Pénicilline -Penicillin

Pénicilline
Noyau de pénicilline.svg
Structure centrale de la pénicilline, où "R" est le groupe variable
Donnée clinique
AHFS / Drugs.com Informations détaillées pour le consommateur Micromedex
Voies d'
administration
Intraveineux , intramusculaire , par la bouche
Code ATC
Statut légal
Statut légal
Données pharmacocinétiques
Métabolisme Foie
Demi-vie d' élimination Entre 0,5 et 56 heures
Excrétion Reins

Les pénicillines ( P , PCN ou PEN ) sont un groupe d' antibiotiques obtenus à l'origine à partir de moisissures Penicillium , principalement P. chrysogenum et P. rubens . La plupart des pénicillines utilisées en clinique sont synthétisées par P. chrysogenum en utilisant une fermentation en cuve profonde , puis purifiées. Un certain nombre de pénicillines naturelles ont été découvertes, mais seuls deux composés purifiés sont utilisés en clinique : la pénicilline G ( voie intramusculaire ou intraveineuse ) et la pénicilline V(administré par voie orale). Les pénicillines ont été parmi les premiers médicaments à être efficaces contre de nombreuses infections bactériennes causées par les staphylocoques et les streptocoques . Ils font partie des antibiotiques β-lactamines . Ils sont encore largement utilisés aujourd'hui pour différentes infections bactériennes, bien que de nombreux types de bactéries aient développé une résistance suite à une utilisation intensive.

Environ 10 % des personnes déclarent être allergiques à la pénicilline ; cependant, jusqu'à 90% de ce groupe peut ne pas être réellement allergique. Les allergies graves ne surviennent que dans environ 0,03 %. La recherche souligne l'importance pour les médecins et les patients de discuter des allergies à la pénicilline enregistrées. Les personnes allergiques à la pénicilline reçoivent le plus souvent de la céphalosporine C (un autre antibiotique β-lactame) car il n'y a que 10% de croisement d'allergie entre les pénicillines et les céphalosporines.

La pénicilline a été découverte en 1928 par le scientifique écossais Alexander Fleming sous forme d'extrait brut de P. rubens . L'étudiant de Fleming, Cecil George Paine, a été le premier à utiliser avec succès la pénicilline pour traiter une infection oculaire ( ophtalmie néonatale ) en 1930. Le composé purifié (pénicilline F) a été isolé en 1940 par une équipe de recherche dirigée par Howard Florey et Ernst Boris Chain à l'Université de Oxford. Fleming a utilisé pour la première fois la pénicilline purifiée pour traiter la méningite streptococcique en 1942. Pour cette découverte, Fleming a partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine de 1945 avec Florey et Chain.

Plusieurs pénicillines semi-synthétiques sont efficaces contre un spectre plus large de bactéries : il s'agit notamment des pénicillines antistaphylococciques , des aminopénicillines et des pénicillines antipseudomonales .

Nomenclature

Le terme "pénicilline" est défini comme le produit naturel de la moisissure Penicillium à activité antimicrobienne. Il a été inventé par Alexander Fleming le 7 mars 1929 lorsqu'il a découvert la propriété antibactérienne de Penicillium rubens . Fleming a expliqué dans son article de 1929 dans le British Journal of Experimental Pathology que "pour éviter la répétition de l'expression plutôt encombrante" Filtrat de bouillon de moisissure ", le nom" pénicilline "sera utilisé." Le nom fait donc référence au nom scientifique du moule, tel que décrit par Fleming dans sa conférence Nobel en 1945 :

On m'a souvent demandé pourquoi j'avais inventé le nom "pénicilline". J'ai simplement suivi des lignes parfaitement orthodoxes et inventé un mot qui expliquait que la substance pénicilline était dérivée d'une plante du genre Penicillium tout comme il y a de nombreuses années, le mot " Digitale " a été inventé pour une substance dérivée de la plante Digitalis .

Dans l'usage moderne, le terme pénicilline est utilisé plus largement pour désigner tout antimicrobien β-lactame contenant un cycle thiazolidine fusionné au noyau β-lactame et pouvant être ou non un produit naturel. Comme la plupart des produits naturels, la pénicilline est présente dans les moisissures Penicillium sous la forme d'un mélange de composants actifs ( la gentamicine est un autre exemple de produit naturel qui est un mélange mal défini de composants actifs). Les principaux composants actifs de Penicillium sont listés dans le tableau suivant :

Nom chimique Nomenclature britannique Nomenclature américaine Puissance relative
à la pénicilline G
2-penténylpénicilline Pénicilline I Pénicilline F 70–82 %
Benzylpénicilline Pénicilline II Pénicilline G 100%
p -Hydroxybenzylpénicilline Pénicilline III Pénicilline X 130–140 %
n -heptylpénicilline Pénicilline IV Pénicilline K 110–120 %

Les autres composants actifs mineurs de Penicillium comprennent la pénicilline O , la pénicilline U1 et la pénicilline U6. D'autres constituants nommés du Penicillium naturel , tels que la pénicilline A, se sont révélés par la suite ne pas avoir d'activité antibiotique et ne sont pas chimiquement liés aux pénicillines antibiotiques.

La constitution précise de la pénicilline extraite dépend de l'espèce de moisissure Penicillium utilisée et des milieux nutritifs utilisés pour la culture de la moisissure. La souche originale de Fleming de Penicillium rubens produit principalement de la pénicilline F, du nom de Fleming. Mais la pénicilline F est instable, difficile à isoler et produite par la moisissure en petite quantité.

La principale souche commerciale de Penicillium chrysogenum (la souche Peoria) produit de la pénicilline G comme composant principal lorsque la liqueur de maïs est utilisée comme milieu de culture. Lorsque du phénoxyéthanol ou de l'acide phénoxyacétique sont ajoutés au milieu de culture, la moisissure produit à la place de la pénicilline V comme pénicilline principale.

L'acide 6-aminopénicillanique (6-APA) est un composé dérivé de la pénicilline G. Le 6-APA contient le noyau bêta-lactame de la pénicilline G, mais avec les chaînes latérales retirées ; Le 6-APA est un précurseur utile pour la fabrication d'autres pénicillines. Il existe de nombreuses pénicillines semi-synthétiques dérivées du 6-APA et celles-ci sont réparties en trois groupes : les pénicillines antistaphylococciques, les pénicillines à large spectre et les pénicillines antipseudomonales. Les pénicillines semi-synthétiques sont toutes appelées pénicillines car elles sont toutes dérivées en fin de compte de la pénicilline G.

