Alexander Fleming : pére de l'antibiothérapie!

Alexander Fleming est né dans une ferme du Ayrshire, située dans le fin fond de l'écosse, le 6 août 1881. 14 ans, il part à Londres rejoindre son frère aîné Tom, où il suit les cours de section commerciale, puis trouve du travail comme employé aux écritures dans une compagnie de navigation.

En juillet 1901, il entre en possession d'un petit héritage qui lui permet de reprendre ses études. Il obtient une bourse de début d'études en médecine à la St-Mary's Hospital Medical School où il présentera une thèse sur les infections microbiennes et les moyens de les combattre. Il obtient son diplôme de docteur en médecine et une médaille d'or de l'université de Londres, en 1908. Comme il pense devenir chirurgien, Alexander Fleming obtient le titre de Compagnon du Collège royal des chirurgiens.

La perspective de travaux avec son professeur Sir Almroth Wright, enthousiasme alors Alexander Fleming influencé lui aussi par l'énergie, la pensée fertile et le génie technique de Wright. Wright en effet n'est pas n'importe qui: médecin, c'est un familier de l'Institut Pasteur et de Jules Bordet (prix Nobel), il dirige le laboratoire de bactériologie du St.-Mary's Hospital. La perspicacité et les aptitudes techniques de Fleming sont des qualités auxquelles Wright est également sensible.

Alexander Fleming commence ses travaux sur le traitement des infections bactériennes, qui à l'époque font des ravages.
Il dispose pour cela d'un petit laboratoire de recherche en sous-sol au centre d'inoculation de l'hôpital St Mary's, qui deviendra par la suite l'Institut Wright-Fleming.

En septembre 1915 Fleming épouse Sarah Marion Mac Elroy, une infirmière.

La nomination de Fleming au poste de professeur de bactériologie, en 1928, atteste sa contribution à tous ces secteurs d'activités de recherches sur les maladies infectieuses



A son retour de vacances le 3 septembre 1928, survient un véritable miracle. Alors qu'il observe l'inhibition de la croissance de colonies staphylococciques sur une une boîte de Petri, contenant une culture de bactéries se développant sur une couche d'agar-agar, une moisissure verte, ressemblant à celle du fromage de Roquefort, trouble sa culture. "That's funny !" s'exclame Alexander Fleming.

Il observe que la moisissure verte, est probablement venue d'un laboratoire contigu où travaille le jeune mycologue Charles J. Latouche, sur des champignons provoquant des allergies chez des malades atteints d'asthme. Cette moisissure a littéralement anéanti la culture de bactéries. Il constatera bien vite que cette moisissure est active sur un grand nombre de bactéries.

Au microscope il découvre un champignon, qu'il appellera "penicillium notatum". La substance anti-bactérienne portera le nom de pénicilline, tiré du nom latin du champignon "penicillium".
Alexander Fleming sait entrevoir que ce produit est sécrété et qu'il peut par conséquent être extrait. Ce constat mène Alexander Fleming paralysé par la peur et les doutes, à la publication et à la présentation de sa découverte fabuleuse devant le gratin de la science et de la médecine du Medical Research Club, qui reste cependant sceptique, le 13 février 1929.
Ayant découvert une substance anti-bactérienne (voir ci-contre), il fait l'essai du produit en application topique locale (irrigation de plaies, conjonctives, sinus,...). En injection cela ne marche pas bien, parce qu'une fois injectée, la pénicilline est instable et rapidement inactivée.
Fleming est alors entouré d'un certain nombre de diplômés, mais il n'est pas un biochimiste dans l'âme et il ne sait pas faire appel aux compétences nécessaires pour produire et purifier le produit.

Malheureusement, il rencontre de nombreuses difficultés et doit abandonner ses recherches.

Sa découverte prend toute son importance au niveau médical douze ans plus tard avec les travaux majeurs de Sir Howard Florey et de son équipe de l'université d'Oxford, avec Ernst Boris Chain. Ces derniers réussissent l'extraction et la purification de la pénicilline qui peut être utilisable, bien que semi-pure.
En 1935, Fleming donna un exemplaire d'une boîte de Pétri ensemencée de Penicillium à un collègue du St Mary's Hospital qui travaillait avec lui. Pourquoi cet exemplaire est-il si, important ? lui demanda-t-il.
Bien que cela ne soit pas évident, il représente le premier chapitre de l'histoire d'une observation intéressante conduisant au développement des antibiotiques modernes. (Cette boite de Pénicillium est visible au Musée des Sciences à Londres)

