Carbapénèmase : la resistance enzymatique aux carbapénèmes

Ⅰ. Introduction

❍ Les carbapénèmes sont généralement considérées comme les agents antibactériens les plus efficaces pour le traitement des infections bactériennes multirésistantes. Cependant, avec l'utilisation généralisée de ces antibiotiques, la prévalence des bactéries résistantes aux carbapénèmes a augmenté rapidement. .

La production de carbapénèmases, bêta-lactamase qui peut hydrolyser les carbapénèmes, est un des mécanismes majeurs de résistance aux carbapénèmes.

Les carbapénèmases les plus efficaces, en termes d'hydrolyse des carbapénèmes et de diffusion géographique, sont les types KPC, VIM, IMP, NDM et OXA-48

Ⅱ. Classification

❍ Selon la classification d'Ambler, les carbapénèmases peuvent être divisées en classes A, B et D.

• Les carbapénèmases de classe A sont des β-lactamases à sérine.
• Les carbapénèmases de classe B sont des métallo-β-lactamases (MBL) , caractérisées par la nécessité d'ions zinc sur leurs site actif .
• Les carbapénèmases courantes de classe D , β-lactamases à sérine, comprennent les enzymes de type OXA (OXA-48,OXA-23, OXA-40, OXA-58 et OXA-143 ..)

⛔ Bien que plusieurs des carbapénèmases de classe C ont été décrites (ACT-1, CMY-2, CMY-10, CMY-19, CMY-37 et ADC-68), leurs producteurs présentent généralement une sensibilité réduite aux carbapénèmes dû au faible efficacité catalytique de l'enzyme et d'un défaut de perméabilité. Par conséquent, ils ne sont pas considérés comme de véritables carbapénèmases (Nordmann, John Quale, Georgios Meletis)

Classification des carbapénémases (Sawa et al. 2020.)

◈ Carbapénèmases de classe A

Sérine carbapénèmases du groupe moléculaire (Ambler) A détectées principalement chez les entérobactéries appartiennent aux sous-groupes fonctionnels 2br, 2be, 2e et 2f selon le schéma de classification proposé par Bush et al.

Plusieurs types de carbapénèmases de classe A ont été rapportés. Ces carbapénèmases peuvent être codées chromosomiquement, par un plasmide ou les deux :

• SME (Serratia marcescens enzyme), NMC-A (non-metallocarbapenemase-A), SHV (sulfhydryl variable lactamase), SFC-1(Serratia fonticola carbapenemase), PenA
• GES (Guiana extendedspectrumβ-lactamase), KPC (Klebsiella pneumoniae carbapenemase)
• IMI (imipenemase)

⛔ Récemment, une intégration chromosomique de la bla_KPC a été montré chez K. pneumoniae (Amy J Mathers )

Les variations du pouvoir hydrolytique entre les différentes classes et sous-classes enzymatiques rendre difficile de les catégorisées en se basent seulement sur données phynotypiques : Exemple de gene GES , sur 26 variants (Philipon 2019) environ 11 variants seulement présente une activité carbapénèmase (Naas 2016), mais de façon générale :

• Les bactéries exprimant ces enzymes hydrolysent de manière variable les pénicillines, les céphalosporines, les monobactames, les carbapénèmes (les CMI peuvent aller de légèrement élevées (CMI d'imipénème ≤ 4 g/ml) à totalement résistantes) et sont inhibés par le clavulanate et le tazobactam ( mieux inhibées par le tazobactam que par l'acide clavulanique)
• L'aztréonam peut être dégradé par la plupart d'entre elles, à l'exception de GES-3 et GES-4.
• La résistance aux carbapénèmes est évidente chez les organismes producteurs d'IMI/NmcA ou de SME, mais ils restent généralement sensibles aux céphalosporines à spectre élargi (La céfoxitine et les céphalosporines à spectre étendu étaient hydrolysées de manière inefficace, l'hydrolyse pouvait être détectée, et la céfotaxime était hydrolysée plus rapidement que la ceftazidime). De plus, ces souches restent généralement sensibles (à l'opposé des producteurs de carbapénèmases codés par des plasmides ) à toutes les autres familles d'antibiotiques non bêta-lactamines (fluoroquinolones, aminosides, …)
• la famille KPC a le plus grand potentiel de propagation en raison de sa localisation sur les plasmides et peut hydrolyser les β-lactamines de toutes les classes ( Le variant KPC-2 Asp179Asn a démontré une résistance non seulement à la ceftazidime et à l'imipénème mais aussi à d'autres beta-lactamines y compris l'association ceftazidime-avibactam (Melissa D. Barnes ))
• PenA peut hydrolyser les inhibiteurs ainsi que toutes les classes de bêta-lactamines

