Rôles du système de l’interleukine-1β dans
l’encéphalite auto-immune expérimentale,
un modèle de sclérose en plaques
Thèse
Alexandre Paré
Doctorat en médecine moléculaire
Philosophiæ doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
Résumé
L’interleukine-1b (IL-1b) est une cytokine inflammatoire qui joue des rôles extrêmement importants dans les réponses immunitaires stériles et contre plusieurs pathogènes. Compte tenu de ses propriétés inflammatoires puissantes, des dérégulations dans le système de l’IL-1b peuvent parfois être impliquées dans la pathophysiologie de certaines maladies ou syndromes. L’une des pathologies plausibles est la sclérose en plaques, une maladie auto-immunitaire caractérisée par l’apparition de plaques de démyélinisation dans le système nerveux central (SNC), une neurodégénérescence ainsi que des troubles moteurs et cognitifs. L’objectif de cette thèse était d’étudier la contribution du système de l’IL-1b dans un modèle de souris de la maladie, l’encéphalite auto-immune expérimentale (EAE), qui mime plusieurs aspects de la pathologie humaine. Les résultats de ces expériences font partie de deux articles scientifiques inclus dans cette thèse. La première étude nous a permis de confirmer l’importance de l’IL-1b et de son récepteur IL-1R1 dans le développement des symptômes de paralysie dans l’EAE. Nous avons également identifié les cellules myéloïdes (neutrophiles, monocytes et macrophages) comme étant les principaux producteurs d’IL-1b suite à l’induction de l’EAE. Cette étude a aussi confirmé l’importance des effets de l’IL-1b sur les cellules endothéliales du SNC dans l’EAE. Dans la deuxième étude, nous avons démontré que la production d’IL-1b par les monocytes inflammatoires est cruciale pour leur migration dans le SNC. Une fois à l’intérieur du parenchyme nerveux, les monocytes acquièrent un phénotype de cellule présentatrice d’antigènes et activent les lymphocytes T CD4+ de
façon IL-1b-dépendante. Cette activation confère aux lymphocytes T un phénotype très inflammatoire et neurotoxique. Somme toute, les résultats présentés dans cette thèse démontrent que le système de l’IL-1b participe à plusieurs mécanismes cellulaires impliqués dans le développement et l’exacerbation de l’auto-immunité du SNC. Ces travaux ainsi que ceux d’autres équipes justifient d’étudier en profondeur les signaux moléculaires précis induits par l’IL-1b chez les cellules endothéliales du SNC ainsi que chez les lymphocytes T, autant dans l’EAE que dans la sclérose en plaques. Ces études pourraient permettre d’identifier des cibles thérapeutiques intéressantes qui n’affecteraient que les effets négatifs et pathogéniques de l’IL-1b.
Abstract
Interleukin-1b (IL-1b) is an inflammatory cytokine that actively participates in sterile and pathogen-dependant immune responses. Given its mighty inflammatory potential, regulatory defects in the IL-1b system may participate to the pathophysiology of some diseases and syndromes. One such plausible pathology is multiple sclerosis, an autoimmune disease characterised by the presence of demyelinating plaques in the central nervous system (CNS), neurodegeneration as well as motor and cognitive defects. The main objective of this thesis was to study the contribution of the IL-1b system in a mouse model of the disease, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), which mimics several aspects of the human pathology. The results of these experiments were incorporated into two scientific studies included in this thesis. The first study allowed us to confirm the importance of IL-1b and its receptor, IL-1R1, in the development of paralysis in EAE. We were able to identify myeloid cells (neutrophils, monocytes and macrophages) as the principal sources of IL-1b in EAE. The study also allowed us to examine the significance of the effects of IL-1b on CNS endothelial cells. In the second study, we showed that the production of IL-1b by inflammatory monocytes was crucial for their migration into the CNS parenchyma. Once inside the CNS, monocytes acquire an antigen-presenting cell phenotype and activate CD4+ T lymphocytes in an IL-1b-dependant manner. This activation gives an
highly inflammatory and neurotoxic phenotype to CD4+ T cells. Overall, the
results presented in this thesis show that the IL-1b system regulates several cellular mechanisms implicated in the development and exacerbation of CNS autoimmunity. This work and the work of others justify a more exhaustive study of the molecular signals induced by IL-1b in CNS endothelial cells and T lymphocytes, both in EAE and multiple sclerosis. These studies could lead to the identification of therapeutic targets that would only impact the negative and pathogenic effects mediated by IL-1b.
Table des matières
RÉSUMÉ ... III ABSTRACT ... IV TABLE DES MATIÈRES ... V LISTE DES TABLEAUX ... IX LISTE DES FIGURES ... X LISTE DES ABRÉVIATIONS ... XII REMERCIEMENTS ... XVI AVANT-PROPOS ...XVIII INTRODUCTION ... 1 1.1LA RÉPONSE INFLAMMATOIRE ... 2 1.1.1 L’immunité innée ... 2 Les neutrophiles ... 5
Les monocytes et cellules effectrices dérivées ... 6
Les cellules dendritiques ... 9
1.1.2 L’immunité adaptative ... 12
La transformation de l’antigène ... 12
La migration leucocytaire vers les organes lymphoïdes secondaires ... 14
La présentation d’antigènes et la différentiation des lymphocytes ... 18
1.2L’INTERLEUKINE-1b ... 23
1.2.1 La production de l’IL-1b ... 24
La maturation de l’IL-1b ... 25
La sécrétion de l’IL-1b et la pyroptose ... 27
1.2.2 La signalisation induite par l’IL-1b ... 27
1.2.3 Les pathologies reliées à l’IL-1b ... 30
1.3LA SCLÉROSE EN PLAQUES ... 33
1.3.1 Description et diagnostique... 33
1.3.2 Les causes et facteurs de risque ... 35
1.3.3 Immunologie de la sclérose en plaques ... 39
1.4L’ENCÉPHALITE AUTO-IMMUNE EXPÉRIMENTALE ... 44
1.4.1 Description et limitations des modèles ... 44
EAE induite par immunisation active ... 45
EAE induite par transfert passif ... 47
Modèles transgéniques d’EAE ... 48
1.4.2 Les voies inflammatoires essentielles au développement de l’EAE ... 48
Les cellules myéloïdes et leur production d’IL-1 ... 48
L’expression du GM-CSF par les lymphocytes ... 52
1.5PROBLÉMATIQUES ET OBJECTIFS EXPÉRIMENTAUX... 52
Premier article ... 53
Deuxième article ... 54
Troisième article ... 54
MYELOID CELL TRANSMIGRATION ACROSS THE CNS VASCULATURE TRIGGERS IL-1b-DRIVEN NEUROINFLAMMATION DURING AUTOIMMUNE ENCEPHALOMYELITIS IN MICE ... 56
2.1RÉSUMÉ ... 57
2.2ABSTRACT ... 58
2.3INTRODUCTION ... 59
2.4MATERIAL AND METHODS ... 60
2.4.2 Production of chimeric mice ... 60
2.4.3 EAE induction and clinical scoring ... 61
2.4.4 Immunoblotting... 61
2.4.5 Leukocyte isolation ... 61
2.4.6 Flow cytometry ... 62
2.4.7 Real time quantitative RT-PCR (qRT-PCR) ... 63
2.4.8 Two-photon intravital microscopy (2P-IVM) ... 64
2.4.9 Purification of bone marrow neutrophils and Gr1+ cells ... 64
2.4.10 Intravital visualization of neutrophils firm attachment ... 65
2.4.11 Subdural IL-1b injection and adoptive transfer of Gr1+ cells ... 65
