Catherine Dubernet

Ecole Thématique,
Porquerolles, 9 au 13 juin 2008
Notions de Biologie :
de la cellule à l’organisme…
Structure et fonctionnement
Pr Catherine DUBERNET
Centre d’Etudes Pharmaceutiques- Université Paris XI
UMR CNRS 8612
Physico-chimie – Pharmacotechnie - Biopharmacie
1
De la cellule à l’organisme …
ou de l’organisme à la cellule ?
La vision de l’innovation
thérapeutique : centrée sur le patient
2
De la cellule … au tissu
Ecole Thématique,
Porquerolles, 9 au 13 juin 2008
Les enjeux et les contraintes
des applications biologiques
des nanoparticules d’or
Pr Catherine DUBERNET
Centre d’Etudes Pharmaceutiques- Université Paris XI
UMR CNRS 8612
Physico-chimie – Pharmacotechnie - Biopharmacie
… suite partie 2
3
PLAN
1. La cellule :
•
Les connaissances minimales requises pour éviter d’en faire une boîte
noire
2. Les échanges cellule / milieu extérieur :
•
Comment les molécules traversent elles les membranes ?
•
Comment des particules traversent elles des membranes ?
3. De la cellule à la barrière tissulaire :
•
Comment des cellules s’associent elles pour devenir un tissu ?
4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus :
•
Toxicité et cytotoxicité
•
Intensité et réversibilité des effets toxiques
5. Les mécanismes de défense immunitaire :
•
Comment des objets du « non soi » seront ils perçus et éliminés ?4
1. « La cellule » … : laquelle ?
5
Les compartiments subcellulaires /
organites intracellulaires
6
La membrane plasmique
Épaisseur environ 5 nm
PL + cholestérol
Asymétrie des 2 feuillets
Protéines :
Transport sélectif
Adhérence cellulaire
Réception de signaux extracellulaires
Transduction du signal
Connexion au cytosquelette
Support d’activités enzymatiques
7
Insertion membranaire des protéines
Résidu glucidique
Hélice alpha
transmembranaire
(25 acides aminés
hydrophobes)
Complexes protéiques
Ancrage membranaire
via liaison covalente
avec un lipide (acide gras
ou phospholipide)
8
Quelques propriétés fondamentales
des membranes
Viscosité optimale à 37°C (conditionnée par la composition en lipides)
Diffusion transversale des lipides
Diffusion longitudinale des lipides
Mobilité de protéines membranaires
démontrée par une expérience de fusion
9
Le cytosol et le cytosquelette
• Rôle du cytosquelette :
permet changements
morphologiques, mouvements
coordonnés.
• Composition :
microfilaments d'actine (7 à 9
nm de diamètre),
microtubules (25 nm de diamètre)
filaments intermédiaires (10 nm
de diamètre).
10
« Moteur » des déplacements
au sein du cytosol
11
Exemples de visualisation d’actine et tubuline
12
Le noyau et la division cellulaire
Membrane nucléaire
Nucléole
Chromatine
13
La membrane nucléaire :
Une barrière sélective
14
15
Phase M :
division cellulaire
Phase G2 :
croissance,
préparation de la mitose
Phase G1 :
croissance, préparation
de la réplication
Phase S :
Réplication de l’ADN
16
La mitochondrie : centrale énergétique
Crêtes
17
Quelques fonctions de la mitochondrie
• Production d’ATP et de
NADH (chaine respiratoire)
• Synthèse de stéroïdes
hormonaux
• Séquestration de Ca++
• Turn over des
neurotransmetteurs
• Participation à la mort
cellulaire programmée
(apoptose)
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Reticulum endoplasmique et appareil de Golgi
19
Principales fonctions :
• RE RUGUEUX :
Synthèse des (glyco)protéines
• RE LISSE :
Synthèse des lipides
• APPAREIL DE GOLGI :
Maturation des protéines
En lien avec :
• ENDOSOMES :
Recyclage membranes et
protéines de surface
• LYSOSOMES :
Dégradation des protéines,
lipides…
et formation des vésicules de
sécrétion
20
Lysosomes : phagocytose et autophagie
LYSOSOMES :
Vésicules riches en hydrolases,
fusionnant avec les endosomes de façon à
conduire à la digestion finale du contenu.
