Macrophages

Définition et rôles généraux

Tel que mentionné précédemment, l’infiltration des macrophages dans les tissus adipeux abdominaux représente également un phénomène important caractérisant un tissu adipeux dysfonctionnel. Les macrophages sont, par définition, des leucocytes granulaires dérivés des monocytes et issus de cellules souches (270). Suite à divers stimuli, les monocytes quittent la moelle osseuse, circulent dans le sang et migrent ensuite dans les tissus où il se différencient en macrophages (271). Ces derniers ont un rôle important à jouer au niveau de la réponse inflammatoire (270). Effectivement, ceux-ci participent à la production d’agents microbicides, tels que le monoxyde d’azote, les métabolites de l’oxygène ainsi que les enzymes lysosomales. De plus, les macrophages sont des cellules spécialisées dans la phagocytose, un mécanisme utilisé pour ingérer des particules. Afin d’augmenter la réponse inflammatoire, les macrophages ont également la capacité de produire des cytokines, des facteurs de croissance et des chimiokines. Par ailleurs, les macrophages sont des cellules présentatrices d’antigènes puisqu’ils présentent les antigènes aux lymphocytes T.

Des études de transplantation de moelle osseuse chez la souris ont démontré que les macrophages du tissu adipeux sont essentiellement recrutés à partir des monocytes circulants (272). Lumeng et al. (273) ont confirmé ces observations en effectuant des expériences de marquage des monocytes in vivo. Les monocytes ont des phénotypes hétérogènes. Le marqueur de surface le plus souvent utilisé pour identifier la population de monocytes chez l’humain est le CD14 membranaire (CD14m). Le

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degré de différenciation des monocytes en macrophages dépend du phénotype et du microenvironnement tissulaire dans lequel se situent les monocytes.

Hétérogénéité des macrophages et lien avec l’adiposité

Weisberg et al. (272) ainsi que Xu et al. (274) ont été les premiers à observer que l’expression des gènes associés aux macrophages est plus élevée dans les tissus adipeux des souris obèses comparativement au groupe contrôle. Depuis, plusieurs études effectuées chez l’animal et chez l’humain ont rapporté une augmentation de l’accumulation des macrophages dans le tissu adipeux avec l’obésité (275, 276) (Figure 11). Par ailleurs, d’autres études ont montré que l’accumulation de macrophages dans les tissus adipeux sous-cutané et/ou viscéral est positivement associée à la masse grasse totale, à la distribution des graisses et à l’hypertrophie adipocytaire (272, 274, 275, 277-281). Au cours de mes travaux de maîtrise, nous avons examiné l’infiltration de macrophages sur des coupes de tissus adipeux en hybridant nos échantillons avec l’antigène cellulaire CD68, un marqueur de l’infiltration totale de macrophages. Les résultats de cette étude nous ont permis de démontrer que l’accumulation de tissu adipeux au niveau viscéral est un indicateur significatif et indépendant de l’infiltration de macrophages dans les deux dépôts adipeux chez les femmes. Ces résultats suggèrent qu’une accumulation excessive de gras au niveau abdominal est un marqueur des altérations locales associées à un tissu adipeux dysfonctionnel (280). Par ailleurs, l’analyse par immunohistochimie de coupes de tissu adipeux sous-cutané obtenues chez des femmes massivement obèses avant et après une chirurgie bariatrique a démontré une diminution significative de l’accumulation de macrophages en réponse à une perte de poids rapide (275). Ainsi, ce phénomène semble réversible puisque la perte de poids entraîne une réduction de l’accumulation des macrophages dans le tissu adipeux sous-cutané.

Plus récemment, quelques études ont caractérisé le phénotype des macrophages infiltrant le tissu adipeux et la modification de leur phénotype en réponse aux changements de masse grasse. Ces études ont montré que l’état d’activation des macrophages varie en fonction du microenvironnement tissulaire dans lequel ils se trouvent. Bien qu’il existe un large spectre phénotypique de macrophages, la majorité des études utilisent la nomenclature M1/M2 (282). Celle-ci distingue principalement deux sous-populations de macrophages : 1) les macrophages M1 activés par la voie classique; et 2) les macrophages M2 activés par la voie alternative. Les macrophages M2 jouent un rôle dans l’homéostasie du tissu adipeux (ex. angiogenèse et réparation des tissus), alors que les macrophages M1 contribuent à l’induction de l’inflammation et à la résistance à l’insuline (276). Lorsque les macrophages dérivés de la moelle osseuse sont cultivés in vitro en présence de cytokines telles que l’interféron-γ (IFN-γ) ou le lipopolysaccharide (LPS), ceux-ci sont polarisés en

