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Documents de travail – Lycée Senghor – Evreux - http://biotech.spip.ac-rouen.fr

Les agents antimicrobiens Introduction Ils sont utilisés : -dans les bio-industries : pour conserver les produits alimentaires, les cosmétiques… -pour la désinfection du matériel et des surfaces… partout dans les laboratoires, l’agro-alimentaire, le pharmaceutique… -en milieu médical ou pharmaceutique : pour traiter les plaies, lutter contre les maladies infectieuses… Il existe différentes classes d’agents antimicrobiens :

-physiques : t°C, rayonnements… -chimiques : Javel, alcool, iode… -chimiothérapeutiques : antibiotiques

Quelques définitions importantes : Cf Document 1 : Définitions liées aux agents antimicrobiens

Stérilisation Opération visant à éliminer de façon durable, tous les micro-

organismes vivants d’un objet ou d’un produit

Désinfection Opération au résultat momentané permettant d’éliminer les micro-organismes portés sur des milieux inertes contaminés

(surfaces, objets…)

Décontamination Opération au résultat momentané permettant d’éliminer les micro-organismes au moment où l’on effectue l’opération

Septique Qualificatif d’un milieu contenant des micro-organismes

Aseptique Qualificatif d’un milieu ne contenant pas de micro-organismes

Antiseptique Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d’arrêter

leur action) sur un tissu vivant

Désinfectant Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d’arrêter

leur action) sur une surface inerte

Asepsie Ensemble de mesures permettant d’empêcher tout apport

extérieur de micro-organismes

Bactéricide Se dit d’un agent antimicrobien qui détruit les bactéries

Fongicide Se dit d’un agent antimicrobien qui détruit les champignons

(levures, moisissures)

Virucide Se dit d’un agent antimicrobien qui détruit les virus

I-Les agents antimicrobiens utilisés pour la conservation des bioproduits


Quels sont les bioproduits concernés ? Aliments, boissons, produits cosmétiques et pharmaceutiques, emballages… Comment traiter un bioproduit pour assurer sa conservation ? 1-Par ajout de composés à action antimicrobienne • Il s’agit de composés ajoutés dans le produit pour permettre sa conservation. � on les appelle donc plus couramment des conservateurs Définition d’un conservateur : substance chimique ajoutée en faible quantité dans un bioproduit ou dans un emballage de bioproduit pour permettre d’empêcher le développement des micro-organismes et de préserver le produit. Ce sont des composés chimiques (naturels ou de synthèse) de différentes natures : Cf document 2 : Exemples de conservateurs

Nature Exemples de conservateur Application

Chlorure de sodium (NaCl) Saumure, marinade, poissons

séchés

Dérivés de l’azote : les nitrites (NO2) Jambon

Dérivés du soufre : les sulfites (SO2) Vins, bières

Minérale

CO2 Sodas

Ethanol (alcool) Alcools, fruits (à l’eau de vie)

Acide citrique Sodas

Acide lactique Produits laitiers, crèmes

cosmétiques

Sucres Confitures

Organique

Parabènes Maquillages, shampoing

• Historiquement, à défaut de moyens modernes de conservation (réfrigération, pasteurisation…) l’usage de conservateurs dans les aliments était indispensable…et il a permis l’élaboration de différents aliments transformés que l’on utilise tous les jours : -les confitures permettent de conserver les fruits… -les salaisons permettent de conserver les viandes et les poissons… Cf document 3 : Utilisation historique de conservateurs Photo 1 : (tableau du 18ème siècle) Viandes faisandées…la viande désèche naturellement et s’acidifie empêchant ainsi la prolifération des micro-organismes Photo 2 : (gravure du 19 ème siècle) Paysan devant une assiette de poissons séchés


Photo 3: reconstitution des réserves de boeuf salé (Salt beef) pendant la guerre de Sécession (Etats Unis 19 ème siècle) Photo 4 : Publicité pour la conservation des fruits dans l’eau de Vie 2-Par traitement avec des moyens physiques à action antimicrobienne Il existe plusieurs catégories de moyens physiques :

2.1-Les traitements thermiques • Le froid ralentit la croissance des micro-organismes et permet d’augmenter la durée de vie du produit. Il existe la réfrigération et la congélation. La conservation au froid n’est pas forcément efficace sur toutes les flores : les micro-organismes psychrophiles et psychrotrophes peuvent encore se développer au froid.

Rappels : Micro-organisme psychrophile (il aime le froid) � se développe de façon optimale vers 10-15°C mais peuvent pousser aussi jusqu’à -5°C / -10°C pour certains. Micro-organisme psychrotrophe (il préfère le chaud mais s’adapte au froid) � se développe de façon optimale vers 20-40°C selon les espèces, mais peuvent encore pousser entre 0 et 4°C.

