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Reproduction sexuée et gestation : un paradoxe
 Fécondation : fusion de deux gamètes provenant d ’individus génétiquement
différents.
 Gestation : juxtaposition étroite des tissus maternels (décidua/endomètre) et
fœtaux (trophoblaste).
 conceptus = « greffe naturelle semi-allogénique »
Effectivement,
 Transfert d ’Embryon (TE) : la gestation est possible avec un embryon
totalement étranger.
 Difficultés de reproduction dans les populations consanguines.
 Systèmes xénogéniques :  transfert d ’un blastocyste âne x âne dans utérus de
jument 100 % rejets
 immunisation de jument receveuse par
lymphocytes d ’âne avant le transfert  100 % des embryons se développent
 c ’est un phénomène immunitaire
Historique : les hypothèses de Medawar
L ’aube de l ’immunologie de la reproduction : 1953.
Les scientifiques cherchent une explication à l ’allogreffe fœtale ; toutes seront
réfutées par la suite.
 Le fœtus serait une entité « immunologiquement neutre »
 il possède des marqueurs du soi d ’origine paternelle
 L ’utérus est un site « immunologiquement privilégié »
 des grossesses extra-utérines peuvent être menées à terme
 Le placenta est une barrière neutre
 faux, en particulier dans sa zone externe
 La mère est en état de dépression immunitaire
 elle se défend normalement contre les greffes tissulaires
les agressions de microbes / virus
La gestation met en jeu des mécanismes ACTIFS de régulation immune
systémiques et surtout LOCAUX.
Le Complexe Majeur d ’Histocompatibilité
 Le Complexe Majeur d ’Histocompatibilité (CMH) est composé de groupes
de gènes (chromosome 6 de l ’homme, 17 de la souris), dont les produits sont
impliqués dans la régulation des réponses immunitaires et dans la reconnaissance
du non-soi.
 Les gènes du CMH peuvent être :
 polymorphes et différents entre individus d ’une même espèce (allogreffes)
 monomorphes et invariables entre individus d ’une même espèce (xénogreffes)
 Les gènes du CMH de classe I (régions A, B, C, E, G (humain), régions K, D,
L (souris)) codent pour des glycoprotéines présentes à la surface de toutes les
cellules somatiques nucléées.
Ils participent à l ’activation des cellules T cytotoxiques (CD8+).
 Les gènes du CMH de classe II (régions DP, DQ, DR (humain), région I
(souris)) codent pour des glycoprotéines présentes à la surface des cellules
intervenant dans la réponse immune.
Ils participent à l ’activation des cellules T auxiliaires/helper (CD4+)
Les macrophages
Cellules phagocytaires
 APC (Antigen Presenting Cells) : présentation de l ’épitope antigénique
 Sécrètent des cytokines et des radicaux libres  rôle dans l ’inflammation
Les cellules B
 Interviennent dans la réponse à médiation humorale.
 Une fois activées (plasmocytes, coopération T/B), elles produisent des anticorps
(immunoglobulines)
 pontage des antigènes, ce qui facilite la phagocytose
 effet cytolytique direct par association au complément
Le complément
 Ensemble de composés inactifs (C1 à C9) du sérum qui sont activés par des réactions
enzymatiques en cascade.
 Activation après la formation du complexe spécifique antigène-anticorps
 Aboutit à la lyse de la cellule cible.
Cellules T
 Acteurs de l ’immunité à médiation cellulaire spécifique.
On distingue deux types de cellules effectrices :
 Cellules T CD8+
 cytotoxiques (CTL)
 reconnaissent CMH I
 destruction de la cellule cible
 T suppresseurs
 Cellules T CD4+
 auxiliaires / helper
 reconnaissent CMH II
 activation et recrutement des autres
cellules immunes
CMH I
Tc
CD8
CMH II
Th
CPA
CD4
Les cellules non T non B
Cellules Natural Killer (NK) :
 Leur intervention ne dépend pas d ’une reconnaissance classique du CMH : ce
sont des cellules immunes non spécifiques.
 Elles sont activées par l ’absence de CMH ou l ’expression d ’un CMH muté :
phénomène du « missing self »
 Elles sécrètent de nombreuses cytokines et certains facteurs cytolytiques.
 Elles assurent une veille immunitaire permanente et la discrimination soi / nonsoi : sont constamment inhibées par liaison KIR-CMH I (Killer Inhibitory
Receptor), l ’absence de liaison inactivant le KIR et provoquant la lyse.
CMH I
NK
NK
KIR
Inhibition de la lyse
KAR
Cytokines et autres facteurs
NB. Des T CD8+ activés en LAKC (Lymphokine Activated Killer Cell) peuvent
être capable de lyser une cellule quel que soit le CMH qu ’elle exprime.