2.4.12 Immunostaining and histology ... 66
2.4.13 In situ hybridization (ISH)... 67
2.4.14 Isolation and culture of BMECs ... 67
2.4.15 Myeloid cell transmigration assay ... 68
2.4.16 Multiplex cytokine assay and ELISA ... 68
2.4.17 Statistical analysis ... 68
2.5RESULTS ... 69
2.5.1 Mice deficient in IL-1R1 or IL-1b, but not IL-1a, are resistant to EAE. ... 69
2.5.2 IL-1b released from radiosensitive cells acts on IL-1R1 expressed by radioresistant cells to induce EAE. ... 70
2.5.3 EAE onset is supported by neutrophils and a subset of monocyte-derived macrophages (MDMs) producing bioactive IL-1b. ... 71
2.5.4 IL-1b expression by neutrophils is not required for their firm adhesion to spinal cord postcapillary venules during EAE... 75
2.5.5 Neutrophils and MDMs produce pro-IL-1b upon migration across the BSCB. ... 75
2.5.6 IL-1b is produced by infiltrating myeloid cells but not by resident leptomeningeal macrophages. ... 78
2.5.7 IL-1R1 is mainly expressed by ECs of the pial venous plexus and its expression correlates with primary sites of leukocyte infiltration. ... 78
2.5.8 Stimulation of CNS-ECs with IL-1b initiates the production of proinflammatory cytokines critical to EAE/MS pathogenesis. ... 81
2.5.9 Adoptive transfer of IL-1b-competent neutrophils and monocytes promotes the recruitment of effector myeloid cells and turns IL-1b-KO mice into EAE-sensitive animals. ... 84
2.6DISCUSSION ... 89
2.7ACKNOWLEDGMENTS ... 92
2.8REFERENCES ... 93
2.9ONLINE SUPPLEMENTAL MATERIAL ... 99
2.9.1 Supplementary videos legends ... 99
2.9.2 Supplementary figures... 100
2.9.3 Supplementary table ... 102
IL-1b ENABLES CNS ACCESS TO CCR2HI MONOCYTES AND THE GENERATION OF ENCEPHALITOGENIC CD4+ T CELLS ... 103
3.1RÉSUMÉ ... 104
3.2ABSTRACT ... 105
3.3INTRODUCTION ... 106
3.4MATERIAL AND METHODS ... 108
3.4.1 Animals ... 108
3.4.2 Production of mixed bone marrow chimeras ... 108
3.4.3 EAE induction and clinical scoring ... 109
3.4.8 Stimulation of MOG-reactive CD4+ T cells ... 111
3.4.9 Immunostaining and histology... 112
3.4.10 Mouse BMEC and monocyte cultures and myeloid cell transmigration assay . 112 3.4.11 Human BMEC culture ... 113
3.4.12 Two-photon intravital microscopy ... 113
3.4.13 Primary cortical neuron culture ... 114
3.4.14 Statistical analysis ... 114
3.5RESULTS ... 115
3.5.1 IL-1b deficiency affects the number of circulating and splenic myeloid cells after EAE induction. ... 115
3.5.2 Monocyte and neutrophil transmigration across CNS endothelial cells is severely impaired when IL-1b signaling is compromised. ... 117
3.5.3 IL-1b expression favors the migration of inflammatory monocytes, but not neutrophils, into the spinal cord prior to EAE onset. ... 118
3.5.4 Spinal cord-infiltrated monocytes display an APC phenotype and are associated with dividing CD4+ T cells. ... 122
3.5.5 APCs isolated from Il1b-/- mice are less efficient at activating autoreactive CD4+ T cells. ... 125
3.5.6 Deficits in IL-1b signaling, but not in antigen presentation, are responsible for the reduced T cell activation in Il1b-/- mice. ... 126
3.5.7 Factors released from the interaction between IL-1b-competent myeloid cells and myelin-reactive CD4+ T cells are highly toxic to neurons. ... 129
3.6DISCUSSION ... 131
3.7ACKNOWLEDGMENTS ... 134
3.8REFERENCES ... 135
3.9ONLINE SUPPLEMENTAL MATERIAL ... 138
3.9.1 Supplementary videos legends ... 138
3.9.2 Supplementary figures ... 139
3.9.3 Supplementary tables ... 144
INVOLVEMENT OF THE IL-1 SYSTEM IN EXPERIMENTAL AUTOIMMUNE ENCEPHALOMYELITIS AND MULTIPLE SCLEROSIS: BREAKING THE VICIOUS CYCLE BETWEEN IL-1b AND GM-CSF ... 146
4.1RÉSUMÉ ... 147
4.2ABSTRACT ... 148
4.3INTRODUCTION ... 149
4.3.1 The IL-1 cytokine system ... 149
4.3.2 Expression and roles of IL-1 cytokines in EAE ... 150
Myeloid cells as the primary source of IL-1b ... 151
Other cellular sources ... 151
4.3.3 Contribution of IL-1R1 to EAE pathogenesis ... 153
Endothelial IL-1R1 ... 153
Leukocyte IL-1R1: T Lymphocytes ... 155
Leukocyte IL-1R1: Dendritic cells ... 156
Microglial IL-1R1 ... 156
4.4EVIDENCE OF THE PATHOGENIC INVOLVEMENT OF THE IL-1 SYSTEM IN MS ... 157
4.5CONCLUDING REMARKS ... 158
4.6ACKNOWLEDGMENT ... 159
4.7REFERENCES ... 160
DISCUSSION ... 171
5.1L’IL-1b, L’AGONISTE DE L’IL-1R1 ESSENTIEL AU DÉVELOPPEMENT DE L’EAE ... 171
5.2L’IMPACT DE L’IL-1R1 SUR LA VASCULATURE DU SNC DANS L’EAE ... 174
5.3LA PARTICIPATION DE L’IL-1R1 CHEZ LES LYMPHOCYTES CD4+ DANS L’EAE ... 177
CONCLUSION ... 182 BIBLIOGRAPHIE ... 183
Liste des tableaux
1.1 Les membres de la famille de l’IL-1 et leurs récepteurs ... 24
1.2 Maladies et syndromes impliquant le système de l’IL-1 ... 31
1.3 Thérapies utilisées pour le traitement de la sclérose en plaques ... 41
1.4 Les différentes souris et peptides utilisés pour l’induction de l’encéphalite auto-immune expérimentale ... 46
2.1 EAE susceptibility of mice included in this study ... 102
3.1 Transfer of neutrophils to Il1b-/- mice does not restore EAE ... 121
S3.1 List of antibodies used in the present study... 144
Liste des figures
1.1 Localisation cellulaire des différents types de PRR ... 3
1.2 Étapes impliquées dans la migration des leucocytes vers le foyer inflammatoire ... 4
1.3 Patron temporel des réponses immunitaires innées et adaptatives ... 5
1.4 Génération des cellules dendritiques et monocytes à partir de précurseurs hématopoïétiques ... 7
1.5 Changements phénotypiques des cellules dendritiques suite à leur activation... 11
1.6 Propriétés associées à la présentation d’antigènes des cellules dendritiques, macrophages et lymphocytes B ... 13
1.7 Anatomie de la rate et des ganglions lymphatiques ... 14
1.8 Localisation des différents organes lymphoïdes humains ... 15
1.9 Recrutement des monocytes aux ganglions lymphatiques ... 17
1.10 Anatomie détaillée des ganglions lymphatiques et distribution des différentes populations leucocytaires ... 20
1.11 Les trois signaux envoyés par une cellules présentatrice d’antigènes au lymphocytes T CD4+ ... 20
1.12 Mécanismes moléculaires impliqués dans la tolérance immunogénique... 21
1.13 Caractéristiques des différentes sous-populations de lymphocytes CD4+ ... 22
1.14 Sites de clivages impliqués dans la maturation des formes immatures de l’IL-1a et l’IL-1b ... 25
1.15 Signaux 1 et 2 impliqués dans la production et la maturation de l’IL-1b ... 26
1.16 Voies de signalisation intracellulaire induites par l’activation de l’IL-1R1 par l’IL-1a et l’IL-1b ... 28
1.17 Régulation endogène de l’activation du récepteur IL-1R1 ... 30
1.18 Listes des thérapies disponibles qui interfèrent avec le système de l’IL-1 ... 32
1.19 Liste des 50 pays avec la plus grande prévalence de sclérose en plaques ... 34
1.20 Contribution de la composante génétique au risque de développer la sclérose en plaques ... 37
1.21 Localisation de différentes protéines de la myéline ... 42
1.22 Exemples de l’évolution du score clinique de trois différents modèles d’EAE ... 47
2.1 IL-1b released from radiosensitive cells acts on IL-1R1 expressed on radioresistant cells to induce EAE ... 70