◍ Substrat et profils d'inhibition des carbapénèmases classe A (Naas 2016)
Enzyme	Nombre de variantes	Hôte	PEN	FOX	CEP-I	CEP-III	AZT	CARBA	A/Clavu
NmcA	1	E. cloacae	+	+	+	+	+	+	+
IMI-1-like	8	E. cloacae	+	-	+	-	+	+	+
SME-like	6	S. marcescens	+	-	+	+/-	+	+	+
SFC-1	1	S. fonticola	+	+	+	-	+	+	-
BIC-1	1	P. fluorescens	+	+/-	+	+/-	+	+	-
SHV-38	1	K. pneumoniae	+	-	+	+	+	+/-	++
FPH-1	1	F. philomiragia	+	-	+	+	+	+	+/-
PenA	1	B. multivorans	+	-	+	+	+	+	+/-
IMI-2		E. asburiae, E. coli	+	-	+	-	+	+	+/-
KPC-like	22	Enterobacteriaceae, P. aeruginosa, A. baumannii	+	+/-	+	+	+	+	+/-
GES-like	23	Enterobacteriaceae, P. aeruginosa, A. baumannii	+	+/- (a)	+	+	- (b)	+/-	+/-
FRI-1	1	E. cloacae	+	-	+	+	+	+	+

a + pour les variantes GES affichant une sérine en position 170; b Sauf variantes GES affichant une sérine ou une alanine en position 243; + : forte hydrolyse ; ± : faible hydrolyse ; - : aucune hydrolyse mesurable signalée

◈ Carbapénèmases de classe B (Métallo-β-lactamases)

Elles diffèrent structurellement des autres β-lactamases par leur besoin d'un ion zinc au site actif, les MBL ont une faible affinité ou une faible capacité hydrolytique pour les monobactames et ne sont pas inhibées par l'acide clavulanique ou le tazobactam. Au lieu de cela, elles sont inhibées par des chélateurs d'ions métalliques tels que l'EDTA, l'acide dipicolinique ou la 1,10-o-phénanthroline

Ces MBL peuvent être classés en trois sous-classes (B1, B2, B3) en fonction de leur séquence d'acides aminés :

• La sous-classe B1 ( IMP, VIM, NDM et SPM) et la sous-classe B3 (CAU-1, GOB-1 et FEZ-1) sont caractérisées par la présence de deux molécules de Zn²⁺ dans le centre actif de l'enzyme (Zn1, Zn2) et par la dégradation d'une gamme plus large de substrats , sous-groupe fonctionnel Bush-Jacoby 3a.
• La sous-classe B2(CphA, Sfh-I, ImiS) a une seule molécule de Zn²⁺ au centre actif, son spectre d’activité est étroit (elle hydrolyse de manière spécifique les carbapénèmes et a une faible activité contre les pénicillines et les céphalosporines), ces MBL sont classées dans le sous-groupe fonctionnel Bush-Jacoby 3b

◈ Carbapénèmases de classe D (Oxacillinases)

Les β-lactamases de classe D, également appelées enzymes de type OXA ou oxacillinases, sont représentées par plus de 350 enzymes génétiquement diverses.

Ces enzymes sont des sérine-β-lactamases de type oxacillinases (le nom vient du fait qu'elles hydrolysent les isoxazolylpénicillines beaucoup plus rapidement que les pénicillines) à activité carbapénèmase (sous-groupe 2df de Bush : OXA-48, OXA-163, OXA-181 essentiellement) faiblement inhibées par l'EDTA ou l'acide clavulanique.

Ces carbapénèmases ont une faible activité contre les carbapénèmes (l'imipénème étant hydrolysé plus rapidement et plus efficacement que le méropénème). La résistance cliniquement significative est généralement exprimée en combinaison avec d'autres mécanismes comme la perte de porine ou les pompes d'efflux .

Sur la base de leur identité de séquence d'acides aminés, les CHDLs(carbapenem-hydrolyzing class D β-lactamases) ont été subdivisées en plusieurs sous-groupes. Les enzymes appartenant aux sous-groupes OXA-23, OXA-24/40, OXA-48, OXA-51, OXA-58 et OXA-143 sont d'une importance clinique majeure en raison de leur large diffusion dans les agents pathogènes bactériens.

Les carbapénèmases de type OXA-48 hydrolysent les pénicillines et les carbapénèmes, mais pas les céphalosporines à spectre étendu ; cependant, elles sont souvent associées aux BLSE et confèrent à la souche un phénotype de résistance aux céphalosporines similaire à celui observé dans les BLSE.

Ⅲ. Quand suspecter une carbapénèmase

Lors de la recherche de carbapénémases, les laboratoires cliniques doivent avoir un indice de suspicion élevé et être attentifs à deux facteurs de confusion :

• Les isolats résistant aux carbapénèmes ne produisent pas forcément de carbapénémase (la résistance peut être médiée par d'autres mécanismes)
• Les producteurs de carbapénèmase ne sont pas tous résistants aux carbapénèmes.

