Tolérance Immunitaire : mécanismes et pathologies dues à un défaut de tolérance V. Verhasselt, MD, PhD, Directrice EA 6203 Tolerance Immunitaire, Archet.

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1 Tolérance Immunitaire : mécanismes et pathologies dues à un défaut de tolérance V. Verhasselt, MD, PhD, Directrice EA 6203 Tolerance Immunitaire, Archet I verhasselt@unice.fr

2 Immune system Éliminer des agents pathogènes Éliminer des tumeurs (soi modifié) Accepter des antigènes de l’environnement inoffensifs Tolérance immunité Accepter des antigènes du soi

3 Immune Tolerance Auto-immune disease Allergic diseaseGut inflammatory disease

4 Primary prevention REGULATORY lymphocyte Immature thymocyte How is immune tolerance induced? And maintained?

5 Therapeutic How to restore tolerance? REGULATORY lymphocyte Th2 EFFECTOR lymphocyte

6 The mechanisms of Tolerance Central Tolerance NAIVE Lymphocytes TCR bind MHC Low self-reactivity Natural REGULATORY lymphocyte 5-10%

7 Comment sont générés des lymphocytes T capables de s’activer préférentiellement à l’encontre d’ antigènes « étrangers » potentiellement dangereux ? 2 étapes: la sélection thymique : Lymphocytes restreints par le complexe majeur d’histocompatibilité effecteurs dirigés contres des antigènes étrangers régulateurs dirigés contre des antigènes du soi les mécanismes de tolérance périphérique

8 I. La sélection thymique TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT Le réarrangement des gènes du récepteur des lymphocyte T (TCR) peut générer environ 10 15 récepteur différents TCR incapables de reconnaître les molécules MHC TCR réagissant avec haute affinité pour le soi TCR capables de reconnaître les complexes molécules MHC et antigènes du soi avec faible affinité TTT Moelle osseuse Thymocyte immature Lymphocyte T mature

9 MHC B haplotype APC 1)La sélection positive MHC A haplotype T CELL MHC A haplotype APC apoptose Les lymphocytes T sont sélectionnés positivement par leur capacité d’interagir avec les molécules MHC, les autres meurent par apoptose

10 Les lymphocytes T sont sélectionnés négativement par leur capacité d’interagir avec les molécules du soi: ceux qui interagissent avec trop forte affinité sont éliminés par apoptose; exception: des lymphocytes T avec affinité pour le soi ne seront pas éliminés et se différencient en lymphocytes régulateurs (lymphocytes exprimant le facteur de transcription FOX P3) 2) La sélection négative

11 Nature Immunology,November 2001 Cortex Medulla Cortical epithelial cell Medullary epithelial cell Dendritic cell Thymocyte Macrophage

12 Aire (autoimmune regulator) is involved in many different steps of transcription in order to foster ectopic gene expression in medullary epithelial cells (MECs) and peripheral epithelial cells. Mutations in human AIRE result in a rare multiorgan autoimmune disease, autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy (APECED). Mice lacking Aire develop a similar syndrome and MECs from these mice exhibit a decrease in promiscuous gene expression Cell 2010

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14 Pathologies immunitaires liées à un défaut thymique syndrome de Di Georges Délétion d’une bande du chromosome 22 Hypoplasie ou aplasie thymique (infections ORL, pulmonaore, faibel réponse T aux mitogènes), malformations cardiaques, hypoparathyroidie) Alopécie et absence de thymus Mutation du gène facteur de transcription Foxn1 impliqué dans le développement des cellules épithéliales thymiques et de la peau; chez l’homme et la souris APECED syndrome : autoimmune polyendocrinopathy candidiasis ectodermal dystrophy Mutation du gène codant pour Aire (auto-immune regulator): contrôle l’expression d’antigène du soi par les cellules épithéliales thymiques (et périphériques) (chronic mucocutaneous candidiasis, hypoparathyroidism and autoimmune chronic adrenocortical insufficiency)

15 Les lymphocytes au sortir du thymus: pourront réagir avec des antigènes exogènes associés au molécules MHC et se différencier en cellules effectrices (mais ne peuvent distinguer antigènes exogènes dangereux ou non) certains (5 à 10%) pourront réguler les réponses contre le soi Ont une faible affinité pour le soi et dans certaines conditions peuvent réagir contre le soi

16 Les lymphocytes T regulateurs naturels CD25pos FOXP3 pos

17 J. Immunol 1995

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19 Induction of autoimmune disease in BALB/c athymic nu/nu mice by inoculating nu/+ T cell suspensions free of CD25+ cells

20 JEM 1996

21 IPEX : Immunodysregulation, polyendocrinopathy and enteropathy, X- linked syndrome (syndrome scurfy chez la souris) mutation du gène FOXP3: défaut dans la génération des Tregs overproliferation of activated CD4 T cells and massive T cell infiltration of the gut and skin, autoantibodies, T1D and thyroiditis, allergy… Recent efforts to identify the genetic defect in IPEX/XLAAD patients or scurfy mice have revealed mutations in a common gene, Foxp3, which encodes a forkhead-winged–helix transcription factor designated Scurfin (17–20). Immunological similarities between the autoimmunity and inflammation produced by manipulating CD25CD4 TR cells and those induced by genetic defects in Foxp3 prompted us to investigate the possible contribution of Foxp3 to the development or function of regulatory T cells.

