I.7 Immunologie. Introduction. Le système immunitaire regroupe l ensemble des cellules d un individu pouvant s opposer à la pénétration et à l infection par des agents pathogènes. Les cellules du système immunitaire sont les leucocytes (= globules blancs). Ils comprennent notamment les lymphocytes B (LB) sécréteurs d anticorps, les lymphocytes T (LT) détruisant les cellules infectées ou mutées, les phagocytes (ex : monocytes dans le sang et macrophages dans les tissus) effectuant la phagocytose. Ces cellules sont produites dans la moelle osseuse rouge (organe lymphoïde primaire, comme le thymus). Ces cellules se regroupent dans les organes lymphoïdes secondaires (ganglions lymphatiques, rate ) ou dans le sang. Les organes lymphoïdes. http://pst.chezalice.fr/svtiufm/images/sysimmun.gif - Organes lymphoïdes centraux = primaires. Ce sont les lieux de production et de différenciation des lymphocytes. A noter que les LT deviennent matures dans le thymus. - Organes lymphoïdes périphériques = secondaires. À partir de l exemple du SIDA, on va voir comment le système immunitaire intervient lors d une infection puis, dans un deuxième temps, sur quelle propriété du système immunitaire reposent les vaccins. 1. Comment se manifeste le SIDA? Le SIDA, ou syndrome (= ensemble des manifestations de la maladie) d immunodéficience acquise, est une maladie d origine virale, conduisant à la destruction progressive du système immunitaire. Cette maladie est planétaire : on parle de pandémie. 1.1 Le virus VIH. Un virus est une particule de petite taille, constituée d un acide nucléique (ADN ou ARN) et d une enveloppe protéique parfois doublée d une enveloppe lipidique. Le virus doit se servir des enzymes et des organites de la cellule infectée pour se multiplier : c est un parasite intracellulaire obligatoire. Le SIDA est dû au virus VIH (virus de l immunodéficience humaine) dont il existe deux souches : VIH-1 et VIH-2. Le virus VIH. http://artic.ac-besancon.fr/svt/act_ped/svt_lyc/eva_bac/s-bac2008/images/vih.gif Ce virus de 100 à 120 nanomètres de diamètre possède : - Une enveloppe lipidique contenant des protéines, notamment gp120 et gp41, qui constituent des antigènes. - Deux capsides, constituées de p17 et p24 (une seule représentée sur l image) renfermant 2 ARN et des molécules d enzymes (transcriptase inverse). Comme c est un virus à ARN, on parle de rétrovirus. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 1
Un antigène est une molécule étrangère à un organisme pouvant déclencher une réaction immunitaire. Ce virus est transmis par voie sexuelle, par voie sanguine ou au cours de la grossesse de la mère à l enfant (particulièrement à l accouchement ou par allaitement). Les cellules cibles du VIH sont principalement les cellules immunitaires : les lymphocytes T4 (voir 2.3), les monocytes et les macrophages (voir 2.1). Un macrophage est cellule immunitaire provenant de la transformation d un monocyte (cellule immunitaire circulant dans le sang) dans les tissus. Les deux ont pour fonction la phagocytose. Les LT4, les monocytes et les macrophages sont les cibles du virus car ils possèdent des protéines membranaires (CD4) auxquelles le virus s amarre par l intermédiaire d une protéine de son enveloppe (gp120). Cette fixation lui permet de pénétrer dans la cellule hôte. Une fois dans la cellule, le virus doit se multiplier. Une enzyme virale, la transcriptase inverse, rétro-transcrit l ARN viral en ADN dans les cellules infectées. Cet ADN est intégré au génome de la cellule et s exprime, permettant la reproduction du virus sous forme de particules virales infectieuses et leur dissémination dans l organisme. Voir le cycle du virus. Particules de virus du SIDA (VIH) bourgeonnant à la surface d'un lymphocyte T4 infecté. Vue au microscope électronique, après coloration. http://www.cnrs.fr/cnrsimages/sciencesdelavieaulycee/org_animal/popup_ immuno5.htm Une fois dans l organisme, le virus atteint les organes lymphoïdes (ganglions lymphatiques), où sont localisées les cellules immunitaires. Dans ces organes lymphoïdes, les lymphocytes T4 et les macrophages présents sont infectés et jouent ainsi le rôle de réservoir à virus. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 2
