Impact des thérapeutiques anticancéreuses et antibiotiques sur les bactéries et le microbiote digestif

Impact of antibiotic and anticancer drugs on bacteria and the gut microbiota

• Auteur / Autrice : Claire Hobson
• Direction : Olivier Tenaillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Infection, anti-microbien, modélisation, évolution (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Armand-Lefèvre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Armand-Lefèvre, Marie-Cécile Ploy, Thierry Naas, Paul-Louis Woerther, Solen Kernéis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Cécile Ploy, Thierry Naas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance aux médicaments

Bactéries -- Effets des médicaments

Cancer -- Thérapeutique

Cancer

Flore intestinale

Mots clés libres

Microbiote digestif

Résistance

Antibiotiques

Chimiothérapie anticancéreuse

Modèle de colon in vitro

Intestinal microbiota

Resistance

Antibiotics

Anticancer drugs

In vitro colon model

Résumé

Les anticancéreux n'étant pas spécifiques des cellules cancéreuses, ils pourraient également affecter les bactéries et leur écosystème comme le microbiote intestinal. Nous avons évalué l'impact de 7 chimiothérapies anticancéreuses sur la fréquence d'apparition de mutants résistants à plusieurs antibiotiques (dont la ceftazidime-avibactam) sur des isolats cliniques d'entérobactéries productrices de carbapénémases de type KPC. La comparaison de ces fréquences avec/sans chimiothérapie montre que le taux de mutation bactérienne associée à la résistance au ceftazidime-avibactam augmente jusqu'à 103 fois en présence de certaines chimiothérapies. Afin d'identifier les mécanismes moléculaires à l'origine de cette résistance, nous avons caractérisé les allèles de KPC associés aux mutants sélectionnés et avons objectivé des mutations au sein de la carbapénémase de type KPC. Afin d'évaluer le paysage adaptatif mutationnel de la beta-lactamase KPC nous avons étendu l'analyse allélique des mutants résistants à la ceftazidime-avibactam. Sur 96 mutants criblés, 19 indels (impliquant de 2-15 acides aminés) ont été retrouvé tous situés dans les boucles entourant le site actif. Trois phénotypes de sensibilité aux antibiotiques se dégagent : un phénotype de type Bêta-lactamase à spectre étendu, une activité hautement spécialisée limitée à la ceftazidime et un phénotype de type KPC avec une moindre activité carbapénèmase. La grande tolérance aux indels de la protéine KPC reflète son grand potentiel évolutif. Une analyse bibliographique approfondie nous a conduit à étudier les relations entre les cancers, les médicaments anticancéreux, les bactéries et leur écosystème comme le microbiote intestinal. Non seulement les bactéries peuvent influencer l'efficacité des traitements (via la stimulation du système immunitaire notamment), mais en retour, les anticancéreux peuvent avoir un impact sur le génome bactérien et donc également sur le microbiote intestinal. Cette analyse souligne l'importance de mieux comprendre la relation entre le microbiote intestinal, l'hôte et les thérapeutiques. Ces conclusions nous ont amené à implémenter un modèle simple permettant d'étudier les relations entre bactérie-microbiote intestinal et thérapeutiques. Le système MBRA (MiniBioReactor Array) est un modèle de culture à flux continu, placé dans une chambre anaérobie et constitue un modèle de colon in vitro. Il nous a permis d'évaluer l'impact d'une céphalosporine de troisième génération (ceftriaxone) sur le microbiote intestinal de 2 donneurs sains, ainsi que l'impact de 2 médicaments anticancéreux (daunorubicine et hydroxycarbamide). Une analyse microbiome 16S nous a permis d'évaluer la diversité microbienne et les changements taxonomiques entrainés par ces traitements. Le MBRA préserve les spécificités de chaque donneur, qui, fait notable, sont maintenues tout au long de l'expérience. La ceftriaxone est associée à une diminution de la diversité alpha et à une augmentation de l'indice de diversité bêta, de façon concentration-dépendante. L'impact était minoré sur le microbiote du donneur ayant une activité bêta-lactamase marquée au sein du microbiote intestinal. L'activité bêta-lactamase endogène du microbiote semblait donc protéger le microbiote lui-même de la dysbiose induite par la ceftriaxone. La réponse du microbiote intestinal à la ceftriaxone dépend donc du donneur et de la concentration de l'antibiotique. Les médicaments anticancéreux entraînaient des effets mineurs sur le microbiote intestinal. Néanmoins, la daunorubicine a été associée à un changement significatif dans la diversité et dans le ratio Firmicutes sur Bacteroidetes; un biomarqueur de la dysbiose; d'une manière donneur-dépendante. Comparativement, l'impact de l'hydroxycarbamide était négligeable. Ainsi, l'impact in vivo rapporté des médicaments anticancéreux sur le microbiote intestinal semble être la résultante de facteurs Hôte, molécules cytotoxiques et autres thérapeutiques.

