Environnements présentant un risque nouveau de contamination des travailleurs par des souches de Staphylococcus aureus résistantes à la méthicilline

L'exposition aux bactéries résistantes aux antibiotiques, en particulier à Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM (1)) sur le lieu de travail, a été montrée comme étant un facteur de risque pour la santé des opérateurs, la fréquence des contacts avec cette bactérie augmentant la probabilité d'en devenir porteur. En plus du fait que les SARM augmentent d'un facteur 4 le risque d'infection chez le porteur, le choix du traitement antibiotique en cas d'infection est fortement limité. C'est pourquoi il est important d'identifier les environnements de travail et les conditions qui favorisent la transmission de cette bactérie de l'animal à l'Homme. La résistance à la méthicilline est conférée au S. aureus par un élément génétique mobile, appelé « staphylococcal cassette chromosome » mec (SCCmec), qui contient le gène de résistance à la méthicilline, mecA. SCCmec a cinq formes (I, II, III, IV and V) qui ont été acquises et intégrées dans le génome de S. aureus lors d'événements indépendants de transfert horizontal. Certaines de ces lignées spécifiquement associées au bétail traité aux antibiotiques (tel que le complexe clonal 398, CC398 (2)), peuvent également coloniser le nez humain. Ainsi, la colonisation nasale ou contamination a été constatée chez 23 à 86 % des agriculteurs et vétérinaires ayant un contact direct avec des porcs, ainsi que chez un à cinq pour cent des personnes ayant une exposition indirecte (par exemple les membres de la famille d'agriculteurs, les visiteurs de la ferme). La pathogénicité du SARM CC398 pour l'Homme a été documentée dans une série de rapports décrivant des cas d'endocardite, d'otomastoïdite et de pneumonie. En outre, le SARM CC398 a été introduit dans des structures de santé (hôpitaux, cliniques, etc.) situées principalement dans les zones d'élevage à forte densité. Si les porcs sont des vecteurs bien connus de transmission de CC398 à l'Homme, d'autres animaux peuvent l'être également, tels que les dindes en Allemagne, comme illustré par le premier article cité dans cette note. Par ailleurs, la propagation de ces souches résistantes aux antibiotiques est inquiétante. Le deuxième article de cette note révèle l'apparition de souches de CC398 dans le lait de vache au Royaume-Uni pays où, jusqu'alors, la surveillance n'en avait pas détecté.

Les staphylocoques résistants à la méthicilline (MRSA) : un nouveau risque professionnel chez les éleveurs de porcs

En 2004, en Hollande, une souche particulière de Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (MRSA2 pour Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus) a été découverte chez des personnes en contact avec des porcs. Après investigations, il s'est avéré que 39 % des porcs hollandais et 23 % des éleveurs de porcs étaient porteurs (dans leur conduit nasal) de cette souche dont le profil génétique obtenu par la technique MLST3 (ST398) est différent des clones MRSA habituellement responsables des infections nosocomiales (Maugat et al. 2009 ; Lucet et al. 2005). Depuis, un nombre croissant d'études concernant l'émergence de cette souche dans d'autres pays (Canada, France, Allemagne, Angleterre, Belgique, Italie, Espagne, Danemark et Singapour) et chez d'autres animaux (chevaux, chiens, vaches et poulets) ont été publiées. En janvier 2009, une étude rapporte que cette souche vient d'être isolée aux USA lors du contrôle de deux très grands élevages de porcs. Les souches MRSA ST398 ont été retrouvées chez 70 % des animaux et chez 9 des 14 des employés de l'un des deux élevages concernés. En Hollande, la proportion des éleveurs de porcs colonisés par ces MRSA est passée de 23 % en 2004 à 50 % en 2008 (contre 0,03 % dans la population générale, c'est-à-dire sans contact avec des animaux de ferme). Dans plusieurs pays, la possibilité d'une transmission de l'animal à l'homme, puis inter-humaine a été confirmée par plusieurs études et concernerait en premier lieu les éleveurs, leur famille et les vétérinaires (Khanna et al. 2008 ; Smith et al. 2008 ; Wulf et al. 2008). Dès lors, les élevages de porcs sont susceptibles de constituer un réservoir4 important de MRSA qui peuvent se propager à d'autres animaux et à l'homme. L'apparition de cette nouvelle zoonose peut avoir de graves impacts sur la santé publique et constitue un risque professionnel émergent pour les éleveurs de porcs. En effet, si dans la très grande majorité des cas, la colonisation nasale de l'homme par ces MRSA reste asymptomatique, l'implication de ces MRSA ST398 dans des complications infectieuses (endocardite, pneumonie, septicémie et infection de la peau) a déjà été observée. Les deux articles proposés dans cette note traitent de la problématique de ces complications infectieuses. [Auteur]