Puisque certains micro-organismes peuvent encore se développer dans ces conditions, une conservation au froid ne suffit pas pour tous les bioproduits : il faut donc avoir recours à un autre traitement thermique, la chaleur. • La chaleur permet de tuer les micro-organismes. Il existe plusieurs types de procédés thermiques :

-la chaleur sèche (four) � peu d’application pour les bioproduits, surtout utilisée pour le traitement des emballages en verre ou les objets métalliques… -la chaleur humide (traitement à l’eau chaude ou à la vapeur) ayant des applications surtout en agro-alimentaire. Il existe de nombreuses méthodes utilisant la chaleur humide : (1) La pasteurisation : pouvant être réalisée à température modérée (63°C

/ 20 min � on parle de basse pasteurisation) ou à température plus élevée (80°C / 2 min � on parle de pasteurisation haute). On peut encore augmenter la température (140°C / qq secondes) : on parlera alors de stérilisation UHT (Ultra Haute Température)

(2) L’ébullition : l’eau est portée à 100°C dans un récipient non clos.


(3) L’autoclavage (équivalent industriel de la cocotte minute domestique) : la mise sous pression permet d’augmenter la température d’ébullition (vers 120°C) permettant de renforcer l’impact de la chaleur.

(4) L’appertisation (plus simplement appelée la mise en conserve) : elle repose sur un passage à la chaleur, mais le produit a été préalablement introduit dans un récipient scellé (en verre ou en métal). (5) La tyndallisation : cette technique permet de détruire les spores bactériennes (qui ne sont pas éliminés par les traitements à 60, 80 ou 100°C). Elle concerne donc les produits qui ne peuvent être portés à cette température car ils seraient totalement dénaturés (conserves de viandes par exemple). La technique met en jeu plusieurs étapes de chauffage / froidissement.

Schéma des étapes de la tyndallisation d’un produit

Document 4 : Traitement thermique utilisant la chaleur humide + comparaison

Technologie

Température / durée

couramment utilisée

Applications principales

Destruction des formes

végétatives

Destruction des spores

Impact sur le produit

alimentaire (risque de

dénaturation du produit)

Pasteurisation basse

63°C / 20 min Aliments liquides

Seulement les pathogènes

Non Faible

Pasteurisation haute

80°C/ 2 min Aliments liquides

Pathogène + nombreuses autres flores

Non Modéré

Stérilisation UHT

140°C /qq s Aliments liquides

Toutes Oui Sensible

Ebullition 100°C / entre

1 à 2 h

Aliments liquides et

solides Toutes Non Sensible


Autoclavage 120°C / 20 min Aliments,

cosmétiques… Toutes Oui Sensible

Appertisation 120°C / 20 min Aliments Toutes Oui Sensible

Tyndallisation

Cycle 60°C/30 +

refroidissement ( x2)

Aliments sensibles

Toutes Oui Faible

On constate que tous les procédés thermiques ne sont pas forcément utilisables sur les bioproduits car ils peuvent altérer l’aspect, la texture et éventuellement le goût du produit. On doit donc utiliser dans certains cas de traitements physiques autres.

2.2-La filtration La filtration permet d’éliminer mécaniquement les micro-organismes. Cela concerne des produits liquides sensibles (contenant par exemple beaucoup de glucides qui pourraient caraméliser à chaud) : sirops, bières, médicaments liquides… En contexte industriel, on n’utilise pas des membranes filtrantes (comme les filtrations en TP), mais des appareils fonctionnant en continu avec des cartouches de filtration.

2.3-Les rayonnements Les rayonnements UV, les rayons gamma ou la lumière pulsée (flash lumineux) permettent de tuer les micro-organismes. Par contre ces rayonnements sont généralement peu pénétrants : ils ne peuvent donc pas éliminer les micro-organismes vraiment en profondeur dans un aliment ou un cosmétique. Ils sont donc surtout utilisés pour traiter les aliments en surface (fruits et légumes par exemple), les emballages (barquettes pour aliments, emballages de pansements ou médicaments…) ou pour diminuer le niveau de contamination de l’air dans les locaux pharmaceutiques ou alimentaires. Cf Document 5 : Bactéries avant et après traitement par rayonnements

II-Les agents antimicrobiens utilisés pour la désinfection des surfaces et des matériels

Quels sont les équipement concernés ? Paillasses de laboratoire, matériels de laboratoire et industriels, surface et locaux dans les ateliers de production… Quels antimicrobiens sont utilisés ? Les désinfectants 1-Propriétés des désinfectants