Unités de pénicilline

  • Une unité de pénicilline G sodique correspond à 0,600 microgrammes. Par conséquent, 2 millions d'unités (2 mégaunités) de pénicilline G correspondent à 1,2 g.
  • Une unité de pénicilline V potassium correspond à 0,625 microgramme. Par conséquent, 400 000 unités de pénicilline V correspondent à 250 mg.

L'utilisation d'unités pour prescrire de la pénicilline est un accident historique et est largement obsolète en dehors des États-Unis. Étant donné que la pénicilline d'origine était un mélange mal défini de composés actifs (une poudre jaune amorphe), la puissance de chaque lot de pénicilline variait d'un lot à l'autre. Il était donc impossible de prescrire 1 g de pénicilline car l'activité de 1 g de pénicilline d'un lot serait différente de l'activité d'un autre lot. Après fabrication, chaque lot de pénicilline devait être standardisé par rapport à une unité connue de pénicilline : chaque flacon de verre était alors rempli du nombre d'unités nécessaires. Dans les années 1940, un flacon de 5 000 unités Oxford était standard, mais selon le lot, il pouvait contenir de 15 mg à 20 mg de pénicilline. Plus tard, un flacon de 1 000 000 d'unités internationales est devenu la norme, et il pouvait contenir 2,5 g à 3 g de pénicilline naturelle (un mélange de pénicilline I, II, III et IV et d'impuretés naturelles). Avec l'avènement des préparations de pénicilline G pure (une poudre cristalline blanche), il n'y a plus de raison de prescrire la pénicilline en unités.

L '«unité» de pénicilline a eu trois définitions précédentes, et chaque définition a été choisie comme étant à peu près équivalente à la précédente.

  • Unité Oxford ou Florey (1941). Cela a été défini à l'origine comme la quantité minimale de pénicilline dissoute dans 50 ml d'extrait de viande qui inhiberait la croissance d'une souche standard de Staphylococcus aureus (l' Oxford Staphylococcus ). L'étalon de référence était un grand lot de pénicilline impure conservé à Oxford . Le test a ensuite été modifié par le groupe de Florey en un "test en coupelle" plus reproductible : dans ce test, une solution de pénicilline était définie comme contenant une unité/ml de pénicilline lorsque 339 microlitres de la solution étaient placés dans une "tasse" sur une plaque de la gélose solide a produit une zone de 24 millimètres d'inhibition de la croissance d'Oxford Staphylococcus.
  • Première norme internationale (1944). Un seul lot de 8 grammes de pénicilline G sodique cristalline pure a été stocké à l'Institut national de recherche médicale de Mill Hill à Londres (la norme internationale). Une unité de pénicilline a été définie à 0,6 microgramme de l'étalon international. Un "étalon de travail" impur a également été défini et était disponible en quantités beaucoup plus importantes réparties dans le monde entier : une unité de l'étalon de travail était de 2,7 microgrammes (la quantité par unité était beaucoup plus importante en raison des impuretés). Dans le même temps, le test de la tasse a été affiné, où au lieu de spécifier un diamètre de zone de 24 mm, la taille de la zone a été tracée par rapport à une courbe de référence pour fournir une lecture de la puissance.
  • Deuxième Norme internationale (1953). Un seul lot de 30 grammes de pénicilline G sodique cristalline pure a été obtenu : celui-ci a également été stocké à Mill Hill. Une unité de pénicilline a été définie comme 0,5988 microgramme du deuxième étalon international.

Il existe une unité plus ancienne pour la pénicilline V qui n'est pas équivalente à l'unité actuelle de pénicilline V. La raison en est que la FDA américaine a supposé à tort que la puissance de la pénicilline V est la même mole pour mole que la pénicilline G. En fait, la pénicilline V est moins puissante que la pénicilline G, et l'unité actuelle de pénicilline V reflète ce fait.

  • Première unité internationale de pénicilline V (1959). Une unité de pénicilline V a été définie comme 0,590 microgramme d'un étalon de référence détenu à Mill Hill à Londres. Cette unité est maintenant obsolète.

Une norme similaire a également été établie pour la pénicilline K.

Les types

Pénicillines naturelles

La pénicilline G (benzylpénicilline) a d'abord été produite à partir d'un champignon pénicillium présent dans la nature. La souche de champignon utilisée aujourd'hui pour la fabrication de la pénicilline G a été créée par génie génétique pour améliorer le rendement du processus de fabrication. Aucune des autres pénicillines naturelles (F, K, N, X, O, U1 ou U6) n'est actuellement utilisée en clinique.

Pénicilline semi-synthétique

La pénicilline V (phénoxyméthylpénicilline) est produite en ajoutant l' acide phénoxyacétique précurseur au milieu dans lequel une souche génétiquement modifiée du champignon pénicillium est cultivée.

Antibiotiques créés à partir de 6-APA

Il existe trois grands groupes d'autres antibiotiques semi-synthétiques apparentés aux pénicillines. Ils sont synthétisés en ajoutant diverses chaînes latérales au précurseur 6-APA , qui est isolé de la pénicilline G. Il s'agit des antibiotiques antistaphylococciques, des antibiotiques à large spectre et des antibiotiques antipseudomonas.

Antibiotiques antistaphylococciques

Les antibiotiques antistaphylococciques sont appelés ainsi parce qu'ils résistent à la dégradation par la pénicillinase staphylococcique . Ils sont donc également qualifiés de résistants à la pénicillinase.

Antibiotiques à large spectre

Ce groupe d'antibiotiques est dit "à large spectre" car ils sont actifs contre un large éventail de bactéries Gram-négatives telles que Escherichia coli et Salmonella typhi , pour lesquelles la pénicilline n'est pas adaptée. Cependant, la résistance de ces organismes est maintenant courante.

Il existe de nombreux précurseurs de l'ampicilline. Ce sont des composés inactifs qui sont décomposés dans l'intestin pour libérer l'ampicilline. Aucun de ces promédicaments de l'ampicilline n'est actuellement utilisé :

L'épicilline est une aminopénicilline qui n'a jamais été largement utilisée en clinique.