Since anticancer drugs are not specific to cancer cells, they could also affect bacteria and their ecosystem such as the gut microbiota. We evaluated the impact of 7 cancer chemotherapies on the frequency of emergence of resistant mutants to antimicrobials (including ceftazidime-avibactam) on clinical isolates of KPC-carbapenemase-producing Enterobacteriaceae. Comparison of these frequencies in cultures with/without chemotherapy shows that the rate of bacterial mutation associated with resistance to ceftazidime-avibactam increases up to 103 times in the presence of certain drugs. To identify the molecular mechanisms underlying this resistance, we characterized the KPC alleles associated with some selected mutants and objectified mutations within KPC-like carbapenemase. To assess the adaptive mutational landscape of beta-lactamase KPC we extended the allelic analysis of resistant mutants to ceftazidime-avibactam. Out of 96 screened mutants, 19 indels (involving 2-15 amino acids) were found all located in the loops surrounding the active site. Three antibiotic resistance phenotypes were observed: an extended spectrum Beta-lactamase phenotype, a highly specialized activity limited to ceftazidime and a KPC phenotype with less carbapenemase activity. The high tolerance to indels of the KPC protein reflects its great evolutionary potential. An in-depth literature review led us to study the relationships between cancers, anticancer drugs, bacteria and their ecosystem such as the gut microbiota. Not only can bacteria influence the effectiveness of treatments (via the stimulation of the immune system in particular), but in return, anticancer drugs can have an impact on the bacterial genome and therefore also on the intestinal microbiota. This analysis highlights the importance of better understanding the relationship between the gut microbiota, the host and therapeutics. These conclusions led us to implement a simple model to study the relationships between bacteria-gut microbiota and therapeutics. The MBRA (MiniBioReactor Array) system is an in vitro continuous flow culture model, placed in an anaerobic chamber. It allowed us to evaluate the impact of a third-generation cephalosporin (ceftriaxone) on the gut microbiota of 2 healthy donors, as well as the impact of 2 anticancer drugs (daunorubicin and hydroxycarbamide). A 16S microbiome analysis allowed us to assess the microbial diversity and taxonomic changes caused by these treatments. The MBRA preserves the specificities of each donor, which, notably, are maintained throughout the experience. Ceftriaxone is associated with a decrease in alpha diversity and an increase in the beta diversity index, in a concentration-dependent manner. The impact was minimized on the microbiota of the donor with marked beta-lactamase activity within the gut microbiota. The endogenous beta-lactamase activity of the microbiota therefore appeared to protect the microbiota itself from ceftriaxone-induced dysbiosis. The response of the gut microbiota to ceftriaxone therefore depends on the donor and the concentration of the antibiotic. Anticancer drugs had minor effects on the gut microbiota. Nevertheless, daunorubicin was associated with a significant change in diversity and in the Firmicutes ratio on Bacteroidetes; a biomarker of dysbiosis; in a donor-dependent manner. Comparatively, the impact of hydroxycarbamide was negligible. Thus, the reported in vivo impact of anticancer drugs on the gut microbiota appears to be the result of host factors, cytotoxic molecules and other therapeutics.