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macrophages M1 qui, à leur tour, sécrètent des cytokines aux actions pro-inflammatoires telles que l’IL-6, l’IL-1β, l’IL-12, le MCP-1 (monocyte chimioattractant protein-1) et le TNF-α (283). À l’inverse, lorsque ces cellules sont cultivées en présence d’IL-4 ou d’IL-13, les macrophages adoptent un phénotype M2, et sécrètent des cytokines aux actions anti-inflammatoires telles que l’IL-10, l’IL-4, l’IL-13 et l’arginase (276, 283). D’autres médiateurs comme le facteur de transcription PPARγ et les acides gras polyinsaturés pourraient également favoriser la polarisation des macrophages M2 (276). Cette classification M1/M2 résulte, en partie, de l’expression de marqueurs dont la spécificité demeure souvent imprécise, spécialement chez l’humain. À titre d’exemple, CD11c, CD40 et CD86 sont des marqueurs d’activation des macrophages M1, alors que CD206, CD163 et CD209 sont des marqueurs d’activation de macrophages M2. Ces marqueurs d’activation de macrophages M1 et M2 sont utilisés avec les marqueurs de l’infiltration totale de macrophages, soient CD68 chez l’humain et F4/80 chez les rongeurs (284). Il est important de mentionner que la distinction des macrophages M1 et M2 est moins bien définie dans les tissus adipeux humains que dans les tissus adipeux de rongeurs (276).

Figure 11. Augmentation de l’infiltration de macrophages dans les tissus adipeux de sujets obèses Figure adaptée de Neels et Olsefsky, 2006 (285)

Chez la souris, plusieurs études ont rapporté une augmentation de l’infiltration des macrophages M1 avec l’obésité. D’abord, Lumeng et al. (273) ont montré, suite à l’injection d’un marqueur spécifique des monocytes chez des souris soumises à une diète riche en gras, que l’obésité provoque le recrutement de macrophages M1. Chez les souris non-obèses, les macrophages résidents ont un phénotype de type M2. En plus d’un recrutement des macrophages M1, ce groupe a observé un

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changement dans le phénotype des macrophages résidents avec l’obésité (les M2 se polarisent en M1) (286). Ces études ont également démontré que le nombre de macrophages M2 dans le tissu adipeux de souris n’est peu ou pas modifié avec le degré d’obésité (273, 286). De plus, Fujisaka et al. (287) ont observé que l’obésité est associée à une augmentation des macrophages M1 (CD11c+CD206-) et M2 (CD11c-CD206+), mais que le ratio M1/M2 montre une plus grande augmentation en ce qui a trait aux macrophages de type M1. Shaul et al. (288) ont identifié un phénotype intermédiaire de macrophages M1/M2 dans le tissu adipeux de souris soumises à une diète riche en gras, suggérant que cette troisième sous-population de macrophages pourrait représenter un groupe de cellules en cours de repolarisation.

Les données chez l’humain sont moins convaincantes. Tout d’abord, Aron-Wisnewsky et al. (279) ont observé chez des individus obèses sévères, une augmentation du nombre de macrophages M1 (CD40) comparativement à un groupe contrôle. Toutefois, aucune différence dans le nombre de macrophages de type M2 (CD163 et CD206) n’a été rapportée entre les deux groupes. De plus, ce groupe a montré qu’après une perte de poids, le nombre de macrophages M1 diminue pour céder la place aux macrophages M2. Récemment, Liu et al. (289) ont également démontré que le nombre de macrophages M2 dans le tissu adipeux sous-cutané augmente suite à un perte de poids. Ces résultats suggèrent que l’obésité favorise l’accumulation de macrophages pro-inflammatoires. À l’inverse, Zeyda et al. (290) ont rapporté qu’avec l’obésité, les macrophages du tissu adipeux expriment davantage des marqueurs de surface de type M2. Wentworth et al. (291) ont observé que le phénotype des macrophages disposés en couronne autour des adipocytes est de type M1 (CD11c+CD206-), alors que ceux se retrouvant au niveau interstitiel ont un phénotype de type M2 (CD11c-CD206+). Spencer et al. (292) ont également démontré que les macrophages qui se disposent en couronne autour des adipocytes sont principalement de type M1 (CD86), alors que ceux se trouvant au niveau interstitiel sont de type M2c (CD150). Ces derniers sont des macrophages impliqués dans la production des composantes de la matrice extracellulaire. Ce groupe a également observé qu’environ 60% des macrophages interstitiels expriment un phénotype mixte (M1 et M2) chez les individus de poids normal. De plus, les individus obèses ont davantage de macrophages de type M2 (CD206) comparativement au groupe contrôle (292). Chez l’humain, aucune étude ne permet de distinguer les macrophages recrutés des macrophages résidents. Ainsi, il est impossible de déterminer si le changement de phénotype des macrophages en présence d’obésité s’effectue in situ ou si de nouveaux macrophages sont recrutés en réponse aux changements de masse grasse. L’ensemble de ces études suggèrent que les macrophages présents dans les tissus