Antibiotiques antipseudomonas

L'espèce à Gram négatif, Pseudomonas aeruginosa , est naturellement résistante à de nombreuses classes d'antibiotiques. De nombreux efforts ont été déployés dans les années 1960 et 1970 pour développer des antibiotiques actifs contre les espèces de Pseudomonas . Il existe deux classes chimiques au sein du groupe : les carboxypénicillines et les uréidopénicillines. Tous sont administrés par injection : aucun ne peut être administré par voie orale.

Carboxypénicillines
Uréidopénicillines

Inhibiteurs de la β-lactamase

Usage médical

Le terme "pénicilline", lorsqu'il est utilisé seul, peut désigner l'un ou l'autre de deux composés chimiques , la pénicilline G ou la pénicilline V.

Nom commun Nom chimique Mode d'
administration
Pénicilline V phénoxyméthylpénicilline oral
Pénicilline G benzylpénicilline intraveineuse
intramusculaire

Pénicilline G

La pénicilline G est détruite par l'acide gastrique, elle ne peut donc pas être prise par la bouche, mais des doses aussi élevées que 2,4 g peuvent être administrées (beaucoup plus élevées que la pénicilline V). Il est administré par injection intraveineuse ou intramusculaire. Il peut être formulé sous forme de sel insoluble, et il existe actuellement deux formulations de ce type : la pénicilline procaïne et la benzathine benzylpénicilline , qui ne sont utilisées que dans le traitement de la syphilis . Lorsqu'une concentration élevée dans le sang doit être maintenue, la pénicilline G doit être administrée à des intervalles relativement fréquents, car elle est éliminée assez rapidement de la circulation sanguine par le rein.

La pénicilline G est autorisée à être utilisée pour traiter la septicémie , l' empyème , la pneumonie , la péricardite , l' endocardite et la méningite causées par des souches sensibles de staphylocoques et de streptocoques. Il est également homologué pour le traitement de l' anthrax , de l' actinomycose , des maladies cervico-faciales, des maladies thoraciques et abdominales, des infections clostridiennes , du botulisme , de la gangrène gazeuse (accompagnée d'un débridement et/ou d'une intervention chirurgicale selon les indications), du tétanos (en tant que traitement d'appoint à l'immunoglobuline antitétanique humaine ), la diphtérie (en tant que traitement d'appoint à l'antitoxine et pour la prévention de l'état de porteur), l' endocardite à érysipélothrix, la fusospirochétose (infections graves de l'oropharynx, des voies respiratoires inférieures et de la région génitale), les infections à Listeria , la méningite, l'endocardite, les infections à Pasteurella dont la bactériémie et méningite, fièvre de Haverhill ; fièvre par morsure de rat et infections gonococciques disséminées , méningite méningococcique et/ou septicémie causées par des organismes sensibles à la pénicilline et syphilis.

Pénicilline V

La pénicilline V peut être prise par voie orale car elle est relativement résistante à l'acide gastrique. Des doses supérieures à 500 mg ne sont pas pleinement efficaces en raison d'une mauvaise absorption. Il est utilisé pour les mêmes infections bactériennes que celles de la pénicilline G et est la forme de pénicilline la plus largement utilisée. Cependant, il n'est pas utilisé pour des maladies telles que l' endocardite , où des taux sanguins élevés de pénicilline sont nécessaires.

Sensibilité bactérienne

Parce que la résistance à la pénicilline est maintenant si courante, d'autres antibiotiques sont maintenant le choix préféré pour les traitements. Par exemple, la pénicilline était autrefois le traitement de première intention des infections à Neisseria gonorrhoeae et Neisseria meningitidis , mais elle n'est plus recommandée pour le traitement de ces infections.

Bactérie Susceptibles) Intermédiaire (I) Résistant (R)
Staphylococcus aureus ≤0,12 mcg/ml - ≥0,25 mcg/ml
Méningite à Streptococcus pneumoniae ≤0,06 mcg/ml - ≥0,12 mcg/ml
Streptococcus pneumoniae (pas de méningite) ≤2 mcg/ml ≥8 mcg/ml
Groupe Streptococcus Viridans 0,12 µg/ml 0,25–2 mcg/ml 4 mcg/ml
Listeria monocytogenes ≤2 mcg/ml - -
Bacille anthracis ≤0,12 mcg/ml - ≥0,25 mcg/ml

Effets secondaires

Les effets indésirables courants (≥ 1 % des personnes) associés à l'utilisation des pénicillines comprennent la diarrhée , l' hypersensibilité , les nausées , les éruptions cutanées , la neurotoxicité , l' urticaire et la surinfection (y compris la candidose ). Les effets indésirables peu fréquents (0,1 à 1 % des personnes) comprennent la fièvre , les vomissements , l' érythème , la dermatite , l'œdème de Quincke , les convulsions (en particulier chez les personnes épileptiques ) et la colite pseudomembraneuse . La pénicilline peut également induire une maladie sérique ou une réaction de type maladie sérique chez certaines personnes. La maladie sérique est une réaction d' hypersensibilité de type III qui survient une à trois semaines après l'exposition à des médicaments, dont la pénicilline. Il ne s'agit pas d'une véritable allergie médicamenteuse, car les allergies sont des réactions d'hypersensibilité de type I , mais une exposition répétée à l'agent responsable peut entraîner une réaction anaphylactique. L'allergie surviendra chez 1 à 10 % des personnes, se présentant comme une éruption cutanée après l'exposition. L' anaphylaxie médiée par les IgE surviendra chez environ 0,01 % des patients.

La douleur et l'inflammation au site d'injection sont également courantes pour la benzathine benzylpénicilline, la benzylpénicilline et, dans une moindre mesure, la procaïne benzylpénicilline administrées par voie parentérale . La condition est connue sous le nom de dermatite livéoïde ou syndrome de Nicolau.

Structure

Structure chimique de la pénicilline G. Le soufre et l'azote du cycle thiazolidine à cinq chaînons sont représentés respectivement en jaune et en bleu. L'image montre que le cycle thiazolidine et le β -lactame à quatre chaînons fusionnés ne sont pas dans le même plan .