2.2 Neutrophils and monocyte-derived macrophages are the relevant IL-1 b-producing cells in the acute phase of EAE ... 73
2.3 IL-1b is mainly expressed by neutrophils and macrophages that infiltrated the spinal cord parenchyma at peak of disease ... 76
2.4 IL-1b is produced by neutrophils and monocyte-derived macrophages as a result of their transmigration across the blood-spinal cord barrier ... 77
2.5 IL-1b is rarely expressed by spinal cord-resident leptomeningeal macrophages and microglia ... 80
2.6 IL-1R1 is expressed by endothelial cells of the pial venous plexus, which corresponds to the primary site of myeloid cell infiltration during acute EAE ... 82
2.7 IL-1b drives a cytokine/chemokine expression profile in mouse and human BBB/BSCB endothelial cells predicted to favor neutrophil and monocyte activities ... 86 2.8 Adoptive transfer of IL-1-competent neutrophils and monocytes to Il1b-/- mice
S2.2 Confirmation of the specificity of the anti-IL-1b antibody by immunostaining of
spinal cord tissue sections from WT and Il1b-/- mice ... 101
3.1 Myeloid cell egress from the bone marrow and homing to lymphoid organs during EAE are compromised in the absence of IL-1b ... 116
3.2 Transmigration through the blood-CNS barrier is impaired when IL-1b signaling is disrupted ... 119
3.3 IL-1b expression favors the migration of CCR2+ inflammatory monocytes into the CNS prior to EAE onset ... 120
3.4 Spinal cord-infiltrated monocytes in WT mice display an APC phenotype and are associated with dividing CD4+ T cells ... 123
3.5 IL-1b production by APCs is required for the reactivation of autoreactive CD4+ T cells and their co-production of IL-17A and IFNg ... 127
3.6 Deficits in IL-1b signaling, but not with antigen presentation, are responsible for the reduced T cell activation in Il1b-/- mice ... 128
3.7 Myeloid-cell-derived IL-1b lowers the neurotoxicity threshold of autoreactive CD4+ T cells ... 130
S3.1 Expression of ICAM-1 and VCAM-1 in spinal cord blood vessels of WT and Il1b-/- mice ... 139
S3.2 Expression of antigen presentation-associated surface molecules on monocytes ... 140
S3.3 CD4+ T cell activation in the presence of APCs from Il1b-/- and WT mice ... 141
S3.4 IL-1b production by splenic APCs after EAE immunization ... 142
S3.5 Neurotoxicity of co-cultures of CD11b+ myeloid cells and CD4+ T cells ... 143
Liste des abréviations
ADN acide désoxyribonucléique AP-1 activator protein 1APC antigen-presenting cell
ARNm acide ribonucléique messager ATP adénosine triphosphate
BDCA1 blood dendritic cell antigen 1
BHE barrière hémato-encéphalique
Bhlhe40 basic helix–loop–helix family member e40
CAPS cryopyrin-associated periodic syndrome
CCL2 C-C ligand 2, monocyte chemoattractant protein 1 (MCP1)
CCL19 C-C ligand 19 CCL21 C-C ligand 21 CCR1 C-C receptor 1, CD191 CCR2 C-C receptor 2, CD192 CCR5 C-C receptor 5, CD195 CCR7 C-C receptor 7, CD197
CD11a intégrine aL, ITGAL
CD11b intégrine aM, ITGAM
CD11c intégrine aX, ITGAX
CD18 intégrine b2
CD62L L-sélectine
CD115 récepteur du M-CSF, CSF1R
cDC cellule dendritique conventionnelle CLR C-type lectin receptor
CNS central nervous system
Csf2ra colony-stimulating factor receptor 2 alpha
Csf2rb colony-stimulating factor receptor 2 beta
CTLA-4 cytotoxic T lymphocyte-associated protein 4, CD152
CXCL1 C-X-C ligand 1
CXCL2 C-X-C ligand 2
CXCL9 C-X-C ligand 9, monocyte induced by gamma interferon (MIG)
CXCL12 C-X-C ligand 9, stromal cell-derived factor 1 (SFD1)
CXCL13 C-X-C ligand 13
CXCR1 C-X-C receptor 1, CD181, analogue de l’IL-8Ra chez l’humain CXCR2 C-X-C receptor 2, CD182, analogue de l’IL-8Rb chez l’humain CXCR3 C-X-C receptor 3, CD183
DTR diphteria toxin receptor
EAE encéphalite auto-immune expérimentale EBV Epstein-Barr virus
ECs endothelial cells
EDSS Expanded Disability Status Scale
ERK extracellular signal-regulated kinase
F4/80 EGF-like module-containing mucin-like hormone receptor-like 1
FMF familial mediterranean fever
Flox loxP-flanked
fMLP N-formylmethionine-leucyl-phenylalanine
FOXP3 forkhead box P3
GATA3 transcription factor GATA3
G-CSF granulocyte colony-stimulating factor
GM-CSF granulocyte-macrophage colony-stimulating factor
HEV high endothelial venules
HLA-DR human leukocyte antigen D related
HGNC Human Genome Organisation (HUGO) Gene Nomenclature
Committee
HUVEC human umbilical vein endothelial cell
IFN interféron
IL-1b interleukine-1 beta
IL-1R1 récepteur de type 1 de l’IL-1
IL-1RAcP protéine accessoire au récepteur de l’IL-1
IL-1RA antagoniste du récepteur de l’IL-1, produit du gène IL-1RN IL2RA interleukin-2 receptor alpha, CD25
IRAK interleukin-1 receptor associated kinase
IRM imagerie par résonance magnétique JNK c-jun N-terminal kinase
kDa kilodalton
Klf4 Kruppel-like factor 4
LFA-1 lymphocyte function-associated antigen 1, aLb2
LPC lysophosphatidylcholine, aussi connue sous le nom de lysolécithine
LPS lipopolysaccharide
Ly6C lymphocyte antigen 6 complex locus C1
Ly6G lymphocyte antigen 6 complex locus G6D
Mac-1 macrophage antigen 1, aMb2
MAP mitogen-activated protein
MBP myelin basic protein
M-CSF macrophage colony-stimulating factor
MDM monocyte-derived macrophage
MEFV mediterranean fever, PYRIN
MHCI major histocompatibility complex class I
MHCII major histocompatibility complex class II
moDC monocyte-derived dendritic cell
MyD88 myeloid differentiation primary response element 88
NET neutrophil extracellular trap
NFAT nuclear factor of activated T cells
NF-kB nuclear factor kappa B
NLR nucleotide-binding oligomerization domain (NOD)-like receptor
NLRP3 NOD, leucine-rich repeat (LRR) and pyrin containing protein 3,
NALP3, cryopyrine NMO neuromyélite optique NOD non-obese diabetic
Nr4a1 nuclear receptor subfamily 4, group A, member 1, Nurr77
P2X7R P2X purinorécepteur 7
PECAM1 platelet and endothelial cell adhesion molecule 1
PLP proteolipid protein
PPMS primary progressive multiple sclerosis
PRR pattern recognition receptor
PTX toxine pertussique
PU.1 spleen focus forming virus (SFFV) proviral integration oncogene
(Sfpi1)
RAG-1 recombination activation gene-1
RLR retinoic acid-inducible (RIG)-I-like receptor
ROS reactive oxygen species
RORgT RAR-related orphan receptor gamma, produit du gène RORC
RRMS relapsing-remitting multiple sclerosis
S1P sphingosine-1-phosphate
SCID severe combined immuno-deficiency
SIGIRR single immunoglobulin interleukin-1 receptor related molecule
Slco1c1 solute carrier organic anion transporter 1c1
SNC système nerveux central
SPMS secondary progressive multiple sclerosis
TAK1 TGFb-activated protein kinase 1
T-bet T-box trancription factor TBX21
TC lymphocyte T cytotoxic (CD8+ cytotoxic T lymphocyte)
TCM lymphocyte T à mémoire centrale
TCR T cell receptor
TEM lymphocyte T à mémoire effectrice
TH lymphocyte T auxiliaire (CD4+ T helper lymphocyte)
TIR toll- and IL-1R-like domain
TReg lymphocyte T régulateur
TGFb transforming growth factore beta
TLR toll-like receptor
TMEV Theiler's murine encephalomyelitis virus
TNFa tumor necrosis factor alpha
“If I have seen further than others, it is by standing upon the shoulders of giants.”