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23 Nat Immunol 2003

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25 II. La Tolérance périphérique

26 Comment se fait l’induction des réponses immunes spécifiques?

27 Naive T cell Clonal T cell expansion Co-signal Comment se fait l’induction des réponses immunes spécifiques? Co-factor Th1 Th2 Th17 Treg (Tr1, Th3, FOXP3 + ) Type d’APC, dose d’antigène, voie d’administration de l’antigène, Microrganismes, signaux inflammatoires, …

28 Conséquences de l’interaction APC-lymphocyte T Induction de lymphocytes régulateurs cofacteur Naive T cell FOXP3 + Treg Tr1 Th3 TGF- , Vit A IL-10 TGF-  faible dose d’antigène

29 Allam, JACI 2008, Allergy 2011 Mascarell, JACI 2008; Mucosal immunol 2011 Tolerance is induced upon oral administration of an antigen Gut associated lymphoid Tissue (GALT)

30 Systemic tolerance Local tolerance

31 Regulatory T lymphocytes FOX P3, Tr1, Th3 Microbiota Bacteroides fragilis, Clostridium species, Maynard et al, Nature 2012 Diet Vit A, Vit D, Fibers,  -3 fatty acids, … Kau et al, Nature 2011 Epithelium - « barrier » : antigen transfer - Immunologically active (TSLP, TGF-beta, Retinoic acid,…) Rescigno cc Mesenteric Lymph node Mowat NRI 2004

32 CD103 pos CD11c pos DC expressing RALDH in MLN are specialized for oral tolerance induction Agace 2012

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34 Induction de tolérance orale chez l’homme? Oui l’administration orale de KLH diminue les réponses T, mais pas les réponses B Essais thérapeutiques dans les maladies auto-immunes: sclérose en plaque, arthrite rhumatoide, Diabète de type 1: Peu concluants… (dose, timing, aut-antigènes?...) Essais thérapeutiques dans les allergies : administration sublinguale d’allergène permet de protéger ou de diminuer le seuil d’induction de réactions allergiques

35 Autres modes d’induction de Tregs chez l’homme? Administration d’anticorps anti-CD3 dans le traitement du Diabete de type 1 récemment diagnostiqué: Semble permettre de préserver la fonction de cellules beta du pancréas: c- petide plus élevé, moindre doses d’insuline nécessaire par rapport aux contrôles Comment? À court terme: induction d’anergie et/ou d’apoptose des Lymphocytes T pathogéniques A long terme : induction de lymphocytes T regulateurs FOXP3+ Chatenoud NRI 2007

36 Maladies dues à un défaut de tolérance immunitaire Les allergies

37 Induction of oral tolerance in early life to prevent allergic disease Allergic asthma in brief Lung disease characterized clinically by acute episodes of breathless affects 300 10 6 people; 100 10 6 more expected in 2025 Chronic disease; no curative treatment Genetics and environmental factors are causal Immune mediated disease

38 Regulatory immune response healthy Th2 immune response atopic Allergic Asthma : a Th2 immune mediated disease

39 JEM 2004

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41 JEM 2008

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44 Regulatory immune response healthy Th2 immune response atopic Allergic Asthma : a Th2 immune mediated disease

45 Why do only some people become allergic? Why are only some antigens allergens ? Why do only some people become allergic? Why are only some antigens allergens ?

46 Why do only some people become allergic? Umetsu Nature Immunol 2002

47 Vercelli NRI 2008

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49 Why are only some antigens allergens ? Wills-Karp MI 2010

50 House dust mite antigens

51 Regulatory immune response healthy Th2 immune response atopic Allergic Asthma : a Th2 immune mediated disease

52 Acute bronchospasm Late respiratory difficultyChronic disease Mast cell degranulationLung inflammation Lung remodeling What are the consequences of Th2 immune repsonses to aero-allergens?

53 Bases immunologiques des réactions allergiques 1. Phase de sensibilisation exposition à l ’allergène synthèse d ’IgE anti-allergène liaison des IgE spécifiques aux mastocytes Un individu prédisposé génétiquement, dit atopique, rencontre pour la première fois son allergène: activation du système immunitaire et génération de lymphocyte Th2 mémoires et d’IgE anti-allergène. Asymptomatique

54 Réexposition à l’allergène Liaison de l’allergène aux IgE et dégranulation du mastocyte Toxic coumpounds bronchospasme oedeme Bases immunologiques des réactions allergiques 2. Maladie: en deux temps 1°Réaction immédiate

55 Conséquences de l’activation du mastocyte Libération de médiateurs préformés Histamine: via les récepteur H1: contraction des muscles lisses, augmentation de la perméabilité vasculaire, augmentation des sécrétions muqueuses anti-histaminique H1 (Zyrtec): effet essentiellement dans la rhinite allergique et le prurit. Peu d’effet sur la bronchoconstriction car autres médiateurs plus puissants impliqués (recepteur histaminique H2: sécrétion acide de l’estomac) Protéases:dommage tissulaire TNF-  : pro-inflammatoire