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus resensitization by protein synthesis inhibitors : proposal for a mechanism

RESUME Staphylococcus aureus est un important pathogène à gram-positif, à la fois responsable d'infections nosocomiales et communautaires. Le S. aureus résistant à la méthicilline est intrinsèquement résistant aux bêta-lactamines, inhibiteurs de la synthèse de la paroi bactérienne, grâce à une enzyme nouvellement acquise, la protéine liant la pénicilline 2A, caractérisée par une faible affinité pour ces agents et pouvant poursuivre la synthèse de la paroi, alors que les autres enzymes sont bloquées. Ce micro-organisme a également développé des résistances contre quasiment tous les antibiotiques couramment utilisés en clinique. Parallèlement au développement de molécules entièrement nouvelles, il peut être utile d'explorer d'éventuelles caractéristiques inattendues de médicaments déjà existants, par exemple en les combinant, dans l'espoir d'un potentiel effet synergique. Comprendre les mécanismes de tels effets synergiques pourrait contribuer à la justification de leur utilisation clinique potentielle. Récemment, un effet synergique contre le S. aureus résistant à la méthicilline a été décrit entre la streptogramine quinupristine-datfopristine et les bêta-lactamines, aussi bien in vitro qu'in vivo. Le présent travail a pour but de proposer un modèle pour le mécanisme de cette interaction positive et de l'étendre à d'autres classes d'antibiotiques. Premièrement, un certain nombre de méthodes microbiologiques ont permis de mieux cerner la nature de cette interaction, en montrant qu'elle agissait spécifiquement sur le S. aureus résistant à la méthicilline et qu'elle était restreinte à l'association entre inhibiteurs de la synthèse des protéines et bêta-lactamines. Deuxièmement, L'observation de l'influence des inhibiteurs de la synthèse des protéines sur la machinerie de la paroi bactérienne, c'est-à-dire sur l'expression des protéines liant la pénicilline, responsables de la synthèse du peptidoglycan, a montré une diminution de la quantité de ta protéine liant la pénicilline 2, connue pour posséder une activité de transglycosylation, indispensable au bon fonctionnement de la protéine liant la pénicilline 2A, responsable de la résistance à la méthicilline. Troisièmement, l'analyse fine de la composition du peptidoglycan extrait de bactéries, avant ou après traitement par des inhibiteurs de la synthèse des protéines, a montré des altérations corrélant avec leur capacité à agir en synergie avec les bêta-lactamines contre S. aureus résistant à ta méthicilline. Ces altérations dans les muropeptides pourraient représenter une signature de la diminution de la quantité de la protéine liant la pénicilline 2. Le modèle mécanistique retenu considère que les inhibiteurs de la synthèse des protéines pourraient diminuer l'expression de la protéine Liant la pénicilline 2, indispensable à la résistance à la méthiciltine, et que ce déséquilibre dans les enzymes synthétisant la paroi bactérienne pourrait générer une signature dans les muropeptides. SUMMARY Staphylococcus aureus is a major gram-positive pathogen causing both hospital-acquired and community-acquired infections. Methicillin- resistant Staphylococcus aureus is intrinsically resistant to the cell wall inhibitors beta-lactams by virtue of a newly acquired cell-wall-building enzyme, tow-affinity penicillin-binding protein 2A, which can build the wall when other penicillin-binding proteins are blocked. Moreover, the microorganism has developed resistance to virtually all non-experimental antibiotics. In addition of producing entirely new molecules, it is useful to explore unexpected features of existing drugs, for example by using them in combination, expecting drug synergisms. Understanding the mechanisms of such synergisms would help justify their putative clinical utilization. Recently, a synergism between the streptogramin quinupristin-dalfopristin and beta-lactams was reported against methicillin-resistant S. aureus, both in vitro and in vivo. The present work intends to propose a model for the mechanism of this positive interaction and to extend it to other drug classes. First, microbiological experimentation helped better defining the nature of this interaction, restricting it to methicillin-resistant S. aureus, and to the association of protein synthesis inhibitors with beta-lactams. Second, the observation of inhibitors of protein synthesis influence on the cell-wall-building machinery, i.e. on the expression of penicillin-binding proteins responsible for peptidoglycan synthesis, showed a decrease in the amount of penicillin-binding protein 2, known to provide a transglycosylase activity for glycan chain elongation, indispensable for the functionality of the low-affinity penicillin-binding protein 2A responsible for methicillin resistance. Third, the fine analysis of the peptidoglycan composition purified from bacteria before or after treatment with inhibitors of protein synthesis showed alterations that correlated with their ability to synergize with beta-lactams against methicillin-resistant S. aureus. These muropeptide alterations could be the signature of decrease in the amount of penicillin-binding protein 2. The retained mechanistic model is that inhibitors of protein synthesis could decrease the expression of penicillin-binding protein 2, wich is indispensable for methicillin-resistance, and that this imbalance in cell-wall-building enzymes could generate a muropeptide signature.