AUTOPHAGIE :
Processus de survie de la cellule,
consistant à détruire les organites
endommagés, de façon à permettre leur
remplacement.
21
22
Au final, que retenir avant tout
quand on « vectorise » des particules… ?
23
PLAN
1. La cellule :
•
Les connaissances minimales requises pour éviter d’en faire une boîte
noire
2. Les échanges cellule / milieu extérieur :
•
Comment les molécules traversent elles les membranes ?
•
Comment des particules traversent elles des membranes ?
3. De la cellule à la barrière tissulaire :
•
Comment des cellules s’associent elles pour devenir un tissu ?
4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus :
•
Toxicité et cytotoxicité
•
Intensité et réversibilité des effets toxiques
5. Les mécanismes de défense immunitaire :
•
Comment des objets du « non soi » seront ils perçus et éliminés ?24
Passage transmembranaire des
MOLECULES
• Diffusion PASSIVE
– Dans le sens du gradient de
concentration
– Molécules non ionisées
• Diffusion FACILITEE
– Molécules hydrophiles
– Dans le sens du gradient de
concentration
• Transport ACTIF
canaux
– Contre le gradient de
concentration
– Consomme de l’énergie
25
Passage transmembranaire des
MOLECULES
• Diffusion PASSIVE
– Dans le sens du gradient de
concentration
– Molécules non ionisées
• Diffusion FACILITEE
– Molécules hydrophiles
– Dans le sens du gradient de
concentration
ATPase
• Transport ACTIF
– Contre le gradient de
concentration
pompes
– Consomme de l’énergie
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Passage transmembranaire des
MOLECULES
• Diffusion PASSIVE
– Dans le sens du gradient de
concentration
– Molécules non ionisées
• Diffusion FACILITEE
– Molécules hydrophiles
– Dans le sens du gradient de
concentration
• Transport ACTIF
– Contre le gradient de
concentration
Transporteurs
(symport / antiport)
– Consomme de l’énergie
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EXEMPLE 1 : Pompe Na/K
Maintien d’une différence de potentiel membranaire (- 70 mV)
28
EXEMPLE 2 : ATPase vacuolaire
Acidification des endosomes
29
Passage transmembranaire des
PARTICULES
• EXOCYTOSE
– Phénomènes sécrétoires
– Bourgeonnement viral
– …
• ENDOCYTOSE
– Caveolae
– Puits recouverts
– Phagocytose …
• Fusion / fission de vésicules
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Vésicules : fusionnent pour conduire à l’ENDOSOME PRECOCE, de forme irrégulière.
… qui se transforme en ENDOSOME TARDIF (ou corps multivésiculaire),
… qui se transforme ensuite en LYSOSOME SECONDAIRE,
… et enfin en CORPS RESIDUEL !
31
32
EXEMPLE de puits tapissés de clathrines :
Endocytose de LDL
médiée par récepteur
Le récepteur sera ensuite
dissocié de son ligand,
puis recyclé à la membrane
(jusqu’à 100 navettes)
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EXEMPLE de phagocytose :
34
La phagocytose peut concerner
des objets de très grande taille relative par rapport aux cellules
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Qu’en est il de la pénétration des VIRUS ?
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Pénétration intracellulaire
de l’adenovirus
37
Cycle de réplication viral :
le virus échappe à l’acidification de l’endosome….
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Cas des retrovirus :
ex de HIV, du virus de la grippe…
Virus « enveloppé » :
Capside entourée d’une membrane
39
PLAN
1. La cellule :
•
Les connaissances minimales requises pour éviter d’en faire une boîte
noire
2. Les échanges cellule / milieu extérieur :
•
Comment les molécules traversent elles les membranes ?
•
Comment des particules traversent elles des membranes ?
3. De la cellule à la barrière tissulaire :
•
Comment des cellules s’associent elles pour devenir un tissu ?
