Structure générale du système immunitaire Les mécanismes de défense spécifiques La compatibilité foeto-maternelle Septembre 2010

Définition de l’immunité L’ensemble des mécanismes biologiques permettant à un organisme pluricellulaire de maintenir la cohérence de ses cellules et tissus et d’assurer son intégrité en éliminant ses propres constituants altérés et les substances étrangères auxquelles il est exposé (infection, greffe, allergènes…) L’immunité est active lorsque l’individu a produit lui-même ses effecteurs après contact avec l’agresseur et passive lorsque ses effecteurs lui ont été transmis physiologiquement (grossesse) ou artificiellement ( vaccin)

Le système immunitaire Rôle: DISTINGUER le soi et le non-soi reconnaître un contexte de DANGER - Non-soi et danger : protection vis-à-vis d’agressions étrangères micro-organismes (microbes, virus, parasites, champignons) l’Autre (?) - Soi et danger : cellules tumorales - Non-soi sans danger : foetus Immunité Innée : réponse constitutive et action immédiate Immunité adaptative : Coopération Reconnaissance Amplification Mémoire Education

Le système immunitaire: deux systèmes de défense Immunité Innée ou Naturelle Non spécifique : réponse constitutive et action immédiate Immunité Adaptative ou Acquise Spécifique: induite après un premier contact avec l’antigène SPECIFICITE de la réponse immunitaire MEMOIRE Coopération Reconnaissance Amplification Le contact avec l’antigène entraîne la prolifération des lymphocytes T (LT) et des lymphocytes B (LB) porteurs des Récepteurs spécifiques d’antigène La réponse est spécifique de l’antigène, limitée dans le temps, garde la mémoire, ses mécanismes effecteurs se répartissent entre une réponse humorale et une réponse cellulaire

Le système immunitaire ensemble de cellules - disséminées dans la plupart des tissus circulant par le sang et la lymphe venant de, et allant vers les organes lymphoïdes LT et LB seules cellules à porter un récepteur pour l’antigène LB devenant plasmocytes rôle dans l’immunité humorale LT CD4+ et CD8+ régulant la réponse immunitaire et assurant l’immunité cellulaire Cellules NK à cytotoxicité non spécifique d’antigène Cellules présentatrices d’antigène (CPA): cellules dendritiques, macrophages… Autres: PNN, mastocytes, plaquettes, cellules endothéliales, cellules épithéliales

Le système immunitaire ensemble de cellules Immunité innée : de contact Phagocytes, cellules présentatrices d'Ag, cellules NK : à distance Protéines de phase aigüe, lectines, complément Immunité adaptative : de contact LT effecteurs (CD4+,CD8+) : à distance LB (anticorps) - Coordination de l’immunité adaptative LT amplificateurs (CD4+) Complexe Majeur d’Histocompatibilité (CMH)

Organes lymphoïdes centraux ou primaires lieu de production et/ou de maturation des lymphocytes indépendamment de l’antigène Les organes lymphoïdes primaires (thymus et moelle osseuse) produisent chaque jour de nouveaux lymphocytes à partir de précurseurs cellulaires (T dans le thymus et B dans la moelle osseuse) Il s’agit d’un triple processus: - Multiplication intense (plusieurs millions de cellules produites par jour) - Diversification: chaque lymphocyte produit présente une capacité de reconnaissance antigénique différente - Sélection: seuls les lymphocytes qui ne reconnaissent pas les propres constituants de l’individu persistent Lieu d’acquisition du répertoire antigénique et de l’apprentissage de la tolérance au soi

Organes lymphoïdes secondaires lieu de rencontre des lymphocytes et des antigènes Les organes lymphoïdes secondaires contrôlent la réponse spécifique d’antigène en favorisant les interactions entre les cellules de l’immunité Il s’agit des carrefours entre les circulations sanguines et lymphatiques - ganglions lymphatiques sur le trajet de la circulation lymphatique - rate sur le trajet de la circulation sanguine - tissu lymphoïde associé aux muqueuses sous les muqueuses Image: sys.immun.gif

Tissus lymphoïdes de l’organisme Les lymphocytes se développent dans les organes lymphoïdes primaires et réagissent aux antigènes dans les organes lymphoïdes secondaires