Propagation dans l'environnement des microorganismes et autres particules organiques issus des élevages intensifs et conséquences pour la santé des riverains

Les élevages d'animaux de rente hébergent de plus en plus de bêtes. Cette situation génère une accumulation de poussière organique, constituée de particules inertes et de microorganismes, issus de la nourriture, de la litière, des matières fécales, des pellicules de la peau, des poils, etc. L'activité des animaux et l'activité professionnelle favorisent une remise en suspension de cette poussière, qui peut se propager à l'extérieur. Ces émissions de particules organiques dans l'environnement soulèvent des inquiétudes pour la santé des riverains. Ces craintes sont légitimes, puisque les problèmes respiratoires, allergiques ou toxiques sont bien connus chez les travailleurs agricoles exposés à de fortes doses de poussières organiques. Un autre risque sanitaire lié aux élevages intensifs d'animaux est la dissémination de bactéries résistantes aux antibiotiques dans l'environnement avec, pour éventuelle conséquence, une transmission de ces souches aux personnes résidant à proximité. Cette problématique est bien connue dans les élevages de porcs fréquemment colonisés par des SARM (Staphylococcus aureus résistant à la méticilline), qui sont transmis aux éleveurs. Les deux études analysées ci-dessous ont investigué cette problématique de dissémination des particules organiques dans l'environnement et les conséquences sur la santé des riverains. La première a étudié le lien entre le fait de résider à proximité de fermes d'élevage d'animaux et la prévalence de maladies respiratoires. La deuxième a étudié le risque de colonisation nasale par des SARM dans une population de vétérans vivant à proximité d'élevages intensifs de porcs.

New methods for detecting antibiotic resistant bacteria and preventing their spread

Methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) bacteria have emerged in the early 1980's in numerous health care institutions around the world. The main transmission mechanism within hospitals and healthcare facilities is through the hands of health care workers. Resistant to several antibiotics, the MRSA is one of the most feared pathogens in the hospital setting since it is very difficult to eradicate with the standard treatments. There are still a limited number of anti-MRSA antibiotics but the first cases of resistance to these compounds have already been reported and their frequency is likely to increase in the coming years. Every year, the MRSA infections result in major human and financial costs, due to the high associated mortality and expenses related to the required care. Measures towards a faster detection of resistant bacteria and establishment of appropriate antibiotic treatment parameters are fundamental. Also as part as infection prevention, diminution of bacteria present on the commonly touched surfaces could also limit the spread and selection of antibiotic resistant bacteria. During my thesis, projects were developed around MRSA and antibiotic resistance investigation using innovative technologies. The thesis was subdivided in three main parts with the use of atomic force microscopy AFM for antibiotic resistance detection in part 1, the importance of the bacterial inoculum size in the selection of antibiotic resistance in part 2 and the testing of antimicrobial surfaces creating by sputtering copper onto polyester in part 3. In part 1 the AFM was used two different ways, first for the measurement of stiffness (elasticity) of bacteria and second as a nanosensor for antibiotic susceptibility testing. The stiffness of MRSA with different susceptibility profiles to vancomycin was investigated using the stiffness tomography mode of the AFM and results have demonstrated and increased stiffness in the vancomycin resistant strains that also paralleled with increased thickness of the bacterial cell wall. Parts of the AFM were also used to build a new antibiotic susceptibility-testing device. This nano sensor was able to measure vibrations emitted from living bacteria that ceased definitively upon antibiotic exposure to which they were susceptible but restarted after antibiotic removal to which they were resistant, allowing in a matter of minute the assessment of antibiotic susceptibility determination. In part 2 the inoculum effect (IE) of vancomycin, daptomycin and linezolid and its importance in antibiotic resistance selection was investigated with MRSA during a 15 days of cycling experiment. Results indicated that a high bacterial inoculum and a prolonged antibiotic exposure were two key factors in the in vitro antibiotic resistance selection in MRSA and should be taken into consideration when choosing the drug treatment. Finally in part 3 bactericidal textile surfaces were investigated against MRSA. Polyesters coated after 160 seconds of copper sputtering have demonstrated a high bactericidal activity reducing the bacterial load of at least 3 logio after one hour of contact. -- Au cours des dernières décennies, des bactéries multirésistantes aux antibiotiques (BMR) ont émergé dans les hôpitaux du monde entier. Depuis lors, le nombre de BMR et la prévalence des infections liées aux soins (IAS) continuent de croître et sont associés à une augmentation des taux de morbidité et de mortalité ainsi qu'à des coûts élevés. De plus, le nombre de résistance à différentes classes d'antibiotiques a également augmenté parmi les BMR, limitant ainsi les options thérapeutiques disponibles lorsqu'elles ont liées a des infections. Des mesures visant une détection plus rapide des bactéries résistantes ainsi que l'établissement des paramètres de traitement antibiotiques adéquats sont primordiales lors d'infections déjà présentes. Dans une optique de prévention, la diminution des bactéries présentes sur les surfaces communément touchées pourrait aussi freiner la dissémination et l'évolution des bactéries résistantes. Durant ma thèse, différents projets incluant des nouvelles technologies et évoluant autour de la résistance antibiotique ont été traités. Des nouvelles technologies telles que le microscope à force atomique (AFM) et la pulvérisation cathodique de cuivre (PCC) ont été utilisées, et le Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM) a été la principale BMR étudiée. Deux grandes lignes de recherche ont été développées; la première visant à détecter la résistance antibiotique plus rapidement avec l'AFM et la seconde visant à prévenir la dissémination des BMR avec des surfaces crées grâce à la PCC. L'AFM a tout d'abord été utilisé en tant que microscope à sonde locale afin d'investiguer la résistance à la vancomycine chez les SARMs. Les résultats ont démontré que la rigidité de la paroi augmentait avec la résistance à la vancomycine et que celle-ci corrélait aussi avec une augmentation de l'épaisseur des parois, vérifiée grâce à la microscopie électronique. Des parties d'un AFM ont été ensuite utilisées afin de créer un nouveau dispositif de test de sensibilité aux antibiotiques, un nanocapteur. Ce nanocapteur mesure des vibrations produites par les bactéries vivantes. Après l'ajout d'antibiotique, les vibrations cessent définitivement chez les bactéries sensibles à l'antibiotique. En revanche pour les bactéries résistantes, les vibrations reprennent après le retrait de l'antibiotique dans le milieu permettant ainsi, en l'espace de minutes de détecter la sensibilité de la bactérie à un antibiotique. La PCC a été utilisée afin de créer des surfaces bactéricides pour la prévention de la viabilité des BMR sur des surfaces inertes. Des polyesters finement recouverts de cuivre (Cu), connu pour ses propriétés bactéricides, ont été produits et testés contre des SARMs. Une méthode de détection de viabilité des bactéries sur ces surfaces a été mise au point, et les polyesters obtenus après 160 secondes de pulvérisation au Cu ont démontré une excellente activité bactéricide, diminuant la charge bactérienne d'au moins 3 logio après une heure de contact. En conclusion, l'utilisation de nouvelles technologies nous a permis d'évoluer vers de méthodes de détection de la résistance antibiotique plus rapides ainsi que vers le développement d'un nouveau type de surface bactéricide, dans le but d'améliorer le diagnostic et la gestion des BMR.

Excision of the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec) and its crucial role in the horizontal transfer of methicillin resistance in staphylococci.