Il faudra attendre le 16 août 1941 pour que soit reconnu l'effet thérapeutique de la pénicilline et son innocuité. C'est la date à laquelle est publié un article de la revue médicale britannique The Lancet, intitulé "Further observations on penicillin."
Aux fins d'un premier essai clinique qui donne des résultats stupéfiants, Fleming intervient à cette étape, on est en 1942, pour mettre au point les protocoles et trouver des moyens de vérifier la force et le degré d'activité du produit dans le sang, c'est ainsi qu' en 1943, il aide à soigner à la pénicilline l'infection d'un adolescent, présentant une septicémie. Après utilisation de la pénicilline, la fièvre est tombée spectaculairement et, après trois jours, le malade était apparemment guéri.
Il collabore directement à l'avancement du programme de recherches britannique. Toutefois, en ces temps de guerre, c'est au Canada et aux états-Unis principalement que la pénicilline est mise au point en vue de son exploitation commerciale. Chaque dose coûte une fortune. Mais la substance sera vitale pour vaincre non seulement les infections des plaies de soldats blessés, mais pour combattre des épidémies de fièvre typhoïde et de typhus.
Le Canada a toutes les raisons de lui être reconnaissant de sa découverte. En effet, l'une des premières usines où l'on fabrique la pénicilline, à la fin de la deuxième guerre mondiale est affiliée à l'université de Toronto. Simultanément, Ayerst, McKenna & Harrison, aujourd'hui connu sous le nom de Wyeth-Ayerst Canada Inc., prépare à produire de la pénicilline pour l'état Canadien

A Bruxelles, les 29 et 30 novembre 1945, alors que les universités de Bruxelles, Louvain et Liège l'honorent et lui discernent le titre de docteur honoris causa, voici ce que Fleming déclare,: "J'ai été accusé d'avoir inventé la pénicilline. Aucun homme n'aurait pu "inventer" la pénicilline, car elle a été produite, de temps immémorial, par la nature et par une certaine moisissure. Non, je n'ai pas inventé la substance pénicilline..." "Ce fut un accident, un pur accident", confie Alexander Fleming à l'académicien André Maurois, qui le rencontre en 1945 et rédige une étude sur la vie de Fleming.

Malgré tout, Alexander Fleming portera pour le reste de sa vie les honneurs de sa découverte et mérite amplement les hommages qui lui sont rendus.
- il est fait membre de la Royal Society de Londres en1943,
- il recevoit la Croix de Chevalier en1944,
- il est anobli par le roi George VI en Juillet 1944
- le 7 décembre 1945 Alexander Fleming partage le prix Nobel de médecine avec Howard Florey et Ernst Boris Chain, pour leurs contributions à la mise au point du traitement antibiotique par la pénicilline et leurs apports au développement de la médecine moderne.
- il reçoit la médaille du Mérite des états-Unis, pour ne citer que les titres honorifiques les plus importants.
Un peu partout dans le monde, on décerne à Fleming des diplômes, des médailles et des prix.

En 1922 Fleming avait découvert le lysozyme par hasard, dans les sécrétions nasales et dans les larmes: une substance qui lyse certaines bactéries mais pas les leucocytes et qu'il dénomme "lysozymeau" cette substance constitue une de nos défenses naturelles contre les infections
Après le décès de sa femme Sarah le 22 novembre 1949, il épouse quatre ans plus tard, le 9 avril 1953 Amalia qui poursuivra les travaux de son célèbre mari et sera connue sous le nom "Lady Fleming".
A la veille de sa retraite Alexander Fleming décède à sa résidence Londonienne le 11 mars 1955.

Ses efforts désintéressés dans le domaine des sciences médicales afin d'apaiser les effets des maladies infectieuses restèrent en fait sans écho pendant douze ans avant de sortir de l'ombre. Son nom et ses recherches resteront gravés dans notre mémoire.

I. Les antibiotiques

A. Qu'est ce qu'un antibiotique ?
On appelle « antibiotiques » des substances chimiques qui agissent sur les bactéries de manière ciblée. Ils peuvent empêcher leur développement, ils sont alors dits « bactériostatiques » ou bien les détruire complètement : ils sont alors « bactéricides ». On connaît aujourd'hui plus de dix mille molécules antibiotiques dont une centaine sont utilisées en médecine.

B. Mode d'action des antibiotiques
Les antibiotiques peuvent être classés en fonction de leur mode d'action sur les bactéries (Ref. 1),. Les bactéries sont des organismes parmi les plus simples du monde vivant, ils sont unicellulaires et dénués de noyau (« procaryotes »). Leur structure est rappelée à la figure 1. Le cytoplasme est le milieu interne à la cellule, il contient le patrimoine génétique (ADN circulaire) et les éléments de la synthèse protéique. Il est séparé de l'extérieur par une membrane plasmique et une paroi cellulaire.
- Structure d'une bactérie.