Remerciements
J’aurai toujours le souvenir de mes premières journées comme étudiant à la maîtrise dans le laboratoire du Dr Lacroix, en mai 2011. Autant j’étais excité
et enthousiaste par tous ces nouveaux défis devant moi, autant j’étais terrifié de faire des erreurs ou de dire des bêtises. Je me lançais, presqu’à l’aveugle, dans une aventure qui allait m’emporter là où je ne l’aurais jamais soupçonné. Et pour ce merveilleux épisode qui a occupé plus de six années de ma vie, j’ai plusieurs personnes à remercier.
D’abord, je tiens à remercier le Dr Steve Lacroix. Steve, en m’accueillant dans
ton laboratoire, tu m’as donné une opportunité incroyable d’apprendre, de me développer et de m’épanouir. Tu m’as laissé m’amuser avec de l’équipement très dispendieux et tu m’as donné une immense liberté dans mes projets. Ta direction et tes critiques m’ont permis d’hériter, du moins en partie, de ton savoir et de ta rigueur scientifique. Ton leadership, ton écoute et tes conseils ont contribué à développer mon sens de l’initiative, mes aptitudes de gestion et mon autonomie. Ton accessibilité, ta dévotion et ton enthousiasme ont fait que tu as été bien plus qu’un directeur de recherche pour moi. En fait, j’ai appris beaucoup plus que je ne l’aurais imaginé. En regardant la personne que je suis devenue, je te dis un énorme merci.
Mon parcours n’aurait pas été aussi agréable si ce n’avait été des membres du laboratoire. Je tiens d’abord à remercier Nadia Fortin, Martine Lessard et Nicolas Vallières, sans lesquels mes études auraient été beaucoup plus longues, ardues et significativement moins profitables. J’ai considérablement appris de chacun de vous, autant au niveau personnel que professionnel. Je tiens aussi à remercier les étudiants passés et présents du laboratoire : Victor Bellver Landete, Jorge Barreto Reyes, Benoit Mailhot, Floriane Bretheau, Sébastien Lévesque, Dominic Bastien, Isabelle Pineau, Sylvain Nadeau et Linda Xiang Wang. Vos conseils, votre écoute et votre aide ont fait de mon temps dans le laboratoire une expérience inoubliable.
Je veux également remercier nos nombreux collaborateurs qui nous ont permis de faire un travail de qualité qui est apprécié par la communauté scientifique : les équipes du Dr Alexandre Prat, Dr Juan Pablo de Rivero
Vaccari, Dr Robert W. Keane, de la Dre Alyson Fournier et du Dr Manu
Rangachari. Un merci particulier aux équipes du centre de recherche du CHU, celles des Drs Serge Rivest, Denis Soulet, Éric Boilard, Jean Gosselin
et Luc Vallières, qui nous ont aidés dans la réalisation de plusieurs de nos expériences. Je remercie également les Drs Éric Boilard et David Gosselin de
Je souhaite terminer en remerciant mes parents, Sylvie et Daniel, mon frère, Marc-Antoine, ainsi que ma tendre et douce moitié, Yanick. Vous avez été témoins de mes frustrations et de mes joies et bien que ce que je faisais n’avait souvent aucun sens à vos yeux, vous avez toujours fait preuve d’une grande compréhension et d’une écoute exemplaire. Vous avez été et serez toujours une source d’inspiration pour moi. Enfin, je veux aussi remercier mes amis et ma belle-famille qui, eux-aussi, m’ont continuellement encouragé dans mes projets et passions. Cette thèse a été possible grâce à chacun et chacune d’entre vous, et aucun mot n’est à la hauteur de mes sentiments de gratitude et d’appréciation.
Avant-propos
Au cours de mes six années au Centre de recherche du CHU de Québec – Université Laval, j’ai eu l’immense privilège de côtoyer nombre de chercheurs, étudiants, professionnels de recherche et personnels de soutien qui ont fait de mes études graduées une expérience excitante et inspirante. Ces belles rencontres ont fréquemment mené à des échanges captivants et des discussions passionnées, lesquels m’ont permis de m’impliquer dans plusieurs projets. En conséquence, j’ai eu le privilège de participer de près ou de loin à plus d’une dizaine d’articles scientifiques. Parmi ces articles, trois se retrouvent à l’intérieur de cet ouvrage.
Cette thèse est divisée en cinq chapitres couvrant le sujet principal de mes études doctorales. Le premier chapitre se veut une introduction des différents thèmes et concepts rencontrés durant mes études et nécessaires à la compréhension de mes travaux de recherche.
Le deuxième chapitre traite de l’article nommé « Myeloid cell transmigration
across the CNS vasculature triggers IL-1b–driven neuroinflammation during autoimmune encephalomyelitis in mice » paru dans le Journal of Experimental Medicine en mai 2016. Cette étude multicentrique dirigée par le
Dr Steve Lacroix a été rendue possible grâce à l’effort conjoint des Drs
Alexandre Prat (Université de Montréal), Juan Pablo de Rivero Vaccari (Université de Miami) et Robert W. Keane (Université de Miami). Le Dr
Sébastien A. Lévesque et moi-même partageons le premier rang des auteurs et avons contribué à la réalisation de la majorité des expériences de même qu’à l’écriture du manuscrit. Les manipulations en lien avec la culture in vitro ont été réalisées par l’équipe du Dr Prat et les expériences
d’immunobuvardage par celles des Drs de Rivero Vaccari et Keane. Le Dr
Lévesque et moi avons pu compter sur l’aide du Dr Steve Lacroix pour la
conception de la majorité des expériences de même que pour l’écriture de l’article.