Staphylococcus aureus est un pathogène humain majeur ayant développé des résistances contre la quasi totalité des antibiotiques disponibles, incluant la très importante famille des β- lactamines. La résistance à cette classe d'antibiotiques est conférée par la « Staphylococcal Cassette Chromosome mec » (SCCmec), qui est un élément génétique mobile capable de s'insérer dans le chromosome bactérien et capable d'être transféré horizontalement chez d'autres staphylocoques. Le mécanisme moléculaire impliqué dans ce transfert horizontal demeure largement inconnu. L'une des premières étapes du transfert est l'excision du SCC mec du chromosome bactérien. Cette excision est promue par des enzymes codées par l'élément SCCmec lui- même et appelées de ce fait « Cassette Chromosome Recombinases » (Ccr). L'un des buts de ce travail de thèse a été de comprendre la régulation de l'expression des gènes codant pour les Ccr recombinases. En utilisant des outils moléculaires originaux, nous avons été en mesure de démontrer en premier lieu que les Ccr recombinases étaient exprimées de façon « bistable », c'est à dire qu'uniquement quelques pourcents de cellules dans une population exprimaient ces gènes à un temps donné. Dans un deuxième temps, nous avons également démontré que l'expression de ces gènes était régulée par des facteurs étrangers au SCC mec. L'expression bistable des recombinases est un concept important. Effectivement, cela permet à la majorité des cellules d'une population de conserver l'élément SCC mec, alors que seulement une petite fraction le perd afin de le rendre disponible pour un transfert. Ainsi, alors que l'élément SCC mec continue de se propager avec la multiplication des bactéries Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM), il peut être simultanément transmis à des souches susceptibles (Staphylococcus aureus susceptible à la méticilline, SASM), entraînant l'apparition de nouveaux SARM. De façon très intéressante, le fait que cette bistabilité est contrôlée par les bactéries, et non le SCCmec lui-même, montre que la décision de transférer ou non la cassette SCC mec appartient à la bactérie. En conséquence, il doit exister dans la nature des souches qui sont plus ou moins aptes à effectuer ce transfert. En nous appuyant sur ces observations, nous avons montré que l'excision du SCC mec était effectivement régulée de façon très étroite au cours de la division cellulaire, et ne se passait que pendant un temps limité au début de la croissance. Ce résultat est compatible avec une régulation génétique commandée par la densité cellulaire, qui pourrait être dépendante de la production de signaux extracellulaires, du type que l'on rencontre dans le quorum sensing. Les signaux hypothétiques entraînant l'excision du SCC mec restent inconnus à l'heure actuelle. La connaissance de ces signaux pourrait se révéler très importante afin de développer des stratégies pour interférer avec la dissémination de la résistance au β-lactamines. Deux sujets additionnels ont été logiquement investigués au vu de ces premiers résultats. Premièrement, si certaines souches de SARM sont plus ou moins aptes à déclencher l'excision du SCC mec, de même certaines souches de SASM devraient être plus ou moins aptes à acquérir cet élément. Deuxièmement, afin d'étudier ces mécanismes de transfert au niveau épidémiologique, il nous a été nécessaire de développer des outils nous permettant d'explorer le phénomène à une plus large échelle. Concernant le premier point, il a été postulé que certains SASM seraient réfractaires à l'intégration génomique d'un SCC mec en raison de polymorphismes particuliers à proximité du site d'insertion chromosomique (attB). En étudiant plus de 40 isolais de S. aureus, provenant de porteurs sains, nous avons confirmé ce polymorphisme dans l'environnement à'attB. De plus, nous avons pu montrer que ces régions polymorphiques ont évolué parallèlement à des groupes phylogénétiques bien connus. Ainsi, si des telles régions réfractaires à l'intégration de SCC mec existent, celles-ci devraient ségréger dans des complexes clonaux bien définis qui devraient être facilement identifiables au niveau épidémiologique. Concernant le second point, nous avons été capables de construire un système rapporteur de l'excision du SCCmec, en utilisant un plasmide à faible copie. Ce système consistait en un promoteur fort et un gène codant pour une protéine verte fluorescente (GFP) sous le contrôle d'un promoteur fort séparés à l'aide d'un élément SCC artificiel portant trois terminateurs de transcription. Ainsi, la fluorescence ne s'exprime que si l'élément SCC est excisé du plasmide. Ce système a été testé avec succès dans plusieurs types de staphylocoques, et est actuellement évalué dans d'autres souches et conditions stimulant ou inhibant l'excision. De manière générale, cette dissertation représente parcours scientifique à travers plusieurs aspects d'un problème de santé publique majeur en rapport avec la résistance bactérienne aux antibiotiques. Ce travail s'attaque à des problèmes fondamentaux concernant le transfert horizontal de l'élément SCC mec. De plus, il s'intéresse à des aspects plus généraux de cet élément génétique mobile qui