Figure 1 : Structure d'une bactérie.
Les antibiotiques agissent généralement sur un des éléments de la structure bactérienne. Les principaux modes d'action sont rassemblés dans le tableau suivant qui donne également les structures de quelques antibiotiques. Les médicaments qui contiennent ces antibiotiques peuvent être retrouvés en ligne grâce à la référence 2.

-Mode d'action

*Action sur la paroi bactérienne :
l'antibiotique bloque la synthèse de la paroi par inhibition de la transpeptidase ce qui inhibe la synthèse du peptidoglycane. Ceci empêche la formation de nouvelles bactéries et peut entraîner la destruction de celles déjà existantes. Les ß-lactames (famille à laquelle appartient la pénicilline) agissent suivant ce mode d'action


Exemples (le groupement R désigne une chaîne latérale

*Action sur la membrane cellulaire :

l'antibiotique a des propriétés de surfactant qui lui permettent de s'insérer parmi les phospholipides de la membrane externe. Cela perturbe la perméabilité membranaire (augmentation anormale) et permet la diffusion de substances hydrosolubles hors de la bactérie, ce qui entraîne sa destruction. Les polymyxines (lipopeptides cycliques) agissent suivant ce mode d'action.




*Action sur l'ADN :
l'antibiotique agit en se liant au complexe ADN-ADN gyrase bactérienne ce qui a pour effet d'inhiber la gyrase. Cet enzyme rajoute des supertours négatifs à l'ADN, préalable indispensable à l'ouverture de la double hélice. Cela inhibe la réplication de l'ADN, indispensable à la formation de nouvelles bactéries, ainsi que la transcription. Les fluoroquinolones agissent suivant ce mode d'action (énoxacine).

l'antibiotique est un analogue structurel d'une molécule précurseur des bases entrant dans la composition des acides nucléiques. La bactérie va l'insérer dans son métabolisme mais les légères différences de structure entre l'antibiotique et le précurseur vont entraîner le blocage des voies métaboliques. La cellule ne peut plus synthétiser les acides nucléiques. Les sulfamides agissent suivant ce mode d'action en entrant en compétition avec le PAB, inhibant la dihydrosynthétase et de ce fait la synthèse d'acide folique.


*Action sur la synthèse protéique :
l'antibiotique interfère avec la synthèse protéique bactérienne en agissant sur les ribosomes. En effet, les ribosomes bactériens (constitués de deux sous-unité 30S et 50S formant un ribosome 70S) sont différents des ribosomes eucaryotes (constitués de deux sous-unités 40S et 60S formant un ribosome 80S) offrant la possibilité d'avoir des substances dont l'action est très spécifique. Les tétracyclines (auréomycine) et les macrolides (érythromycine) agissent suivant ce mode d'action. Les macrolides agissent au niveau de la sous-unité 50S, les tétracyclines agissent sur la sous-unité 30S.

II. Les pénicillines : découverte des propriétés antibiotiques

A. Que sont les pénicillines ?
Les pénicillines naturelles sont des molécules synthétisées par certains champignons microscopiques de la famille des Penicillium (cf figure 2). Elles ont des propriétés antibiotiques bactériostatiques : elles empêchent la synthèse de la paroi bactérienne et stoppent donc la prolifération des bactéries. Ce sont les premiers antibiotiques obtenus à l'échelle industrielle et leur utilisation pour traiter les infections a entraîné une véritable révolution médicale au cours de la deuxième moitié du vingtième siècle.




Figure 2 : Penicillium roqueforti : image par microscopie. Ce champignon de la famille des Penicillium est à l'origine du « bleu » des fromages de roquefort

B. Les précurseurs de la découverte
Les phénomènes de compétition chez les micro-organismes sont étudiés dès la fin du dix-neuvième siècle : en 1877 Pasteur et de Joubert constatent que lorsque des bactéries du charbon, Bacillus anthracis , sont injectées à un animal en même temps que des bactéries usuelles les animaux ne contractent pas la maladie. En 1897, le médecin français Ernest Duchesne soutient sa thèse de doctorat « Contribution à l’étude de la concurrence vitale chez les micro-organismes : antagonisme entre les moisissures et les microbes ». Il montre que les moisissures présentent une activité antimicrobienne : une culture d'Escherichia coli peut être éradiquée par l'introduction de Penicillium glaucum. Il observe également cette activité in vivo : « certaines moisissures (Penicillium glaucum), inoculées à un animal en même temps que des cultures très virulentes de quelques microbes pathogènes (B. coli et B. typhosus d'Eberth), sont capables d'atténuer dans de très notables proportions la virulence de ces cultures bactériennes » . Ses travaux ne seront pas poursuivis et il faut attendre près de trente ans pour que le hasard permette à Fleming de remettre en évidence l'action bactériostatique des moisissures.