56 Des médiateurs lipidiques, leucotriènes (LT) et prostaglandines (PG) sont synthétisés suite à l’activation des mastocytes: L’activation du mastocyte entraîne la translocation de la phospholipase A2 (PLA2) vers le réticulum endoplasmique et la membrane nucléaire. La PLA2 génère de l’acide arachidonique à partir des phospholipides membranaires. Les LT sont générés grâce à la lipooxygénase (5-LO ) et les PG grâce à la cyclooxygénase (COX) Cysteinyl leucotriène LTC4, LTD4, LTE4 Libération de médiateurs néoformés: eicosanoides Conséquences de l’activation du mastocyte Present in myeloid cellsIn other cell than mastocytes, COX generate PGE2, PGF2, PGI2,Thromboxane A2,

57 Th2 cell recruitment LTC4, LTD4, LTE4 bronchoconstriction Actions des médiateurs lipidiques libérés par les mastocytes activés: Bronchoconstriction, inflammation, mucus, oedème

58 cytokines: chimiokines: Il-8, MIP-1 , MIP-1  recrutement de leucocytes IL-5: différenciation, activation des éosinophiles IL-4: différenciation des Th2, lymphocytes B:commutation isotypique synthèse d ’IgE Libération de médiateurs néoformés (suite) Conséquences de l’activation du mastocyte

59 Inflammation des voies aériennes Syndrome obstructif Hyperreactivité bronchique Bases immunologiques des réactions allergiques 2. Maladie: en deux temps 2° Réaction tardive Poumon normal

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61 Phase de sensibilisation: les cellules présentrices d’antigène captent l’allergène et induisent la différentiation de lymphocytes Th2 chez le sujet atopique et la production d’IgE qui se lie aux mastocytes Lors d’une rencontre ultérieure de l’allergène, le sujet sensibilisé va présenter une réponse immédiate liée à la liberation de médiateurs par les mastocytes. La libération de ces médiateurs va égalemnt entrâiner le recrutement d’autres cellules inflammatoires (eo) et de lymphocytes Th2 mémoires spécifiques de l’allergène. Ces lymphocytes réactivés par les APC orchestrent la réponse inflammatoire plus tardive.

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63 Allergic asthma treatment

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65 La désensibilisation (allergen specific immunotherapy, SIT) Administration répétée de petites doses d’un allergène par voie sous cutanée ou sublinguale; dose croissante administrée, durant plusieurs mois Premier essai empirique en 1911…injection sous cutanée de pollens en vue de générer des réponses « anti-toxine de pollen »… Effets secondaires: réactions allergiques locales voire systémique (0.1 à 5%) modification des allergène utilisés: antigènes recombinants, peptides contenant les épitopes T, couplé à des adjuvants,… Indiqué surtout chez les patients monosensibilisés mais prévient de nouvelles sensibilisations!...

66 Allergic asthma prevention

67 Allergic Asthma affects 300 10 6 people and prevalence is increasing

68 Asthma prevention should occur in very early life

69 Bach, NEJM 2002 (2000). 347: 911-920 The Hygiene Hypothesis Strachan 1989 The Hygiene Hypothesis Strachan 1989

70 Von Mutius, E Living in a farm Some conditions associated with lower incidence of asthma Large familypoorly urbanized country Because of higher microbial exposure? Strachan 1989Masoli, 2004

71 Use of probiotics ? Rationale Gut houses 10 14 bacteria Some bacteria favor tolerogenic immune reponses Gut microbiota is necessary for optimal oral tolerance induction in mice

72 Probiotics: the evidence so far… Osborn & Sinn Evid Based Child Health 2007;2:541 Concluded:  Only effect was on eczema  Benefit limited to Lactobacillus rhamnosus strain  No effect on sensitisation or any other allergic disease  Heterogeneity between studies Any allergic disease n=925 (1) Clinical food allergy n=175 (2) Food sensitization n=247 (1) Favours probiotic Favours placebo Asthma n=363 (2) Allergic rhinitis n= 188 (1) 10.1 10 0.25 0.010.02 Relative risk (95%CI) * Eczema (infants) n=1477 (5) Eczema (older children) n=107 (1) * Number of subjects Number of studies

73 Von Mutius, E Living in a farm Some conditions associated with lower incidence of asthma Large familypoorly urbanized country Because of higher microbial exposure? Because of higher allergen exposure? Because of higher microbial exposure? Because of higher allergen exposure? Strachan 1989Masoli, 2004

74 Allergen exposure? HDM exposure low medium high Risk of sensitization How allergen exposure can result in protection? Through tolerance induction? How allergen exposure can result in protection? Through tolerance induction?

75 Can we prevent allergic asthma through tolerance induction in early life? Regulatory immune response healthy Th2 immune response atopic Microbes genetics

76 ? Verhasselt et al, Nature Medicine, 2008; Mosconi et al, Mucosal immunology 2010; Verhasselt, Mucosal Immunol 2010; Verhasselt, Current Opinion Immunol 2010

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