pourraient se révéler très importants en terme de mouvement de gènes au sein des staphylocoques, voir d'autres bactéries gram-positives. Finalement ce travail de thèse met en place le fondamentaux requis pour des recherches futures visant à interférer avec le transfert horizontal de la résistance aux β-lactamines. - Staphylococcus aureus is a major human pathogen. Moreover, S. aureus have developed resistance to almost all available antibiotics, including the important family of β-lactam molecules. Intrinsic resistance to β-lactams is conferred by the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec), which is a mobile genomic island that inserts into the staphylococcal chromosome and can be horizontally transferred into other staphylococci. However, little is known about the molecular mechanisms involved in this horizontal transfer into naïve strains. One of the first steps in SCC mec horizontal transfer is its excision from the chromosome. Excision is mediated by recombinase enzymes that are encoded by SCC mec itself, and named accordingly Ccr recombinases - for Cassette Chromosome recombinases. One goal of this thesis was to understand the regulation these recombinase genes. By using original molecular tools we could demonstrate first that the Ccr recombinases were expressed in a "bistable" manner, i.e. in only few percentages of the bacterial cells at a given time, and second that they were regulated by determinants that were not encoded on the SCC mec element, but elsewhere on the staphylococcal genome. "Bistable" expression Ccr recombinases is an important concept. It allows SCC mec to be excised and thus available for horizontal transfer, while ensuring that only some cells, but not the whole population, loose their valuable SCC mec genes. Thus, while the SCC mec element expands with the multiplication of the MRSA colony, it can simultaneously be transmitted into methicillin-susceptible S. aureus (MSSA), which convert into new MRSA. Most interestingly, the fact that bistability was regulated by the cells, rather than by SCC mec, indicates that it was the choice of the bacteria to trigger or not SCC mec transfer. As a consequence, there must be, in nature, staphylococcal strains that are more or less prone to sustain SCC mec transfer. Following these seminal observations we found that excision was indeed tightly regulated during bacterial division, and occurred only during a limited period of time at the beginning of bacterial growth. This is compatible with cell-density mediated gene regulation, and may depend on the production of extracellular signal molecules that transmit appropriate orders to neighboring cells, such as in quorum sensing. The potential signal triggering SCCmec excision is as yet unknown. However, it could be critical in promoting the horizontal transfer of methicillin resistance, or for the possible development of means to interfere with it. Two additional hypothesis were logically investigated in the view of these first results. First, if some strains of MRSA might be more prone than others to promote SCC mec excision, then some strains of MS SA might be more or less prone to acquire the element as well. Second, to investigate these multiple mechanisms at an epidemiological level, one would need to develop tools amenable to explore S. aureus strains at a larger scale. Regarding the first issue, it was postulated by others that some MSSA might be refractory to SCC mec integration because they had peculiar DNA polymorphisms in the vicinity of the site-specific chromosomal entry point {attB) of SCC mec. By studying >40 S. aureus isolates from healthy carriers, we confirmed the polymorphism of the attB environment. Moreover, we could show that these polymorphic regions co-evolved with well-known phylogenic clonal clusters. Therefore, if SCCwec-refractory attB environments exist, then they would segregate in well- defined S. aureus clonal clusters that would be easy to identify at the epidemiological level. Regarding the second issue, we were able to construct a new excision reporter system in a low copy number S. aureus plasmid. The reporter system consists in a strong promoter driving a green fluorescent protein {gfp) gene, separated by an artificial SCC-like element carrying three transcriptional terminators. Thus, fluorescence is not expressed unless the SCC-like element is excised. The system has been successfully tested in several aureus and non- aureus staphylococci, and is now being applied to more strains and various excision- triggering or inhibiting conditions. Altogether the dissertation is a scientific journey through various aspects of a salient medical problem with regard to antibiotic resistance and public health threat. The research work tackles fundamental issues about the mechanisms of horizontal transfer of the SCC mec element. Moreover, it also addresses more general features of this mobile element, which could be of larger importance with regard to gene trafficking in staphylococci, and maybe other gram-positive bacteria. Finally, the dissertation sets the fundamentals for future work and possible new ways to interfere with the horizontal transfer of methicillin resistance.