Les cytokines
 Protéines de faible poids moléculaire qui contrôlent un grand nombre de
processus biologiques, dont la réaction immunitaire.
 Elles agissent à de très faibles concentrations, par l ’intermédiaire de
récepteurs membranaires de haute affinité.
 Elles sont regroupées en différentes familles (concept plus fonctionnel que
structural, compliqué par des effets pléiotropes) : Interleukines,
Interférons,
Colony Stimulating Factors,
Tumor Necrosis Factors,
facteurs de croissance et autres.
 Elles n ’ont pas une action séparée in vivo ; chaque cytokine représente un
élément dans une séquence de cytokines : l ’ordre d ’action est donc important.
 Elles agissent en RESEAU : inductions en cascade,
synergies / antagonismes,
redondance
boucles rétroactives.
Cytokines de type Th1 / Th2
 Différentes sous-populations de cellules T CD4+ (Th=helper)contrôlent
différents types de coopérations cellulaires et produisent différentes cytokines.
Ceci correspond à un processus de régulation des réponses immunitaires.
 Elles sont distinguées par une dichotomie fonctionnelle :
Th1 : activation des macrophages
activité cytotoxique
pro-inflammatoires
TNF, IL-1, IL-2,
IFNg
Th2 : activation des cellules B
immunité humorale
anti-inflammatoires
IL-4, IL-10,
TGFb
Cytokines de type Th1 / Th2 : l ’équilibre
 Une fois établi, chaque profil de réponse tend à supprimer le profil
opposé :
Th1
Th2
inhibe la
prolifération
inhibe la production
IFNg
IL-10
IL-12
IL-4
Les profils de cytokines influencent les fonctions effectrices mises en jeu.
Expression du CMH au cours de la gestation
CMH classe II
 N ’est jamais exprimé, ce quelle que soit l ’espèce.
 Son induction provoque 100% d ’avortements.
CMH classe I
 Rongeurs, carnivores, ruminants : n ’est pas exprimé sur
les gamètes
l ’œuf fécondé
le blastocyste
le jeune embryon
le trophectoderme
 Chez la souris, il s ’exprime quand les différentes zones du placenta se
différencient (J9) : il est présent sur le spongiotrophoblaste, au contact du sang
et des tissus maternels.
 Chez l ’homme, le trophoblaste extra-villeux (qui envahit la décidua) exprime
une molécule de classe I non classique monomorphe : HLA-G
Les acteurs cellulaires à l ’interface materno-foetale
 Cellules immunes :
 Cellules NK utérines (Large Granular Lymphocytes ; uterine NK
cells)
 Cellules Tgd
 Autres lymphocytes, macrophages (peu nombreux, infiltrés)
 Cellules non-immunes :
 Utérus : cellules épithéliales (activité sécrétoire intense au moment de
l ’implantation)
cellules stromales
cellules déciduales (prolifération des fibroblastes du stroma
et acquisition d ’un phénotype épithélial)
 Placenta : cellules trophoblastiques (adhésion, fusion, invasion de
l ’endomètre)
Toutes ces cellules peuvent sécréter à chaque stade de la gestation un profil
particulier de cytokines ou de facteurs solubles
Mécanismes systémiques au cours de la gestation
 Modification du système immunitaire au cours de la gestation :
 accroissement du volume de la rate
 augmentation du volume des ganglions lymphatiques paraaortiques qui drainent l ’utérus
 Sang périphérique :  pas de modification du rapport T/B
 augmentation des cellules non T non B
 cellules spécifiques des antigènes paternels
 activité NK statistiquement abaissée
 Existence d ’anticorps facilitants :
Quand la réponse anticorps maternelle anti-paternelle se produit, elle est très
souvent soumise à une régulation isotypique (prédominance IgG1chez la
souris) : ces anticorps ne sont pas cytotoxiques et ne fixent pas le complément.
Mais ces mécanismes ne semblent pas indispensables au maintien de la
gestation.
En fait, ils apparaissent comme des témoins de la reconnaissance maternelle du
conceptus comme partiellement étranger.
Importance des mécanismes locaux
 La gestation est possible chez des souris pré-immunisées contre le père et qui
rejettent violemment une greffe de tissu paternel. Le poids du placenta est alors
supérieur à celui des souris témoin.
 Les mécanismes de protection sont essentiellement locaux
 Effet paradoxal de la pré-immunisation sur la croissance placentaire?
 Transferts hétérologues :  Des embryons chimères ovin/caprin se
développent chez la chèvre et chez la brebis.