Les cellules de l’immunité Les cellules de l’immunité innée Les phagocytes Autres cellules hématopoïétiques Les cellules présentatrices d’antigènes Les cellules de l’immunité spécifique Les lymphocytes

Phagocytes: cellules de l’immunité innée Les polynucléaires neutrophiles (PNN) et les cellules du système monocytes macrophages Fonctions immunitaires du PNN: phagocytose inflammation Fonctions immunitaires du macrophage: présentation antigénique réparation tissulaire Image: afblum.be

Les autres cellules de l’immunité innée Les polynucléaires éosinophiles: allergie, ADCC Les polynucléaires basophiles: inflammation, allergie Les mastocytes: inflammation, allergie Les cellules NK (tueuses naturelles) Les plaquettes: inflammation Cellules endothéliales: inflammation, production de cytokines Image: bioimage.free.fr

Les lymphocytes: cellules de l’immunité adaptative Présents dans le sang, la lymphe et les organes lymphoïdes Dans le sang:1500 à 4000/mm3 Deux types principaux de lymphocytes coexistent:T et B Même aspect en MO Image: afblum.be

Propriété de lymphocytes Le motif de l’antigène reconnu par le récepteur antigénique s’appelle déterminant antigénique ou épitope Chaque lymphocyte ne porte qu’un seul type de récepteur antigénique (monospécificité) lui permettant d’identifier un motif chimique (acides aminés, sucres…) L’ensemble des récepteurs différents portés par les lymphocytes définit le répertoire immunologique d’un organisme (109 le nombre de récepteurs différents) Au cours de son processus de maturation dans les organes lymphoïdes primaires chaque lymphocyte crée un récepteur unique à partir d’un nombre limité de gènes par un mécanisme recombinatoire génétique. Un réarrangement donnée est propre à une cellule et est irréversible, la résultante est l’obtention de clones de lymphocytes spécifiques.

Récepteur spécifique d’Ag TCR et BCR Antigène : molécule reconnue de manière spécifique par un récepteur clonal du système immunitaire (anticorps et BCR pour les Ag B et TCR pour les Ag T) Immunogène: Ag capable de déclencher une réponse immunitaire spécifique Adjuvant: substance qui augmente l’immunogénicité d’une préparation antigéniqu Epitope: le motif de l’antigène reconnu par le récepteur antigénique s’appelle déterminant antigénique ou épitope

Reconnaissance de différents épitopes Conformationnels ou discontinus composés d'aa éloignés dans la structure primaire, mais regroupés dans la protéine repliée Linéaires ou continus De nature: Peptidiques Polysaccharidiques Lipidique encyclopedie-enligne.com

Lymphocyte B Les LB sont le support de l’immunité adaptative humorale par la production d’anticorps spécifiques = synthèse des immunoglobulines qu’ils expriment à leur surface sous la forme du récepteur de cellules B = BCR Par leur BCR, le LB reconnaissent directement, dans leur forme les antigènes solubles ou particulaires Chaque LB synthétise une variété d’immunoglobuline (Ig) Quand ils sont stimulés, ils se différencient en plasmocytes, site de synthèse et de sécrétion intense des Ig Cette immunité est transférable par le sérum Chez l’homme, les LB représentent 5 à 15% des lymphocytes sanguins soit 200 à 400/mm3

Organe lymphoïde central B Chez l’homme: MOELLE OSSEUSE (rôle des cellules stromales de la moelle osseuse) Chez l’embryon: le foie Lea-univ.lille1.fr

La différenciation des LB Première étape indépendante de l’Ag A lieu dans l’organe lymphoïde primaire=moelle osseuse Conduit au développement d’un LB mature naïf Élimine les LB auto-réactifs: établissement de la tolérance

La différenciation des LB Première étape indépendante de l’Ag L’étape indépendante de l’Ag: 4 stades de différenciation 1. Cellule pro-B (progéniteurs B) 2. Cellule pré-B (précurseurs B) 3. Cellule B immature 4. Cellule B Mature Cette classification est corrélée avec le réarrangement des gènes d’Ig et l’expression d’autres protéines de surface

Cellule B mature naïve Circule en permanence entre les différents organes lymphoïdes secondaires à la rencontre de l’Ag spécifique Demi-vie courte en absence de rencontre de l’Ag spécifique: 3 jours Si la rencontre avec l’Ag spécifique a lieu on passe à la seconde étape du développement dépendante de l’Ag

