Comment ça marche

Selon les données scientifiques connues, le cuivre antibactérien tue les bactéries via des mécanismes d’attaque multiples.

Les mécanismes par lesquels le cuivre massif éradique les virus et bactéries font toujours l’objet d’études, mais les recherches effectuées sont suffisantes pour confirmer l’efficacité à large spectre de ce métal et de ses alliages tels que le bronze et le laiton. Il est important de noter que même dans des conditions de contact sec dans un environnement intérieur type, le cuivre possède la capacité d’inactiver en permanence les agents pathogènes. En interagissant avec la structure cellulaire, le cuivre déclenche une série de phénomènes en cascade, notamment l’interruption rapide des fonctions vitales et la compromission de l’intégrité de la membrane cellulaire. Ceci permet au cuivre de pénétrer dans la structure de l'organisme et de totalement perturber son métabolisme. L’étape finale est la détérioration du matériel génomique. Face à ces réactions en bloc, nombreuses et complexes, il y a extrêmement peu de chance que la bactérie puisse développer une résistance aux alliages de cuivre.

Mécanisme d’action d’Antimicrobial Copper

De nombreux chercheurs ont étudié le mécanisme d’action impliqué dans la destruction des bactéries par contact lorsque celles-ci sont déposées sur des surfaces en alliage de cuivre. Afin d’illustrer la variété des théories et la complexité du mécanisme de destruction du cuivre par contact, nous énumérons ci-dessous la liste précédemment publiée1 des exemples de modes d’action suggérés par les études scientifiques :

  • La structure en 3 dimensions peut être altérée par le cuivre, si bien que les protéines ne peuvent plus exercer leurs fonctions normales. Il en résulte une inactivation des bactéries et des virus2.
  • Les complexes de cuivre forment des radicaux qui inactivent les virus3,4.
  • Le cuivre peut briser les structures des enzymes et perturber leurs fonctions en se liant aux groupes sulfure ou carboxylate et aux groupes aminés des protéines5.
  • Le cuivre peut interférer avec l’absorption d’autres éléments essentiels comme le zinc et le fer.
  • Le cuivre facilite l’activité délétère des radicaux superoxydes. Les réactions rédox répétées sur les macromolécules spécifiques du site génèrent des radicaux OH-, causant ainsi de « multiples dommages par chocs » sur les sites cibles6,7.
  • Le cuivre peut interagir avec les lipides, provoquant leur peroxydation et perçant des trous dans les membranes cellulaires, ce qui compromet l’intégrité des cellules8.  Ceci peut entraîner une fuite des solutés essentiels, laquelle à son tour, peut avoir un effet dessicant.
  • Le cuivre endommage la chaîne respiratoire des cellules d’Escherichia coli9 et entrave le métabolisme cellulaire10.
  • Une corrosion plus rapide est corrélée à une inactivation plus rapide des micro-organismes. Ceci peut être dû à la disponibilité accrue de l’ion cuivrique, Cu2+, que l’on suspecte d’être responsable de l’action antimicrobienne11.
  • Lors d’expériences d’inactivation du virus de grippe H1N1, qui est presque identique à la souche aviaire H5N1 et à la souche  H1N1 de 2009 (grippe porcine), les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’action antimicrobienne du cuivre attaque la structure globale du virus et donc, exerce un effet à large spectre12.
  • Les microbes ont besoin d'enzymes contenant du cuivre pour produire certaines réactions chimiques vitales. Toutefois, le cuivre en excès peut affecter les protéines et les enzymes des microbes, inhibant ainsi leur activité. Selon les chercheurs, le cuivre en excès a le potentiel pour perturber la fonction cellulaire, à la fois à l’intérieur des cellules et dans les espaces interstitiels entre celles-ci, ce qui agit probablement sur l’enveloppe externe de la cellule13.

Par ailleurs, un article de compilation scientifique14 traitant du mode d’action du cuivre sur les bactéries présente une revue d’ensemble de ces mécanismes.

Toutefois, aucun mécanisme en lui-même ne recueille un large consensus. Les possibilités sont complexes et multiples. Il est clair que les études de ces mécanismes doivent être considérées comme des travaux toujours en cours, et il est prématuré de proposer un mécanisme spécifique. Les mécanismes de destruction par le cuivre nécessitent des recherches supplémentaires qui devraient révéler des interactions différentes et plus ou moins complexes selon les différents types de micro-organismes.