Le terme « penam » est utilisé pour décrire le squelette de base commun d'un membre des pénicillines. Ce noyau a la formule moléculaire RC 9 H 11 N 2 O 4 S, où R est la chaîne latérale variable qui différencie les pénicillines les unes des autres. Le noyau de pénam a une masse molaire de 243 g / mol, les pénicillines plus grosses ayant une masse molaire proche de 450 - par exemple, la cloxacilline a une masse molaire de 436 g / mol. Le 6-APA (C 8 H 12 N 2 O 3 S) forme la structure de base des pénicillines. Il est constitué d'un dipeptide fermé formé par la condensation de la L-cystéine et de la D-valine. Il en résulte la formation de cycles β-lactamines et thiazolidiniques.

La principale caractéristique structurelle des pénicillines est le cycle β-lactame à quatre chaînons; cette fraction structurelle est essentielle pour l'activité antibactérienne de la pénicilline. Le cycle β-lactame est lui-même fusionné à un cycle thiazolidine à cinq chaînons . La fusion de ces deux cycles rend le cycle β-lactame plus réactif que les β-lactames monocycliques car les deux cycles fusionnés déforment la liaison β-lactame amide et suppriment donc la stabilisation de résonance normalement présente dans ces liaisons chimiques. Une chaîne latérale latérale acyle attachée au cycle β-lactame.

Une variété d'antibiotiques β-lactamines ont été produits suite à une modification chimique de la structure 6-APA au cours de la synthèse, en particulier en effectuant des substitutions chimiques dans la chaîne latérale acyle. Par exemple, la première pénicilline modifiée chimiquement, la méthicilline, avait des substitutions par des groupes méthoxy aux positions 2 'et 6' du cycle benzénique 6-APA de la pénicilline G. Cette différence rend la méthicilline résistante à l'activité de la β-lactamase , une enzyme par dont de nombreuses bactéries sont naturellement insensibles aux pénicillines.

Pharmacologie

Entrée dans les bactéries

La pénicilline peut facilement pénétrer dans la cellule bactérienne en cas d' espèces à Gram positif . En effet, les bactéries Gram-positives n'ont pas de membrane cellulaire externe et sont simplement enfermées dans une paroi cellulaire épaisse . Les molécules de pénicilline sont suffisamment petites pour traverser les espaces des glycoprotéines dans la paroi cellulaire. Pour cette raison, les bactéries Gram-positives sont très sensibles à la pénicilline (comme en témoigne pour la première fois la découverte de la pénicilline en 1928).

La pénicilline, ou toute autre molécule, pénètre dans les bactéries Gram-négatives d'une manière différente. Les bactéries ont des parois cellulaires plus minces, mais la surface externe est recouverte d'une membrane cellulaire supplémentaire, appelée membrane externe. La membrane externe est une couche lipidique ( chaîne lipopolysaccharidique ) qui bloque le passage des molécules hydrosolubles ( hydrophiles ) comme la pénicilline. Elle agit ainsi comme la première ligne de défense contre toute substance toxique, ce qui est à l'origine d'une résistance relative aux antibiotiques par rapport aux espèces Gram-positives Mais la pénicilline peut encore pénétrer les espèces Gram-négatives en diffusant par des canaux aqueux appelés porines (protéines de la membrane externe) , qui sont dispersés parmi les molécules grasses et peuvent transporter des nutriments et des antibiotiques dans les bactéries. Les porines sont suffisamment grandes pour permettre la diffusion de la plupart des pénicillines, mais la vitesse de diffusion à travers elles est déterminée par la taille spécifique des molécules de médicament. Par exemple, la pénicilline G est volumineuse et pénètre lentement par les porines ; tandis que l'ampicilline et l'amoxicilline plus petites diffusent beaucoup plus rapidement. En revanche, la grande vancomycine ne peut pas traverser les porines et est donc inefficace pour les bactéries Gram-négatives. La taille et le nombre de porines sont différents selon les bactéries. En raison des deux facteurs - taille de la pénicilline et de la porine - les bactéries Gram-négatives peuvent être insensibles ou avoir un degré variable de sensibilité à une pénicilline spécifique.

Mécanisme d'action

Les bactéries qui tentent de se développer et de se diviser en présence de pénicilline échouent et finissent par perdre leurs parois cellulaires.
La pénicilline et d'autres antibiotiques β-lactamines agissent en inhibant les protéines de liaison à la pénicilline , qui catalysent normalement la réticulation des parois cellulaires bactériennes.

La structure chimique de la pénicilline est déclenchée par un mécanisme dirigé très précis, dépendant du pH, affecté par un assemblage spatial unique de composants moléculaires, qui peuvent s'activer par protonation. Il peut voyager à travers les fluides corporels, ciblant et inactivant les enzymes responsables de la synthèse de la paroi cellulaire chez les bactéries gram-positives, tout en évitant les non-cibles environnantes. La pénicilline peut se protéger de l'hydrolyse spontanée dans le corps sous sa forme anionique tout en stockant son potentiel en tant qu'agent acylant puissant, activé uniquement à l'approche de l'enzyme cible transpeptidase et protoné dans le centre actif. Cette protonation ciblée neutralise la fraction acide carboxylique, qui affaiblit la liaison N – C (= O) du cycle β-lactame, entraînant une auto-activation. Des exigences structurelles spécifiques sont assimilées à la construction de la souricière parfaite pour attraper des proies ciblées.

La pénicilline tue les bactéries en inhibant l'achèvement de la synthèse des peptidoglycanes , le composant structurel de la paroi cellulaire bactérienne . Il inhibe spécifiquement l'activité des enzymes nécessaires à la réticulation des peptidoglycanes lors de la dernière étape de la biosynthèse de la paroi cellulaire. Pour ce faire, il se lie aux protéines de liaison à la pénicilline avec le cycle β-lactame, une structure trouvée sur les molécules de pénicilline. Cela affaiblit la paroi cellulaire en raison du nombre réduit de liaisons croisées et signifie que l'eau s'écoule de manière incontrôlable dans la cellule car elle ne peut pas maintenir le gradient osmotique correct. Cela entraîne la lyse et la mort des cellules .