La différenciation des LB: Etape dépendante de l’Ag Elle a lieu au niveau des organes lymphoïdes secondaires périphériques (ganglions, rate, tissu lymphoïde associé aux muqueuses) Les organes lymphoïdes secondaires ont une architecture hautement organisée avec des zones B: les follicules et des zones T Lieu de la rencontre entre le LB et l’Ag spécifique Lieu de la commutation isotypique du LB Lieu d’hypermutation somatique avec sélection positive des LB dont le BCR présente une maturation d’affinité pour l’Ag Lieu de sélection négative des LB autoréactifs vis-à-vis des Ag du soi présents en périphérie et absents des organes lymphoïdes centraux

La différenciation des LB: Etape dépendante de l’Ag Séconde étape dépendante de l’Ag qui aboutit à la formation, à partir de cellules B naïves en réponse à un Ag spécifique, à des cellules B effectrices: Plasmocytes: site de synthèse et de sécrétion intense des Ig LB mémoires qui peuvent être rapidement activés après un second contact avec l’Ag Image: Med.univ-angers.fr Plasmocyte

Le récepteur des cellules B ou BCR « B cell receptor » Ig de surface (sIg) ou Ig membranaire (Igm) Composé de 4 chaînes polypeptidiques - 2 chaînes lourdes identiques - 2 chaînes légères identiques Isotype variable selon statut du LB LB naïfs : sIgD et sIgM LB éduqués : sIgG ou sIgA ou sIgE Plasmocytes : très faible expression

Différenciation des lymphocytes B

Les lymphocytes T support de l’immunité cellulaire Représentent 70% des lymphocytes circulants Reconnaissent les antigènes des agresseurs exprimés à la surface des cellules infectées, attaquent les cellules infectées par des micro-organismes à développement intra-cellulaire On distingue deux populations principales des LT: - LT CD4+ ou auxiliaires ou helper (2/3) ont le rôle d’activer les cellules de la réaction immunitaire: macrophages, LB et LT cytotoxiques, fonction régulatrice d’amplification de la réponse immunitaire Sous-populations des LT auxiliaires ou helper TH1 et TH2 - LT CD8+ ou cytotoxiques (1/3) ont la capacité de lyser les cellules infectées

Les lymphocytes T Cellule T naïve: avant la rencontre avec l’Ag spécifique Après la rencontre on parle de cellule T effectrice armée LT CD4+: Chef d'orchestre de la réponse immunitaire spécifique LT CD8+: Participent à l'immunité cellulaire (cytotoxicité) Circulation permanente entre le sang et les organes lymphoïdes secondaires cohen.svt.free.fr

Le développement des lymphocytes T 1ère étape indépendante de l’antigène: conduit à la production des cellules T matures naïves à partir des cellules souches hématopoïétiques et à l’élimination des LT auto-réactives (établissement de la tolérance) Le thymus: organe lymphoïde primaire où les précurseurs T, d’origine médullaire, se différencient en lymphocytes T matures naïfs et acquièrent un répertoire tolérant les LT naïfs circulent en permanence entre les organes lymphoïdes secondaires à la rencontre de l’Ag spécifique 2ère étape dépendante de l’antigène: conduit au développement des cellules T effectrices et mémoire En fonction du réarrangement des gènes: LT CD4+ sont programmés pour devenir des cellules sécrétrices de cytokines et des cellules mémoires LT CD8+ sont programmés pour devenir des cellules effectrices cytotoxiques (CTL CD8+) et des cellules mémoires

Les lymphocytes T Le récepteur pour l’antigène s’appelle TCR (T cell receptor) Le récepteur du LT ne reconnaît que des antigènes protéiques, ceux-ci ne sont jamais natifs, les protéines doivent être découpées en peptides qui sont ensuite associées à des molécules de CMH www3.vet-lyon.fr

Le récepteur à l’Ag des lymphocytes T ou TCR Structure extracellulaire est comparable à Fab des Ig et participe au site de reconnaissance et de liaison à l’antigène Monovalent