LE CYCLE DU VIH GP120 CD4 Ancrage du virus à la cellule cible (reconnaissance gp120 CD4) Fusion des membranes et pénétration de la capside contenant les ARN viraux. Libération des ARN viraux Transcriptase inverse Rétrotranscription des ARN viraux en ADN, puis intégration dans le génome cellulaire. GP120 Production d ARNm viraux par transcription grâce à la machinerie cellulaire. Transcriptase inverse Traduction en protéines virales Assemblage des virus Bourgeonnement de nouveaux virus Cellules cibles : LT4, macrophages, monocytes. Il faut entre 1 ou 2 jours à 1 ou 2 semaines (suivant l état de la cellule cible) pour que le virus accomplisse son cycle. Hatier TS 2002, modifié 04/05 http://lewebpedagogique.com/bouchaud 3
On distingue plusieurs étapes à partir de la contamination. 1.2 Étape 1 : la primo-infection. Pendant cette période de quelques semaines, les symptômes se limitent le plus souvent à ceux d une maladie virale bénigne (grippe légère). Les virus se multiplient rapidement causant une forte baisse du nombre de LT4. Les anticorps anti-vih apparaissent et neutralisent les virus présents dans la circulation. De même, les LTc anti-vih apparaissent et détruisent les cellules infectées (monocytes, macrophages et LT4). La conséquence est la remontée du nombre de LT4. Un lymphocyte T cytotoxique provient de la différenciation des lymphocytes T8, et est responsable de la destruction des cellules infectées, mutées ou greffées. La présence d anticorps anti-vih deux semaines à quelques mois après la contamination montre que le sujet est «séropositif» pour le VIH. Ces anticorps sont spécifiques contre certaines protéines du VIH (gp120, gp41 ). Ce sont ces anticorps qui sont décelés par le test ELISA (Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay) et le Western-blot (pour confirmer un test ELISA positif) (bien entendu, il faut environ au moins 20 jours postcontamination pour les détecter d où des ELISA qui peuvent être négatifs). Résultat de TP du test ELISA. http://lewebpedagogique.com/bouchaud/files/photo0077. jpg Exemple de test Western Blot. http://artic.acbesancon.fr/svt/act_ped/svt_lyc/eva_bac/sbac2009/images/western-blot.gif 1.3 Étape 2 : la phase asymptomatique. Comme son nom l indique, c est la phase sans symptôme : le sujet se porte bien pendant plusieurs années, en moyenne 10 (durée très variable d un individu à l autre). Mais on constate toutefois : - un affaiblissement progressif du nombre de LT4. - une faible charge virale. - une forte présence d anticorps anti-vih et de LTc anti-vih, preuve que le virus est toujours présent. En fait, les défenses immunitaires luttent activement, mais les virus continuent à se multiplier dans les LT4, macrophages et monocytes (réservoirs). En conséquence, les lymphocytes T4 infectés sont détruits par les LTc, et malgré leur renouvellement, leur nombre diminue. 1.4 Étape 3 : la phase symptomatique (stade SIDA déclaré). En absence de traitement, la charge virale augmente fortement et le nombre des LT4 baisse. Lorsqu il est suffisamment bas (< à 200 par mm3 de sang), diverses maladies opportunistes apparaissent. Ce sont des maladies dont le développement est habituellement contrôlé par le système immunitaire. Ces maladies surviennent du fait de l affaiblissement des défenses de l organisme. Les LT4 ont donc un rôle majeur dans les processus immunitaires. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 4
PRIMO PHASE ASYMPTOMATIQUE SIDA INFECTION * fièvre * pas de signes cliniques * maladies opportunistes * réponse * réponse immunitaire qui limite * mauvais * déficience immunitaire le développement du virus fonctionnement immunitaire initiale du système totale immunitaire Les différentes phases du SIDA. Didier TS 2002, modifié 04/05 2. Comment le système immunitaire intervient-il lors d une infection? Les mécanismes immunitaires se répartissent en deux ensembles : - L immunité innée, assurée par les phagocytes. Très rapide. Image : «médecin généraliste». - L immunité acquise correspond à l intervention des LB et LT suite au premier contact avec l antigène (plus lent). Image : «médecin spécialiste» 2.1 Les anticorps sont les agents du maintien de l intégrité du milieu extracellulaire. Un anticorps est une protéine produite par les plasmocytes, en réponse à la présence d un antigène et capable de le reconnaître spécifiquement. La molécule d anticorps sous le logiciel RasTop. http://www.inrp.fr/acces/biotic/rastop/exemp les/images/bilan.jpg - Ce sont les antigènes eux-mêmes qui déclenchent leur prolifération (ils existent déjà même si l AG n a jamais été rencontré). http://lewebpedagogique.com/bouchaud 5
