70 et 55%, respectivement, contrairement à environ 20% d'inhibition du biofilm après traitement avec des nanoparticules d'argent seules. De même, l'application combinée de nanoparticules d'argent et de vancomycine entraîne une inhibition du biofilm de 55 et 75 % chez les bactéries Gram-négatives et Gram-positives, respectivement [10]. Ces résultats suggèrent l'utilisation alternative de nanoparticules avec des antibiotiques pour induire l'inhibition du biofilm, ouvrant des possibilités cliniques pour une nouvelle thérapie.

Un effet similaire a également été observé pour les nanoparticules de cuivre et les nanoparticules d'oxyde de zinc en utilisant en synergie avec des antibiotiques. Selon cette étude, l'unification des nanoparticules de cuivre et des antibiotiques a montré une activité anti-biofilm plus efficace par rapport à la combinaison de nanoparticules d'oxyde de zinc et d'antibiotiques chez les bactéries Gram-positives et Gram-négatives. Cette inhibition accrue avec les nanoparticules de cuivre peut être due à l'extrusion d'ions Cu(II) générés à partir de nanoparticules. Les nanoparticules de cuivre et les nanoparticules d'oxyde de zinc couplées à un antibiotique spécifique ont montré un effet anti-biofilm amélioré en présence de 2% de glucose, révélant des interactions de liaison accrues entre les nanoparticules métalliques et l'antibiotique en présence de glucose [9]. Le revêtement de nanoparticules métalliques avec des glucides peut transformer l'interaction nanoparticule-cellule, l'absorption cellulaire et la cytotoxicité [31].

L'alliance entre les systèmes d'efflux et la détection de quorum

Les pompes à efflux jouent un rôle important dans la signalisation de cellule à cellule des biomolécules pour aider à la formation de biofilm. Un mécanisme probable pour lutter contre la résistance aux médicaments consiste à utiliser les inhibiteurs de la pompe à efflux pour bloquer le mécanisme de détection du quorum, ce qui entrave finalement la formation de biofilm. Plusieurs études ont déjà été menées pour montrer le rôle des pompes à efflux dans le quorum sensing [23, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39]. La relation mécanistique explicite entre les pompes à efflux et la formation de biofilm n'est toujours pas entièrement comprise. Une justification viable pourrait être le rôle des pompes à efflux pour extruder les composants critiques requis dans la détection de quorum. Cet aspect fonctionnel a déjà été proposé dans des études antérieures [40,41,42,43,44,45,46]. Une altération de l'extrusion de la molécule de signalisation par l'application d'inhibiteurs de la pompe à efflux peut affecter le processus de détection du quorum ou de signalisation de cellule à cellule [47, 48] (Fig. 1).

Utilisation de nanoparticules métalliques comme inhibiteur de pompe à efflux pour empêcher l'extrusion de molécules de signalisation à détection de quorum (cercle rouge rempli ) à l'extérieur des cellules bactériennes à l'aide de nanoparticules métalliques (cercle rempli de jaune ) pour bloquer la pompe d'efflux (bouteille remplie ) entraînant une liaison réduite de la molécule de signalisation à son récepteur (cylindre vide ) et entrave à la formation de biofilm

Une autre justification viable pourrait être le rôle des pompes à efflux pour exporter les sous-produits toxiques et les déchets à l'extérieur des cellules. Les cellules à métabolisation rapide dans le biofilm peuvent s'appuyer sur le système conducteur pour extruder les sous-produits nocifs et les déchets résultant de diverses activités biochimiques se déroulant à l'intérieur des cellules bactériennes [49]. Cet aspect fonctionnel a également été proposé dans l'étude menée par Kvist et al. en 2008 [50]. L'utilisation d'inhibiteurs de la pompe d'efflux pour bloquer ce système conducteur peut entraîner une accumulation plus élevée de sous-produits toxiques à l'intérieur des cellules bactériennes, réduisant finalement la formation de biofilm (Fig. 2).

Utilisation de nanoparticules métalliques comme inhibiteur de pompe à efflux pour empêcher l'extrusion de sous-produits toxiques de réactions biochimiques (cercle rouge rempli ) à l'extérieur des cellules bactériennes à l'aide de nanoparticules métalliques (cercle rempli de jaune ) pour bloquer la pompe d'efflux (bouteille remplie ) entraînant une entrave à la formation de biofilm

Certaines études ont également suggéré que les pompes à efflux affectaient l'agrégation cellulaire en transmutant les propriétés de la membrane cellulaire et affectant finalement la formation de biofilm [47]. De nombreuses études ont déjà été menées pour déduire l'effet des nanoparticules en combinaison avec des antibiotiques en tant qu'agent antibactérien et anti-biofilm amélioré. Le tableau 1 contient un résumé de ces études.