Les désinfectants sont des agents chimiques de différentes natures, capables de détruire les micro-organismes présent sur une surface inerte. Ils sont utilisés à haute dose et ne sont pas spécifiques (ils détruisent de nombreuses sortes de micro-organismes). Pour augmenter l’efficacité d’une désinfection, on peut généralement augmenter la concentration du désinfectant et augmenter le temps de contact avec les surfaces à traiter (Cf AT – Destruction de S.aureus en fonction du temps de contact du Surfanios) Remarque : l’utilisation à haute dose d’un désinfectant permet une utilisation seulement sur des surfaces inertes. Sur un tissu vivant, on ne les utilise pas car ils entraineraient une toxicité. 2-Exemples de désinfectants Ils peuvent être utilisés sous forme : -de poudre : oxyde de calcium (chaux vive) � Utilisée pour la désinfection des sols dans les élevages animaliers. -de gaz : dioxyde de chlore (ClO2), ozone (O3), formaldéhyde (HCOH) � Utilisés pour la désinfection de l’air, des murs et des environnements difficiles d’accès dans les laboratoires et les locaux de production. -de liquide (usage le plus courant) : eau de Javel (hypochlorite de sodium NaClO), alcool à 90°, eau oxygénée (peroxyde d’hydrogène H2O2), ammonium quaternaire (molécules contenant 4 groupements reliés sur un atome d’azote R4-N

+) � Utilisés principalement pour la désinfection des sols, des surfaces planes et des appareillages. 3-Association détergent - désinfectant De nombreux désinfectants du commerce sont en réalité associés avec un détergent. Le détergent est un composé qui permet de décoller et dissoudre les souillures présentes sur une surface (y compris les micro-organismes) afin de permettre au désinfectant d’être plus efficace. Mode d’action combiné d’un détergent + désinfectant Sans détergent Avec détergent


III-Les agents antimicrobiens utilisés en contexte médical ou pharmaceutique Dans quel contexte a-t-on recours à ces antimicrobiens et à quelle famille appartiennent-ils ? Pour le traitement des infections de surfaces / plaies � antiseptique Pour le traitement d’infections bactériennes « internes » � antibiotique 1-Les antiseptiques Les antiseptiques sont des agents chimiques de différentes natures, capables de détruire les micro-organismes présent sur un tissu vivant externe (peau le plus souvent). Ils ne sont pas spécifiques (ils détruisent de nombreuses sortes de micro-organismes). Le principe actif antiseptique peut : -ne présenter aucune toxicité pour le tissu vivant � il peut être utilisé à haute dose (iode � bétadine, éosine…) -présenter un risque de toxicité pour le tissu vivant � il est utilisé dans ce cas à plus faible concentration (mercurochrome, javel diluée � Dakin, alcool 70°, chlorohexidine…). Remarque : selon la concentration d’usage, un même principe actif peut être utilisé soit comme désinfectant, soit comme antiseptique Javel concentrée : désinfectant � Javel diluée : antiseptique 2-Les antibiotiques Le premier antibiotique découvert est la pénicilline. Découverte par hasard en 1928 par Flemming : il travaillait sur des cultures bactériennes qui ont été contaminées par une moisissure, Penicillium. Il constata que le développement de la moisissure inhibait le développement des bactéries : le Penicillium produisait donc un composé à action antimicrobienne… Cf document 6 : Découverte de la pénicilline

2.1-Propriétés des antibiotiques Ce sont des composés chimiothérapeutiques (c’est à dire que ce sont des composés chimiques utilisés pour traiter une maladie = médicaments) : un traitement par antibiotique est donc appelé une antibiothérapie. Ils sont d’origine naturelle (produits par d’autres micro-organismes) ou synthétique. Comparaison avec les désinfectants et les antiseptiques -On les utilise par voie générale, c’est à dire qu’il sont absorbés puis assimilés dans l’organisme (via la circulation sanguine). -Ils sont utilisés à faible dose (de l’ordre du mg)


-Ils ont une action spécifique : ils n’agissent que sur les bactéries (pas sur les levures et moisissures, pas sur les virus). Selon le nombre de genre bactérien sur lequel ils peuvent agir, on dit qu’ils ont un spectre d’action plus ou moins large :

-spectre étroit � l’ATB est actif sur un genre bactérien, -spectre large � l’ATB est actif sur de nombreux genres bactériens.