High-dose daptomycin plus fosfomycin is safe and effective in treating methicillin-susceptible and methicillin-resistant Staphylococcus aureus endocarditis.

We describe 3 patients with left-sided staphylococcal endocarditis (1 with methicillin-susceptible Staphylococcus aureus [MSSA] prosthetic aortic valve endocarditis and 2 with methicillin-resistant S. aureus [MRSA] native-valve endocarditis) who were successfully treated with high-dose intravenous daptomycin (10 mg/kg/day) plus fosfomycin (2 g every 6 h) for 6 weeks. This combination was tested in vitro against 7 MSSA, 5 MRSA, and 2 intermediately glycopeptide-resistant S. aureus isolates and proved to be synergistic against 11 (79%) strains and bactericidal against 8 (57%) strains. This combination deserves further clinical study.

Role of Staphylococcus aureus surface proteins in experimental endocarditis

Résumé Le staphylocoque doré est un pathogène responsable d'une grande variété de maladies chez l'être humain. Il est extrêmement bien équipé de facteurs de virulence, dont les adhésines. Jusqu'à présent, 21 protéines liant des composants de tissus de l'hôte ("microbial surface components reacting with adherence matrix molecules, MSCRAMM") ont été identifiées, par exemple le "clumping factor" A (CIfA) ou la "fibronectin-binding protein" A (FnBPA). Néanmoins, pour la plupart de ces protéines, leur rôle dans la pathogénie des infections à staphylocoque doré reste à être élucidé. Le but de cette thèse est de contribuer à ce processus. Premièrement, les "MSCRAMM" CIfA, CIfB, FnBPA, FnBPB, Cna, SpA, Pls, SdrC, SdrD, SdrE, SasD, SasE, SasF, SasG, Sasl, SasJ et SasK ont été exprimés dans une bactérie substitut, Lactococcus lactis, et testés pour leurs propriétés adhésives et leur pathogénicité dans un modèle d'endocardite expérimentale (voir chapitre 1). Cette technique a préalablement été utilisée avec succès et a l'avantage d'éviter le contexte complexe des redondances et systèmes de régulations propres au staphylocoque doré. Les résultats montrent que, de tous les facteurs de virulence testés, seuls CIfA et FnBPA sont d'importance primordiale dans le développement d'endocardite expérimentale. En ce qui concerne l'internalisation dans les cellules endothéliales, seulement FnPBA et FnBPB en sont capables. En outre, l'adhérence à chacun des ligands testés (fibrinogène, fibronectine, kératine, élastine, collagène, et les caillots de fibrine et plaquettes) est très spécifique et est médiée par une ou plusieures adhésines provenant du staphylocoque doré. Par conséquence, ces protéines pourraient représenter des cibles potentielles pour de futures thérapies anti-adhésives contre le staphylocoque doré. Deuxièmement, l'expression des facteurs de virulence décrits dans le chapitre 1 par les souches recombinantes de lactocoques a été vérifiée par une nouvelle méthode utilisant la spectrométrie de masse (voir chapitre 2). L'expression de toutes ces protéines par les souches recombinantes a pu être confirmée. Cette méthode pourrait être de grande valeur dans la vérification de la présence de protéines quelconques dans toutes sortes d'applications. Troisièmement, deux facteurs de virulence du staphylocoque, CIfA et une forme tronquée de FnBPA, ont été exprimés de façon simultanée dans une souche recombinante de lactocoque (voir chapitre 3}. Contrairement à une souche exprimant la FnBPA entière, une souche exprimant la forme tronquée de FnPBA, qui ne contient plus le domaine capable de lier le fibrinogène, perd complètement sa capacité d'infecter dans le modèle d'endocardite expérimentale. Par contre, il est montré que, en cas de complémentation de la forme tronquée de FnPBA avec le domaine de liaison au fibrinogène de CIfA dans la souche double recombinante, le phénotype intégral de FnBPA est récupéré. En conséquence, les facteurs de virulence sont capables de coopérer dans le but de la pathogénie des infections à staphylocoque doré. Summary Staphylococcus aureus is a human pathogen causing a wide variety of disease. It is extremely well equipped with both secreted and surface-attached virulence factors, which can act as adhesins to host tissues. In total, twenty-one microbial surface components reacting with adherence matrix molecules (MSCRAMMs) have been identified, so far. These include well-characterized adhesins such as clumping factor A (CIfA) or fibronectin-binding protein A (FnBPA). However, for most of them their potential role in the pathogenesis of staphylococcal infections remains to be elucidated. This has been attempted in this thesis work. Firstly, the staphylococcal MSCRAMMs CIfA, CIfB, FnBPA, FnBPB, Cna, SpA, Pls, SdrC, SdrD, SdrE, SasD, SasE, SasF, SasG, Sasl, SasJ, and SasK have been expressed in a surrogate bacterium, Lactococcus lactis, and tested for their in vitro adherence properties and their pathogenicity in the rat model of experimental endocarditis (see chapter 1). This model has successfully been used previously, and has the advantage of bypassing the complex S. aureus background of redundancies and differential regulation. Here, it is shown that of the seventeen tested potential virulence factors, only CIfA and FnBPA are critical for the pathogenesis of experimental endocarditis in rats, while internalization into bovine endothelial cells is mediated exclusively by FnBPA and FnBPB. In addition, the adherence to specific host ligands (fibrinogen, fibronectin, keratin, elastin, collagen, and fibrin-platelet clots) is highly specific and mediated by one or few staphylococcal adhesins, respectively. Thus, these surface proteins may represent potential targets for an anti-adhesive strategy against S. aureus infections. Secondly, the expression of the staphylococcal proteins by L. lactis recombinants described in chapter 1 was tested by a novel method using mass spectrometry (see chapter 2). The expression of all the staphylococcal proteins by the respective recombinant lactococcal strain could be confirmed. This method may prove to be of great value in the confirmation of the presence of any given protein in various experimental settings. Thirdly, two staphylococcal virulence factors, CIfA and a truncated form of FnBPA, were expressed simultaneously in one recombinant lactococcal strain (see chapter 3). In contrast to a recombinant strain expressing full-length FnPBA, a recombinant strain expressing a truncated FnPBA, lacking the domain capable of binding fibrinogen, completely lost infectivity in experimental endocarditis. However, it is shown that the complementation of the truncated form of FnBPA with the fibrinogenbinding domain of CIfA in a double recombinant strain results in the recovery of the complete phenotype of full-length FnBPA. Thus, virulence factors can cooperate in the pathogenesis of staphylococcal infections.