Pour sa part, le troisième chapitre contient l’article nommé « IL-1b enables CNS access to CCR2hi monocytes and the generation of encephalitogenic
CD4+ T cells. » Cette étude pilotée par le Dr Lacroix résulte d’une
collaboration entre les Dr Manu Rangachari (Université Laval), Dr Alexandre
Prat (Université de Montréal) et Dre Alyson Fournier (Université McGill).
Comme premier auteur, j’ai participé à la conception et la réalisation de la majorité des manipulations de même qu’à la rédaction du manuscrit. Les études de présentation d’antigènes et de croissance neuronale ont été réalisées conjointement avec les équipes des Drs Rangachari et Fournier,
Le quatrième chapitre renferme un article de revue publié en juin 2016 dans le journal « Brain, Behavior and Immunity » et intitulé « Involvement of the
IL-1 system in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis: Breaking the vicious cycle between IL-1b and GM-CSF ». En tant
que premier auteur de l’article, j’ai contribué avec le Dr Lacroix à la
conception, à la recherche du contenu et à l’écriture du manuscrit.
Finalement, le cinquième chapitre se veut une discussion des chapitres précédents et un retour sur les conclusions de chaque article.
Sans toutefois être inclus dans cette thèse, j’ai également contribué à la production d’autres articles scientifiques révisés par des pairs. On retrouve ainsi, en ordre chronologique :
Cloutier N, Paré A, Farndale RW, Schumacher HR, Nigrovic PA, Lacroix S, Boilard E (2012) Platelets can enhance vascular permeability. In: Blood, pp 1334-1343.
Soulet D, Paré A, Coste J, Lacroix S (2013) Automated Filtering of Intrinsic Movement Artifacts during Two-Photon Intravital Microscopy. In: PLoS ONE, p e53942.
Aubé B, Lévesque SA, Paré A, Chamma É, Kebir H, Gorina R, Lécuyer M-A, Alvarez JI, De Koninck Y, Engelhardt B, Prat A, Côté D, Lacroix S (2014) Neutrophils Mediate Blood−Spinal Cord Barrier Disruption in Demyelinating Neuroinflammatory Diseases. In: The Journal of Immunology, pp 1-20.
Boudreau LH, Duchez AC, Cloutier N, Soulet D, Martin N, Bollinger J, Paré A, et al. (2014) Platelets release mitochondria serving as substrate for bactericidal group IIA secreted phospholipase A2 to promote inflammation. In: Blood, pp 2173-2183.
Paré A, Lacroix S (2015) In Vivo Imaging of Glial and Immune Cell Responses in Central Nervous System Injury and Disease. In: Neuroinflammation New Insights into Beneficial and Detrimental Functions, First Edition, pp 21-38.
LeBel M, Egarnes B, Brunet A, Lacerte P, Paré A, Lacroix S, Brown JP, Gosselin J (2017) Ly6Chigh monocytes facilitate transport of MHV-68 into
inflamed joints of arthritic mice. In: European Journal of Immunology, pp 1-8.
Par ailleurs, j’ai aussi participé à quatre autres études présentement en cours. J’occupe la première position des auteurs pour la première, laquelle est presque complétée et traite du facteur trophique Nerve Growth Factor et
des monocytes inflammatoires dans un modèle de lésion de nerfs périphériques. La deuxième étude est dirigée par les Drs Steve Lacroix et
Sébastien A. Lévesque de même que Benoit Mailhot (Université Laval), et s’intéresse aux rôles des inflammasomes dans l’EAE. La troisième étude menée par le Dr Steve Lacroix et Benoit Mailhot (Université Laval) examine le
rôle du récepteur IL-1R1 chez certaines cellules hématopoïétiques dans un contexte d’auto-immunité du système nerveux central. La dernière étude est dirigée par les Drs Peter Nigrovic et Éric Boilard, et investigue le rôle du
Introduction
Façonné par des millions d’années d’évolution, le corps humain est une machine biologique extraordinaire capable des plus grandes prouesses. Ses rouages complexes n’ont cessé de fasciner les hommes et femmes de science qui tentent depuis des millénaires d’en percer les secrets. Menés par leur ingéniosité et leur soif de savoir, des philosophes comme Hippocrate et Aristote ont édifié les premières bases de ce qu’on appelle aujourd’hui la médecine. Il faudra toutefois attendre le 18e siècle pour voir naître la biologie
moderne avec laquelle sont arrivées des avancées scientifiques importantes dans les domaines de l’anatomie et la physiologie (Caron, 1988). L’avènement de nouvelles technologies comme la microscopie et l’histologie a par la suite poussé notre compréhension des systèmes physiologiques au niveau cellulaire, à l’échelle micrométrique. De façon similaire, la découverte de l’ADN et du code génétique a complètement révolutionné la biologie moderne et notre approche face à plusieurs pathologies. L’étude du Vivant a permis de mettre en évidence l’incroyable complexité des systèmes biologiques ainsi que les mécanismes qui permettent aux cellules, tissus et organes de demeurer en santé. La clé pour préserver cet état sain, souvent dit « de repos », est l’homéostasie, un équilibre dynamique qui se produit constamment sans même qu’on s’en aperçoive.
Le concept d’homéostasie a été introduit au début du 20e siècle par Walter
Bradford Cannon, un physiologiste Américain (Cannon, 1929). Au niveau moléculaire, l’homéostasie se définit par l’ensemble des processus fins qui contribuent au maintien du bien-être des cellules et de l’organisme. Parmi ces micro-changements, on retrouve par exemple la balance entre nutriments et déchets, la formation et le recyclage d’organelles et de protéines de même que le contrôle de la division cellulaire et la senescence. Les conditions homéostatiques sont propres à chacun des tissus et organes et sont énormément sensibles aux changements environnementaux. En conséquence, certaines conditions d’origine intrinsèque (e.g. pathologies génétiques et métaboliques) ou extrinsèque (e.g. infections et traumatismes) peuvent provoquer un débalancement de l’équilibre homéostatique. L’un des systèmes importants dans le retour à l’homéostasie est la réponse inflammatoire, un ensemble de systèmes qui participent autant à la défense de l’organisme contre les pathogènes qu’à la régénération tissulaire.
1.1 La réponse inflammatoire
Les premiers écrits connus décrivant la réponse inflammatoire proviennent du romain Aulus Cornelius Celsus, né il y a plus de 2000 ans (Lawrence et al., 2002). À cette époque, l’inflammation avait été décrite comme se présentant par cinq signaux distincts : calor (chaleur), rubor (rougeur), tumor (œdème),
dolor (douleur) et functio laesa (perte de fonction). D’un point de vue plus
moderne, l’inflammation se caractérise par l’ensemble des réponses impliquant les cellules immunitaires et leurs médiateurs. Dépendamment du stimulus ou des stimuli inflammatoires, la réponse immunitaire peut être de deux types : l’inflammation non-stérile, qui est en réaction à un pathogène (e.g. bactérie, champignon, virus) et l’inflammation stérile, qui n’implique aucun agent pathogène. Il existe une variété de cellules immunitaires qui sont chacunes spécialisées dans des types de réponses inflammatoires différentes. Les leucocytes peuvent être regroupés en deux grandes familles : les cellules de l’immunité innée (aussi dites myéloïdes) et celles de l’immunité adaptative (dites lymphoïdes).