-Ils ne détruisent pas systématiquement les bactéries, certains bloquent simplement la croissance bactérienne. On distingue donc deux groupes : -ATB bactériostatique � bloque la croissance bactérienne, -ATB bactéricide � tue les bactéries. Vu la diversité des possibilité d’action des antibiotiques (spectre variable, effet bactériostatique / bactéricide), on sélectionnera alors le ou les antibiotiques les plus adaptés pour traiter une pathologie donnée.

2.2-Les différentes familles d’antibiotiques Il existe de nombreuses familles d’antibiotiques qui seront classées en fonction de leur mode d’action sur les bactéries. Ce sont des molécules ayant une structure chimique généralement complexe. Cf document 7 : Principales familles d’antibiotiques

2.3-Détermination de l’efficacité des antibiotiques Cf document 8 : Détermination de l’efficacité des antibiotiques -Comment nomme t-on la technique d’étude ? L’antibiogramme -Comment expliquer, dans certains cas, qu’en dessous d’une certaine concentration en ATB, la souche arrive tout de même à se développer ? Lorsque, dans la gélose, la concentration en ATB devient inférieure à la CMI, la souche peut se développer. Voir animations flash « Diffusion ATB 1 et 2 » Rappel : CMI (concentration minimale inhibitrice) = plus petite concentration d’un antimicrobien permettant d’inhiber visiblement la croissance d’un micro-organisme. -Comment choisir le bon ATB pour traiter une pathologie ou une bactérie donnée ? Après réalisation de l’antibiogramme, il faut mesurer pour chaque ATB testé le diamètre de la zone d’inhibition. A l’aide d’une règle de mesure (abaque), on peut alors vérifier la sensibilité où la résistance de la souche. �� Si la souche est sensible à un antibiotique donné, il sera utilisable dans le cadre d’un traitement.


-Lors d’un traitement antibiotique, le médecin impose une posologie (quantité de médicaments à ingérer par intervalle de temps, exemple : 2 comprimés de 500 mg, 2x par jour). Pourquoi impose-t-il cette posologie maximale ? Car l’antibiotique peut devenir toxique au delà d’une certaine concentration. -Quelle peut donc être la signification des concentrations critiques inférieures et supérieures (CCI et CCS) évoquées dans le document ? Ces valeurs représentent la concentration sanguine an ATB chez le patient lorsqu’il reçoit un traitement ATB standard avec une posologie de routine (CCI) ou bien avec une posologie renforcée (CCS). Il n’est pas possible d’augmenter la posologie au delà de la CCS car sinon risque de toxicité pour le patient. En résumé, les souches vis à vis d’un ATB peuvent être : -résistantes �� l’ATB est non utilisable pour un traitement, -intermédiaires �� l’ATB est peu recommandé, car il oblige à utiliser une forte posologie, -sensible �� l’ATB est utilisable pour le traitement. IV-Mode d’action des différentes solutions antimicrobiennes Cf document 9 : Mode d’action des antimicrobiens

Antimicrobien Micro-

organismes cibles

Mortalité ? Mode d’action

Réfrigération, congélation

Tous micro-organismes

Non Ralentissement du métabolisme � ralentissement de la croissance

Chaleur (sèche ou humide :

pasteurisation, appertisation,

etc.)


Oui � bactéricide

Destruction des protéines par dénaturation thermique : -élimine les protéines de structure des membranes et paroi � apparition de pores et vide du contenu cellulaire -émiline les enzymes (nature protéique) � arrêt du métabolisme

Filtration


(si taille > aux pores)

Non au moment de la

filtration Elimination mécanique


Rayonnements Tous micro-organismes


Impact sur les acides nucléiques (ADN, ARN) : -la cellule ne peut plus dupliquer son matériel génétique (arrêt de croissance) -les anomalies créées empêchent la fabrication de constituants cellulaires normaux (arrêt du renouvellement des constituants cellulaires)

Désinfectant, antiseptiques



De nombreux modes d’actions possibles selon le principe actif : -Dissolution des membranes, dénaturation des protéines � création de pores et vide du contenu cellulaire -Oxydation de composés cellulaires � arrêt métabolique

Antibiotiques Bactéries

Bactéricide � oui

Bactéristatique � non

De nombreuses cibles possibles selon l’antibiotique :


Document 1 : Définitions liées aux agents antimicrobiens Opération visant à éliminer de façon durable, tous les micro-

organismes vivants d’un objet ou d’un produit

Opération au résultat momentané permettant d’éliminer les micro-organismes portés sur des milieux inertes contaminés

(surfaces, objets…)

Opération au résultat momentané permettant d’éliminer les micro-organismes au moment où l’on effectue l’opération