C. La découverte de Fleming
En septembre 1928, de retour de vacances, le docteur Alexander Fleming retrouve son laboratoire londonien et ses cultures de staphylocoques. Il a la mauvaise surprise de constater leur contamination par un champignon microscopique, Penicillium notatum, utilisé dans un laboratoire voisin. Ce genre de contamination n'est pas rare, mais avant de se débarrasser des cultures désormais inutilisables, il a le réflexe de les examiner attentivement. Il constate que les staphylocoques ne se développent pas à proximité du champignon (cf figure 3), il émet alors l'hypothèse que ce dernier synthétise une substance qui bloque le développement de la bactérie et l'appelle « pénicilline ». Fleming publie sa découverte en 1929 et signale les possibilités thérapeutiques « la pénicilline utilisée en doses massives n’est ni toxique ni irritante… elle peut constituer, par applications ou en injections, un antiseptique efficace contre les microbes ». Mais la pénicilline est très difficile à purifier et isoler en quantités appréciables et elle est bientôt oubliée. Il faut attendre une dizaine d'années avant qu'elle revienne sur le devant de la scène.



Figure 3 : Les Staphylocoques ne peuvent pas se développer à proximité de Penicillium notatum.

III. Production de la pénicilline

A. Lutter contre les infections
La recherche d'agents anti-infectieux a été très active dès le début du vingtième siècle et en particulier pendant la première guerre mondiale. En effet, en temps de guerre, l'infection des blessures est la première cause de mortalité des combattants. La première grande avancée thérapeutique a lieu entre 1932 et 1935 quand le médecin allemand Domagk découvre les propriétés antibactériennes d'un colorant, le prontosil (cf figure 4). Une équipe française de l'institut Pasteur montre que le prontosil est dégradé en sulfanilamide (cf figure 4) dans l'organisme et que c'est cette molécule qui est le principe actif contre les bactéries. Elle appartient à la famille des sulfamides dont de nombreuses molécules seront synthétisées et testées. Les sulfamides deviennent ainsi les premiers antibiotiques synthétiques et sont encore utilisés aujourd'hui. Mais leur spectre d'action est relativement étroit et leur métabolisation par l'organisme fait souvent apparaître des produits toxiques. Au début de la seconde guerre mondiale, la recherche d'anti-infectieux est encore très active et quelques scientifiques de l'université d'Oxford se souviennent des travaux de Fleming sur la pénicilline.


Figure 4 : Structure du prontosil et des sulfamides.

B. Purifier la pénicilline
Au début des années 1940, à l'université d'Oxford, le pharmacologiste Howard Florey et le biochimiste Ernst Chain reprennent les travaux sur la pénicilline. Ils mettent en place une culture à grande échelle d'une souche de Penicillium notatum obtenue grâce à Fleming et parviennent ainsi à en isoler une quantité très faible. Le chimiste Edward Abraham est chargé de la purifier. Pour cela, il met en œuvre une technique alors toute récente : la chromatographie sur colonne d'alumine
. En 1940, les premiers essais in vivo montrent que la pénicilline permet de sauver des souris infectées par des streptocoques. Les essais sur les êtres humains commencent dès 1941 : les résultats sont spectaculaires, des infections auparavant potentiellement mortelles sont guéries en quelques semaines grâce à la pénicilline. Elle acquiert très vite le statut de « médicament miraculeux », mais les stocks sont quasiment inexistants en raison des grandes difficultés d'obtention. En effet, d'une part Penicillium notatum ne produit qu'une quantité faible de pénicilline et uniquement dans un milieu riche en oxygène. Cela impose d'utiliser des cultures en surface, beaucoup plus difficiles à mettre en œuvre que les cultures en cuve. D'autre part, la pénicilline est très instable, en particulier aux pH faibles et élevés, ce qui rend son extraction et sa purification extrêmement difficile. La pureté de la pénicilline utilisée dans les premiers essais in vivo a été rétrospectivement évaluée de l'ordre de 1% !