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adipeux humains ont un phénotype complexe et que l’utilisation de la nomenclature M1/M2 simplifie probablement leur phénotype (282).

Facteurs responsables de l’infiltration des macrophages

Les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la diapédèse des monocytes et dans l’activation des macrophages sont possiblement multiples et complexes (195). Tel que présenté précédemment, l’expansion du tissu adipeux se traduit par une hypertrophie et/ou une hyperplasie adipocytaire pouvant entraîner de nombreuses conséquences, incluant l’hypoxie, la mort cellulaire, l’augmentation de la sécrétion de chimiokines et une altération dans le flux des acides gras (100). Le recrutement et l’activation des macrophages pourraient être des conséquences de ces phénomènes. Cette section présente les principaux facteurs proposés dans la littérature pour expliquer l’augmentation de l’infiltration des macrophages dans les tissus adipeux dans un contexte d’obésité.

Mort adipocytaire- Considérant leur fonction dans les autres tissus, quelques auteurs ont proposé

que les macrophages pourraient être impliqués dans l’ingestion et dans la destruction de particules par le processus de phagocytose. Cinti et al. (277) ont émis l’hypothèse que la mort des adipocytes hypertrophiés est un stimuli impliqué dans la régulation de l’infiltration de macrophages dans le tissu adipeux (Figure 11). Ainsi, les macrophages qui infiltrent le tissu adipeux seraient recrutés pour phagocyter les débris cellulaires des adipocytes nécrosés. Par ailleurs, les macrophages disposés typiquement en couronne autour des adipocytes contiennent des gouttelettes lipidiques, ce qui appuie leur activité de phagocytose des lipides (272).

Chimiokines- Les chimiokines sont, par définition, des cytokines chimioattractantes favorisant la

migration de cellules inflammatoires (ex : monocytes) et entraînant leur accumulation à l’endroit où elles ont été sécrétées. Lors d’un processus inflammatoire, il est bien connu que les chimiokines sont impliquées dans le recrutement des macrophages. Des études chez la souris et l’humain ont rapporté une augmentation des niveaux d’expression des chimiokines et de leurs récepteurs dans les tissus adipeux avec l’obésité (272, 275). Plus spécifiquement, l’importance du système MCP- 1/CCR2 (récepteur de MCP-1) dans l’accumulation des macrophages du tissu adipeux a été décrite chez la souris (293). Effectivement, deux études ont utilisé des souris transgéniques afin d’augmenter l’expression de MCP-1 dans le tissu adipeux. Ces deux études ont observé une augmentation du nombre de macrophages dans le tissu adipeux des souris ayant une expression plus élevée de MCP-1 (294, 295). Kanda et al. (294) ont également rapporté que pour un poids corporel similaire, les souris MCP-1-/- _{soumises à une diète riche en gras ont moins de macrophages dans le}

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tissu adipeux et elles sont plus sensibles à l’insuline comparativement à un groupe contrôle. Lumeng et al. (286) ont montré que les souris CCR2-/- _{présentent une diminution du nombre de}

macrophages et une augmentation du diamètre adipocytaire. À l’inverse, d’autres études effectuées chez la souris ont rapporté une accumulation des macrophages dans le tissu adipeux en réponse à un régime riche en gras, même en l’absence de MCP-1 ou de son récepteur (296-298). Ainsi, l’implication du système MCP-1/CCR2 dans le recrutement de macrophages du tissu adipeux est controversée. D’autres études effectuées chez l’animal ont également examiné l’implication du système CCL3/CCR5 dans le recrutement des macrophages (299-301). Chez l’humain, des travaux ont suggéré que la chimiokine CCL5 pourrait contribuer à l’infiltration des macrophages (302). Actuellement, de plus amples études sont nécessaires afin de mieux comprendre le rôle des diverses chimiokines dans le recrutement des monocytes.

