TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes 08/10/2015 HERMET Laure L2 CR : Juliette Phélip TSSIBS Pierre BONGRAND 12 pages Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes Plan Introduction A. Définition, description et cinétique I. Définition et caractérisation II. Distribution tissulaire et maturation III. Activation des phagocytes mononucléés B. Les fonctions des cellules myéloïdes I. Migration (interaction avec l'endothélium, chimiotactisme) II. Phagocytose III. Présentation de l'antigène IV. Libération de facteurs biologiquement actifs V. Cytotoxicité VI. Phagocytes mononucléés et athérosclérose VII. Fonction ostéoclastique Pour approfondir ses connaissance : – Traité d'immunobiologie de Janeway – Bach & Chatenoud L'examen se constitue de 20 QCM [email protected] Introduction Les cellules myéloïdes sont très importantes pour le système immunitaire Le système immunitaire joue un rôle important dans la plupart des pathologies : – les infections : si un enfant naît avec une infection il risque de mourir dans les heures qui suivent. L'homme est un milieu de culture pour les agents infectieux notamment les bactéries. CR : il n'existe qu'un seul moyen d'éradiquer les infections : la vaccination (ex : la variole). Sans système immunitaire les antibiotiques ne sont pas vraiment efficaces. – la maladie cardiovasculaire : le système immunitaire joue un rôle important. exemple : l'athérosclérose est une maladie inflammatoire (interaction avec les vaisseaux, la réaction inflammatoire va entraîner des altérations), les déchet sur les parois des vaisseaux attirent les cellules de l'immunité qui doivent les éliminer, seulement ce travail peut être mal fait. – les allergies : C'est un excès d'activité du système immunitaire, on assiste à une augmentation de l'incidence allergique (30%), elles sont très liées à l'environnement (exemple de la réunification de l'Allemagne : des procédés sont devenues communs entre les deux Allemagnes et on a vu apparaître une augmentation des allergies des deux côtés). – les maladies auto-immunes : quand le système immunitaire attaque les cellules de l'organisme. 1/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes – – – ex : le diabète insulinodépendant, le système immunitaire détruit le pancréas et donc l'insuline la thyroïdite les transplantations : thérapeutique efficace et est essentielle, problème de compatibilité. les biomatériaux : lentille cornéenne, cathéter, prothèses dentaires, prothèses articulaires (2 accidents à éviter : infection ou inflammation stérile qui provoque une ostéolyse autour de la prothèse par exemple). les cancers : un des rôles du système immunitaire serait de détruire les cellules tumorales, elles peuvent être considérées comme des cellules étrangères. Il existe beaucoup de pistes de thérapie anti-cancereuse. Dans tous les domaines de la pathologie, il y a une nécessité de comprendre le système immunitaire. Le système immunitaire repose sur deux grands mécanismes : – l'immunité innée : codée génétiquement et indépendante de l'histoire des individus. Elle est mise en place surtout dans les premiers jours, pour laisser le temps à l'immunité adaptative de se mettre en jeu. – l'immunité adaptative ou spécifique : apparue plus tard dans l'évolution, elle est acquise à la suite d'un épisode de la vie d'un individu (infection, vaccin) et pourra de manière sélective détruite les agents infectieux sans causer trop de dommages alentours. Les cellules myéloïdes sont impliquées dans les deux mécanismes. A. Définition, description et cinétique I. Généralité - Histoire Historiquement le système réticulo-endothéliale a été identifié par Ashoff à partir d'une expérience. On injectait à des animaux du carbone colloïdales (encre de chine), et on s’apercevait qu'il était stocké par différentes cellules de l'organisme. Mais ce système regroupe des cellules avec des fonctions et origines différentes. Donc dans les années 70 on a défini le système des phagocytes mononucléés et parmi les cellules phagocytaires dites professionnelles il y a d'une part les polynucléaires et les mononucléés. Trois populations à distinguer : – les polynucléaires (granulocytes) : aspect morphologique = noyau multinucléé, on les appelle