Les cellules présentatrices d’antigène assurent l’interface entre l’immunité innée et adaptative Les CPA sont des cellules diverses qui ont en commun la propriété d’exprimer des molécules CMH de classe II Ces cellules peuvent endocyter les Ag protéiques exogènes, les découper en peptides et les associer aux molécules CMH de classe II Image: e-sante.futura-sciences.com

CPA Les monocytes macrophages Les cellules dendritiques (Langerhans au niveau de la peau) Les lymphocytes B image.bloodline.net polconsultant.com anne.decoster.free.fr

Caractéristiques des CPA Capacité de capter l’antigène et de le dégrader partiellement (apprêter) Capacité de la présenter en association avec les molécules du CMH Expression membranaire des molécules de co-stimulation Sécrétion des cytokines capables d’agir sur les cellules auxquelles est présenté l’antigène

Reconnaissance de l'Ag par les lymphocytes T Pas reconnaissance directe de l'Ag Nécessité d’une présentation par molécule du CMH (complexe majeur d’histocompatibilité), on parle de reconnaissance restreinte par le CMH Interaction du TCR avec le peptide ET la molécule du CMH CMHII pour les LTCD4+ CMHI pour les LTCD8+ Ag présenté sous forme de courts peptides (après apprêtement), reconnaissance d'Ag linéaires uniquement 8-10 aa pour le CMHI >13 aa pour le CHMII Répertoire immunologique encore plus important que celui du BCR

Les corécepteurs L’affinité de l’interaction du TCR avec le complexe peptide-CMH est faible, des corécepteurs sont nécessaires Interviennent dans l’activation cellulaire soit en augmentant l’avidité globale de l’interaction du TCR pour le complexe CMH-peptide et/ou en envoyant des signaux vers l’intérieur de la cellule CD4 et CD8 augmentent jusqu’à 100 fois l’affinité globale de l’interaction entre le TCR et le complexe peptide-CMH En outre, via leur domaine intracytoplasmique ils activent directement des systèmes de transduction de signal à l’intérieur de la cellule

CD4 Rôle: reconnaissance de la molécule du CMHII présentant l’Ag au LTCD4+ Interaction indispensable au développement d’une réponse immunitaire CD4 présent sur: monocytes, macrophages, cellules dendritiques, cellules de la microglie - récepteur du VIH (internalisation du virus) users.rcn.com

Caractéristiques des Lymphocytes TCD4+ 67 % des LT, présence du CD4 en surface Initiateur de la réponse immunitaire adaptative ou spécifique Reconnaissance Ag Activation des cellules effectrices Orientation de la réponse Cellulaire (cytotoxicité) Humorale (anticorps) Reconnaissance des Ag Dans les organes lymphoïdes secondaires Présentés par des cellules présentatrices d'Ag (CPAg) Restreinte au CMHII

CD8 Co-récepteur du TCR Rôle: reconnaissance de la molécule du CMHI présentant l’Ag au LTCD8+ Interaction potentialisant (x100) le déclenchement du mécanisme cytotoxique users.rcn.com

Caractéristiques des LTCD8+ 33 % des LT, présence du CD8 en surface Cellules clefs de la réponse immunitaire cellulaire (cytotoxicité) Destruction de cellules tumorales et des cellules infectées par des virus, des bactéries… Reconnaissance des Ag ubiquitaires, présentés par le CMHI

Polarisation de la réponse immunitaire adaptative

Cellules NK Les cellules tueuses naturelles: constituent la 3ème population lymphocytaire non B: soit BCR-, CD19- non T: soit TCR-, CD3- Elles n’expriment pas de récepteur spécifique de l’antigène Ce sont des cellules de l’immunité innée avec un rôle crucial dans l’immunité anti-infectieuse en particulier antivirale et anti-tumorale Les cellules NK se différencient et maturent dans la moelle osseuse à partir des cellules souches hématopoïétiques

Les immunoglobulines Glycoprotéines présentes soit à la surface des lymphocytes B (sIg: est le BCR), soit sous forme soluble dans les liquides biologiques Les deux catégories d’immunoglobulines ont pour fonction essentielle de se lier de manière spécifique à l’antigène : fonction anticorps Elles sont produites par les lymphocytes B Un LB donné produit des Ig avec une seule spécificité anticorps c’est à dire qui ne reconnaît qu’un seul épitope ou déterminant antigénique Le répertoire antigénique des immunoglobulines est extrêmement diversifié, on estime qu’un organisme adulte contient à un instant donné environ 1020 molécules d’Ig, dont plus de 109 espèces moléculaires différentes Les anticorps sont les médiateurs de l’immunité humorale dont les cibles sont extracellulaires

