Mécanisme de l'inflammation au cours des Maladies Inflammatoires Chroniques de l’Intestin (MICI) CHU ROUEN DES AVRIL 2016

II) Activation anormale du système immunitaire PLAN I) Stimulation anormale des cellules résidentes dans la muqueuse intestinale et inhibition de l'apoptose a) Activation des voies de transduction b) Production de médiateurs inflammatoires c) Surexpression de molécules d'adhésions d) Inhibition de l’apoptose II) Activation anormale du système immunitaire a) Rupture de la tolérance vis-à-vis de sa propre flore intestinale b) Augmentation de la perméabilité de la barrière intestinale c) Anomalies fonctionnelles des cellules epithéliales/cellules de Paneth d) Anomalies des lymphocytes T III) Application thérapeutique

Facteurs déclenchants 3 principaux phyla bactériens : FIRMICUTES BACTEROIDETES ACTINOBACTERIES -Tabac (seul FdR universellement reconnu) -Alimentation -Hygiène domestique -Utilisation d'antibiotiques Microbiote Environnement Genes Très nombreux Mal connus Déterminent une propension à développer la maladie C'est l'association de plusieurs facteurs qui fait que l'on va développer la maladie Développement de la maladie -Mutation gène NOD2 (FdR le plus fort) -Très grand nombre de gènes impliqués dans la susceptibilité aux MICI (IL23R, JAK2, STAT3, P40…)

I-Stimulation anormale des cellules résidentes dans la muqueuse intestinale et inhibition de l’apoptose

a) Activation des voies de la transduction Facteur de stress = agent pathogène Cellule épithéliale intestinale (pôle apical) IkB + - MAP Kinases NFkB + P38 ERK JNK Translocation Facteur de stress =agents infectieux (bactéries, virus, levures, champignons...) au pôle apical ou cytokines inflammatoires au pole basal des cellules intestinales, Se fixent sur cellule via récepteur spécifique À partir de là : - inhibition de IkB, ce qui permet activation voie NfkB (k = kappa) NfkB activé donc translocation, passage dans le noyau et fixation sur ADN → entraine production de cytokines -Activation voie MAP kinases, les principales = p38, ERK, JNK, idem translocation et se fixent sur ADN → activation des gènes de la RI P38 ERK JNK NFkB ADN Pôle basal Production de cytokines inflammatoires Chimiokines, molécules d'adhésions... Activation gènes de réaction inflammatoire Cytokine inflammatoire (TNF α) et son récepteur

b) Différents types de cytokines Inflammatoires Non-inflammatoires Immunorégulatrices Chimiokines il-1, il-6, il-8, TNFα il-1RA, il-10, TGFβ Type 1 (il-2, IFNγ) Type 2 (il-4, il-5, il-13) CXC chimiokines CC chimiokines 4 types de cytokines Les plus importantes dans MICI = inflammatoires dont le TNF alpha. Déséquilibre dans MICI, inflammatoires augmentées et non-inflam diminuées -Gèrent localement l'intensité et la durée de la réaction inflammatoire -Effets systémiques : diminution de la synthèse d'albumine et augmentation de la synthèse des protéines inflammatoires Gèrent susceptibilité/résistances aux agents infectieux, les mécanismes allergiques, la régulation des cytokines Inflammatoires.

Principaux rôles du TNF alpha Production de cytokines pro-inflammatoires Lymphocytes T : favorise leur prolifération Cellules endothéliales : augmentation de la diapédèse Lymphocytes B : Production d’anticorps Le TNF alpha est une cytokine essentielle dans la production et l’entretien de l’inflammation, Possède de nombreux rôles, ici ne sont présentés que les actions agissant sur le mécanisme de l’inflammation

C) Surexpression des molécules d’adhésion Vaisseau sanguin Flux sanguin Intégrine α4β7 Leucocytes LFA-1 MadCAM-1 Diapédèse ICAM-1 Présence de leucocytes circulant physiologiquement dans le sang qui roulent le long de la paroi épithéliale puis finissent par se fixer si présence de molécules d’adhésion. Ils expriment des intégrines comme LFA1 et α4β7 Cellules endothéliales sur-expriment ICAM1 et MadCAM-1 (à cause de la surproduction de cytokines inflammatoires) donc fixation +++ des leucocytes Traversent la barrière épithéliale (= diapédèse) et rejoignent le site de l'inflammation et l'entretiennent. Expression régulée par les cytokines Site de l’inflammation

d) Inhibition du mécanisme d'apoptose Apoptose = mort cellulaire programmée. Processus actif qui requiert de l'énergie : 1) réduction volume cellulaire 2) condensation nucléaire 3) fragmentation de l'ADN → Elimine rapidement les cellules en cours de destruction, protège les tissus environnants de l'inflammation produite par les enzymes protéolytiques cytoplasmiques (différent de la nécrose) Inhibition apoptose = 2 conséquences 1) plus de nécrose (=relargage du contenu cellulaire de la cellule en lyse dans l'organisme au lieu d'être phagocyté dans l'apoptose) donc inflammation 2) augmentation survie des cellules (car pas d'apoptose pour les détruire) donc chronicité de l'inflammation Inhibition = -↑ survie des cellules pro-inflammatoires et donc : chronicité de l'inflammation -↑ processus de nécrose et donc persistance inflammation