- Les anticorps agissent dans le milieu extracellulaire (ou milieu intérieur : plasma, lymphe, lait ) : ils ne détruisent pas les cellules infectées mais neutralisent les AG. Un plasmocyte est issu de la différenciation d un lymphocyte B suite à la pénétration d un antigène. Il sécrète des anticorps. Il doit produire de grandes quantités de protéines (anticorps) : il possède des organites spécialisés dans sa fonction de production de protéines extracellulaires (REG et appareil de Golgi). Un lymphocyte B se forme dans la moelle osseuse rouge à partir de cellules souches puis migre dans les organes lymphoïdes secondaires. Il se lie aux antigènes extracellulaires grâce à ses anticorps membranaires. Qu est-ce qu un anticorps? Un anticorps. Belin TS 2002 - Les anticorps sont des immunoglobulines ou protéines circulantes du milieu intérieur. - Ils sont formés de 4 chaînes (2 lourdes H et 2 légères L) constituées d une partie constante et d une partie variable. Ces chaînes sont identiques deux à deux et reliées par quatre ponts disulfures (trois représentés sur la figure) - La partie constante leur permet de se fixer sur des récepteurs présents à la surface de certaines cellules (comme les cellules qui effectuent la phagocytose). - La spécificité des anticorps est due à leur partie variable (une centaine d AA). À l intérieur, on trouve des séquences hypervariables localisées au niveau de la liaison AC-antigène (qui s effectue par des liaisons faibles). Chaque molécule d AC possède 2 sites de liaison avec l AG. Comment sont sélectionnés les anticorps spécifiques de l antigène? Mécanisme de la sélection clonale (LB). Didier TS 2002. Dans les organes lymphoïdes secondaires, de nombreux clones de LB différents existent (10 8 ). Ils se distinguent entre eux par leurs récepteurs membranaires qui sont les anticorps. Chaque clone (qqs milliers d exemplaires) possède des AC membranaires qui reconnaissent des AG différents, même si l antigène n a jamais été rencontré (répertoire qui préexiste à l apparition d un AG donné)! Lorsqu un antigène est reconnu par l AC membranaire d un LB (= sélection clonale), ce dernier se multiplie par mitoses et forme un clone de LB ayant la même spécificité antigénique. Les LB obtenus se différencient majoritairement en plasmocytes sécréteurs d AC libres. Ils se différencient également en LB mémoire (voir 3.1). La multiplication et la différenciation des LB dépend également de la présence de LT4 (voir 2.3). Les plasmocytes vont libérer de grandes quantités d AC dans le milieu extracellulaire : ils ne fabriquent qu un seul type d AC (jusqu à 5000/s). Ces anticorps vont se fixer aux antigènes par complémentarité, créant des complexes immuns (si l AG est une molécule soluble, elle précipite, si c est une cellule, elle est recouverte). Complexe immun. Association antigène-anticorps permettant la neutralisation de l antigène. Dans le cas du SIDA, les anticorps dirigés contre les protéines virales peuvent bloquer la pénétration des virus dans les cellules. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 6
Phagocytose d un complexe immun. Belin TS 2002 Ces complexes immuns ne persistent pas dans le milieu extracellulaire : ils sont éliminés par phagocytose. Phagocytose. Capture et ingestion de particules virales, cellules ou molécules par une cellule phagocytaire. La phagocytose correspond à un mécanisme inné de l immunité. L élément étranger est digéré par les enzymes cellulaires. Les anticorps se lient aux cellules phagocytaires par leur partie constante, et accélèrent la phagocytose (elle est rendue plus efficace). Lors de la phagocytose, les complexes immuns sont absorbés par la cellule et détruits par des enzymes dans le phagocyte. Les anticorps ne peuvent toutefois pas agir sur les cellules déjà infectées : c est le rôle des lymphocytes Tc. 2.2 Les lymphocytes T cytotoxiques sont les agents du maintien de l intégrité des populations cellulaires. Les LTc sont aussi des effecteurs de l immunité acquise. Ils dérivent des LT8. À la différence des LB, les récepteurs des LTc et des LT8 ne sont pas des anticorps, mais des récepteurs T (1 seul site de liaison à l AG). Ils se lient aux antigènes présents à la surface des cellules (et non pas aux AG libres). En effet, les cellules infectées se différencient des cellules saines par le fait qu elles expriment à leur surface des fragments peptidiques issus des protéines de l agent pathogène. Le récepteur T. http://www.didier-pol.net/01amnc1.gif Juste pour information : ce récepteur possède deux chaînes, α et β, qui présentent une partie constante et une partie variable, se liant à l AG. Un lymphocyte