Ig 4 chaînes polypeptidiques reliées par des ponts disulfures (forme de "Y") 2 chaînes lourdes identiques (50kD) 2 chaînes légères identiques (25kD) Image: anne.decoster.free.fr

Ig 5 classes d’Ig définies par leur chaîne lourde: a, g, e, d, m 2 types de chaîne légère: k, l Image: anne.decoster.free.fr pasteur.fr

IgG Immunoglobulines majoritaires dans le sérum: 70 à 75% des Ig totales. Concentration sérique : 8 à 16g/l Intra- et extravasculaire Demi-vie: environ 3 semaines Sécrétées après les IgM Selon la sous-classe considérée – bonne fixation aux récepteurs FcgR (IgG1 et IgG3) – fixation au C1q (IgG1 et IgG3) Passent le placenta et interviennent dans la protection du foetus et du nouveau-né

IgM Essentiellement intra-vasculaire (80-90%) Taux sérique moyen 1,5g/l Les IgM sécrétées ont une affinité relativement faible mais l’avidité pour des antigènes multivalents (10 sites de fixation) est forte Fort pouvoir agglutinant et forte activation du complément: ces 2 propriétés rends les IgM adaptées à la lutte contre les disséminations des micro-organismes par la voie sanguine

IgM 2 formes moléculaires: - monomérique insérée à la surface ces cellules B pentamérique c’est la forme sécrétée où les 5 monomères sont reliés par des ponts disulfures; de plus une chaîne J (fonction de polymérisation) relie 2 monomères Images: jle.com IgM monomérique de surface au niveau de LB snv.jussieu.fr IgM pentamérique

IgM Les IgM sont sécrétées avant les IgG lors d’une réponse immunitaire : première ligne de défense de l’immunité adaptative par activation de la voie classique du complément Les IgM sont « trop volumineuse » pour passer la barrière placentaire Chez le nouveau-né, la présence d’IgM contre un agent infectieux signe une infection et non un transfert passif d’anticorps de la mère

IgA et IgE IgA Présente dans le sérum:15% des Ig; concentration sérique: 2 à 4 g/l Mais surtout classe prépondérante dans les sécrétions muqueuses: digestives, respiratoires, génito-urinaires, larmes, salives, colostrum Rôle primordial dans l’immunité muqueuse Exercent une fonction neutralisante IgE Traces: 1000microg/l, mais augmente fortement dans les allergies, parasitoses Dégranulation des mastocytes et basophiles Image: med.univ-rennes1.fr

Réponse primaire/secondaire

Fonctions antimicrobiennes des immunoglobulines Neutralisation des micro-organismes et leur toxine Opsonisation facilitant l’ingestion par les cellules phagocytaire (phagocytose) Activation de la voie classique du complément conduisant à l’opsonisation et parfois la lyse des micro-organismes

Utilisation thérapeutique des anticorps Immunoglobulines humaines polyvalentes Immunoglobulines spécifiques: exemples: - Immunoglobulines anti-Rhesus (antiD) - Serum antitétanique (anti-toxines) - Immunoglobulines antirabiques (anti-virus) - Anticorps anti-CD20

Le système immunitaire en action Mobilisation successive de l’immunité naturelle puis acquise Immunité innée = réponse immédiatement recrutable : Phagocytes, cellules présentatrices d'Ag, cellules NK Protéines de phase aiguë de l’inflammation, cytokines-> INFLAMMATION, complément Rôle dans l’initiation et l’amplification de l’immunité adaptative Incapacité à transmettre la mémoire de l’agression

Le système immunitaire en action La réponse immunitaire adaptative vis-à-vis d’un antigène donné peut être divisé en 5 étapes: Reconnaissance de l’antigène par les lymphocytes naïfs porteurs de récepteur complémentaire Phase d’ activation ou d’expansion clonale Phase effectrice où immunité humorale et cellulaire coopèrent pour éliminer l’Ag Retour à l’état de départ (homéostasie) par apoptose des lymphocytes effecteurs spécifiques car le stimulus a été éradiqué Seuls persistent les lymphocytes mémoire