II - Activation anormale du système immunitaire

« Adherent-Invasive E.coli » (AIEC) a) Rupture de la tolérance de la barrière intestinale secondaire à la dysbiose Actinobacteria Bacteroidetes Firmicutes Proteobacteria « Adherent-Invasive E.coli » (AIEC) Ileal Crohn’s disease Dysbiose = augmentation des bactéries délétères (bacteroidetes et proteobacteria) et diminution des bactéries protectrices (firmicutes dont F. Prausnitzii) donc augmentation des agressions de la barrière intestinale Donc augmentation des réactions inflammatoires au niveau local, la paroi s'épuise et rupture de la tolérance + augmentation de la perméabilité aux agents pathogènes Tableau : montre la diminution de la diversité microbienne par rapport à un sujet sain (H) comparé à un sujet atteint d’un Crohn prédominant au niveau iléal (ICD) ou au niveau colique (CCD) ou d’une RCH (UC). Faecalibacterium prausnitzii Darfeuille-Michaud et al., 1998 Willing et al. Gastroenterology 2010 Morgan, Tickle, Sokol et al. Genome Biology 2012 Sokol et al. Inflamm Bowel Dis 2009

Dysbiose dans les MICI La flore bactérienne agit sur l’inflammation et la perméabilité intestinale Lumière Paroi intestinale Dysbiose = augmentation des bactéries délétères et diminution des bactéries protectrices donc augmentation des agressions de la barrière intestinale Donc augmentation des réactions inflammatoires au niveau local, la paroi s'épuise et rupture de la tolérance + augmentation de la perméabilité aux agents pathogènes ↑ RI au niveau local, rupture de la tolérance, ↑ perméabilité paroi intestinale ↑ Bactéries délétères (E, Coli entéro-adhérent et invasif (AIEC), Bacteroidetes) ↓ Bactéries protectrices (F. Prausnitzii)

b) Augmentation de la perméabilité de la barrière intestinale Les agressions permanentes de la barrière intestinale entraîne une augmentation de sa perméabilité aux agents pathogènes : Les jonctions serrées qui unissent les cellules entre elles s'espacent et la paroi devient perméable, Les agents pathogènes passent dans l'organisme et entraînent une inflammation

c) Anomalies fonctionnelles des cellules épithéliales Sujet sain Agents pathogènes (virus, bactéries, levures) Mucus (fait de mucines) Sujet atteint de MICI Chez le sujet sain : les cellules intestinales produisent du mucus qui fait une couche protectrice contre les agents pathogènes Chez sujet malade : anomalie de production de ce mucus par les cellules épithéliales donc agression plus importantes des cellules (rupture des jonctions serrées et passage dans l'organisme des agents pathogènes) → inflammation Anomalie de production du mucus Activation des Cellules immunitaires muqueuses

c) Anomalies fonctionnelles des cellules de Paneth Produisent peptides antimicrobiens : - α défensines dans le grêle - β défensines ubiquitaires Expriment NOD2. Rôle = détection et destruction des bactéries intra-cellulaires. Gène NOD2 Chromosome 16 Cellules de paneth = cellules au fond des cryptes instestinales -Produisent : peptides antimicrobiens (= défensines) qui agissent à distance contre BGN et BGP notamment, -Produisent NOD2 (aussi appelée CARD15) NOD2 = protéines produites par le gène NOD2 sur le chromosome 16 → muté dans Crohn Rôle NOD2 = détection et destruction bactéries qui ont réussi à passer dans la cellule (= intra-cellulaire) Anomalies fonctionnelles cellules de paneth entraine une augmentation des bactéries dans les cryptes et moins bonne destruction bactéries intra-cellulaires NOD2

Gène NOD2 très souvent muté dans la maladie de Crohn → anomalies quantitatives et qualitatives des cellules de Paneth Tableau C montre la production de défensines du sujet sain vs sujet atteint de Crohn. Taux de défensines = axe vertical HD5 = alpha défensine 5 (un sous type de défensine) Tableau D montre la production de défensines selon la mutation NOD2 L’expression de défensines est effondrée en cas de maladie de Crohn et encore davantage en cas de mutation NOD2 Wehkamp et al. PNAS, Dec 2005