 Transfert d ’embryon ovin ou caprin dans chèvre
ou brebis : échecs dus à l ’incapacité de l ’embryon à établir un contact normal
avec la mère (infiltration lymphocytaire locale).
 La compartimentalisation de la réponse IgG dans le tractus reproducteur ne
semble pas être une constante : elle n ’apparaît donc pas essentielle.
Dichotomie entre immunité systémique (peu ou pas affectée) et immunité locale.
Un modèle animal d ’avortement immunitaire
 Croisement de souris CBA/J (femelle) x DBA/2 (mâle) comparé à différents
contrôles :
CBA/J (H-2k) x DBA/2 (H-2d)  40% résorptions
x CBA/J (H-2k)  5% résorptions
x Balb/c (H-2d)  5% résorptions
C3H (H-2k) x DBA/2 (H-2d)  5% résorptions
x Balb/c (H-2d)  5% résorptions
 Observations :  infiltration locale de la décidua par cellules NK (+TNFa)
 placenta CBA/JxDBA/2 plus petit que les autres
 L ’immunisation de CBA/J par Balb/c avant accouplement avec DBA/2
normalise le taux d ’avortement. Le mécanisme est bien immunologique puisque
l ’effet est transférable par du sérum / cellules d ’une CBA/J immunisée.
 Serait lié à une stimulation différente du système immunitaire maternel par les
2 placentas (mise en évidence d ’une régulation localisée).
 Modèle largement utilisé pour étudier les effets des cytokines sur la résorption
embryonnaire
Défense contre les anticorps cytotoxiques
 Cinétique d ’apparition des anticorps : ne sont pas forcément un danger.
 Le trophoblaste peut se défendre en neutralisant le complément
 protéines anti-complémentaires
 DAF (Decay Accelerating Factor)
Homme
 MCP (Membrane Co-factor Protein)
(explique la non-toxicité des anticorps cytotoxiques détectés dans 75% des cas)
 Crry chez la souris
 Elles agissent par compétition avec la partie constante des anticorps, ou
peuvent détruire le complément si elles sont en quantité suffisante.
 C ’est un exemple de la défense du placenta par lui-même.
 Il reste néanmoins des dangers :
 les anticorps non neutralisés peuvent passer et trouver une cible dans la
circulation fœtale.
 la cible des anticorps peut être des cellules ou composants maternels.
Une molécule particulière : HLA-G
 C ’est une molécule de classe I quasi-invariante d ’un individu à l ’autre, qui
n ’est exprimée que sur le placenta. Elle est « tronquée » (n ’exprime pas
certains domaines spécifiques).
 CMH classe I : inhibe les cellules NK via les KIR
 tronquée : ne permet pas de réaction T classique (CD8+/CMH I)
 Mais
 expression limitée au seul trophoblaste invasif
 pas d ’équivalent fonctionnel connu de HLA-G chez les autres mammifères
(qui expriment des antigènes de classe I classiques)
 HLA-C (classe I polymorphe classique) retrouvé sur le trophoblaste
 grossesses multiples réussies malgré une mutation affectant l ’expression de
HLA-G
HLA-G joue un rôle qui n ’est certainement pas exclusif.
Défenses contre un rejet à médiation cellulaire
 Afflux transitoire de cellules NK au moment de l ’implantation (J4.5) et dans
les jours qui suivent : sont inhibées par CMH classe I exprimé par les
trophoblastes.
Problème : les molécules du CMH apparaissent plus tardivement (J9).
 L ’embryon est intrinsèquement résistant à la lyse NK.
 Problème : expression de CMH classe I : interaction avec T CD8+ possible.
 Contrôle de la cytotoxicité T :  apoptose via Fas-FasL
 sécrétion d ’IDO par le
trophoblaste  dégradation du Trp  cellules T anergiques
 Subtilité du contrôle de l ’activité T CD8 vs NK
 Embryon sensible à la lyse par NK ou T activés par l ’IL-2 : LAKC
 un contrôle supplémentaire de leur activation est nécessaire
Rôle des facteurs solubles
L ’immunotrophisme
 Expliquer la relation positive entre le poids du placenta (et du fœtus) et
l ’immunisation de la mère contre les antigènes du père
 Les cellules T allo-immunisées sécrètent des cytokines activant la
réplication et la phagocytose des trophoblastes
 Souris déplétées par KO génique en cellules NK : placentas
morphologiquement normaux mais hypotrophiques
 cellules NK impliquées dans l ’immunotrophisme
 Elles reconnaissent les molécules de classe I du placenta et sécrètent des
cytokines qui agissent comme facteurs de croissance du placenta
IL-3 ; GM-CSF
 Implication HLA-G / HLA-C chez l ’homme?