Les bactéries remodèlent constamment leurs parois cellulaires de peptidoglycane, construisant et décomposant simultanément des parties de la paroi cellulaire au fur et à mesure qu'elles grandissent et se divisent. Au cours des dernières étapes de la biosynthèse des peptidoglycanes, le pentapeptide d'acide uridine diphosphate - N -acétylmuramique (UDP-MurNAc) est formé dans lequel les quatrième et cinquième acides aminés sont tous deux D -alanyl - D -alanine . Le transfert de D-alanine se fait (catalysé) par l' enzyme DD-transpeptidase ( les protéines de liaison à la pénicilline sont de ce type). L'intégrité structurelle de la paroi cellulaire bactérienne dépend de la réticulation de l'UDP-MurNAc et de la N -acétyl glucosamine. La pénicilline et d'autres antibiotiques β-lactamines agissent comme un analogue de la D - alanine - D -alanine (le dipeptide) dans l'UDP-MurNAc en raison de similitudes conformationnelles. La DD-transpeptidase se lie alors au cycle β-lactame à quatre chaînons de la pénicilline au lieu de l'UDP-MurNAc. En conséquence, la DD-transpeptidase est inactivée, la formation de liaisons croisées entre l'UDP-MurNAc et la N -acétyl glucosamine est bloquée, de sorte qu'un déséquilibre entre la production et la dégradation de la paroi cellulaire se développe, provoquant la mort rapide de la cellule.

Les enzymes qui hydrolysent les réticulations du peptidoglycane continuent de fonctionner, même si celles qui forment de telles réticulations ne le font pas. Cela affaiblit la paroi cellulaire de la bactérie et la pression osmotique devient de plus en plus non compensée, provoquant finalement la mort cellulaire ( cytolyse ). De plus, l'accumulation de précurseurs de peptidoglycanes déclenche l'activation des hydrolases et des autolysines de la paroi cellulaire bactérienne, qui digèrent davantage les peptidoglycanes de la paroi cellulaire. La petite taille des pénicillines augmente leur puissance, en leur permettant de pénétrer toute la profondeur de la paroi cellulaire. Cela contraste avec les antibiotiques glycopeptidiques vancomycine et teicoplanine , qui sont tous deux beaucoup plus gros que les pénicillines.

Les bactéries à Gram positif sont appelées protoplastes lorsqu'elles perdent leurs parois cellulaires. Les bactéries Gram-négatives ne perdent pas complètement leurs parois cellulaires et sont appelées sphéroplastes après un traitement à la pénicilline.

La pénicilline montre un effet synergique avec les aminoglycosides , puisque l'inhibition de la synthèse des peptidoglycanes permet aux aminoglycosides de pénétrer plus facilement la paroi cellulaire bactérienne, permettant leur perturbation de la synthèse des protéines bactériennes au sein de la cellule. Il en résulte une diminution du CMB pour les organismes sensibles.

Les pénicillines, comme les autres antibiotiques β- lactamines, bloquent non seulement la division des bactéries, dont les cyanobactéries , mais aussi la division des cyanelles, les organites photosynthétiques des glaucophytes , et la division des chloroplastes des bryophytes . En revanche, ils n'ont aucun effet sur les plastes des plantes vasculaires très développées . Cela soutient la théorie endosymbiotique de l' évolution de la division des plastes chez les plantes terrestres.

Certaines bactéries produisent des enzymes qui décomposent le cycle β-lactame, appelées β-lactamases , qui rendent les bactéries résistantes à la pénicilline. Par conséquent, certaines pénicillines sont modifiées ou administrées avec d'autres médicaments pour une utilisation contre les bactéries résistantes aux antibiotiques ou chez les patients immunodéprimés. L'utilisation d'acide clavulanique ou de tazobactam, inhibiteurs de la β-lactamase, aux côtés de la pénicilline confère une activité pénicilline contre les bactéries productrices de β-lactamase. Les inhibiteurs de la β-lactamase se lient de manière irréversible à la β-lactamase, l'empêchant de décomposer les anneaux bêta-lactame de la molécule antibiotique. Alternativement, la flucloxacilline est une pénicilline modifiée qui a une activité contre les bactéries productrices de β-lactamase en raison d'une chaîne latérale acyle qui protège le cycle bêta-lactame de la β-lactamase.

Pharmacocinétique

La pénicilline a une faible liaison aux protéines dans le plasma. La biodisponibilité de la pénicilline dépend du type : la pénicilline G a une faible biodisponibilité, inférieure à 30 %, tandis que la pénicilline V a une biodisponibilité plus élevée, entre 60 et 70 %.

La pénicilline a une courte demi-vie et est excrétée par les reins. Cela signifie qu'il doit être dosé au moins quatre fois par jour pour maintenir des niveaux adéquats de pénicilline dans le sang. Les premiers manuels sur l'utilisation de la pénicilline recommandaient donc des injections de pénicilline aussi fréquemment que toutes les trois heures, et le dosage de la pénicilline a été décrit comme étant similaire à essayer de remplir un bain avec le bouchon. Cela n'est plus nécessaire puisque des doses beaucoup plus importantes de pénicilline sont facilement et à peu de frais disponibles; cependant, certaines autorités recommandent l'utilisation de perfusions continues de pénicilline pour cette raison.

La résistance

Quand Alexander Fleming a découvert la pénicilline brute en 1928, une observation importante qu'il a faite était que de nombreuses bactéries n'étaient pas affectées par la pénicilline. Ce phénomène a été réalisé par Ernst Chain et Edward Abraham en essayant d'identifier l'exact de la pénicilline. En 1940, ils ont découvert que des bactéries insensibles comme Escherichia coli produisaient des enzymes spécifiques capables de décomposer les molécules de pénicilline, les rendant ainsi résistantes à l'antibiotique. Ils ont nommé l'enzyme pénicillinase . La pénicillinase est maintenant classée comme membre d'enzymes appelées β-lactamases. Ces β-lactamases sont naturellement présentes dans de nombreuses autres bactéries, et de nombreuses bactéries les produisent lors d'une exposition constante aux antibiotiques. Chez la plupart des bactéries, la résistance peut se faire par trois mécanismes différents : une perméabilité réduite dans les bactéries, une affinité de liaison réduite des protéines de liaison à la pénicilline (PBP) ou la destruction de l'antibiotique par l'expression de la β-lactamase. En utilisant l'un d'entre eux, les bactéries développent généralement une résistance à différents antibiotiques, un phénomène appelé multirésistance aux médicaments .