L'une des études récentes a été menée par Barapatre et al., déduisant l'activité antibactérienne et anti-biofilm synergique améliorée des nanoparticules d'argent en combinaison avec l'amikacine, la kanamycine, l'oxytétracycline et l'antibiotique streptomycine contre les bactéries Gram-positives et Gram-négatives. Centralisant sur la chimie verte, les nanoparticules d'argent ont été synthétisées par la réduction enzymatique du nitrate d'argent en engageant deux champignons dégradant la lignine, à savoir, Aspergillus flavus et Emericella nidulans . Il a été suggéré d'utiliser des nanoparticules comme sonde avec des antibiotiques conventionnels pour augmenter l'activité antibactérienne et anti-biofilm contre les microbes pathogènes [51]. La perturbation de la fonction dépendante de l'ATP, telle que l'inhibition de la pompe à efflux, a été signalée comme l'un des mécanismes potentiels de l'effet synergique des antibiotiques et des nanoparticules métalliques [52].

Un certain nombre de rapports ont démontré avec succès l'application de nanoparticules contre deux mécanismes divers de résistance bactérienne, à savoir les pompes d'efflux MDR et la formation de biofilm, à travers lesquels les bactéries échappent à l'action des antibiotiques conventionnels. Cette revue représente une approche nouvelle et prometteuse pour utiliser des nanoparticules métalliques en synergie avec des antibiotiques en tant qu'inhibiteur de la pompe à efflux et agent anti-biofilm à la fois pour lutter contre la résistance aux antibiotiques.

Conclusions

Dans le scénario actuel, il y a un besoin urgent d'une approche innovante pour contrôler les infections MDR. Les pompes à efflux jouent un double rôle, l'un est d'extruder les antibiotiques et l'autre est d'aider à la formation de biofilm en expulsant les biomolécules importantes pour la détection du quorum, contribuant finalement à la virulence des agents pathogènes bactériens. Le blocage des pompes d'efflux MDR à travers les nanoparticules sera utile dans les deux sens; il bloque l'efflux d'antibiotique à l'extérieur des cellules bactériennes et augmente ainsi l'effet des antibiotiques conventionnels, et également, il bloque l'efflux de biomolécules à détection de quorum et diminue ainsi la capacité de formation de biofilm des cellules bactériennes. Cette approche réduit la nécessité de mener de nouvelles recherches pour étudier un nouvel inhibiteur de pompe à efflux ou un nouvel antibiotique, mais encourage l'utilisation de nanoparticules métalliques (utilisant comme inhibiteur de pompe à efflux) en synergie avec les antibiotiques conventionnels. Cela contribuera également à réduire le coût, le temps et le problème de cytotoxicité des nanoparticules dans les lignées cellulaires humaines qui peuvent supporter une concentration plus faible de nanoparticules métalliques. Ce serait une nouvelle approche pour cibler les pompes d'efflux, en réduisant les signaux de détection de quorum afin de supprimer la formation de biofilm.

Perspectives futures

L'évolution bactérienne a entraîné l'adoption de divers mécanismes pour inverser l'effet bactéricide des antibiotiques et du système immunitaire de l'hôte. Elle conduit à la génération d'infections multirésistantes reflétant un besoin urgent de découvrir de nouvelles approches pour lutter contre les infections MDR ou XDR. Avec l'émergence de la résistance aux antibiotiques, l'utilisation symbiotique de nanoparticules métalliques avec des antibiotiques conventionnels offre une meilleure alternative pour lutter contre la résistance aux antibiotiques. L'application des nanoparticules comme inhibiteurs de la pompe à efflux peut être d'une grande importance dans deux directions diversifiées mais aboutissant à un seul résultat, à savoir lutter contre les infections bactériennes. Le mécanisme d'action exact des nanoparticules pour bloquer les pompes à efflux doit encore être étudié. Il est probable que la perturbation du PMF pourrait être un mécanisme indirect probable par lequel les nanoparticules pourraient inhiber l'efflux. L'un des défis majeurs de cette approche est lié à la réactivité des nanoparticules qui peuvent les amener à s'associer à d'autres protéines membranaires plutôt qu'à des protéines de transport d'efflux. Ceci peut être surmonté en préparant des nanoparticules ciblées en les liant avec des anticorps monoclonaux anti-efflux ou des lectines. Cette inhibition appropriée les calibrera pour se concentrer sur un lieu particulier. Un autre défi considérable peut être le problème de toxicité, en utilisant cette approche en raison du rapport surface/volume important des nanoparticules de petite taille qui doit être optimisé avant la validation finale.