4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus :
•
Toxicité et cytotoxicité
•
Intensité et réversibilité des effets toxiques
5. Les mécanismes de défense immunitaire :
•
Comment des objets du « non soi » seront ils perçus et éliminés ?40
Les différents types de jonctions entre cellules
• Jonctions
IMPERMEABLES :
jonctions serrées • Jonctions d’ANCRAGE :
desmosomes • Jonctions
COMMUNICANATES :
gap jonctions 41
Exemple de la cellule épithéliale intestinale
42
Quelques molécules
de jonction intercellulaire
• OCCLUDINE
• CADHERINE
• CONNEXINE
43
Quelques molécules
d’adhésion à la matrice extracellulaire
•
COLLAGENE, ELASTINE
•
Lame basale :
LAMININE, FIBRONECTINE, …
•
INTEGRINES
Quand les cellules adhérentes se détachent de leur matrice extracellulaire,
elles meurent par apoptose … mais les cellules transformées métastasent
44
PLAN
1. La cellule :
•
Les connaissances minimales requises pour éviter d’en faire une boîte
noire
2. Les échanges cellule / milieu extérieur :
•
Comment les molécules traversent elles les membranes ?
•
Comment des particules traversent elles des membranes ?
3. De la cellule à la barrière tissulaire :
•
Comment des cellules s’associent elles pour devenir un tissu ?
4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus :
•
Toxicité et cytotoxicité
•
Intensité et réversibilité des effets toxiques
5. Les mécanismes de défense immunitaire :
•
Comment des objets du « non soi » seront ils perçus et éliminés ?45
Nécrose,
apoptose, … ?
APOPTOSE
•
Les cellules en apoptose vont
tout d’abord s'isoler des autres
cellules.
•
Puis noyau et cytoplasme vont
subir une importante
condensation ( significative du
volume cellulaire).
•
La membrane plasmique va
ensuite bourgeonner et
conduire à la formation de corps
apoptotiques qui seront enfin
phagocytés (reconnaissance
grâce à l ’inversion de
localisation de la PS).
46
NECROSE
•
Mort cellulaire accidentelle qui
survient lors d'un dommage
tissulaire.
•
Les cellules enflent, la
membrane cellulaire éclate,
déversant le contenu cellulaire
dans le tissu environnant, ce qui
provoque une inflammation
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Apoptose, ou mort cellulaire programmée,
ou suicide cellulaire … :
A aucun moment il n’y a relarguage
du contenu cytoplasmique :
aucune inflammation.
Mécanismes biochimiques
une voie commune passant par la mitochondrie,
la protéine Bcl-2 et les caspases.
Les principaux mécanismes déclencheurs :
• stress : hypo-oxygénation, par exemple,
• traitement par cytotoxiques ou corticoïdes,
• atteinte du DNA,
• transmission d’un signal de mort
(récepteur Fas des lymphocytes cytotoxiques,
des natural killer, du facteur de nécrose TNFa ),
• privation de facteurs de croissance,
48
Lien entre apoptose et
cancérisation ?
Des mécanismes biochimiques
de réparation existent dans la cellule.
L’apoptose est induite quand ils sont déficients.
La cancérisation apparaît
quand la cellule mutée non réparée
continue à se multiplier,
sans contrôle...
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Cytotoxicité et toxicité : quelle différence ?
CYTOTOXICITE
TOXICITE
•
Est évaluée in vitro
•
Est évaluée in vivo
•
Est mesurée comme :
•
Son importance dépend :
– de la voie d’administration,
– de l’intensité de l’effet toxique,
– et de sa réversibilité
– l’aptitude à inhiber la
croissance des cellules versus
témoin,
– ou comme l’aptitude à tuer des
cellules versus témoin.
•
Les mécanismes sont divers
•
Doit être analysée au regard :
– de l’application (thérapeutique ou
diagnostique)
– de la durée du traitement
– du rapport bénéfice / risque
50
PLAN
1. La cellule :
•
Les connaissances minimales requises pour éviter d’en faire une boîte
noire
2. Les échanges cellule / milieu extérieur :
•
Comment les molécules traversent elles les membranes ?
•
Comment des particules traversent elles des membranes ?
3. De la cellule à la barrière tissulaire :
•
Comment des cellules s’associent elles pour devenir un tissu ?
4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus :
•
Toxicité et cytotoxicité
•
Intensité et réversibilité des effets toxiques
5. Les mécanismes de défense immunitaire :
•
Comment des objets du « non soi » seront ils perçus et éliminés ?51
Les différentes voies de
l ’immunité
•
La défense immediate
(macrophages)
•
La réponse humorale (via
production d’Ac par lymphocytes B)
•
La réponse cellulaire (via
lymphocytes T cytotoxiques)
52
53
Comment l’immunité entre-t-elle en jeu
dans le cancer ?
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