Analyses pharmacocinétique/pharmacodynamique in vitro et in vivo de l'impact de la taille de l'inoculum d'Acinetobacter baumannii vis-à-vis de la polymyxine B

par Grace Akrong

Thèse de doctorat en Pharmacologie et science du médicament

Sous la direction de Sandrine Marchand et de Alexia Chauzy.

Soutenue le 09-12-2021

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 Claire Dahyot-Fizelier.

Le jury était composé de Sandrine Marchand, Alexia Chauzy, Catherine Llanes.

Les rapporteurs étaient David Boutoille, Aude Ferran.


  • Résumé

    La résistance aux antibiotiques est devenue un problème de santé publique majeur faisant l’objet de mesures au niveau national et européen. La logique économique n’incitant pas les grands groupes pharmaceutiques à investir dans la recherche en infectiologie, les résistances apparaissent plus vite que les nouveaux antibiotiques, créant des situations d’impasses thérapeutiques. Ainsi, dans ce contexte de pénurie, des antibiotiques plus anciens comme les polymyxines, souvent délaissés à cause de leur toxicité, constituent parfois le traitement de dernier recours. La polymyxine B est l’un des principaux antibiotiques utilisés pour lutter contre les infections pulmonaires causées par les souches multirésistantes d’Acinetobacter baumannii, rencontrées chez les patients de réanimation. Cependant, plusieurs paramètres peuvent influencer l’efficacité des antibiotiques, comme par exemple la densité bactérienne au site infectieux qui varie au cours du temps : en cas de traitement et/ou de réponse immunitaire efficaces la densité bactérienne diminue, dans le cas contraire, elle augmente. Or, une forte densité bactérienne est souvent associée à une diminution de l’efficacité des antibiotiques : ce phénomène microbiologique est appelé l’effet inoculum. Ainsi dans ce travail, l’impact de la taille de l’inoculum d’A. baumannii sur la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la polymyxine B a été évalué à travers deux études principales :1. L’étude pharmacocinétique/pharmacodynamique (PK/PD) in vitro de la polymyxine B contre une souche clinique d’A. baumannii sensible à la polymyxine B. Pour cela, des courbes de bactéricidie sur 30h en présence de polymyxine B (0,125 à 128 mg/L) et de quatre inocula croissants d’A. baumannii (105 à 108 UFC/mL) ont été réalisées. Ces données expérimentales ont montré un effet inoculum marqué notamment après analyse des résultats par des approches PK/PD semi-mécanistiques. En effet, l’effet inoculum a été caractérisé dans le modèle par une augmentation de la concentration permettant l’obtention de 50% de l’effet maximal (EC50) de la polymyxine B par un facteur 17 en présence du plus fort inoculum, comparativement au plus faible. Afin de comprendre les mécanismes d’adaptation à la polymyxine B mis en place par A. baumannii, un séquençage du génome entier et une évaluation de l’expression des principaux gènes de résistance décrits chez ce germe ont été réalisés. Ces expérimentations ont montré que la résistance adaptative observée n’était pas due à la mise en place de ces mécanismes.2. L’étude PK/PD in vivo de la polymyxine B dans deux modèles de référence d’infection à A. baumannii. Dans premier temps, les modèles murins neutropéniques d’infection de la cuisse et d’infection pulmonaire ont été mis au point. Puis, l’efficacité in vivo sur 24h de la polymyxine B administrée par voie sous-cutanée a été étudiée. Ces deux modèles ont montré que l’efficacité de la polymyxine était supérieure dans le modèle d’infection de la cuisse que dans le modèle d’infection pulmonaire. De plus, une étude d’effet inoculum d’A. baumannii (106 et 107 UFC/cuisse) en présence de polymyxine B a été réalisée in vivo chez la souris présentant une infection de la cuisse. Cette étude PD a ensuite été couplée à une étude PK qui a été réalisée à 3 doses (1, 15 et 40 mg/kg) afin de déterminer les paramètres PK de la polymyxine B. Ces données PK/PD in vivo ont été initialement analysées avec le modèle PK/PD semi-mécanistique développé à partir des données in vitro. Le modèle in vitro ne permettant pas de décrire correctement les données in vivo, un nouveau modèle a été développé à partir des données in vivo. Les résultats préliminaires montrent que l’effet inoculum d’A. baumannii sur l’efficacité de la polymyxine B est moins important in vivo. Des expérimentations supplémentaires avec un troisième inoculum sont à prévoir afin de mieux caractériser cet effet inoculum in vivo.

  • Titre traduit

    In vitro and in vivo pharmacokinetic/pharmacodynamic analyses of the impact of Acinetobacter baumannii inoculum size on polymyxin B


  • Résumé

    Antibiotic resistance has become a major public health concern and is the subject of national and European action plans. Since economic logic does not encourage large pharmaceutical groups to invest in research in infectious diseases, resistance is appearing faster than new antibiotics, leading to situations of therapeutic impasse. Thus, in this context, older antibiotics such as polymyxins, often abandoned because of their toxicity, constitute treatment of last resort. Polymyxin B is one of the main antibiotics used to fight pulmonary infections caused by multidrug-resistant strains of Acinetobacter baumannii, which are found in intensive care patients. However, several parameters can influence the efficacy of antibiotics such as bacterial density at the infection site, which varies over time: in case of effective treatment and/or immune response, the bacterial density decreases while in the opposite case, it increases. However, a high bacterial density is often associated with decreased antibiotic efficacy: this microbiological phenomenon is called the inoculum effect. Thus, in this work, the impact of the size of the A. baumannii inoculum on the pharmacokinetics and pharmacodynamics of polymyxin B was evaluated through two main studies:1. The in vitro pharmacokinetics/pharmacodynamics (PK/PD) study of polymyxin B against a clinical strain of A. baumannii susceptible to polymyxin B. For this purpose, time-kill curves up to 30h were performed in the presence of polymyxin B (from 0.125 to 128 mg/L) and four inocula of A. baumannii (from 105 to 108 CFU/mL). These experimental data showed a marked inoculum effect especially after analysis of the results by semi-mechanistic PK/PD approaches. Indeed, the inoculum effect was characterized in the model by an increase of the concentration allowing to obtain 50% of the maximal effect (EC50) of polymyxin B by a factor of 17 in the presence of the highest inoculum, compared to the lowest. To understand the mechanisms of adaptation to polymyxin B of A. baumannii, whole genome sequencing and expression quantification of the main resistance genes described in this germ were performed. These experiments showed that the adaptive resistance observed was not due to the establishment of these mechanisms.2. The in vivo PK/PD study of polymyxin B in two reference models of A. baumannii infection. First, neutropenic murine models of thigh and lung infections were developed. Then, the in vivo efficacy of polymyxin B after a single subcutaneous administration was studied over 24 hours. These two models showed that the efficacy of polymyxin B was higher in the thigh infection model than in the lung infection model. In addition, the inoculum effect of A. baumannii (106 and 107 CFU/thigh) in the presence of polymyxin B was investigated in mice with a thigh infection. This PD study was then coupled with a PK study performed at different doses (1, 15 and 40 mg/kg) to determine the PK parameters of polymyxin B. These in vivo PK/PD data were initially analyzed with the semi-mechanistic PK/PD model developed from in vitro data. Since the in vitro model did not adequately describe the in vivo data, a new model was developed using the in vivo data. Preliminary results showed that the inoculum effect of A. baumannii on polymyxin B efficacy is less significant in vivo than in vitro. Further experiments with a third inoculum are planned to better characterize this inoculum effect in vivo.


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