Considérons à présent une cellule bactérienne et analysons comment le cuivre peut agir sur celle-ci :

I- Le cuivre agit sur la membrane cellulaire :

Outre un certain nombre de types de capsule ou de paroi situés à l’extérieur de la cellule elle-même, les cellules bactériennes possèdent une membrane composée d’une matrice de lipides enrobée de protéines. Le rôle de la membrane cellulaire est de former une barrière, dont l’importance est cruciale, entre l’intérieur de la cellule et son environnement, et de réguler ce qui entre dans la cellule et en sort. De nombreuses protéines de divers types sont exposées à la surface intérieure ou extérieure de la membrane, et certaines traversent la membrane et sont exposées aux deux surfaces. Le maintien de cette structure complexe et de ses protéines est essentiel à la vie de la cellule.

On suppose que la production d’une espèce oxydante14,15, via une réaction de type Fenton16, provoque une perte d’intégrité de la membrane cellulaire14,16. On observe une détérioration massive de la membrane en quelques minutes17, et les cellules éliminées sur les surfaces en cuivre présentent une perte d’intégrité cellulaire17. Cette perte d’intégrité perturbera à son tour la production d’énergie via la respiration (chez les bactéries, les enzymes respiratoires sont des protéines des membranes cellulaires) et provoquera également une perte de contrôle de la gestion de l’eau, des ions sodium, potassium et de nutriments tels que le sucre et les acides aminés. De plus, cette détérioration de l’intégrité membranaire provoque des distorsions de la membrane qui stimulent les signaux de stress résultant de l’activation des enzymes à l’intérieur de la cellule, lesquels dégradent les molécules intracellulaires dont l’ADN, l’ARN et possiblement les protéines. Au final, la détérioration complète et massive de la structure membranaire pourrait provoquer l’éclatement de la membrane cellulaire et la libération de son contenu.

II- Le cuivre pénètre dans la cellule :

Les cellules possèdent de multiples mécanismes pour se protéger des concentrations nuisibles en cuivre intracellulaires. Ces mécanismes permettent notamment d’expulser le cuivre de la cellule (efflux) et de le combiner sans risque (le séquestrer) dans des complexes de protéines. La majorité de ces mécanismes requiert de l’énergie qui peut ne pas être disponible dans une cellule dont la membrane est compromise. De plus, des liaisons exotiques du cuivre à des protéines spécifiques (enzymes) pourrait entraîner des modifications structurelles, une perte de fonction et/ou une stimulation de la destruction des protéines. Lorsqu’une dose létale est atteinte, le cuivre semble interférer avec les fonctions cellulaires normales telles que le métabolisme cellulaire et provoque une destruction totale et irréversible à un degré tel, que les cellules sont non viables18,19.

On suppose que les principaux effets de l’exposition à des surfaces en alliage de cuivre sont ceux qui surviennent sur la membrane cellulaire20 et que la désintégration de l’ADN est un effet secondaire15,16,21,22.  Pour prouver que la dégradation de l’ADN est un effet secondaire, les chercheurs16 ont démontré que dans un alliage contenant 60 % de cuivre, on n’a décelé aucune bactérie survivante après 45 minutes d’exposition, mais l’ADN génomique était intact. Cette théorie, avançant que la dégradation de l’ADN est un effet secondaire, ne fait pas l’unanimité23,24. Enfin, cette discordance, qui peut varier d’une bactérie à l’autre et en fonction du contenu en cuivre de l’alliage sur lequel on la dépose, ne seront résolus que par des résultats de recherches supplémentaires.

Tout le monde s’accorde néanmoins sur le fait que le cuivre tue les bactéries et que tous les événements en cascade susmentionnés entraînent une mort cellulaire rapide et irréversible chez les bactéries.