T8 se forme dans la moelle osseuse rouge (il possède des marqueurs CD8) puis migre vers le thymus pour devenir mature. Il se rend par la suite dans les organes lymphoïdes secondaires. Il se différencie en LTc après sélection par un AG. Comme pour les LB, la production des LTc spécifiques de l AG à partir de lymphocytes T précytotoxiques (ou LT8) repose sur les étapes de : - sélection clonale (les récepteurs T des LT8 reconnaissent des fragments d AG à la surface des cellules ; il existe là aussi un répertoire de récepteurs T) ; - multiplication (obtention d un clone de LT8 de même spécificité antigénique) ; - différenciation (les LT8 se différencient en LTc capables de réaliser une lyse cellulaire). De même que pour les LB, l intervention des LT4 est impérative (voir 2.3). http://lewebpedagogique.com/bouchaud 7
Sélection des clones de LT8 «compétents» et différenciation en LTc. Bordas TS 2002 Rôle des LTc. Les LTc, par leurs récepteurs T spécifiques de l antigène, reconnaissent les cellules infectées ou cancéreuses ce qui déclenche un mécanisme d élimination de ces cellules. Le LTc s accole à la cellule infectée et sécrète des protéines, les perforines, qui créent des canaux dans la membrane cellulaire. La cellule est lysée. Lyse d une cellule cible par un LTc. Bordas TS 2002 Dans le cas du SIDA, la destruction des lymphocytes T4 par les LTc limite la progression de l infection virale mais l incorporation du génome viral dans les cellules infectées maintien la contamination. 2.3 Les lymphocytes T4 sont les pivots des réactions immunitaires acquises. Un LT4 se forme dans la moelle osseuse rouge (il possède des marqueurs CD4) puis migre vers le thymus pour devenir mature. Il se rend par la suite dans les organes lymphoïdes secondaires. Il y sécrète des interleukines responsables de la multiplication et de la différenciation des LT8 et des LB sélectionnés par un AG. Lorsqu un antigène a pénétré dans l organisme, des lymphocytes T4 spécifiques de cet antigène le reconnaissent grâce à leur récepteur T (reconnaissance de l AG à la surface des cellules infectées). Ces LT4 se différencient en lymphocytes T4 sécréteurs de messagers chimiques, les interleukines (protéines). Sélection des clones de LT4 «compétents» et différenciation en LT4 sécréteurs d IL. Bordas TS 2002 Dans les ganglions lymphoïdes, ces interleukines ont deux rôles : - elles stimulent la multiplication et la différenciation des LB sélectionnés par l AG. - elles stimulent la multiplication et la différenciation en LTc des LT8 sélectionnés par l AG. Dans le cas du SIDA, lorsque le nombre de LT4 est < à 200 par mm 3, il n y a plus de production d anticorps et de LTc contre des agents pathogènes variés, ce qui permet l apparition des maladies opportunistes lors du stade SIDA déclaré. Ainsi, les conséquences de l effondrement des défenses immunitaires prouvent qu en permanence les mécanismes immunitaires sont à l œuvre et montrent le rôle essentiel des lymphocytes T4 dans la majorité de ces réactions : on les qualifie de pivots des réactions immunitaires. PS : pivot = élément principal de quelque chose. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 8
Sélection des clones compétents Antigène AC membranaire spécifique de l AG Fragment antigénique (cellule infectée) LB LT4 LT8 Récepteur T spécifique de l AG IL IL Multiplication (mitoses) IL LT4 IL Différenciation Plasmocyte Vésicules contenant la perforine Anticorps circulants Cellule infectée LTc Complexe immun Phagocytose du complexe immun Libération de la perforine par exocytose Pore Intégrité du milieu extracellulaire Intégrité des populations cellulaires Belin TS 2002. Modifié 05/05 http://lewebpedagogique.com/bouchaud 9
3. Sur quelle propriété du SI reposent les vaccins? 3.1 La mémoire immunitaire. UA Le premier contact avec l AG entraîne une réaction lente et quantitativement peu importante. Cette lenteur s explique par le temps de production des différents lymphocytes spécifiques de l antigène. C est la réponse primaire. Dans le cas d un second contact avec le même antigène, la réaction immunitaire est : - beaucoup plus rapide - quantitativement plus importante : le nombre de lymphocytes et d AC est plus élevé - les lymphocytes et les AC ont une meilleure affinité pour l AG. C est la réponse secondaire. La mémoire immunitaire. Bordas TS 2002 Cette différence s explique par la formation, après un premier contact avec un antigène, de lymphocytes B et T4 mémoire spécifiques d un AG. Leur nombre et leur durée de vie sont plus importants que pour les LB et LT4 vierges (ou naïfs). On parle ainsi de mémoire immunitaire. Un lymphocyte mémoire (LT4 et LB) est un lymphocyte à longue durée de vie (plusieurs années). Il est spécifique d un AG donné. Il est produit à la suite d une réaction primaire. 