 Conflit immunitaire « provoqué » pour aboutir à la sécrétion de cytokines
immunotrophiques
L ’implantation : une réaction inflammatoire
 L ’implantation est un phénomène partiellement inflammatoire transitoire.
 Activation des macrophages après l ’accouplement
 détection de cytokines pro-inflammatoires
CSFs, TNFa, IL-6, IL-1 ( J3), puis CSF-1, IL-6 , LIF
 Ces dernières auraient un rôle dans l ’attachement/accolement du blastocyste
(expression de molécules d ’adhésion)
 Cette inflammation ne doit pas trop se prolonger, sinon il peut y avoir rejet du
conceptus
 une juxtaposition de réactions immunosuppressives suit cet état
pour aboutir à la tolérance.
 Un exemple : rôle indispensable du LIF chez la souris
« Could there be life without LIF ? » (Nature, 1992)
LIF-/- : fertiles (blastocystes normaux) mais stériles (pas d ’implantation)
e LIF-/- dans mère LIF+/+  oui
e LIF+/+ dans mère LIF-/-  non (correction par du LIF exogène)
Rôle du LIF maternel (expression temporelle du récepteur sur le blastocyste)
Immunosuppression localisée (cytokines Th2)
Immunosuppression déciduale :
 Les concentrations locales de progestérone sont suffisantes pour induire ses
effets immunosuppresseurs.
 L ’activation lymphocytaire (reconnaissance d ’antigènes CMH paternels)
induit l ’expression sur les lymphocytes du récepteur à la progestérone
 production de PIBF (Progesterone Induced Blocking Factor)
 activation de lymphocytes suppresseurs inducteurs
suppresseurs effecteurs
TGFb2
 Le TGFb atteint des concentrations locales suffisantes pour neutraliser
l ’action des NK et des LAKC.
 Là encore, la reconnaissance du fœtus comme étranger, associée à de fortes
concentrations locales en progestérone, va jouer en faveur de sa protection.
Rôle protecteur des cytokines Th2
 Sécrétées dans la décidua et le placenta, par des cellules immunes ou non
immunes.
 IL-4 et surtout IL-10
 Sources d ’IL-10 :  trophoblastes ; rôle régulateur des cellules NK?
 lymphocytes suppresseurs activés par le PIBF
 cellules T CD4+, en rétroaction à un excès
d ’interféron-g (interférons placentaires, sécrétés avant l ’expression des Ag du
CMH sur le trophoblaste, permettant un contexte Th2 plus précoce)
 Nouvelles preuves du rôle fondamental du placenta.
 Mise en évidence du rôle bénéfique de ces cytokines dans le modèle
CBA/JxDBA/2.
 Les cytokines de type Th2 vont down-réguler l ’expression des cytokines
de type Th1.
 Implication probable de nouvelles cytokines de type Th2 :
 IL-11 : rôle dans la réaction de décidualisation?
 IL-13 : rôle immunosuppresseur type IL-4/IL-10?
Rôle délétère des cytokines de type Th1
 Globalement, un excès de cytokines Th1 est effectivement abortif.
 TNFa et IFNg agissent en synergie
 pas de cytotoxicité anti-trophoblaste, mais activation de la coagulation
intra-vasculaire dans les néo-vaisseaux maternels (embolisation vasculaire)
 Apports du modèle CBA/J x DBA/2 (augmentation des taux de résorption) :
+IFNg DBA : 38%  68%
Balb : 6%  44%
+IL-2 DBA : 38%  76%
Balb : 6%  55%
 Régulations réciproques Th1 Th2 : mise en place d ’un équilibre délicat
entre les deux, qui est modifié tout au long de la gestation.
Jusqu ’ici, on a admis que
« la gestation réussie est un phénomène de type Th2 »
Vers une remise en cause de la dichotomie Th1/Th2
 Etudes récentes :
 IFN g : tout en confirmant que de fortes doses étaient abortives, il a été
observé que les souris IFNg-/- ont de fortes anomalies de vascularisation à
l ’interface foeto-maternelle
 IL-12 : facteur activateur des cellules NK, non délétère si seule ; rôle
dans néo-vascularisation via NK? (complexité d ’action)
 IL-15 : facteur de maturation/différenciation des cellules NK
 Ces résultats font apparaître les limites d ’une telle modélisation
 considérer les cytokines au-delà de leur classification immunologique
 facteurs de croissance (cf.immunotrophisme)
 facteurs angiogéniques
 L ’idée n ’est pas tellement de renoncer à la théorie
« Th1 = délétère ; Th2 = bénéfique » (études cliniques humaines)
mais d ’être conscient de la subtilité de la situation.