1.1.1 L’immunité innée
L’immunité innée se caractérise par l’ensemble des réponses inflammatoires qui ne sont pas spécifiques à un antigène et qui n’impliquent pas la mémoire immunologique (Murphy, 2012). Les cellules de l’immunité innée représentent la première ligne de défense contre les pathogènes. Elles sont souvent les premiers répondants au foyer inflammatoire et sont nécessaires à la mise en place de l’immunité adaptative. À la suite d’un traumatisme ou d’une infection, les dangers inflammatoires sont identifiés à l’aide de récepteurs de patrons moléculaires, nommés PRR (pattern recognition receptor). Les PRR sont des récepteurs qui reconnaissent les patrons moléculaires associés aux dangers (DAMP) ou aux pathogènes (PAMP) (Takeuchi and Akira, 2010). Afin de détecter une grande variété de DAMP et de PAMP, les PRR sont exprimés dans différents compartiments cellulaires tels que la membrane cytoplasmique, les endosomes et le cytoplasme (Figure 1.1). Parmi tous les types de PRR, quatre grandes familles s’illustrent abondamment dans la littérature : les toll-like receptors (TLR), les retinoic acid-inducible (RIG)-I-like
receptors (RLR), les NOD-like receptors (NLR) et les C-type lectin receptors
(CLR). Alors que les RLR et CLR reconnaissent des patrons moléculaires principalement associés aux bactéries, virus et champignons, les TLR et NLR peuvent être activés autant par des ligands exogènes qu’endogènes (Chen and Núñez, 2010; Takeuchi and Akira, 2010; Netea and van der Meer, 2011). Tel que présentée à la Figure 1.1, la signalisation des PRR a comme principal effet d’augmenter le statut inflammatoire de la cellule, un effet qui se manifeste généralement par la production de médiateurs inflammatoires qui signalent la présence et la nature du danger. Plus précisément, l’activation
cellules immunitaires et ultimement d’adapter leurs réponses aux dangers présents dans l’environnement.
FIGURE 1.1 – Localisation cellulaire des différents types de PRR. Tirée
FIGURE 1.2 – Étapes impliquées dans la migration des leucocytes vers le foyer inflammatoire. Tirée de : Deniset et Kubes (2016).
Le recrutement des cellules immunitaires sanguines vers le foyer inflammatoire comprend plusieurs étapes (Figure 1.2) : 1) l’attachement faible et le roulement (rolling) médié par les sélectines; 2) la signalisation de différentes chimiokines qui entraîne l’activation d’intégrines et l’arrêt complet du leucocyte sur l’endothélium; 3) le leucocyte rampe à la surface des cellules endothéliales (crawling) dans le but de trouver un site propice à sa transmigration; 4) une fois dans le tissu, un gradient de chimiokines guide le leucocyte vers le foyer inflammatoire (Ley et al., 2007; Deniset and Kubes, 2016). Ces évènements sont partagés par les cellules de l’immunité innée et adaptative et diffèrent par la nature des molécules impliquées (sélectines, intégrines et chimiokines). D’un point de vue temporel, les cellules de l’immunité innée sont les premières à être mobilisées au site inflammatoire suivies par la suite de celles de l’immunité adaptative (Figure 1.3). Dans cette première vague leucocytaire, on retrouve principalement les neutrophiles, les monocytes ainsi que les cellules dendritiques1.
FIGURE 1.3 – Patron temporel des réponses immunitaires innées et
adaptatives. Tirée de : Murphy (2012), page 37.
Les neutrophiles
Les neutrophiles sont des phagocytes au noyau polylobé qui représentent entre 50 et 70% des leucocytes sanguins chez l’humain et de 10 à 20% chez la souris (Mayadas et al., 2014). Les neutrophiles ont une demi-vie assez courte, estimée de quelques heures à quelques jours, et sont continuellement régénérés par hématopoïèse dans la moelle osseuse. Un médiateur important qui contribue à l’augmentation rapide des neutrophiles lors d’infections est le granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) (Borregaard, 2010). On distingue principalement le neutrophile mature par son expression du récepteur Ly6G, lequel est absent chez l’humain (Gumley et al., 1995). Le recrutement du neutrophile au site inflammatoire est médié par plusieurs facteurs chimiotactiques, les plus connus étant les chimiokines CXCL1 et CXCL2, qui se lient à leur récepteur CXCR2, de même que certains médiateurs lipidiques comme le leucotriène B4 (Borregaard, 2010; Lämmermann et al., 2013; Mayadas et al., 2014). Ces signaux parviennent aux neutrophiles sanguins et favorisent leur roulement et leur adhésion aux cellules endothéliales situées à proximité du foyer inflammatoire. L’arrêt complet des neutrophiles ainsi que leur transmigration endothéliale vers le site inflammatoire impliquent souvent les intégrines CD11a/CD18 (LFA-1) et CD11b/CD18 (Mac-1) (Borregaard, 2010). Il a aussi été rapporté que lors de leur émigration de la vasculature, les neutrophiles interagissent avec les péricytes, de longues cellules associées aux veines et veinules (Hirschi and D'Amore, 1996; Proebstl et al., 2012).
Les étapes de transmigration ainsi que l’environnement cellulaire au site inflammatoire peuvent avoir une forte influence sur le comportement des neutrophiles dans le tissu en affectant différentes facettes de leur réponse. Parmi ces réponses, on retrouve la phagocytose, la production de cytokines et d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) de même que leur relâche de granules, de peptides antimicrobiens et de NETs (Nourshargh and Marelli-Berg, 2005; Borregaard, 2010; Galli et al., 2011). De par leur production d’une grande variété de cytokines, chimiokines et facteurs de croissance, les neutrophiles ont la capacité d’interagir avec plusieurs cellules immunitaires
des lignées innées et adaptatives (Scapini and Cassatella, 2014). Ces interactions se soldent régulièrement par une augmentation du phénotype inflammatoire et de la survie de la cellule cible (Scapini and Cassatella, 2014). Étonnamment, il a été rapporté que les neutrophiles sont capables d’acquérir des propriétés de cellule présentatrice d’antigènes in vitro, un phénotype associé jusqu’ici aux macrophages, cellules dendritiques et lymphocytes B (Takashima and Yao, 2015). Somme toute, les neutrophiles sont des acteurs importants dans la lutte contre les pathogènes. Ainsi, la réduction du nombre de neutrophiles sanguins, un désordre nommé neutropénie, est fréquemment accompagnée par l’apparition d’infections opportunistes occasionnant de la fièvre, des abcès ou des pneumonies (Boxer, 2012).
Les monocytes et cellules effectrices dérivées
Les monocytes représentent un groupe hétérogène de cellules immunitaires qui se caractérisent par leur noyau en forme d’haricot et leur expression des marqueurs de surface CD11b, F4/80 et du récepteur du M-CSF (CD115) (Geissmann et al., 2003). On distingue deux sous-populations de monocytes sanguins : les monocytes pro-inflammatoires (aussi dits « classiques ») et patrouilleurs (aussi dits « anti-inflammatoires ») (Geissmann et al., 2003; Gordon and Taylor, 2005; Shi and Pamer, 2011). En cytométrie en flux, les monocytes inflammatoires sont caractérisés par leur forte expression de Ly6C (Ly6Chi) et du récepteur CCR2 ainsi que leur faible niveau de CX3CR1
(CX3CR1low). Quant à eux, les monocytes patrouilleurs sont identifiés avec le
patron de récepteurs inverse, c’est-à-dire Ly6Clow, CCR2low et CX
3CR1hi. On
retrouve aussi différents sous-types de monocytes sanguins chez l’humain, lesquels partagent plusieurs propriétés avec ceux murins (Ziegler-Heitbrock, 2007; Shi and Pamer, 2011; Villani et al., 2017).