granulocytes car ils ont des granulations particulières. Ils ont une fonction essentielle qui est la phagocytose : élimination des agents infectieux. Les granulocytes ont une durée de vie courte et on les retrouve dans le sang. – les phagocytes mononuclées : population de cellule phagocytaire avec un noyau différent des granulocytes, ces cellules ont beaucoup de fonctions et vivent plus longtemps. Elles doivent être activées pour phagocyter. – les cellules dendritiques : de découverte plus récente elles sont largement associées aux phagocytes mononucléés. Leur fonction essentielle est la stimulation de l'immunité adaptative. Parmi les cellules dendritiques, toutes ne sont pas qualifiés de cellules myeloïdes. Comment définir/reconnaître une population cellulaire ? On peut prendre des cellules et les colorer afin de les observer par la suite Morphologie : examen morphologique à la base de la définition. La plus simple, c'est la technique de base en hématologie. Cytochimie : définir les cellules par une population d'enzymes en mettant en évidence des groupes de protéines ou des enzymes particulières dans les différents types cellulaires. 2/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes Elle est surtout utilisé par les immunologistes, plus précis mais plus difficile à mettre en évidence. Exemple : phagocytose → cellules phagocytaires, adhésion, présentation. Les cellules se remplissent de microsphères de latex, observables au microscope. Marqueur antigénique : On définit les cellules par les antigènes de membrane, technique d'identification des marqueurs immunologiques reconnus par des Anticorps avec cytométrie de flux. On peut ainsi définir la population par un ensemble de marqueurs. Procédé permettant de produire de grande quantité d'anticorps monoclonaux. On a définit des classes de différenciation (CD) d'anticorps reconnaissant les mêmes cellules, on parle de rationalisation de la nomenclature Technique également utilisé par les immunologistes. Le transcriptome : définir les cellules par l'ensemble de leurs gènes. On met en évidence l'activation de tous les gènes, moyen d'étudier la population cellulaire. Actuellement c'est un stade où la biologie a trop de données et ne sait pas quoi en faire. La cytométrie de flux : c'est un outil important accessible en routine que l'on utilise en laboratoire Principe : Cela permet d'analyser les cellules une par une On prend les cellules, on les marque ensuite par fluorescence (on les couple par génie génétique avec des GFP par exemple) et en les éclairant, elles vont restituer la lumière. On fait passer les cellules dans un gel liquide, on crée un écoulement liquide de très faible dimension, les cellules passent une par une au travers du faisceau du laser (qui permet de fournir une lumière bien dirigée et une longueur d'onde bien définie). Une partie de la lumière va être diffuser par la cellule et donc changer de direction (diffusion à petit angle ou à grand angle). Si on a plusieurs anticorps, il y aura plusieurs couleurs. On mesure la diffusion de la lumière (détournement de la lumière) : une partie va être transformée en une lumière de longueur d'onde différente (fluorescence) grâce à cela on peut étudier des molécules seules. 3/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes On a des filtres réfléchissant certaines couleurs Classiquement le principe de base c'est une fois que les cellules sont passées on les marque avec des anticorps fluorescents et chaque fois qu'une cellule passe on regarde la diffusion de la lumière qui permet de différencier des cellules. Plus la cellule est grosse plus elle diffuse, et quand une cellule contient beaucoup de granules elle diffuse plus car il y a beaucoup de changement d'indice de réfraction, donc on mesure les petits angles de réfraction pour la taille et les grands angles pour les granulations . La diffusion de la lumière aux petits angles donne essentiellement la taille de la cellule. La diffusion de grands angles représente la granularité. Rien qu'avec ces deux paramètres, on peut identifier nos trois populations de cellules. Les marqueurs sont appelés des CD : – CD14 : relativement spécifique des phagocytes, intervient dans la reconnaissance innée des lipopolysaccharides (LPS), reconnait des bactéries. – CD16 – 32 – 64 : récepteur des immunoglobulines, sert à faciliter la phagocytose. – CD11/CD18 : intégrines, molécules inconstantes, hétérodymères : deux chaînes α et β L'analyse en composant principaux (PCA): procédé abstrait permettant de traiter des données multidimensionnelles Une cellule est un point dans un espace à plusieurs dimensions. Pour traiter ses données, on a l'analyse en composants principaux, on va essayer de définir des combinaisons de paramètres qui sont très informatives. En prenant 2 composants principaux (un composant est une combinaison de paramètres), on va pouvoir déterminer les différentes populations des cellules qui se sont bien différenciées. Cette analyse est permise grâce aux cytomètres de flux mais le problème est de comprendre ce que l'on fait, souvent les calculs reposent sur des hypothèses arbitraires. 4/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes II. Distribution tissulaire et maturation Une fois que l'on a définit une population de cellules et que l'on sait la reconnaître, on va essayer de la suivre. ➢ Les granulocytes sont des effecteurs à vie courte, essentiellement dans le sang donc vivent quelques jours et disparaissent, en cas d'infection ils peuvent passer dans les tissus. ➢ Les phagocytes mononucléés : naissent dans la moelle osseuse, ils sont sous forme de monocytes dans le sang puis passent dans les tissus où ils vont se différencier en fonction de l'environnement, avec des caractéristiques différentes, et peuvent y vivre plusieurs mois. - cellule Kupffer dans le foie - hischiocytes dans le tissu conjonctif - ostéoclastes dans le tissu osseux - macrophages dans la cavité pleurale, péritonéal et péricardique - microglies dans le tissu nerveux ➢ Les cellules dendritiques périphériques sont très phagocytaires et immatures (ex des cellules de Langerhans), elles se mettent en mouvement après ingestion de l'agent puis se différencient, deviennent moins phagocytaires, plus mobile et vont rencontrer les lymphocytes dans les ganglions => c'est le cycle dendritique → immunité adaptative Régulation de ce cycle avec des facteurs de croissances tel que : - MCSF (favorise la formation de colonies de cellules monocytaires), - GCSF (stimule la formation de colonies de granulocytes), - GMCSF (permet la synthèse de colonies mixtes) , MultiCSF appelé aussi interleukine3 IL3 (suivant les personnes qui les ont étudiés les molécules ont pu avoir des noms différents, car fonctions multiples) Certaines cellules de moelle osseuse sont capables, en présence de facteurs CSF, de donner des colonies de cellules en culture. III. Activation des Phagocytes mononucléés Ce sont des cellules de grande plasticité (difficile a étudier) car elles peuvent passer d'un état à un autre, on parlera d'état d'activation. Un macrophage résident, pas très actif, est au repos dans les tissus. A la suite d'une activation ou irritation, on a des macrophages induits mais ils n'ont pas toutes les capacités de digestion utiles que l'on peut attendre. Exemple : maladie de la tuberculose. Les macrophages sont capables de digérer les micro bactéries Un agent infectieux peut résister à la phagocytose ou alors il va rentrer dans les cellules grâce aux cellules phagocytaires (macrophage qui est un hôte de choix car il vit longtemps et sait faire la phagocytose). Ce qui fait que l'on guérit ou pas c'est si le macrophage arrive à digérer et détruire ces bactéries. CR : Un agent infectieux qui envahit un organisme a 2 stratégies possibles : – survivre à l’extérieur des cellules, il résiste à la phagocytose – rentrer dans un phagocyte et s'arranger pour ne pas être digéré (Il lui faudrait alors choisir un macrophage qui va vivre longtemps, et qui a une phagocytose efficace. Au contraire choisir un granulocyte ne serait pas la bonne solution puisque qu'il ne vit que quelques jours.) Un macrophage complètement activé est capable de totalement détruire les agents infectieux. La digestion dépend de l'activation du macrophage qui est donc essentielle. 