Leptine- Tel que mentionné précédemment, l’adipocyte hypertrophié est caractérisé par une

augmentation de la production de leptine (303). Le dérèglement de la sécrétion de la leptine semble favoriser le recrutement des macrophages dans le tissu adipeux d’individus obèses, puisque celle-ci exerce un effet sur l’expression des molécules d’adhésion dans les cellules endothéliales. Effectivement, une étude in vitro a suggéré que la leptine favoriserait l’adhésion de macrophages dérivés des monocytes au niveau des cellules endothéliales du tissu adipeux (304). Gruen et al. (305) ont également démontré, dans une étude in vitro, que la leptine peut agir comme une molécule chimioattractante pour les monocytes. Plus récemment, Gutierrez et al. (306) n’ont observé aucun changement dans l’accumulation de macrophages chez des souris déficientes en récepteur de la leptine (LepR-/-_{) soumises à une diète riche en gras. Des résultats contradictoires ont été rapportés}

dans une autre étude (307). Des études supplémentaires sont toujours nécessaires afin de mieux comprendre le lien entre la sécrétion de leptine et le recrutement des macrophages dans le tissu adipeux.

Lipides- Tel que mentionné précédemment, l’obésité est associée à une augmentation de la taille

des adipocytes, ainsi qu’à une augmentation de la libération des acides gras non-estérifiés et du glycérol résultant d’une réponse lipolytique altérée (166). Kosteli et al. (308) ont récemment démontré qu’une augmentation des acides gras libres induite par la lipolyse du tissu adipeux engendre un recrutement des macrophages dans les tissus adipeux de souris. En effet, une augmentation du nombre de macrophages dans le tissu adipeux a été observée lors des phases précoces d’une restriction calorique induisant une perte de poids chez les souris obèses au moment où la lipolyse adipocytaire est stimulée. Par ailleurs, dans cette même étude, aucune augmentation significative du recrutement de macrophages dans le tissu adipeux de souris déficientes en

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triglycéride lipase n’a été observée suivant un jeûne. Ces dernières données suggèrent qu’une libération d’acides gras non-estérifiés augmentée est impliquée dans l’accumulation de macrophages dans le tissu adipeux chez la souris. Ces macrophages semblent phagocyter l’excès de lipides, ce qui pourrait contribuer à la restauration locale de l’homéostasie lipidique. À partir de cette démonstration, nous avons montré chez l’humain qu’une réponse lipolytique élevée dans les deux compartiments adipeux est associée à une augmentation de l’expression des gènes de macrophages dans les tissu adipeux entiers et ce, indépendamment de l’adiposité et de la taille des adipocytes (309). À l’inverse, une étude récente a démontré dans des modèles in vitro et in vivo que les acides gras libérés lors de la lipolyse ne modulent pas l’accumulation de macrophages dans les tissus adipeux (310).

L’interaction entre les macrophages et les adipocytes pourrait aggraver l’inflammation chronique associée à l’obésité et ainsi participer au recrutement des macrophages (194). Effectivement, dans un tissu adipeux dysfonctionnel, les adipocytes hypertrophiés ayant une activité lipolytique élevée libèrent des acides gras et des cytokines inflammatoires qui pourraient stimuler les voies de signalisation intracellulaires TLR4/NFκB dans les macrophages (311). En utilisant un système de cocultures in vitro composé de macrophages et d’adipocytes, Suganami et al. (312, 313) ont démontré que le TNF-α sécrété par les macrophages induit la libération des acides gras saturés des adipocytes via le processus de lipolyse. À leur tour, les acides gras saturés induisent des changements au niveau de la réponse inflammatoire des macrophages via la voie TLR4 en modulant la production de cytokines pro-inflammatoires de ces derniers. Cette boucle paracrine délétère entre les adipocytes et les macrophages constitue un cercle vicieux qui augmente l’inflammation du tissu adipeux et qui pourrait favoriser le recrutement des monocytes (314).