 La question de la tolérance de l ’allogreffe fœtale se pose toujours, mais les
cytokines interviennent aussi dans les remaniements tissulaires pendant la
gestation.
L ’interféron-tau (Ruminants)
 Interféron placentaire (sécrété constitutivement par le trophoblaste, à la
différence des IFNs classiques après activation virale ou immune).
 L ’IFN-t est propre aux Ruminants
 Signal de MPR (Maternal Pregnancy Recognition) des Ruminants
 Expression très transitoire au cours de la gestation :
brebis
J0
J9-J21
J145
vache
J0
J15-J24
J280
 Propriétés anti-virales non spécifiques d ’espèce et faible toxicité
 cible pour utilisation thérapeutique potentielle?
 Rôle immunosuppresseur :  inhibe la prolifération des cellules T
 favorise forte sécrétion locale de progestérone
 diminue les résorptions fœtales chez CBA/JxDBA/2
 favoriserait l ’expression de CMH classe I
Problématiques/perspectives en médecine humaine
 Procréation Médicalement Assistée (FIV, transfert d ’embryon)
 améliorer le taux de réussite
 Stérilités (1 couple sur 6)
 identifier les causes moléculaires
 mettre en place  les outils diagnostiques de la stérilité
 les traitements spécifiques
MAIS une stérilité d ’origine immunologique a rarement des causes uniques.
 Pathologies liées à la grossesse
 RSA (Recurrent Spontaneous Abortion)
 pré-éclampsie
 endométriose
 comprendre les mécanismes / traitements
 Tolérance des greffes : on recherche une immunotolérance / suppression
 transposition de la situation rencontrée au cours de la gestation ?
Problématiques/perspectives en zootechnie
 Amélioration des résultats de reproduction du cheptel (+pathologies liées)
 Enrayer la dégradation des résultats de reproduction qui peut accompagner
certains modes de production
 vaches laitières : sélection augmentation de la production de lait
mais baisse parallèle de la fertilité
 Optimisation des biotechnologies :  transgénèse
 clonage
par potentialisation, par exemple, du transfert embryonnaire (administration de
cytokines?)
 Gestation normale : 60% réussite environ
 Gestation suite à T.E. d ’un embryon cloné : 2-3% de réussite
 Compréhension des pathologies liées au clonage, notamment les pathologies
placentaires (hypertrophie des placentomes).
 On commence seulement à entre-apercevoir de telles applications, d ’autant
plus que les données demeurent limitées pour les animaux de rente.
Une certaine complexité...
 Tous les acteurs cellulaires et moléculaires sont loin d ’être des variables
indépendantes.
 On doit prendre en compte, dans un système de réseau :
la dose
le moment (de sécrétion/d ’administration)
le contexte cytokinique
l ’ordre d ’action des cytokines
le mode d ’action des cytokines (redondance, pléiotropie)
les interactions avec d ’autres facteurs
 Se méfier des généralisations abusives
Système in vitro  Situation physiologique in vivo
Mécanismes  d ’une espèce à l ’autre
(pas la même implantation  régulations différentes?)
placentation
Modéliser une telle complexité?
 Réseau :
 non-linéarité dans les interactions entre les cytokines
(redondances)
 rétrocontrôles négatifs et positifs
 faillite des modèles linéaires de prévision
 Si une approche linéaire « réductionniste » reste quand même utile, on
pourrait être amené à appliquer des modèles mathématiques non linéaires
ex. chaos
(Cytokines, chaos and complexity - Callard R. et al., Immunity (1999) 11, 507-13)
 Grande sensibilité aux conditions initiales fait que le comportement du
système est difficilement prédictible, bien que déterminé (mais robustesse
des propriétés statistiques d ’un système chaotique)
 Sensibilité + non linéarité
 une petite intervention correctement timée peut avoir un effet
désiré à une échelle plus large
Au-delà de l ’immunologie de la reproduction
 Causes d ’avortements
 immunologique-like
 défauts d ’attachement (notion de réceptivité utérine)
 défauts de vascularisation/placentation
 Néanmoins la gestation est sous contrôle de phénomènes immunitaires
« uniques ».
 Pas strictement immunologie puisque
 implication de cellules non immunes
 rôle non-immunologique de certaines cytokines
 Relation mère-embryon n ’est plus seulement comparée à une greffe :
 invasion par une tumeur (angiogénèse, remaniements tissulaires)
 relation hôte-parasite, voire symbiose si menée à terme