C. Développement et production industrielle

Les premiers essais sur les êtres humains sont très encourageants et Florey essaie d'impliquer les firmes pharmaceutiques britanniques dans le développement de la production. Mais la deuxième guerre mondiale empêche la réalisation de ce projet en Grande Bretagne, c'est pourquoi les chercheurs s'expatrient aux États-Unis avec leur précieuse souche de Penicillium notatum. Ce qui arrive alors est aujourd'hui considéré comme le point de départ des biotechnologies. En effet, de multiples techniques seront mises au point pour accroître le rendement et elles sont depuis au cœur de nombreux procédés. On peut citer, entre autres, les dispositifs d'extraction et de lyophilisation à grande échelle et l'amélioration des souches productrices par mutagénèse et sélection.

Les efforts concentrés sur l'amélioration de la production ont permis de gagner plusieurs ordres de grandeur en quelques années : initialement, un millilitre de culture permettait d'obtenir 4 unités de pénicilline en 200 heures. À titre de comparaison, le traitement d'une angine à la pénicilline requiert en général 3 millions d'unités par jour pendant une dizaine de jours soit la production de 7 500 litres de cette culture. La première étape a consisté en un changement du milieu de culture. Son enrichissement en nutriments plus adaptés à la souche utilisée a permis de passer à 40 unités / mL de culture, soit un accroissement d'un facteur 10. Mais la culture en surface était intrinsèquement limitée et les chercheurs n'ont eu de cesse de passer à une culture en volume. Il a été rapidement clair que Penicillium notatum ne permettrait pas ce changement de technologie. En effet, l'approvisionnement en oxygène est plus faible dans une culture en volume que dans une culture en surface et le rendement en pénicilline de Penicillium notatum devient alors très faible. Après un criblage d'échantillons de moisissure en provenance de tout le globe, c'est un champignon trouvé sur un melon dans la région du laboratoire de recherche qui permettra la migration vers le procédé volumique : Penicillium chrysogenum permettra de produire 80 unités / mL de culture en volume, avec une capacité de production accrue par rapport à la variété notatum. En effet, le passage en cuves de fermentation permet un changement d'échelle. La sélection génétique d'un mutant a rapidement permis d'atteindre 250 unités / mL de culture puis 900 puis 2500 unités / mL. Aujourd'hui, les sélections successives ont abouti à des souches qui produisent plus de 60000 unités / mL de culture en 200 heures, soit plus de quinze mille fois plus que la souche de départ (cf figure 5).



Figure 5 : Évolution du rendement en pénicilline en fonction des souches de Penicillium utilisées.

A partir de 1942, les grandes firmes pharmaceutiques américaines (Merck, Pfizer...) sont associées au projet dans le but de permettre un changement d'échelle de la production. La pénicilline est alors considérée comme une substance stratégique par les pouvoirs publics américains et sa production devient un effort de guerre : les quantités obtenues sont prioritairement allouées aux forces armées. En 1944, Pfizer inaugure sa première usine de production de la pénicilline et les soldats alliés disposent de pénicilline le jour du débarquement en normandie. Dès 1945, la production est suffisante pour que les restrictions sur sa distribution soient levées; elle est bientôt disponible dans toutes les pharmacies du pays. Fleming, Florey et Chain recevront le prix Nobel de physiologie-médecine pour « la découverte de la pénicilline et ses effets curatifs de nombreuses maladies infectieuses » en 1945 .

Il est intéressant de remarquer que la pénicilline est devenue un médicament produit en quantité industrielle alors même que sa structure chimique n'était pas encore complètement élucidée et son mode d'action totalement inconnu. Cette structure, donnée à la figure 6, est relativement inattendue car elle fait apparaître un bicycle assez tendu. .


Figure 6 : Structure de la benzylpénicilline ou « pénicilline G ».

IV. Conclusion

Des maladies bactériennes mortelles comme la tuberculose, la pneumonie, la diphtérie, la syphilis ou encore le tétanos contre lesquelles il n'existait aucun remède il y a 60 ans peuvent désormais être traitées grâce aux antibiotiques. On considère aujourd'hui que leur utilisation thérapeutique a permis d'allonger la durée moyenne de la vie humaine d'une dizaine d'année. Toutefois, on constate partout une augmentation de l'antibiorésistance des bactéries, c'est à dire de leur capacité à résister aux antibiotiques. La lutte contre l'antibiorésistance passe bien sûr par la recherche de nouveaux antibiotiques , mais elle commence surtout par une utilisation plus raisonnée des antibiotiques disponibles, au risque de se retrouver dans dix ou vingt ans aussi démunis qu'au début du vingtième siècle contre les maladies infectieuses.