Le processus réel du mécanisme de résistance peut être très complexe. En cas de perméabilité réduite chez les bactéries, les mécanismes sont différents entre les bactéries Gram-positives et Gram-négatives. Chez les bactéries Gram-positives, le blocage de la pénicilline est dû à des modifications de la paroi cellulaire. Par exemple, la résistance à la vancomycine chez S. aureus est due à la synthèse supplémentaire de peptidoglycanes qui rend la paroi cellulaire beaucoup plus épaisse, empêchant une pénétration efficace de la pénicilline. La résistance des bactéries Gram-négatives est due à des variations mutationnelles de la structure et du nombre de porines. Chez les bactéries comme Pseudomonas aeruginosa , il y a un nombre réduit de porines ; alors que dans des bactéries comme les espèces Enterobacter , Escherichia coli et Klebsiella pneumoniae , il existe des porines modifiées telles que des porines non spécifiques (telles que les groupes OmpC et OmpF) qui ne peuvent pas transporter la pénicilline.

La résistance due aux altérations PBP est très variée. Un cas courant est trouvé dans Streptococcus pneumoniae où il y a une mutation dans le gène de PBP, et les PBP mutants ont une affinité de liaison réduite pour les pénicillines. Il existe six PBP mutants dans S. pneumoniae , parmi lesquels PBP1a, PBP2b, PBP2x et parfois PBP2a sont responsables de l'affinité de liaison réduite. S. aureus peut activer un gène caché qui produit un PBP différent, PBD2, qui a une faible affinité de liaison pour les pénicillines. Il existe une souche différente de S. aureus appelée S. aureus résistant à la méthicilline (SARM) qui résiste non seulement à la péniclline et aux autres β-lactamines, mais également à la plupart des antibiotiques. La souche bactérienne s'est développée après l'introduction de la méthicilline en 1959. Dans le SARM, des mutations dans les gènes ( système mec ) de la PBP produisent une protéine variante appelée PBP2a (également appelée PBP2'), tout en produisant quatre PBP normales. PBP2a a une faible affinité de liaison pour la pénicilline et manque également d'activité glycosyltransférase nécessaire à la synthèse complète des peptidoglycanes (qui est réalisée par les quatre PBP normaux). Chez Helicobacter cinaedi , il existe de multiples mutations dans différents gènes qui produisent des variants de PBP.

La destruction enzymatique par les β-lactamases est le mécanisme le plus important de résistance à la pénicilline et est décrite comme "la plus grande menace pour l'utilisation [des pénicillines]". C'était le premier mécanisme découvert de résistance à la pénicilline. Au cours des expériences où des tests de purification et d'activité biologique de la pénicilline ont été effectués en 1940, il a été constaté que E. coli était insensible. La raison a été découverte comme étant la production d'une enzyme pénicillinase (d'où la première β-lactamase connue) dans E. coli qui dégradait facilement la pénicilline. Il existe plus de 2 000 types de β-lactamases, chacune ayant une séquence d'acides aminés unique et, par conséquent, une activité enzymatique. Tous sont capables d'hydrolyser les cycles β-lactames mais leurs sites cibles exacts sont différents. Ils sont sécrétés à la surface bactérienne en grande quantité chez les bactéries Gram-positives mais moins chez les espèces Gram-négatives. Par conséquent, dans une infection bactérienne mixte, les bactéries Gram-positives peuvent protéger les cellules Gram-négatives autrement sensibles à la pénicilline.

Il existe des mécanismes inhabituels chez P. aeruginosa , dans lesquels il peut y avoir une résistance médiée par le biofilm et la formation de cellules persistantes tolérantes à plusieurs médicaments .

Histoire

Découverte

Alexander Fleming , à qui l'on attribue la découverte de la pénicilline en 1928.
Échantillon de moisissure à pénicillium présenté par Alexander Fleming à Douglas Macleod, 1935

À partir de la fin du 19e siècle, il y avait eu des rapports sur les propriétés antibactériennes de la moisissure Penicillium , mais les scientifiques étaient incapables de discerner quel processus causait l'effet. Le médecin écossais Alexander Fleming du St Mary's Hospital de Londres (qui fait maintenant partie de l'Imperial College ) a été le premier à montrer que Penicillium rubens avait des propriétés antibactériennes. Le 3 septembre 1928, il observe que la contamination fongique d'une culture bactérienne ( Staphylococcus aureus ) semble tuer la bactérie. Il confirma cette observation par une nouvelle expérience le 28 septembre 1928. Il publia son expérience en 1929 et appela la substance antibactérienne (l'extrait fongique) pénicilline.

CJ La Touche a identifié le champignon comme Penicillium rubrum (plus tard reclassé par Charles Thom comme P. notatum et P. chrysogenum , mais plus tard corrigé comme P. rubens ). Fleming a exprimé son optimisme initial sur le fait que la pénicilline serait un antiseptique utile, en raison de sa puissance élevée et de sa toxicité minimale par rapport aux autres antiseptiques de l'époque, et a noté sa valeur de laboratoire dans l'isolement de Bacillus influenzae (maintenant appelé Haemophilus influenzae ).

Fleming n'a convaincu personne de l'importance de sa découverte. C'était en grande partie parce que la pénicilline était si difficile à isoler que son développement en tant que médicament semblait impossible. On suppose que si Fleming avait mieux réussi à intéresser d'autres scientifiques à son travail, la pénicilline aurait peut-être été développée des années plus tôt.

L'importance de son travail a été reconnue par le placement d'un monument chimique historique international au Alexander Fleming Laboratory Museum de Londres le 19 novembre 1999.

Développement et application médicale

Howard Florey (photo), Alexander Fleming et Ernst Chain ont partagé un prix Nobel de physiologie ou médecine en 1945 pour leurs travaux sur la pénicilline.

En 1930, Cecil George Paine, pathologiste à la Royal Infirmary de Sheffield , a traité avec succès l' ophtalmie néonatale , une infection gonococcique chez les nourrissons, avec de la pénicilline (extrait fongique) le 25 novembre 1930.