Études des forces d'interaction entre Staphylococcus aureus et fibrinogène par microscopie à force atomique

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet dont l'objectif est d'étudier les propriétés d'adhésion du ClfA au fibrinogène à l'aide de l'AFM. Plus précisément, le mode « Force spectroscopy » de l'AFM sera utilisé afin de mesurer les forces d'interactions entre le fibrinogène et le ClfA cloné à des bactéries ne comportant pas de MSCRAMMs et n'étant pas pathogène pour l'homme. Puis les forces d'interactions seront mesurées entre le fibrinogène et la surface des S. aureus. Une meilleure connaissance des propriétés d'adhésion des S. aureus au ClfA contribuerait ainsi au développement de la recherche dans ce domaine et à de potentielle future thérapie contre les infections à S. aureus.

Fosfomycin plus β-Lactams as Synergistic Bactericidal Combinations for Experimental Endocarditis Due to Methicillin-Resistant and Glycopeptide-Intermediate Staphylococcus aureus.

The urgent need of effective therapies for methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) infective endocarditis (IE) is a cause of concern. We aimed to ascertain the in vitro and in vivo activity of the older antibiotic fosfomycin combined with different beta-lactams against MRSA and glycopeptide-intermediate-resistant S. aureus (GISA) strains. Time-kill tests with 10 isolates showed that fosfomycin plus imipenem (FOF+IPM) was the most active evaluated combination. In an aortic valve IE model with two strains (MRSA-277H and GISA-ATCC 700788), the following intravenous regimens were compared: fosfomycin (2 g every 8 h [q8h]) plus imipenem (1 g q6h) or ceftriaxone (2 g q12h) (FOF+CRO) and vancomycin at a standard dose (VAN-SD) (1 g q12h) and a high dose (VAN-HD) (1 g q6h). Whereas a significant reduction of MRSA-227H load in the vegetations (veg) was observed with FOF+IPM compared with VAN-SD (0 [interquartile range [IQR], 0 to 1] versus 2 [IQR, 0 to 5.1] log CFU/g veg; P = 0.01), no statistical differences were found with VAN-HD. In addition, FOF+IPM sterilized more vegetations than VAN-SD (11/15 [73%] versus 5/16 [31%]; P = 0.02). The GISA-ATCC 700788 load in the vegetations was significantly lower after FOF+IPM or FOF+CRO treatment than with VAN-SD (2 [IQR, 0 to 2] and 0 [IQR, 0 to 2] versus 6.5 [IQR, 2 to 6.9] log CFU/g veg; P < 0.01). The number of sterilized vegetations after treatment with FOF+CRO was higher than after treatment with VAN-SD or VAN-HD (8/15 [53%] versus 4/20 [20%] or 4/20 [20%]; P = 0.03). To assess the effect of FOF+IPM on penicillin binding protein (PBP) synthesis, molecular studies were performed, with results showing that FOF+IPM treatment significantly decreased PBP1, PBP2 (but not PBP2a), and PBP3 synthesis. These results allow clinicians to consider the use of FOF+IPM or FOF+CRO to treat MRSA or GISA IE.

The impact of penicillinase on cefamandole treatment and prophylaxis of experimental endocarditis due to methicillin-resistant Staphylococcus aureus.

Beta-lactams active against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) must resist penicillinase hydrolysis and bind penicillin-binding protein 2A (PBP 2A). Cefamandole might share these properties. When tested against 2 isogenic pairs of MRSA that produced or did not produce penicillinase, MICs of cefamandole (8-32 mg/L) were not affected by penicillinase, and cefamandole had a > or =40 times greater PBP 2A affinity than did methicillin. In rats, constant serum levels of 100 mg/L cefamandole successfully treated experimental endocarditis due to penicillinase-negative isolates but failed against penicillinase-producing organisms. This suggested that penicillinase produced in infected vegetations might hydrolyze the drug. Indeed, cefamandole was slowly degraded by penicillinase in vitro. Moreover, its efficacy was restored by combination with sulbactam in vivo. Cefamandole also uniformly prevented MRSA endocarditis in prophylaxis experiments, a setting in which bacteria were not yet clustered in the vegetations. Thus, while cefamandole treatment was limited by penicillinase, the drug was still successful for prophylaxis of experimental MRSA endocarditis.