FIGURE 1.4 – Génération des cellules dendritiques et monocytes à partir
de précurseurs hématopoïétiques. Tirée de : Geissmann et al. (2010). Les signaux menant à l’hématopoïèse et à la maturation des monocytes sont maintenant bien connus (Figure 1.4). En effet, les facteurs de transcriptions PU.1 et Klf4 sont impliqués dans la génération des précurseurs de monocytes alors que le M-CSF participe à leur maturation et à leur survie (Geissmann et al., 2010). Par ailleurs, PU.1 est aussi connu pour favoriser le développement des précurseurs de cellules myéloïdes et dendritiques desquels découlent les progéniteurs de monocytes exprimant fortement Ly6C et CXCR4 (Geissmann et al., 2010; Chong et al., 2016). Il est intéressant de noter que la génération de monocytes matures se produit aussi dans la rate, un phénomène particulièrement important en conditions inflammatoires (Swirski et al., 2009; Leuschner et al., 2012). En circulation, les monocytes classiques ont une demi-vie estimée à 20 heures, après lesquelles la plupart d’entre eux se différentie en monocytes patrouilleurs (Yona et al., 2013). La transformation des monocytes Ly6Chi en Ly6Clow qui, jusqu’à maintenant,
semble être le seul moyen de générer des monocytes patrouilleurs, dépend en majeur partie du facteur de transcription Nr4a1 (Hanna et al., 2011). Compte tenu des phénomènes dynamiques de génération, de différentiation et de mortalité des monocytes Ly6Chi, on retrouve des proportions similaires
de monocytes classiques et patrouilleurs en circulation.
Quoiqu’on en sache peu sur le rôle des monocytes Ly6Chi à l’intérieur du
maintien de l’homéostasie est quant à elle mieux définie. En effet, les travaux du Dr Frederic Geissmann ont mis en évidence le fait que les monocytes
Ly6Clow patrouillent constamment la surface des cellules endothéliales et
maintiennent l’intégrité du système vasculaire (Auffray et al., 2007; Carlin et al., 2013). De façon similaire, les monocytes Ly6Chi sondent continuellement
les poumons et la peau à la recherche d’antigènes à apporter aux ganglions lymphatiques, et ce en conservant leur phénotype de monocyte (Jakubzick et al., 2013). Dans un contexte pathologique ou lésionnel, il est généralement accepté que les monocytes classiques migrent à l’intérieur du foyer inflammatoire plus rapidement et en plus grand nombre que les monocytes patrouilleurs (Shi and Pamer, 2011). Ce recrutement rapide des monocytes Ly6Chi par la voie sanguine est principalement dû à la forte production de
CCL2 au foyer inflammatoire, entraînant ainsi leur migration à l’aide des molécules d’adhésion CD62L, Mac-1, LFA-1 et VLA-4 (Serbina et al., 2008; Shi and Pamer, 2011). De leur côté, les monocytes patrouilleurs requièrent l’expression de LFA-1 et de CX3CR1 pour leur migration au site lésionnel ou
infecté (Auffray et al., 2007). Récemment, une voie de migration indépendante du système vasculaire a été rapportée pour les monocytes et macrophages. En effet, les travaux du Dr Paul Kubes ont démontré que les
macrophages résidents du péritoine sont capables de rapidement atteindre le foie lésé en migrant au travers du mésothélium, sans passer par la voie sanguine (Wang and Kubes, 2016).
Une fois à l’intérieur du parenchyme tissulaire, le milieu inflammatoire induit la différentiation des monocytes circulant en cellules effectrices, un processus qui se manifeste notamment par un changement morphologique et l’augmentation de certaines fonctions comme la phagocytose et la production de médiateurs inflammatoires (Gordon and Taylor, 2005; Mildner et al., 2013; Wynn et al., 2013). Ces cellules effectrices nouvellement arrivées de la vasculature sont souvent nommées « macrophages dérivés des monocytes » (monocyte-derived macrophages, MDMs) afin de les distinguer des macrophages résidents, ces derniers ayant une origine distincte et des fonctions qui vont au-delà de la réponse inflammatoire (Geissmann et al., 2010; Mildner et al., 2013; Varol et al., 2015). D’ailleurs, on retrouve des macrophages résidents dans presque tous les tissus et organes incluant les os (ostéoclastes), les poumons (macrophages alvéolaires), le foie (cellules de Kupffer) et le système nerveux central (microglies) (Lavin et al., 2015).
Tout comme les monocytes, les MDMs représentent une population cellulaire hétérogène et très plastique, fortement influencée par l’environnement cellulaire. En effet, le contexte tissulaire peut favoriser une réponse plus agressive et inflammatoire (appelée « M1 ») ou bien réparatrice et anti-inflammatoire (appelée « M2 ») (Gordon, 2003; Gordon and Taylor, 2005; Galli et al., 2011). Même s’il est évident que les réponses M1 et M2, aussi
« M1 », autant des MDMs que des macrophages résidents, est provoquée par des signaux fortement inflammatoires comme le LPS, le TNFa et l’IFNg, et est principalement associée à la phagocytose, la production de ROS et l’élimination de pathogènes (Gordon and Taylor, 2005; Mosser and Edwards, 2008). De son côté, la réponse « M2 » est régulièrement engendrée par des signaux anti-inflammatoires comme l’IL-4 et l’IL-10 et corrèle généralement avec une diminution du statut inflammatoire, une croissance cellulaire et une régénération tissulaire (Gordon and Taylor, 2005; Mosser and Edwards, 2008). La fin du 20e siècle a aussi vu apparaître une autre sous-catégorie de
MDMs nommée monocyte-derived dendritic cells ou moDCs (Randolph et al., 1999; Randolph et al., 2008). Il n’existe présentent aucun consensus quant aux marqueurs précis de moDCs, mais plusieurs études rapportent que ces cellules expriment de forts niveaux de CD11c et de MHCII, des protéines associées aux cellules dendritiques et à la présentation d’antigènes (Mildner et al., 2013; Guilliams et al., 2014; Akula et al., 2016). Tout comme le neutrophile, il a été rapporté que le développement d’une monocytopénie, des comptes sanguins anormalement bas en monocytes, coïncide avec l’apparition d’infections d’origines bactériennes, fongiques et virales (Vinh et al., 2010).
Les cellules dendritiques
Les cellules dendritiques (dendritic cells, DCs) sont des cellules immunitaires tissulaires de la lignée des cellules myéloïdes qui sont spécialisées dans la présentation d’antigènes (Figure 1.4). On les distinguent principalement par leur expression des marqueurs membranaires CD11c et MHCII (Shortman and Liu, 2002). Plusieurs familles de DCs ont été identifiées chez la souris : les DCs plasmacytoïdes (produisant de grandes quantités d’IFNa) et les DCs conventionnelles (cDC), lesquelles peuvent être CD4-CD8+, CD4+CD8- ou
CD4-CD8- (Caux et al., 2000; Vremec et al., 2000; Shortman and Liu, 2002).
Il existe aussi des DCs résidentes comme les cellules de Langerhans qui ont la capacité de se renouveler indépendamment des précurseurs sanguins (Merad et al., 2002; Shortman and Liu, 2002).