En 1940, le scientifique australien Howard Florey (futur baron Florey) et une équipe de chercheurs ( Ernst Chain , Edward Abraham , Arthur Duncan Gardner , Norman Heatley , Margaret Jennings , Jean Orr-Ewing et Arthur Gordon Sanders) de la Sir William Dunn School of Pathologie, l'Université d'Oxford a fait des progrès dans la fabrication de pénicilline concentrée à partir d'un bouillon de culture fongique qui a montré une action bactéricide in vitro et in vivo . En 1941, ils soignent un policier, Albert Alexander , atteint d'une grave infection du visage ; son état s'est amélioré, mais les réserves de pénicilline se sont épuisées et il est mort. Par la suite, plusieurs autres patients ont été traités avec succès. En décembre 1942, les survivants de l' incendie de Cocoanut Grove à Boston furent les premiers brûlés à être traités avec succès à la pénicilline.

La première utilisation réussie de la pénicilline pure a eu lieu lorsque Fleming a traité Harry Lambert d'une infection mortelle du système nerveux ( méningite streptococcique ) en 1942. À ce moment-là, l'équipe d'Oxford ne pouvait en produire qu'une petite quantité. Florey a volontairement donné le seul échantillon disponible à Fleming. Lambert a montré une amélioration dès le lendemain du traitement et a été complètement guéri en une semaine. Fleming a publié son essai clinique dans The Lancet en 1943. Suite à la percée médicale, le cabinet de guerre britannique a créé le Comité de la pénicilline le 5 avril 1943 qui a conduit à des projets de production de masse .

Production de masse

Au fur et à mesure que l'application médicale était établie, l'équipe d'Oxford a constaté qu'il était impossible de produire des quantités utilisables dans leur laboratoire. N'ayant pas réussi à convaincre le gouvernement britannique, Florey et Heatley se sont rendus aux États-Unis en juin 1941 avec leurs échantillons de moules afin d'intéresser le gouvernement américain à une production à grande échelle. Ils ont approché le Laboratoire de recherche régional du nord de l' USDA (NRRL, maintenant le Centre national de recherche sur l'utilisation agricole ) à Peoria, Illinois, où des installations pour des fermentations à grande échelle ont été établies. La culture de masse du moule et la recherche de meilleurs moules ont immédiatement suivi.

Le 14 mars 1942, le premier patient a été traité pour une septicémie streptococcique avec de la pénicilline fabriquée aux États-Unis produite par Merck & Co. La moitié de l'approvisionnement total produit à l'époque a été utilisée sur cette patiente, Anne Miller. En juin 1942, juste assez de pénicilline américaine était disponible pour traiter dix patients. En juillet 1943, le War Production Board élabore un plan de distribution massive de stocks de pénicilline aux troupes alliées combattant en Europe. Les résultats de la recherche sur la fermentation de la liqueur de maïs au NRRL ont permis aux États-Unis de produire 2,3 millions de doses à temps pour l' invasion de la Normandie au printemps 1944. Après une recherche mondiale en 1943, un cantaloup moisi dans un marché de Peoria, Illinois s'est avéré contenir la meilleure souche de moisissure pour la production utilisant le procédé de liqueur de corn steep. Le scientifique de Pfizer , Jasper H. Kane , a suggéré d'utiliser une méthode de fermentation en cuve profonde pour produire de grandes quantités de pénicilline de qualité pharmaceutique. La production à grande échelle a résulté du développement d'une usine de fermentation en cuve profonde par l'ingénieur chimiste Margaret Hutchinson Rousseau . En conséquence directe de la guerre et du War Production Board, en juin 1945, plus de 646 milliards d'unités par an étaient produites.

G. Raymond Rettew a apporté une contribution significative à l'effort de guerre américain par ses techniques de production de quantités commerciales de pénicilline, dans lesquelles il a combiné sa connaissance du blanc de champignon avec la fonction du séparateur de crème Sharples. En 1943, le laboratoire de Rettew produisait la majeure partie de la pénicilline mondiale. Pendant la Seconde Guerre mondiale , la pénicilline a fait une différence majeure dans le nombre de décès et d'amputations causés par des blessures infectées parmi les forces alliées , sauvant environ 12 à 15 % des vies. La disponibilité était cependant sévèrement limitée par la difficulté de fabriquer de grandes quantités de pénicilline et par la clairance rénale rapide du médicament, nécessitant des dosages fréquents. Des méthodes de production de masse de pénicilline ont été brevetées par Andrew Jackson Moyer en 1945. Florey n'avait pas breveté la pénicilline, ayant été informé par Sir Henry Dale que cela serait contraire à l'éthique.

La pénicilline est activement excrétée et environ 80 % d'une dose de pénicilline est éliminée de l'organisme dans les trois à quatre heures suivant l'administration. En effet, au début de l'ère de la pénicilline, le médicament était si rare et si apprécié qu'il est devenu courant de collecter l'urine des patients traités, afin que la pénicilline dans l'urine puisse être isolée et réutilisée. Cette solution n'étant pas satisfaisante, les chercheurs ont cherché un moyen de ralentir l'excrétion de la pénicilline. Ils espéraient trouver une molécule qui pourrait entrer en compétition avec la pénicilline pour le transporteur d'acide organique responsable de l'excrétion, de sorte que le transporteur excrète préférentiellement la molécule concurrente et que la pénicilline soit retenue. L' agent uricosurique probénécide s'est avéré adapté. Lorsque le probénécide et la pénicilline sont administrés ensemble, le probénécide inhibe de manière compétitive l'excrétion de pénicilline, augmentant la concentration de pénicilline et prolongeant son activité. Finalement, l'avènement des techniques de production de masse et des pénicillines semi-synthétiques a résolu les problèmes d'approvisionnement, de sorte que cette utilisation du probénécide a diminué. Le probénécide reste cependant utile pour certaines infections nécessitant des concentrations particulièrement élevées de pénicillines.

Après la Seconde Guerre mondiale, l'Australie a été le premier pays à rendre le médicament disponible pour un usage civil. Aux États-Unis, la pénicilline a été mise à la disposition du grand public le 15 mars 1945.

Fleming, Florey et Chain ont partagé le prix Nobel de physiologie ou médecine de 1945 pour le développement de la pénicilline.

Détermination de la structure et synthèse totale

Modèle de structure de la pénicilline de Dorothy Hodgkin.

La structure chimique de la pénicilline a été proposée pour la première fois par Edward Abraham en 1942 et a ensuite été confirmée en 1945 à l'aide de la cristallographie aux rayons X par Dorothy Crowfoot Hodgkin , qui travaillait également à Oxford. Plus tard, en 1964, elle a reçu le prix Nobel de chimie pour cela et d'autres déterminations de structure.