Anomalies fonctionnelles des cellules épithéliales/de Paneth PAMP TLR Composants bactériens et viraux intracellulaires + MAP Kinases + NFkB NOD2 NOD1 Cellule de Paneth = cellule de forme pyramidale sécrétrice exocrine à action antimicrobienne. PAMP = une molécule portée par les agents pathogènes Lorsque les agents pathogènes ont réussi à passer la barrière de mucus et les peptides anti-microbiens, ils sont reconnus par le récepteur TLR de la cellule intestinale via leur PAMP Là, déclenchement d'une réaction immune avec activation de la voie NfkB et des MAP kinases donc production de cytokines pro-inflammatoires et induction de gènes antimicrobiens TLR = rôle d'alerter la cellule de présence d'agents microbiens, son expression = perturbée dans les MICI donc réaction immune inadaptée NOD 1 et 2 : similaires à TLR mais au niveau intra-cytoplasmique → reconnaissent composants bactériens et viraux intracellulaires PAMP = pathogen-associated molecular pattern TLR = toll-like receptor Les cellules expriment des PRR (pattern recognition receptors) et TLR = un type de PPR MAP Kinases NFkB Cytokines pro- inflammatoires

d) Anomalie des lymphocytes T CPA Sujet sain : Bactérie LT Naïf Treg (Tr1, Th3) IL-10 TGF-β Immunosuppression des réponses immunitaires inappropriées CD8+ CD4+ Il-12 Il-23 Th17 Il-12 Il-23 Th1 Th2 Activité cytotoxique IL-17 CPA = cellules présentatrices de l'anti-gène (= monocytes, LB, cellules dendritiques) LT naïf reconnaît un anti-gène, il se spécialise en fonction de ce qu'il a reconnu Peut devenir un LTCD8 Peut devenir un LTCD4 Plusieurs types de CD4 : -Effecteur (rôle pro-inflammatoire) : -Th1 : rôle dans réaction inflammatoire (RI) et élimination des pathogènes intracellulaires (transformation sous la dépendance d’Il-12 et Il-23) -Th2 : agissent sur LB pour production d'anti-corps = réaction à distance -Th17 : recrutent PNN = réaction extra-cellulaire (pareil, transformation sous la dépendance d’Il-12 et Il-23) -Trégulateur (rôle anti-inflammatoire)  2 types : Tr1 et Th3 qui régulent la RI et empêchent les RI inappropriées de se faire IFN-γ IL-2 IL-4 Recrutent PNN : défense contre bactéries extra-cellulaires RI, élimination des pathogènes intra-cellulaires Agissent sur les LB : synthèse d'anti-corps

d) Anomalie des lymphocytes T Sujet malade : Défaut d'activation et expansion des LTreg → inflammation non contrôlée Treg (Tr1, Th3) IL-10 TGF-β Immunosuppression des réponses immunitaires inappropriées CD4+ Il-12 Il-23 Activation excessive Th17 Il-12 Il-23 Th1 Th2 IL-17 Dans les MICI : Défaut d'activation des LT régulateurs donc RI anarchiques Activation excessive des Th1 donc RI anarchique encore Dans MICI, équilibre entre les LT effecteurs et LT régulateurs est rompus IFN-γ IL-2 IL-4 Recrutent PNN : défense contre bactéries extra-cellulaires RI, élimination des pathogènes intra-cellulaires +++ Agissent sur les LB : synthèse d'anti-corps

En résumé : MICI = Cascades de mécanismes : Clara Abraham et al., New England Journal, 2009

Activation des voies de la transduction Dysbiose Activation des voies de la transduction Dysbiose entraine activation des voies de la transduction

Surexpression des molécules d’adhésions Recrutement de cellules inflammatoires dans la paroi épithéliale Activation des voies de la transduction entraine surexpression de molécules d’adhésions (via production de cytokines inflammatoires), ce qui entraine le recrutement de cellules inflammatoires dans la paroi épithéliale Surexpression des molécules d’adhésions

Anomalie de production du mucus Anomalies fonctionnelles des cellules de Paneth Anomalie de production, anomalie des cellules de paneth entraine une augmentation de la perméabilité de la barrière intestinale

