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

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

Historique de la découverte de la tolérance immunitaire

La femelle de veaux jumeaux dizygotiques est stérile, pourquoi?… Des anastomoses vasculaires dans le placenta permettent le passage d’hormone male et empêche le développement normal de la femelle

Comment diagnostiquer si la femelle sera stérile? Si il y a anastomose des vaisseaux placentaires, on retrouvera des globules rouges de deux types chez le male et la femelle

Comment expliquer que des globules rouges différents persistent dans la circulation sanguine des veaux? Billingham a démontré que des greffes de peaux de jumeaux dizigotiques étaient également acceptées. Hypothèse: est ce que la période fœtale/néonatale serait une période où la tolérance est induite aux antigènes rencontrés par le système immunitaire immature? Oui dans un modèle de sourisoù en injectant in utéro des cellules d’un donneur B à une souris A, à l’age adulte, une greffe de peau est acceptée

i) The entire immunological repertoire develops spontaneously in the host (that is, there is no information furnished by antigen). (ii) Each [antibody] pattern is the specific product of a cell and that product is presented on the cell surface (as an Ehrlich- type receptor). (iii) Antigen reacts with any cells carrying its specific receptor to signal cell proliferation and differentiation. (iv) Some of these daughter cells differentiate (become plasmacytoid) to form clones of antibodies, whereas others survive as clones of [undifferentiated] memory cells. Sir Frank Macfarlane Burnet,1957 Burnet: Théorie de la sélection clonale If a repertoire is generated randomly and somatically, why are destructive autoantibodies not formed against native antigens to engender immediate autoimmune disease? Subhypothesis: Burnet assumed a special susceptibility of immature cells in utero, such that any antigen then present would abort that clonal precursor.

Mécanismes établis de la tolérance immunitaire

Comment se fait l’induction des réponses immunes spécifiques?

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, …

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

I. La sélection thymique TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT Le réarrangement des gènes du récepteur des lymphocyte T (TCR) peut générer environ 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

Le récepteur T (TcR) reconnaît à la fois le peptide antigénique et la molécule MHC du soi On t dit que les molecules MHC restreignent l’activation T La restriction MHC

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

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

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

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

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)

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

Les lymphocytes T regulateurs naturels CD25pos FOXP3 pos

J. Immunol 1995

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

Prevention of autoimmune disease in nulnu mice by restoring normal T cells, especially CD4+ CD25+ cells

Elimination of CD25+ T cells enhances immune responses to non-self Ags

JEM 1996

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.

Nat Immunol 2003

II. La Tolérance périphérique

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, …

Délétion Conséquences de l’interaction APC-lymphocyte T État de non-réponse (anergie) Activation T et différenciation CD80/CD86 Ignorance FAS L FAS Signaux inflammatoires Haute dose d’antigène

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

Pathologies liées à un défaut de lymphocytes régulateurs ALPS: Autoimmune lymphoproliferative syndrome: mutation dans les gènes codant pour des molécules inductrice de mort cellulaire (FAS ou FASL)

Mécanismes de régulation par les cellules régulatrices? IL-10, TGF-  IL-10, TGF-  IL-2 déprivation Treg

ALPS: Autoimmune lymphoproliferative syndrome: mutation dans les gènes codant pour des molécules inductrice de mort cellulaire (FAS ou FASL)

Un site particulier d’induction de tolérance périphérique: les muqueuses OVA + adjuvant Réponses effectrices T et B anti -OVA

Réponses régulatrices anti - OVA Un site particulier d’induction de tolérance périphérique: les muqueuses Administration orale (intra nasale, respiratoire, vaginale) d’un antigène (OVA) OVA + adjuvant

Oral tolerance originates in the intestinal immune system and relies on antigen carriage by dendritic cells T im Worbs 1, Ulrike Bode 2, Sheng Yan 3, Matthias W. Hoffmann 3, Gabriele Hintzen 1, Günter Bernhardt 1, Reinhold Förster 1, and Oliver Pabst 1 JEM march 2006

Subepithelial dome Thymus dependent area Follicular associated epithelium Mowat et al 2003

CCR9 + /  4  7 + CCL25 MadCam-1

?: where/ how is oral tolerance induced: Peyer Patches? MLN? Role of DC/ M cells/ free antigen/ epithelial cells… As oral tolerance leads to systemic tolerance, is the orally administered Antigen presented in all the peripheral lymph nodes or lymphocytes were primed in the intestinal immune system and subsequently migrated to peripheral lymph nodes?