5/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes 2 modes d'action différents : → fabriquer surtout des anticorps : réponse humorale → activation de la phagocytose : réponse cellulaire Si on ne réagit pas bien à un antigène et que l'on n'active pas la bonne réponse, l'approche thérapeutique est de rediriger la réponse immunitaire. TH1 : LT qui stimule la réponse cellulaire TH2 : LT qui stimule la réponse humorale Plus récemment à partir de ce concept est venue cette notion : Un macrophage peut s'activer selon deux voies différentes (adaptation au type d'infection) – voie M1 (digère bien) ne phagocyte pas de manière très active mais on y retrouve beaucoup d'enzymes. – voie M2 (phagocyte bien) Beaucoup de récepteurs pour phagocyter Le macrophage a 3 programmes : – destruction – reconstruction – Stimulation des LT Comment le monocyte choisit de s'activer ? Il fait la synthèse de plusieurs signaux : – Signaux produits par des lymphocytes, avec des molécules particulières (ex : interferon γ → voie M1) – capable de reconnaître des structures étrangères grâce à des récepteurs TLR. Les structures étrangères PAMP et DAMP sont associées à des agents pathogènes et ne sont pas retrouvés dans l'organisme à l'état normal. – signaux de danger libérés par des cellules endommagées – aussi les scavenger receptors ou récepteurs éboueurs qui jouent un rôle dans l'athérosclérose en reconnaissant les lipides dénaturés. Toutes les fonctions du phagocytes ne sont pas réalisées en même temps, ils sont activés de différentes manières. B. Les fonctions des cellules myéloïdes I. Migration des leucocytes La réaction inflammatoire est ubiquitaire et initiée par la traversée des parois endothéliales par les leucocytes. Elle s'associe à la mise en jeu du système immunitaire. Pour que les leucocytes s'attachent aux parois des vaisseaux, étape essentielle de la réaction inflammation, il faut qu'ils aient des molécules d'adhésion → interaction avec l'endothélium 6/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes 5 grandes famille de molécules d'adhésion : – les sélectines (découvertes tardivement, les plus simples) sont des molécules longues, elles permettent l'accrochage, aux parois des vaisseaux, des leucocytes qui passent à toute vitesse. Ainsi appelées car leur extrémité porte un groupement lectine (molécule qui fixe des sucres). On connaît trois types de sélectines : • P-selectine dans les plaquettes et les cellules endothéliales. Son ligand principal est PSGL1. • L-selectine sur les leucocytes • E-selectine sur les cellules endothéliales Les leucocytes peuvent s'accrocher car les cellules endothéliales stimulées se mettent à exprimer des sélectines qui accrochent les leucocytes par les mucines (ligand, écouvillon=grande tige peptidique maintenue allongée car elles sont hérissées de sucre). Elles sont très grandes : 40 nanomètres de longueur – les intégrines qui font parties intégrantes de la membrane (transmembranaires), ce sont des hétéro dimères. Elles sont formées de chaînes α et β. 18 types de chaines, 24 combinaisons possibles. Les 3 grandes familles classées en fonction de leur chaîne β : Les intégrines β1 reconnaissant les récepteurs de la matrice extracellulaire (laminine, fibronectine) Les intégrines β2 qui sont leucocytaires et la plus connue est LFA1 = molécule d'adhésion. Une autre est MAC1 Les intégrines β3 qui interviennent dans la matrice extracellulaire et la cicatrisation Les ligands des intégrines leucocytaires sont souvent des molécules appartenant à la superfamille des immunoglobulines. – Les immunoglobulines, les CAM. Les protéines sont faites d'un certain nombre de domaines (= structure remarquable trouvée dans des protéines qui ont une certaine fonction, une certaine autonomie et une stabilité). Au cours de l'évolution il y a apparition des domaines dans les protéines. Le domaine Ig est retrouvé dans des molécules d'adhésion dont ICAM (molécule ubiquitaire) qui lie l'intégrine LFA1. Les anticorps par exemple sont fait à partir de ces immunoglobulines, tout comme certaines molécules d'adhésion – les cadhérines : molécules homotypiques (la molécule est son propre ligand) 7/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes Interaction leucocyte-endothélium et inflammation Les leucocytes passent dans le sang à grande vitesse (au moins 1mm/seconde). Si on introduit un stimulus inflammatoire dans un vaisseaux sanguins, on voit apparaître des leucocytes avançant