Résistance

On utilise les termes « résistantes au cuivre » et « sensibles au cuivre » pour décrire les souches mutantes ayant une altération de la capacité à se développer dans des solutions aqueuses ayant des concentrations en cuivre variables. Une question importante est de savoir si le mécanisme de résistance au cuivre dissous dans des solutions aqueuses est pertinent pour la capacité destructrice du cuivre observée sur les surfaces sèches. Dans une étude sur la résistance au cuivre des souches mutantes d’E.coli sensibles au cuivre, on a constaté que la souche sensible (ne comportant pas de système spécifique de détoxification du cuivre) ne présentait qu’une légère augmentation de sensibilité lorsqu’elle était exposée à deux surfaces en alliage de cuivre contenant soit 60 % soit 65 % de cuivre. En revanche, la souche résistante au cuivre (qui possède des niveaux renforcés du système de détoxification du cuivre) ne fait pas preuve d’une meilleure survie sur ces surfaces en alliage de cuivre et est peut-être même en réalité légèrement plus sensible21. Ces résultats suggèrent fortement que la résistance au cuivre et que les systèmes de détoxification du cuivre jouent un rôle mineur (s’ils en jouent un) dans la capacité des surfaces sèches en alliage de cuivre à éradiquer les bactéries21. Pour être plus précis, le terme « résistance au cuivre » n’est pas applicable à la destruction observée sur les surfaces sèches en alliage de cuivre.

Il est important de noter que le cuivre est un nutriment essentiel et qu'il est indispensable à certaines fonctions métaboliques, mais il devient toxique lorsque ses concentrations deviennent excessives. Ainsi, les cellules doivent réguler minutieusement les concentrations en cuivre physiologiques et ont développé plusieurs mécanismes à cet effet. Les souches résistantes au cuivre ont renforcé ces mécanismes et sont plus à même d’affronter des concentrations de cuivre plus élevées à l’intérieur de la cellule. En revanche, les antibiotiques ne jouent bien sûr aucun rôle dans la reproduction ou le métabolisme des bactéries. Les bactéries communes sont hautement sensibles à ces poisons métaboliques, même s’ils sont en faible concentration. Les souches résistantes aux antibiotiques sont capables de contourner l’effet toxique de ceux-ci et de se reproduire même en leur présence. La résistance au cuivre et la résistance aux antibiotiques ne sont donc pas comparables.

Toutefois, le cuivre peut jouer un rôle dans la lutte contre l’évolution des bactéries résistantes aux antibiotiques en réduisant en permanence les réservoirs de microbes environnementaux qui, autrement, font office de véritables  bouillons de culture pour les formes mutantes.

Virus

Les virus désignent des parasites obligatoires (Ils dépendent d'un hôte pour leur réplication). Ils ne peuvent donc pas achever leur cycle de vie sans exploiter un hôte approprié. Ils sont constitués de matériel génétique (ADN ou ARN) portant des instructions et enfermé dans une capsule (capside) qui est capable de pénétrer dans la cellule hôte. Il exploite alors les systèmes métaboliques de la cellule hôte pour se multiplier. Les alliages de cuivre peuvent toutefois inactiver les virus de façon permanente et irréversible et ont donc le potentiel de minimiser leurs conséquences bio-pathologiques, probablement en annihilant leur capacité à envahir les cellules hôtes. Les données25 laissent supposer que dans le norovirus murin, un virus à ARN, cette intégrité de la capside est compromise lors du contact avec le cuivre, ce qui entraîne une inactivation permanente et irréversible des particules virales. Dans une étude ultérieure26, une souche de coronavirus humain, également un virus à ARN, s’est avérée inactivée par contact avec un alliage de cuivre. Prises ensemble, ces études suggèrent que les surfaces en alliage de cuivre pourraient exercer une activité antivirale contre d’autres virus à ARN importants, comme les virus respiratoires virulents et le virus Ebola, qui se transmettent très souvent via les surfaces de contact. D’autres types de virus à ADN pourraient être aussi sensibles à l’exposition à des surfaces en alliage de cuivre, et il est crucial de poursuivre les recherches dans ce domaine.

Le cuivre et les alliages de cuivre sont des matériaux techniques, résistants, colorés et recyclables. Ils sont disponibles dans une grande variété de formes et de produits, adaptés à des usages très divers. Le cuivre et ses alliages offrent pour les concepteurs une large gamme de matériaux pour la fabrication de produits fonctionnels, durables et rentables.

Le cuivre et certains de ses alliages possèdent des propriétés antimicrobiennes intrinsèques (sous la désignation de cuivre antimicrobien ou antibactérien, autrement dit Antimicrobial Copper en anglais). Les produits fabriqués à partir de ces matériaux spécifiques ont un avantage supplémentaire, participant à l'hygiène. Les produits en cuivre antimicrobien constituent une aide supplémentaire, et non un substitut, dans le cadre des pratiques usuelles visant le contrôle des infections. Il reste primordial que toutes les mesures d'hygiène courantes soient maintenues, y compris celles liées au nettoyage et à la désinfection des surfaces environnementales.