D’autres facteurs tels que l’hypoxie cellulaire (315), le stress oxydatif et la sécrétion d’adipokines autre que la leptine sont susceptibles d’intervenir dans le recrutement et l’activation des macrophages dans le tissu adipeux (284, 314). De plus amples études sont nécessaires afin de mieux définir le spectre complet des facteurs contribuant à la diapédèse des monocytes et à l’activation endothéliale dans le tissu adipeux au cours de l’obésité.

Effets sur le métabolisme du tissu adipeux

L’impact réel des macrophages sur les fonctions métaboliques du tissu adipeux demeure encore peu connu. Certains auteurs ont suggéré que les macrophages pourraient : 1) participer au développement de la résistance à l’insuline; 2) favoriser la production et la sécrétion de cytokines par l’adipocyte; et 3) limiter la capacité d’expansion du tissu adipeux en balance énergétique positive (284). D’ailleurs, les souris CCR2-/- _{sont caractérisées par une diminution du nombre de}

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macrophages, mais par une augmentation de la masse adipeuse (273, 286). De plus, les préadipocytes humains incubés dans un milieu contenant des macrophages pro-inflammatoires (M1) montrent une adipogenèse altérée et une accumulation des composantes de la matrice extracellulaire (316). Ainsi, ces études suggèrent que les macrophages de type M1, ainsi que la présence de matrice extracellulaire pourraient limiter l’expansion du tissu adipeux. Cette expansion limitée des adipocytes pourrait favoriser le stockage des graisses au niveau ectopique et engendrer des conséquences néfastes au niveau métabolique. La section 2.8 de cette thèse décrira plus en détails la pathogénèse d’une déposition excessive des composantes de la matrice extracellulaire dans les tissus adipeux.

D’autre part, certains auteurs ont suggéré que les macrophages pourraient supporter la croissance du tissu adipeux en favorisant l’angiogenèse (317). Les macrophages pourraient exercer leur rôle classique de phagocyte en éliminant les adipocytes nécrosés et en participant au maintien de l’intégrité du tissu adipeux (277). De plus, tel que présenté précédemment, l’étude de Kosteli et al. (308) a démontré qu’une augmentation des acides gras libres induite par la lipolyse du tissu adipeux engendre un recrutement des macrophages dans les tissus adipeux de souris. Ces macrophages pourraient exercer leur activité de phagocytose en éliminant l’excès de lipides, contribuant ainsi à la restauration locale de l’homéostasie lipidique. D’ailleurs, l’augmentation de la capacité de stockage des triglycérides dans les macrophages et les adipocytes via la surexpression de la diacylglycérol acyltransférase 1 (DGAT 1) protège les souris de l’accumulation et l’activation des macrophages M1 dans les tissus adipeux (318).

Lien avec les complications cardiométaboliques

Quelques études ont examiné la relation entre l’infiltration de macrophages dans les tissus adipeux et les complications métaboliques associées à l’obésité. Des travaux effectués chez la souris ont démontré que l’infiltration de macrophages précède l’hyperinsulinémie induite par un régime riche en gras, suggérant un lien de cause à effet entre ces deux évènements. De plus, la délétion de CCR2 chez la souris soumise à une diète riche en graisse a entrainé la réduction du nombre de macrophages dans le tissu adipeux et une amélioration de la sensibilité à l’insuline (319). Ainsi, dans des modèles murins, l’importance des macrophages du tissu adipeux dans le développement de l’insulino-résistance est bien établie. Cette relation demeure toutefois controversée chez l’humain. Harman-Boehm et al. (278) ont observé une association négative entre la sensibilité à l’insuline et l’expression de marqueurs de macrophages dans le tissu adipeux, plus spécifiquement dans le tissu adipeux viscéral. Apovian et al. (320) ont montré que les macrophages contenus dans les structures en forme de couronne sont associés à une détérioration de la sensibilité à l’insuline. Par ailleurs,

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Wentworth et al. (291) ont également observé, par des mesures de cytométrie en flux, que l’obésité et la résistance à l’insuline sont associées à une augmentation significative des macrophages pro- inflammatoires (CD11c+CD206-) dans les deux dépôts adipeux. Le et al. (321) ont montré que les individus présentant des macrophages disposés en forme de couronne autour des adipocytes sont caractérisés par une grande accumulation de graisse viscérale et hépatique, ainsi que par une résistance à l’insuline plus élevée. De plus, Huang et al. (281) ont noté que les femmes atteintes du syndrome des ovaires polykystiques sont caractérisées par une augmentation de l’expression du gène CD11c dans le tissu adipeux sous-cutané, une plus grande quantité de macrophages disposés