moins vite, c'est un phénomène appelé rolling. Les leucocytes sont accrochés aux vaisseaux et forment des liaisons et des ruptures de liaisons dues à des sélectines. Voilà comment se déclenche la réaction inflammatoire. Les leucocytes sont maintenus et des molécules activatrices, les molécules chimiokines qu'ils n'auraient pas vu à grande vitesse sont libérées et donc il y a activation des intégrines. Les intégrines sont souvent inactives et ont donc besoin d'être activées. Elles s'accrochent ainsi à leur ligand, LFA1 va pouvoir s'attacher à ICAM. Le leucocyte va s'arrêter puis ramper sur les parois pour trouver le bon endroit pour traverser, vers une jonction. Particularités fonctionnelles des différentes molécules d'adhésion En condition de flux, les neutrophiles : – roulent sur les molécules de P-sélectines – n'interagissent pas avec ICAM-1 En condition statique, les neutrophiles : – se fixent fortement à ICAM-1 (arrêt définitif) – ne consolident pas leur interaction avec la P-sélectine Ces expériences mettent en évidence la diversité fonctionnelle des molécules d'adhésion et conduisent à rechercher de nouveaux paramètres pour décrire les interactions moléculaires, non seulement les constantes cinétiques, mais encore la résistance mécanique. CR : il peut exister des déficits : LAD (déficit d’adhésion leucocytaire) LAD 1 : Défaut d'expression de LFA1 : hyperleucocytose car les leucocytes ne peuvent pas sortir du sang, infection importantes LAD 2 : déficit de formation des sucres sur les selectines LAD 3 : déficit de fonction de LFA1 Chimiotactisme Une fois que la traversée a été réalisée, il faut se diriger vers l'infection. Les leucocytes sont capables de détecter un gradient de concentration de substances dites chimiotactiques et de se diriger vers la source, on parle de chimiotactisme positif. 8/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes Les substances chimiotactiques sont : – les protéines des bactéries qui commencent par du formyl méthionine (eucaryote méthionine) les phagocytes ont des séquences qui reconnaissent la formyl méthionine (FMF) La formyl méthionine attire les phagocytes. Ils peuvent aussi avoir des recepteurs de FMLP formyl methionine Leucine phenilaline (P pour phenilaline car c'est l'ancienne nomenclature) – les anticorps activent les constituants du complément en se fixant sur les bactéries, ils produisent des fragments du complément qui activent les phagocytes – les chimiokines, molécules reconnues par les leucocytes. – Produits de sécrétion de phagocytes Au laboratoire deux techniques d'étude de chimiotactisme : ➔ La chambre de Boyden on sépare deux chambres par un filtre. Dans le compartiment supérieur on met les leucocytes et dans la chambre en dessous des facteurs chimiotactiques. Il y a donc un gradient de concentration. Les leucocytes migrent à travers le filtre, on peut les observer grâce à la coloration. Migration des PMNs dans un filtre sans (à gauche) et en présence (à droite) d’un facteur chimiotactique Chambre artisanale ➔ La migration sous agarose : on fait des puits sur la couche d'agarose, d'un coté on met des substances chimiotactiques et de l'autre les cellules migratrices (les leucocytes). Au bout d'un certain temps on peut voir les leucocytes qui ont migré à cause du gradient Certains déficit immunitaire reposent sur des anomalies de migrations des leucocytes. II. Phagocytose C'est un mécanisme universel, chez l'amibe elle servait à la nutrition. Dans le cadre du système immunitaire la phagocytose comporte plusieurs étapes : – migration – reconnaissance et adhésion. Le phagocyte est armé par toute une série de récepteurs. ex : récepteur du mannose , PAC 1, récepteur des Immunoglobulines, récepteurs dit éboueurs 9/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes – ingestion : la membrane va s'étaler sur la particule qui va être englobé dans une vacuole qui est le phagosome. – Digestion (étape essentielle) S'il n'y a pas de digestion, l'infection se développe, elle se fait par plusieurs mécanismes : – Acidification du phagosome : le pH extracellulaire de 7 passe à un pH acide de 5. Certains agents sont adaptés au milieu acide, cela dépend de l'agent infectieux et de son mécanisme. exemples : legionnela pneumophila : responsable de la legionelose, inhibe l'acidification. leishmania : induisent une acidification du phagosome et survivent dans un milieu acide, traversent le phagosome et vont dans le cytoplasme. – Explosion oxydative : augmentation spectaculaire de la respiration des cellules et libération de composés oxygénés → production active et rapide de dérivée de l'oxygène (anion superoxyde, H2O2, chloration, NO et peroxynitrites). On a des dérivés de l'oxygène produits ainsi que des radicaux. Dans la granulomatose chronique, ce système ne marche pas, sensibilité importante aux infections. – Fusion phagosome-lysosome : Certaines stratégies de survie des bactéries consistent à inhiber cette fusion. Exploration de la réponse oxydative Il s'agit à a fois d'un acteur important de la bactéricidie (conséquences de son déficit) et d'un mécanisme très étudié du fait de sa simplicité relative : 6 constituants essentiels : gp91, p22 (membranaires, chromosome X), p47 phox (analogue GAP), p67 phox, p40, petite protéine G (rab1) Méthodes d'étude : – stimulation : PMA, fMLP, C5a – lecture : Réduction du nitrobleu de tétrazolium ; réduction du ferricytochrome C inhibable par la superoxyde dismutase ; chimiluminescence, oxydation de la dichlorofluorescéine (cytométrie de flux) Intérêt de la fusion phagosome – lysosome « les granulation des granulocytes » Quatre populations de granules ont été définies : – Granules azurophiles ou primaires (MPO(myeloperoxydase), Pr3(proteinase3), défensines, lysozymes) – Granules spécifiques ou secondaires (lactoferrine, protéine fixant la vitamine B12, lysozyme) – Granules gélatinase – Granules sécrétoires (phosphatase alcaline masquée) 10/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes On peut doser la sécrétion stimulée d'enzymes (nécessité de sensibilisation par la cytochalasine B) ou étudier le contenu des granules (Western Blot) Exploration par cytométrie de flux : expression de CD63 après sécrétion du contenu des granules azurophiles III. Présentation de l'antigène aux lymphocytes T C'est un mécanisme essentiel pour initier les réponses spécifiques. Les phagocytes dégradent les bactéries, puis les ré-expriment en partie associées à des molécules du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) pour les présenter aux lymphocytes. Le lymphocyte reconnaît ainsi le complexe peptide-CMH et est activé. Les cellules dendritiques lui présentent aussi des signaux : molécules de co-stimulation. IV. Libération de facteurs biologiquement actifs Les cellules phagocytaires libèrent des facteurs qui activent le système immunitaire et déclenchent les réactions inflammatoires. Ils attirent les lymphocytes et leur permettent aussi de s'activer. Ils libèrent également des facteurs de croissance, de coagulation etc → ce sont de véritables usines métaboliques ➔ les cytokines et interleukines – – – – les cytokines de l'inflammation IL1 IL6 TNFα les chimiokines qui attirent les leucocytes les cytokines qui activent la réponse immunitaire les facteurs de croissance ➔ – – – autres facteurs Coagulation (facteur tissulaire, activateur du plasminogène) Régulateurs enzymatiques (a2 macroglobuline, a1 anti-trypsine) Médiateurs lipidiques de l'inflammation (PAF, prostaglandines, leucotriènes) V. Cytotoxicité des phagocytes mononucléés Surtout LT et cellules NK. Des cellules immunitaires sont capables de détruire une autre cellule sans la phagocyter (si la cellule est trop grosse par exemple) – Plusieurs mécanismes de déclenchement (ADCC, CD23, autres récepteurs ?) – Plusieurs mécanismes effecteurs: • Dérivés réactifs de l'oxygène • Facteurs inducteurs de l'apoptose (TNFa, TRAIL) • Protéase VI. Métabolisme des lipides et athérosclérose (maladie inflammatoire) Les phagocytes envahissent les cellules endothéliales. 11/12 TSSIBS – Différenciation et fonctions immunitaires des cellules myéloïdes VII. Résorption osseuse : les ostéoclastes Pour préserver l'homéostasie, les ostéoclastes rongent l'os et les ostéoplastes les sécrètent. L'ostéoporose peut être dû à un hyperactivité des ostéoclastes. Il peut y avoir la situation inverse mais c'est plus rare. Petite dédicace à Juliette du CR, à ma co-stagiaire Béran, et bien sûr à ma petite SF préférée et son tirebouchon ;) 12/12