Le chimiste John C. Sheehan du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a achevé la première synthèse chimique de la pénicilline en 1957. Sheehan avait commencé ses études sur la synthèse de la pénicilline en 1948 et, au cours de ces recherches, a développé de nouvelles méthodes pour la synthèse des peptides . comme nouveaux groupes protecteurs -groupes qui masquent la réactivité de certains groupes fonctionnels. Bien que la synthèse initiale développée par Sheehan n'était pas appropriée pour la production de masse de pénicillines, l'un des composés intermédiaires de la synthèse de Sheehan était l'acide 6-aminopénicillanique (6-APA), le noyau de la pénicilline.

Le 6-APA a été découvert par des chercheurs des laboratoires de recherche Beecham (plus tard le groupe Beecham ) à Surrey en 1957 (publié en 1959). L'attachement de différents groupes au « noyau » 6-APA de la pénicilline a permis la création de nouvelles formes de pénicillines plus polyvalentes et plus actives.

Développements de la pénicilline

La gamme étroite de maladies traitables ou "spectre d'activité" des pénicillines, ainsi que la faible activité de la phénoxyméthylpénicilline active par voie orale, ont conduit à la recherche de dérivés de la pénicilline capables de traiter un plus large éventail d'infections. L'isolement du 6-APA, le noyau de la pénicilline, a permis la préparation de pénicillines semi-synthétiques, avec diverses améliorations par rapport à la benzylpénicilline (biodisponibilité, spectre, stabilité, tolérance).

Le premier développement majeur a été l'ampicilline en 1961. Elle offrait un spectre d'activité plus large que l'une ou l'autre des pénicillines d'origine. Un développement plus poussé a produit des pénicillines résistantes aux β-lactamases, notamment la flucloxacilline, la dicloxacilline et la méthicilline. Ceux-ci étaient significatifs pour leur activité contre les espèces bactériennes productrices de β-lactamase, mais étaient inefficaces contre les souches de Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) qui ont émergé par la suite.

Un autre développement de la lignée des vraies pénicillines était les pénicillines antipseudomonales, telles que la carbénicilline, la ticarcilline et la pipéracilline, utiles pour leur activité contre les bactéries Gram-négatives. Cependant, l'utilité du cycle β-lactame était telle que les antibiotiques apparentés, dont les mécillinams, les carbapénèmes et, surtout, les céphalosporines, le retiennent toujours au centre de leurs structures.

Production

Un fermenteur (bioréacteur) de 1957 utilisé pour cultiver la moisissure Penicillium .

La pénicilline est produite par la fermentation de divers types de sucre par le champignon penicillium rubens . Le processus de fermentation produit de la pénicilline comme métabolite secondaire lorsque la croissance du champignon est inhibée par le stress. Il n'est pas produit pendant la croissance active. La production est également limitée par la rétroaction dans la voie de synthèse de la pénicilline.

α-cétoglutarate + AcCoAhomocitrate → acide L -α-aminoadipiqueL -lysine + β-lactame

Le sous-produit, la l - lysine, inhibe la production d'homocitrate, de sorte que la présence de lysine exogène doit être évitée dans la production de pénicilline.

Les cellules de Penicillium sont cultivées à l'aide d'une technique appelée culture discontinue alimentée , dans laquelle les cellules sont constamment soumises à un stress, nécessaire à l'induction de la production de pénicilline. Les sources de carbone disponibles sont également importantes : le glucose inhibe la production de pénicilline, contrairement au lactose . Le pH et les niveaux d'azote, de lysine, de phosphate et d'oxygène des lots doivent également être soigneusement contrôlés.

La méthode biotechnologique d' évolution dirigée a été appliquée pour produire par mutation un grand nombre de souches de Penicillium . Ces techniques comprennent la PCR sujette aux erreurs , le brassage de l'ADN , l' ITCHY et la PCR par chevauchement de brins .

Les pénicillines semi-synthétiques sont préparées à partir du noyau de pénicilline 6-APA.

Biosynthèse

Biosynthèse de la pénicilline G

Dans l'ensemble, la biosynthèse de la pénicilline G (benzylpénicilline) comporte trois étapes principales et importantes .

  • La première étape est la condensation de trois acides aminés - l'acide L -α-aminoadipique, la L -cystéine, la L -valine en un tripeptide . Avant de se condenser en tripeptide, l'acide aminé L -valine doit subir une épimérisation pour devenir D -valine. Le tripeptide condensé est nommé δ-( L -α-aminoadipyl) -L - cystéine - D -valine (ACV). La réaction de condensation et l'épimérisation sont toutes deux catalysées par l'enzyme δ-( L -α-aminoadipyl) -L -cystéine- D -valine synthétase (ACVS), une peptide synthétase non ribosomale ou NRPS.
  • La deuxième étape de la biosynthèse de la pénicilline G est la conversion oxydative de l'ACV linéaire en isopénicilline N intermédiaire bicyclique par l'isopénicilline N synthase (IPNS), qui est codée par le gène pcbC . L'isopénicilline N est un intermédiaire très faible, car il ne présente pas une forte activité antibiotique.
  • L'étape finale est une transamidation par l'isopénicilline N N-acyltransférase , dans laquelle la chaîne latérale α-aminoadipyle de l'isopénicilline N est éliminée et remplacée par une chaîne latérale phénylacétyle . Cette réaction est codée par le gène penDE , unique dans le processus d'obtention des pénicillines.

Voir également

Références

Lectures complémentaires

  • Nicolaou KC , Corey EJ (1996). Classics in Total Synthesis: Targets, Strategies, Methods (5. réimpr. Ed.). Weinheim : VCH. ISBN 978-3-527-29284-4.
  • Dürckheimer W, Blumbach J, Lattrell R, Scheunemann KH (1er mars 1985). "Développements récents dans le domaine des antibiotiques β-lactamines". Angewandte Chemie International Edition en anglais . 24 (3): 180-202. doi : 10.1002/anie.198501801 .
  • Hamed RB, Gomez-Castellanos JR, Henry L, Ducho C, McDonough MA, Schofield CJ (janvier 2013). "Les enzymes de la biosynthèse des β-lactamines". Rapports sur les produits naturels . 30 (1): 21-107. doi : 10.1039/c2np20065a . PMID  23135477 .

Liens externes