Propriétés de l’immunité adaptative SPECIFICITE DIVERSITE MEMOIRE AUTO-LIMITATION TOLERANCE (prévient l’agression vis-à-vis du soi)

Le deuxième signal La stimulation par l’antigène provoque une expansion clonale La stimulation par le récepteur de l’antigène est nécessaire mais pas suffisante pour activer un lymphocyte Un deuxième signal est nécessaire à l’expansion clonale et à la différenciation Pour les LB est donné par les LT, sous-population CD TH2 Pour le LT naïf le co-stimulateur peut être le LB, le macrophage, les CPA

Communications cellulaires contacts directs entre cellules à distance : cytokines = médiateurs des communications inter-cellulaires (peptides), synthétisées en réponse à un signal activateur Les cytokines sont caractérisées par 2 propriétés: Pléïomorphisme des sources cellulaires et des cibles et Activité redondante en cascade Selon le type des cytokines produites on différencie les TH1: IL-2 et IFN g (interviennent dans la part cellulaire de la réponse immunitaire) activent les macrophages TH2: IL-4, IL-4, IL-6, IL-10 et IL-13 (interviennent dans la part humorale de la réponse immunitaire) activent les lymphocytes B

Coopération LB et LT couple CD40/CD40L et cytokines IL4, IL5, IL6 et IL10 Reconnaissance spécifique de l’Ag par le BCR: évènement central nécessaire mais non suffisant à l’activation, on parle du 1er signal Pour le LB, le 2ème signal est délivré par des LT CD4+TH2 La coopération du LB avec le LT CD4+ TH2 spécifique du même Ag est nécessaire à la différenciation en LB effecteur Cette collaboration LB et LTCD4+TH2 fait intervenir des protéines de membranes:interaction de CD40 du LB avec CD40L du LT et des cytokines sécrétées: IL4, IL5, IL6 et IL10 commons.wikipedia.com keepschool.com

Coopération LB et LT

Coopération LB et LT au niveau de la rate

Immunité anti-infectieuse Empêcher l’entrée des agents infectieux (barrière cutanéo-muqueuse, mécanique, PH, …) Lors d’une première entrée, éliminer l’agent infectieux Ralentir la progression de l’agent infectieux avec les « moyens du bord » = Immunité innée (Complément, macrophage, NK, PNN…) Puis le développement progressif de l’immunité spécifique d’antigène « nettoie » ce qui reste = Immunité spécifique (Ac, LT CD4+ et LT CD8+) Lors d’une réapparition, réponse accélérée grâce à la mémoire immunitaire (Ac, LT CD4+ et LT CD8+)

Spécificités de la femme enceinte La tolérance immunologique des Ag foetaux d’origine paternelle (50% du matériel génétique provient du père) est accomplie malgré une défense maternelle adéquate contre l’infection Le trophoblaste n’exprime pas des molécules CMH de classe I ou II, mais une molécule impliquée dans de nombreux phénomènes de tolérance (HLA-G) Les cellules NK de la muqueuse utérine sont inhibées (récepteur KIR) Les cytokines libérées localement correspondent à un profil Th2 (IL-10, TGFb) Diminution des réponses cellulaires, augmentation des réponses humorales B. Modifications dans tous les organes, pas seulement au niveau de l’utérus et du placenta, concernent tous les types d’Ag pas seulement ceux associés aux foetus.

Bibliographie Cours PCEM2 et DCEM1 Faculté de médecine Strasbourg Dr Mirjana Radosalvjevik (udsmed.u-strasbourg.fr) Les lymphocytes B, les lymphocytes T, reconnaissance de l’Ag par un anticorps, Les cellules NK Faculté de médecine Pitié Salpétrière Paris Dr François Lemoine Introduction à l’immunologie 2007 www.chups.jussieu.fr/polys/immun Faculté de médecine d’Angers Dr Chevailler Dr Renier Dr McIlroy Immunologie PCEM2 2002 Cours d’immunologie Pr Dominique Emilie DU Pathologies infectieuses de la femme enceinte, du fœtus et du nouveau-né 2009 Faculté de médecine Paris Sud Cours d’immunologie Dr Roman Krzysiek