OVA orally CFSE DO11.10 lympho FTY720: Interferes with sphingosine-1- phosphate receptor signaling: involved in lymphocyte emigration from LN to efferent lymph (Nature 2004)

OVA orally CFSE DO11.10 lympho FTY720: Interferes with sphingosine-1- phosphate receptor signaling: involved in lymphocyte emigration from LN to efferent lymph (Nature 2004) and PP (not shown)

Quels sont les facteurs nécessaires à l’induction de tolérance orale? DC: CD103+, Acide rétinoique,… Flore microbienne « tolérogène » TGF, IL-10

Induction de Tolérance orale dans des modèles animaux de maladies dys-immunitaire

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

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

Autres modes d’induction de Tregs chez l’homme? Roncarolo, NRI 2007

Maladies dues à un défaut de tolérance immunitaire Les allergies Les maladies auto-immunes

L’allergie

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 people; more expected in 2025 Chronic disease; no curative treatment Genetics and environmental factors are causal Immune mediated disease

Allergic Asthma affects people and prevalence is increasing

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

Umetsu, nature Immunol. 2002

Acute bronchospasm Late respiratory difficultyChronic disease Mast cell degranulationLung inflammation Lung remodeling Allergic Asthma : a chronic lung inflammatory disease

Asthma prevention should occur in very early life and should be associated with regulatory immune response induction Asthma prevention should occur in very early life and should be associated with regulatory immune response induction Regulatory immune response

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

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

Syndrome obstructif Hyperreactivité bronchique Poumon normal Inflammation des voies aériennes

Devereux Nature Reviews Immunology 6, 869–874 (November 2006) | doi: /nri1958 B cell allergène

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!...

La désensibilisation (allergen specific immunotherapy, SIT)

Les maladies auto-immunes

Molécules HLA: détermine la capacité de lier des peptides importance pour la sélection thymique importance pour l’activation T périphérique Facteurs génétiques

facteurs impliqués dans la régulation de la mort cellulaire mutation de gènes codant pour des molécules impliquées dans la mort cellulaire (FAS, FASL) associées au développement de syndrome immunoprolifératif autoimmuns facteurs impliqués dans la disponibilité des autoantigènes défaut de facteur du complément C1q ou C4 associé au développement de lupus érythémateux disséminé: probablement lié au défaut d ’élimination des cellules mortes (+ accumulation des complexes immuns) Autres facteurs génétiques Facteurs impliqués dans le génération des Treg IPEX, APECED

Facteurs liés au sexe

Facteurs liés à l’environnement Inhomogénéité dans la prévalence des maladies autoimmunes ex: gradient Nord-Sud pour la SEP et le diabète de type I; zone endémique au Brésil pour le pemphigus Incidence croissante les 40 dernières années BACH, 2002 NEJM Bach NEJM 2002

Les infections, causes de maladies auto-immunes? Gastro-entérite à Campylobacter jejuni: polyradiculonévrite aiguë - syndrome de Guillain-Barré Angine à streptocoques: rhumatisme articulaire aigu Maladie de Lyme ( Borrelia burgdorferi ): polyarthrite

1.Mimétisme moléculaire ( molecular mimicry ) Mimétisme du LPS du campylobacter avec des ganglioside neuronaux: anticorps anti-LPS peuvent induire des atteintes neuronales Mimétisme antigène streptocoque et myosine 2. Activation de voisinage ( bystander activation ) - des cellules présentatrices d’Ag (maturation des DC) - des lymphocytes T/B 3. Libération d’antigènes du soi ignorés ( cryptic antigens ) 4.Extension de la réponse autoimmune à d’autres antigènes du soi ( epitope spreading ) Les infections, causes de maladies auto-immunes Mécanismes?

Induction de tolérance comme traitement des maladies auto-immunes? Anti-CD3 Tolérance orale Tregs antigènes spécifiques … ?