Mechanisms and PK/PD modelling of MCR-1-induced adaptive resistance in Enterobacteriaceae

par Hariyanto Ih

Thèse de doctorat en Pharmacologie et sciences du médicament

Sous la direction de William Couet et de Julien Buyck.

Soutenue le 18-12-2020

à Poitiers , dans le cadre de École doctorale Sciences Biologiques et Santé (Limoges) , en partenariat avec Laboratoire pharmacologie des anti-infectieux (Poitiers) (laboratoire) , Université de Poitiers. UFR de médecine et de pharmacie (faculte) et de Pharmacologie des anti-infectieux / PHAR (laboratoire) .

Le président du jury était Sandrine Marchand.

Le jury était composé de William Couet, Julien Buyck, Titik Nuryastuti.

Les rapporteurs étaient Françoise Van Bambeke, Jean-Winoc Decousser.

  • Titre traduit

    Caractérisation des mécanismes et modelling PK/PD de la résistance adaptative induite par MCR-1 chez les Enterobacteriaceae


  • Résumé

    Du fait du manque de nouveaux antibiotiques et de l’augmentation des résistances, il est important de comprendre les mécanismes et la dynamique de ces phénomènes. La modification du lipopolysaccharide (LPS) est le principal mécanisme contribuant à la résistance des bactéries aux polymyxines. Le plasmide portant le gène MCR-1 (Mobile Colistin Resistance) retrouvé chez Escherichia coli et Klebsiella pneumoniae code une phosphoethanolamine transférase capable de modifier le LPS par une addition de phosphoethanolamine sur le lipide A du LPS alors que chez Acinetobacter baumannii résistant aux polymyxines il a été décrit à la fois des modifications du LPS par une phosphoethanolamine et une perte du LPS. Cependant, les interactions entre les différents mécanismes exprimés par ces bactéries à Gram-négatif pour devenir résistantes à la colistine et à la polymyxine B sont encore peu décrit. Les courbes de bactéricidies séquentielles ont étés utilisées comme une approche alternative pour discriminer l’héterorésistance de la population bactérienne (2 sous populations S/R) d’une résistance adaptative (AR) durant le traitement par la colistine ou la polymyxine B.Au cours de ce travail de thèse, nous avons:1. Confirmé que l’approche des courbes de bactéricidies séquentielles peut discriminer deux modèles pharmacocinétique/pharmacodynamique (PK/PD) semi-mécanistiques décrivant soit une population stable héterorésitante (S/R) soit une population bactérienne instable et homogène dont la résistance s’adapte au cours du temps (AR).2. Déterminé l’impact de la présence du plasmide MCR-1 sur les mécanismes de résistance chromosomique impliqués dans la résistance adaptative de E. coli and K. pneumoniae aux polymyxines. 3. Déterminé les mécanismes impliqués dans la résistance aux polymyxines dans deux souches cliniques d’A. baumannii, isolées avant et après traitement d’un patient à la colistine.Dans ce travail, une nouvelle approche de courbes de bactéricidies séquentielles a été utilisée et validée afin de pouvoir différencier différents modèles PK/PD semi-mécanistiques. De plus, ce travail a montré que la présence du plasmide MCR-1 favorisait l’activation d’autres mécanismes chromosomiques conduisant à de hauts niveaux de résistances aux polymyxines. Enfin, la polymyxine B montrait une plus faible capacité à induire ces mécanismes chromosomiques conduisant à de hauts niveaux de résistance.


  • Résumé

    Due to the lack of new antibiotics facing the increasing emergence of resistances, it is important to understand the mechanism and dynamics of these phenomenon. Lipopolysaccharide (LPS) is the polymyxin main target and the most contributing component to polymyxin resistance. Plasmid-mediated colistin resistance MCR-1 (Mobile Colistin Resistance) carrying by Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae encodes a phosphoethanolamine transferase leads to the addition of phosphoethanolamine to lipid A of LPS, whereas LPS modification by phosphoethanolamine and loss of LPS are the two primary mechanisms that have been described in colistin-resistant Acinetobacter baumannii to date. Polymyxin-resistance occurred during polymyxin treatment, but the mechanism and dynamics how these strains acquired resistance is poorly understood. Sequential time-kill (TK) were developed as an alternative approach to discriminate heterogenous subpopulations (S/R) versus adaptive resistance (AR) during colistin and polymyxin B exposure.In this thesis we:1. Confirm that sequential TK could discriminate between stable heterogenous subpopulation (S/R) and unstable homogenous population (AR) demonstrated by pharmacokinetics/pharmacodynamics (PK/PD) modelling.2. Determine the molecular impact of MCR-1 in the progressive adaptation of E. coli and K. pneumoniae over chromosomal genes involved to LPS modification by using the sequential TK approach. 3. Use two A. baumannii clinical isolates, a colistin-susceptible and a colistin acquired-resistant after colistin treatment, to disqualify the presence of heterogenous subpopulation or adaptive resistance. The genes involved in LPS modification and Lipid A biosynthesis were subsequently characterized after sequential TK performance.These studies not only provide a simple approach to discriminate between two PK/PD models, but also an indication that the MCR-1 presence favor another resistance mechanism leading to high-level resistance to polymyxin. By the similar approach, we determine how colistin-susceptible and resistant A. baumannii isolates respond under polymyxin pressure, including the genes involved. Furthermore, polymyxin B showed a lower capacity to induce high-level of resistance than colistin for all bacterial species.


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