Références

1. Antimicrobial properties of copper on Wikipedia.
 
2. The Molecular Mechanisms of Copper and Silver Ion Disinfection of Bacteria and Viruses. Thurman RB, Gerba CP (1989). CRC Critical Reviews in Environmental Control 18(4): 295–315.
 
3. Photosensitive DNA cleavage and phage inactivation by copper(II)-camptothecin. Kuwahara, J, Suzuki, T., Funakoshi, K, Sugiura, Y (1986). Biochemistry 25 (6): 1216–1221.
 
4. Inhibition of avian myeloblastosis virus reverse transcriptase and virus inactivation by metal complexes of isonicotinic acid hydrazide. Vasudevachari, M, Antony, A (1982). Antiviral Research 2 (5): 291–300.
 
5. Interactions of heavy metals with bacteria. Sterritt, R, Lester, J (1980). The Science of the total environment 14 (1): 5–17.
 
6. On the cytotoxicity of vitamin C and metal ions. A site-specific Fenton mechanism. Samuni, A, Aronovitch, J, Godinger, D, Chevion, M, Czapski, G (1983). European Journal of Biochemistry / FEBS 137 (1–2): 119–124.
 
7. Roles of Copper and Superoxide Anion Radicals in the Radiation-Induced Inactivation of T7 Bacteriophage. Samuni, A, Chevion, M, Czapski, G (1984). Radiat. Res. 99 (3): 562–572.
 
8. Copper-induced formation of reactive oxygen species causes cell death and disruption of calcium homeostasis in trout hepatocytes. Manzl, C Enrich, J, Ebner, H, Dallinger, R, Krumschnabel, G (2004). Toxicology 196 (1–2): 57–64.
 
9. Evidence for the role of copper in the injury process of coliform bacteria in drinking water. Domek, M., Lechevallier, M., Cameron, S., McFeters, G. (1984). Applied and environmental microbiology 48 (2): 289–293.
 
10. Metabolism of Escherichia coli injured by copper. Domek, M, Robbins, J, Anderson, M, McFeters, G (1987). Canadian journal of microbiology 33 (1): 57–62.
 
11. Copper Alloys for Human Infectious Disease Control. Michels, H, Wilks, S, Noyce, J, Keevil, CW (2005). Presented at the Materials Science and Technology Conference, September 25–28, 2005, Pittsburgh, PA; Copper for the 21st Century Symposium.
 
12. Anti-Microbial Characteristics of Copper. Michels, H (October 2006), ASTM Standardization News 34 (10): 28–31, retrieved 2014-02-03.
 
13. Lowering Infection Rates in Hospitals and Healthcare Facilities – The Role of Copper Alloys in Battling Infectious Organisms. BioHealth Partnership Publication (2007): Edition 1, March.
 
14.  Physicochemical properties of copper important for its antimicrobial activity and development of a unified model. Hans, M, Mathews, S, Mucklich, F, Solioz, M. (2016). Biointerphase 11 (1): 018902 1-8 (published on line November 16, 2015).
 
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22. Metallic Copper as an Antimicrobial Surface. Grass, G, Rensing, C, Solioz, M (2011). Journal of Applied Microbiology, 77, 1541-1547.
 
23. Biocidal Efficacy of Copper Alloys against Pathogenic Enterococci Involves Degradation of Genomic and Plasmid DNAs. Warnes, S, Green, S, Michels, H, Keevil, CW (2010). Applied and Environmental Microbiology, 76, 5390-5401.
 
24. Mechanism of Copper Surface Toxicity in Vancomycin-Resistant Enterococci following Wet or Dry Surface Contact. Warnes, S, Keevil, CW (2011). Applied and Environmental Microbiology, 77, 6049-6059.
 
25. Inactivation of Murine Norovirus on a Range of Copper Alloy Surfaces Is Accompanied by Loss of Capsid Integrity. Warnes, S, Summersgill, E, Keevil, CW (2015). Applied and Environmental Microbiology, 81, 1085-1091.
 
26. Human Coronavirus 229E Remains Infectious on Common Touch. Warnes, S, Little, Z, Keevil, CW (2015). mbio.asm.org, 6, 1-10.

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