Anomalie de production des lymphocytes T

IV - Application thérapeutique Médicaments classiques : -Corticoides -Aminosalicylés dont les mécanismes d’action sont mal connus (élimination des radicaux libres, inhibition de la chimiotaxie des leucocytes entre autre) -Anti-TNFα (infliximab) -Azathioprine : effet cytotoxique et antiprolifératif sur les LT -Methotrexate Nouveaux médicaments : -Vedolizumab -Ustekinumab 2 principaux champs d'action : -Immunité innée via les anti-inflammatoires (empêchent production de cytokines pro-inflammatoires entre autres) -Immunité acquise : agissent sur les lymphocytes (inhibent synthèse d’anti-corps, inhibent les PNN, effet cytotoxique sur les LT)

CORTICOIDES IkB + - MAP Kinases NFkB + P38 ERK JNK Translocation Action sur le facteur de transcription NFkB et inhibition de la production de cytokines inflammatoires. P38 ERK JNK NFkB ADN Production de cytokines inflammatoires Chimiokines, molécules d'adhésions... Activation gènes de réaction inflammatoire

INFLIXIMAB IkB + - MAP Kinases NFkB + P38 ERK JNK Translocation P38 ERK JNK NFkB ADN L'infliximab est un anticorps monoclonal chimérique IgG1 qui se fixe au TNF alpha humain, qu'il soit sous forme soluble ou membranaire et inhibe son activité : inactivation des voies de transduction et plus de production de cytokines inflammatoires et plus d’activation des gènes de réaction inflammatoire Production de cytokines inflammatoires Chimiokines, molécules d'adhésions... Activation gènes de réaction inflammatoire TNFα TNF α récepteur INFLIXIMAB

VEDOLIZUMAB Inhibition de la diapédèse VEDOLIZUMAB Vaisseau sanguin Flux sanguin Intégrine α4β7 Leucocytes LFA-1 VEDOLIZUMAB MadCAM-1 Diapédèse ICAM-1 Vedolizumab : anticorps monoclonal qui empêche la liaison entre α4β7 et MadCAM-1 donc pas de fixation lymphocytaire et pas de diapédèse Pas d’entretien de l’inflammation Site de l’inflammation Inhibition de la diapédèse

USTEKINUMAB USTEKINUMAB Il-12 Il-23 Il-12 Il-23 Interleukine 23 USTEKINUMAB Interleukine 12 P40 P19 Treg (Tr1, Th3) IL-10 TGF-β P40 P35 Immunosuppression des réponses immunitaires inappropriées CD4+ Il-12 Il-23 Th17 Il-12 Il-23 Th1 Th2 IL-17 Anti P40 (= Ustekinumab) : anticorps monoclonal qui se fixe sur la sous-unité P40 des interleukines 12 et 23 et inhibe leur fixation à leurs récepteurs sur les LT. Ces 2 interleukines permettent la production de LT CD4 Th1 et Th17 Donc s’il n’y a plus de fixation, il n’y a plus plus de production de LT CD4. IFN-γ IL-2 IL-4 Recrutent PNN : défense contre bactéries extra-cellulaires RI, élimination des pathogènes intra-cellulaires Agissent sur les LB : synthèse d'anti-corps

Conclusion : Meilleure connaissance des facteurs clefs de l'inflammation intestinale permet de découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques Facteurs déclenchants et mécanismes d'action des MICI encore mal connus aujourd'hui La recherche continue…  Mécanismes physiopath de l'inflammation = mal connus Mieux on les connait et mieux on oriente la recherche thérapeutique Il faut continuer de chercher Récemment : découverte d'une nouvelle perspective thérapeutique en étudiant le microbiote fongique

Bibliographie Pierre Desrumeaux, La réponse inflammatoire muqueuse au cours des MICI Jean-Pierre Hugot, Jérôme Viala, 2015, Physiopathologie de la maladie de Crohn : l'indispensable pour le clinicien, Post’U Clara Abraham, M.D., and Judy H. Cho, M.D., 2009, Inflammatory bowel disease, New England journal of medicine;361:2066-78. El Kihal l., Seddik H., Benelbarhdadi I., Ajana F.Z., Afifi R., Benazzouz M., Essaid A, Le concept général de la physiopathologie des maladies inflammatoires chroniques de l'intestin. J. Poligné, 2011, La capacité du système immunitaire intestinal à tolérer les bactéries commensales et à les «utiliser» pour être plus réactif face aux pathogènes. Microbiote et immunité intestinale, Les fondamentaux de la pathologie digestive© CDU-HGE/Editions Elesevier-Masson -Octobre 2014, www.SNFGE.org Willing et al. Gastroenterology 2010 Morgan, Tickle, Sokol et al. Genome Biology 2012 Darfeuille-Michaud et al., 1998 Sokol et al. Inflamm Bowel Dis 2009 Wehkamp et al. PNAS, Dec 2005