3.2 Les espoirs pour un vaccin anti-vih. Des vaccins ont été mis au point contre différents agents pathogènes (bactéries et virus). Ils reproduisent une situation naturelle, celle de l immunité acquise contre les pathogènes après une première infection guérie. Pour ce faire, on déclenche une réponse immunitaire primaire chez l individu sain : il y a production de LTc, de LT4, de plasmocytes mais aussi de LB et de LT4 mémoire contre des AG du pathogène. Cela protége d une seconde infection : en effet, en cas de nouvelle rencontre avec le même agent pathogène, il y aura une réponse immunitaire secondaire. On utilise pour cela des agents pathogènes non virulents (tués ou atténués), des anatoxines (toxines non toxiques), des protéines antigéniques (l agent injecté doit être immunogène et inoffensif) Dans le cas du virus du SIDA, il s agit de trouver un vaccin contre un virus qui n est pas vaincu par les défenses immunitaires naturelles. Le virus du SIDA mutant constamment, une des difficultés de la mise au point du vaccin est d identifier une protéine invariable et accessible à la surface du virus. Or, chez un individu, il y a souvent plusieurs dizaines de variants. La boucle V3 (voir TP) est très accessible aux anticorps mais hypervariable. Donc un vaccin basé sur la reconnaissance de cette boucle serait peu efficace. Certains déterminants antigéniques sont invariables mais peu accessibles aux AC car protégés par la boucle V3 (voir TP). Production d anticorps contre les protéines virales. Hatier TS 2002 http://lewebpedagogique.com/bouchaud 10
3.3 Le phénotype immunitaire : interaction entre le génotype et l environnement. Le phénotype immunitaire est l ensemble des spécificités des lymphocytes B et T à un moment donné de la vie d un individu (ou «répertoire» des anticorps et des récepteurs des LT). Il résulte d une interaction complexe entre le génotype et l environnement. En gros, il représente les potentialités du SI à se défendre contre un grand nombre d agents pathogènes qu il n a jamais rencontrés, pour la plupart. Alors que le génome humain ne contient que quelques dizaines de milliers de gènes, on peut produire des millions d AC différents (de même pour les récepteurs T). Cette diversité est permise par la recombinaison aléatoire de segments de gènes. Par ce mécanisme, l organisme peu produire une quasi-infinité d AC membranaires et de récepteurs T, et ainsi reconnaître une quasi-infinité d AG. Figure 8. La production de différents anticorps. Belin TS 2002 Toutefois, l organisme produit aussi des lymphocytes qualifiés «d autoréactifs» : ils sont potentiellement dangereux car ils reconnaissent les cellules ou les molécules de l organisme. Ils sont donc éliminés par le système immunitaire. Les lymphocytes non éliminés sont ceux qui seront éventuellement sélectionnés par des antigènes (cellules infectées ou mutées, pathogènes présents dans la circulation). Ils sont renouvelés en permanence. Certains se différencieront en lymphocyte mémoire suite à la rencontre avec un AG (= agent de l environnement) : ils seront en nombre plus important. La rencontre avec les AG fait évoluer en permanence le phénotype immunitaire qui s adapte à l environnement. La vaccination n est finalement qu un processus artificiel qui fait évoluer ce phénotype immunitaire. Conclusion. Le système immunitaire repose sur des mécanismes innés (exemple, la phagocytose) ou «généralistes» et sur des mécanismes acquis ou «spécialisés» (les différents lymphocytes). Les acteurs de l immunité innée et de l immunité acquise coopèrent afin de maintenir l intégrité de l organisme. Ces acteurs sont cependant mis en échec par le virus VIH qui désorganise la réponse immunitaire en provoquant la destruction des LT4 pivots des réactions immunitaires. Pour pallier la mise en échec du SI par le VIH, des vaccins sont en cours de recherche : comme tout vaccin, ils visent à utiliser la mémoire immunitaire. Mais il est difficile de trouver une cible vaccinale étant donné la variabilité des protéines de l enveloppe du VIH. L ensemble des clones de LB et LT (= phénotype immunitaire) permet de maintenir l intégrité et donc la stabilité de l organisme. http://lewebpedagogique.com/bouchaud 11