❍ Quand suspecter une carbapénèmase selon EUCAST 2021

◈ Entérobactérie :

Certains isolats d’Enterobacterales producteurs de carbapénèmases (EPC) sont catégorisés S « sensibles à dose standard » aux carbapénèmes et doivent être rapportés comme tels ; la présence d’une carbapénèmase n’interfère pas sur la catégorisation de ces EPC (La détection des carbapénèmases est cependant recommandée sur le plan épidémiologique).

■ Il faut donc considérer comme suspecte d’EPC toute souche de sensibilité diminuée (« I » : sensible à forte posologie/R) à au moins l’une des carbapénèmes.

■ L’ertapénème est la carbapénème qui possède la meilleure sensibilité pour la détection des EPC. Ainsi, toute souche possédant une diminution de sensibilité à l’ertapénème [un diamètre d’inhibition (disque 10 μg) ≺ 25 mm par test de diffusion en gélose] peut être soumise à l’algorithme de screening des souches productrices de carbapénémase

◈ Pseudomonas :

Une diminution de la sensibilité à l’imipénème (diamètre ≺ 20 mm) et une résistance à l’association ceftolozane-tazobactam (≺ 24 mm) est évocatrice de la production de carbapénèmase.

■ Les recommandations pour la détection des carbapénèmases sont en préparation

❍ Quand suspecter une carbapénèmase selon CLSI 2020

◈ Les isolats d'entérobactéries producteurs de carbapénèmases sont généralement intermédiaires ou résistants à une ou plusieurs carbapénèmes en utilisant les seuils actuels indiqués dans le tableau ci-dessous.

Diamètre d'inhibition et CMI pour les carbapénèmes
Espèces	Agent antibactérien	Contenu du disque	S	I	R	S	I	R
Entérobactéries	Doripenem, Imipenem, Meropenem	10 μg	≥ 23	20–22	≤ 19	≤ 1	2	≥ 4
	Ertapenem	10 μg	≥ 22	19–21	≤ 18	≤ 0.5	1	≥ 2
Pseudomonas	Doripenem, Imipenem, Meropenem	10 μg	≥ 19	16-18	≤ 15	≤ 2	4	≥ 8

Ⅳ. Détection des carbapénèmase

Les objectifs sont de reconnaître efficacement tous les producteurs de carbapénémases et les distinguer des isolats résistant aux carbapénèmes grâce à d'autres mécanismes

CLSI : Après la mise en œuvre des seuils actuels, ces tests supplémentaires n'auront peut-être pas besoin d'être effectués autrement qu'à des fins épidémiologiques ou de prévention des infections (c'est-à-dire qu'il n'est plus nécessaire de modifier les résultats des carbapénèmes en résistants si un producteur de carbapénèmes est détecté).
- Les tests de confirmation doivent être effectués lorsque les isolats d'entérobactéries sont suspects de production de carbapénèmases sur la base de CMI d'imipénème ou de méropénème de 2 à 4 µg/ml ou de CMI d'ertapénème de 2 g /ml.
- Les tests recommandés : CarbaNP, mCIM, eCIM, et/ou une analyse moléculaire

Certaines études (Fernando) ont montré que le dépistage basé sur la CMI est associé à une sensibilité plus élevée (100 % contre 84 %) que le dépistage basé sur le diamètre de la zone d'inhibition.

◈ Hodge test modifié

◈ Test Carba NP

De nombreuses variantes du test Carba NP ont depuis été décrites avec des modifications de l'inoculum, des réactifs d'extraction, du pH de départ, des indicateurs de pH et des temps de lecture, Tijet et ses collègues ont proposé le test Carba NP-direct qui en plus d’être plus simple et plus rapide il est esi plus sensible que Carba NP-CLSI ou il a donné des résultats très prometteurs sur la plupart des producteurs du type OXA (détection de 38/40 souches d'acinetobacter.spp avec OXA-like (95 %))

◈ Méthode d'inactivation des carbapénèmes

Le CIM a été décrit pour la première fois en 2015 . Ce test est basé sur le principe que lorsqu'un disque de 10 µg de méropénème (MEM) est incubé pendant 2 h dans une suspension aqueuse d'un microorganisme producteur de carbapénémase, le carbapénème du disque est dégradé par la carbapénémase ; en revanche, si le micro-organisme à tester ne produit pas de carbapénémase, le MEM conserve son activité antimicrobienne après incubation dans la suspension bactérienne.

Le disque est retiré de la suspension et placé sur une boite de gélose Mueller–Hinton ensemencée avec une suspension d'un organisme indicateur sensible aux carbapénèmes ; après une nuit d'incubation, la zone d'inhibition est mesurée pour déterminer si le MEM a été hydrolysé (croissance de l'organisme indicateur à proximité du disque), ou est toujours actif (une large zone d'inhibition autour du disque)

Note : Ce test à subi plusieurs variation : mCIM : modified carbapenem inactivation method, eCIM : EDTA-modified carbapenem inactivation method, sCIM : Simplified Carbapenem Inactivation Method