Qualificatif d’un milieu contenant des micro-organismes

Qualificatif d’un milieu ne contenant pas de micro-organismes

Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d’arrêter

leur action) sur un tissu vivant


Agent capable de détruire les micro-organismes (ou d’arrêter leur action) sur une surface inerte

Ensemble de mesures permettant d’empêcher tout apport extérieur de micro-organismes

Agent antimicrobien qui détruit les bactéries

Agent antimicrobien qui détruit les champignons (levures, moisissures)

Agent antimicrobien qui détruit les virus

Document 2 : Exemples de conservateurs

Nature Exemples de conservateur Application

Saumure, marinade, poissons

séchés

Dérivés de l’azote : les nitrites (NO2)

Dérivés du soufre : les sulfites (SO2) Minérale

Sodas

Alcools, fruits (à l’eau de vie)

Acide citrique

Acide lactique

Confitures

Organique

Parabènes

Document 3 : Utilisation historique de conservateurs


Document 4 : Traitement thermique utilisant la chaleur humide

Autoclave Pasteurisateur

Document 4 (suite) : Traitement thermique utilisant la chaleur humide

Technologie

Température / durée

couramment utilisée

Applications principales

Destruction des formes végétatives

Destruction des spores

Impact sur le produit

alimentaire (risque de

dénaturation du produit)


Pasteurisation basse

63°C / 20 min Aliments liquides

Pasteurisation haute

80°C/ 2 min Aliments liquides

Stérilisation UHT

140°C /qq s Aliments liquides

Ebullition 100°C / entre

1 à 2 h

Aliments liquides et

solides

Autoclavage 120°C / 20 min Aliments,

cosmétiques…

Appertisation 120°C / 20 min Aliments

Tyndallisation

Cycle 60°C/30min + refroidissement

( x2)

Aliments sensibles

Document 5 : Bactéries avant et après traitement par rayonnements

Document 6 : Découverte de la pénicilline


Document 7 : Principales familles d’antibiotiques

Famille d’antibiotique Exemples commerciaux Indications

Pénicillines Amoxicilline, Augmentin,

Clamoxyl Bronchites, pneumonies,

infections ORL, méningites…

Céphalosporines Céfazoline, Orelox, Fortam Bronchites, pneumonies,

infections ORL, méningites…

Aminosides Tobrafen, Garamycin collyre Maladies infectieuses, infections oculaires, maladies intestinales,

plaies infectées…

Macrolides Zithromax, Clarithromycine,

Aknilox

Infections bucco-dentaires, infections ORL, infections

génitales…

Tétracyclines Doxycicline, Aknin, Minac Acné, infections génitales, infections pulmonaires…

Quinolones Avalox, Tarvid, Ciproxine Infections urinaires et

génitales…

Sulfamides Bactrim, Nopil, Salazopyrin ATB de seconde intention pour

les infections uro-génitales persistantes…

… Exemple : structure générale d’une pénicilline (la partie R est variable selon le groupe de pénicilline)


Document 8 : Détermination de l’efficacité des antibiotiques On réalise un antibiogramme : après étalement de la souche bactérienne à tester sur gélose Mueller Hinton, on dépose différents disques comportant des antibiotiques pré-imprégnés. Les antibiotiques diffusent dans la gélose de façon à former un gradient de concentration (la concentration décroit plus on s’éloigne du disque). On obtiendra une zone d’inhibition de la croissance bactérinne autour du disque de cet antibiotique

A l’aide de vos connaissances et des informations du document, répondre aux questions suivantes :

-Comment nomme t-on la technique d’étude ?

-Comment expliquer, dans certains cas, qu’en dessous d’une certaine concentration en ATB, la souche arrive tout de même à se développer ?

-Comment choisir le bon ATB pour traiter une pathologie ou une bactérie donnée ?

-Lors d’un traitement antibiotique, le médecin impose une posologie (quantité de médicaments à ingérer par intervalle de temps, exemple : 2 comprimés de 500 mg, 2x par jour). Pourquoi impose-t-il cette posologie maximale ?


-Quelle peut donc être la signification des concentrations critiques inférieures et supérieures (CCI et CCS) évoquées dans le document ? Document 9 : Mode d’action des antimicrobiens


organismes cibles




Ralentissement du métabolisme � ralentissement de la croissance



etc.)



Filtration








Antibiotiques De nombreuses cibles possibles selon l’antibiotique :


Document 9 : Mode d’action des antimicrobiens


organismes cibles




Ralentissement du métabolisme � ralentissement de la croissance



etc.)



Filtration









Antibiotiques

De nombreuses cibles possibles selon l’antibiotique :