Comme les macrophages qui découlent des monocytes en condition inflammatoire, les DCs proviennent eux aussi de précurseurs sanguins qui migrent à l’intérieur de différents tissus en réponse aux stimuli inflammatoires (Geissmann et al., 2010). Étonnement, il a été rapporté que ces précurseurs peuvent provenir de cellules hématopoïétiques de la lignée myéloïde ou lymphoïde (Ardavin et al., 1993; Geissmann et al., 2010). Quoique plusieurs sous-types de précurseurs sanguins de DCs aient été caractérisés chez l’humain, ceux présents chez la souris font encore l’objet de recherches (Ziegler-Heitbrock et al., 2010; Villani et al., 2017). Des anticorps reconnaissant les antigènes BDCA1 et BDCA2 sont utilisés pour distinguer les précurseurs sanguins de cDC et DCs plasmacytoïdes, respectivement (Steinman and Hemmi, 2006). De façon similaire aux monocytes, une étude récente a démontré la présence de précurseurs de DCs dans la rate pouvant
donner naissance aux cDC seulement (Naik et al., 2006). De plus, l’étude pilotée par le Dr Ken Shortman a mis en évidence le fait que les monocytes
Ly6Clow (en conditions normales) et monocytes Ly6Chi (en conditions
inflammatoires) ont la capacité de générer des cDC, complexifiant ainsi l’origine des DCs (Naik et al., 2006).
Tel que mentionné plus haut, les DCs sont principalement reconnues par leur forte propension pour la présentation d’antigènes, un phénomène biologique crucial dans le développement de l’immunité adaptative (voir la section 1.1.2 pour plus de détails). Au repos, les DCs ont une capacité de phagocytose élevée et possèdent peu de molécules de co-stimulation à leur surface, favorisant ainsi la capture et le traitement des antigènes (Caux et al., 2000; Shortman and Liu, 2002; Steinman and Hemmi, 2006). Une fois activées par des PAMPs, des DAMPs ou certaines cytokines inflammatoires comme le TNFa ou l’IL-1b, les DCs entrent dans un processus de maturation aussi appelée licencing (Figure 1.5). Cette maturation réduit leur habileté à phagocyter, favorise leur migration vers les organes lymphoïdes secondaires et augmente leur capacité de présentation d’antigènes (Caux et al., 2000; Shortman and Liu, 2002; Förster et al., 2012). Compte tenu de la contribution importante des DCs au développement de l’immunité adaptative, il a été rapporté que leur absence entraîne une réduction importante de la réponse inflammatoire causée par des pathogènes comme Listeria monocytogenes et
FIGURE 1.5 – Changements phénotypiques des cellules dendritiques suite à leur activation. Tirée de : Caux et al. (2000).
1.1.2 L’immunité adaptative
L’immunité adaptative constitue la seconde ligne de défense contre les infections et représente une étape essentielle à l’éradication complète de plusieurs pathogènes (Murphy, 2012). Elle se définie par l’acquisition d’une mémoire immunologique et fait appel aux mécanismes impliqués dans la génération d’une réponse spécifique à un antigène. Compte tenu de sa complexité, le déploiement de la réponse immunitaire adaptative est plus lent que celui de l’immunité innée (Figure 1.3). En effet, le développement de l’immunité adaptative nécessite la réalisation de plusieurs étapes suivant l’infection : 1) la transformation de l’antigène et son transport vers les organes lymphoïdes secondaires par les cellules présentatrices d’antigènes
(antigen-presenting cells, APCs); 2) la présentation de l’antigènes aux lymphocytes T
et B naïfs et 3) l’expansion clonale des lymphocytes et leur différentiation en cellules effectrices (Murphy, 2012). Les étapes de capture, de transformation et de présentation de l’antigène sont principalement accomplies par les macrophages, les DCs ainsi que certains lymphocytes B. Ce sont ces cellules qui vont guider l’activation, la différentiation et la réponse des lymphocytes. Suivant la présentation d’antigènes, une mémoire antigénique est acquise seulement par les lymphocytes possédant le récepteur spécifique pour cet antigène. Pour des raisons de concision et de pertinence, les données présentées dans cette section traiteront en majorité de la présentation d’antigènes par les macrophages et DCs et leurs rôles dans l’activation des lymphocytes T CD4+.
La transformation de l’antigène
On définit les antigènes comme étant toutes molécules ou peptides pouvant être reconnus par le système immunitaire adaptatif, et plus précisément par un anticorps ou un récepteur des cellules T (T cell receptor, TCR). En conséquence, un pathogène peut générer une grande variété d’antigènes, lesquels peuvent être reconnus par plusieurs anticorps ou TCR différents. La génération d’antigènes débute par l’internalisation d’un corps étranger dans la cellule où il est enzymatiquement digéré en courts fragments. Cette digestion peut survenir dans le cytosol ou dans des vésicules endoplasmiques, générant ainsi des antigènes qui seront couplés aux complexes majeurs d’histocomptabilité de type I (MHCI) ou de type II (MHCII), respectivement (Murphy, 2012). Le type de MHC « choisi » influence par la suite le type de lymphocytes T auxquels l’antigène sera présenté. En effet, les MHC de type I participent à l’activation des lymphocytes T cytotoxiques (TC, CD8+) alors que les MHC de type II sont quant à eux
impliqués dans la présentation d’antigènes aux lymphocytes T auxiliaires (TH,
CD4+). Alors que l’expression du MHCII est restreinte aux APCs matures
Ceci implique que les APCs doivent se déplacer du foyer inflammatoire aux organes lymphoïdes secondaires.
FIGURE 1.6 – Propriétés associées à la présentation d’antigènes des cellules dendritiques, macrophages et lymphocytes B. Tirée de : Murphy (2012), page 352.
FIGURE 1.7 – Anatomie de la rate et des ganglions lymphatiques.
Tirée de : Mebius et Kraal (2005).
La migration leucocytaire vers les organes lymphoïdes secondaires
La rate et les ganglions lymphatiques partagent une variété de structures et propriétés reliées à l’immunité adaptative. En effet, les deux organes participent à la filtration des antigènes présents dans les liquides biologiques, respectivement le sang et le liquide interstitiel (aussi appelé lymphe) (Mebius and Kraal, 2005; Turley et al., 2010). Ces deux organes arborent aussi des zones anatomiques dédiées aux lymphocytes B et aux lymphocytes T (Figure 1.7) et emploient des modes de recrutement similaires pour ces deux types cellulaires (Mebius and Kraal, 2005; Turley et al., 2010; Bronte and Pittet, 2013). Au niveau de leurs différences, la rate joue un rôle important dans le recyclage des globules rouge et de leur fer (Mebius and Kraal, 2005). De plus, la rate est les ganglions lymphatiques sont connectés sur deux systèmes vasculaires différents, les vaisseaux sanguins et les vaisseaux lymphatiques. Le système lymphatique, qui forme un vaste réseau couvrant le corps entier (Figure 1.8), représente la principale route empruntée par les APCs pour se déplacer du foyer inflammatoire aux ganglions lymphatiques (von Andrian and Mempel, 2003). Le recrutement des leucocytes à l’intérieur des ganglions est maximisé par la présence de petits capillaires veineux nommés HEVs (high endothelial venules) qui favorisent leur attachement ferme et leur égression (Girard et al., 2012). Afin de simplifier la description
FIGURE 1.8 – Localisation des différents organes lymphoïdes humains.
Tirée du site web :
http://anatomybody-charts.us/structure-circulatory-lymphatic-system/ (consulté le 20 mars 2017).
En conditions homéostatiques, les leucocytes visitent constamment les différents organes lymphoïdes secondaires (Girard et al., 2012). En revanche, l’apparition d’un statut inflammatoire entraîne une forte augmentation du recrutement de leucocytes dans les organes lymphoïdes secondaires. Il est intéressant de noter que les mécanismes qui gouvernent le recrutement leucocytaire aux organes lymphoïdes secondaires en absence ou en présence de stimuli inflammatoire partagent plusieurs similitudes (von Andrian and Mempel, 2003; Girard et al., 2012). Par exemple, il a été démontré que CCL2 et CXCL9, via leurs récepteurs respectifs CCR2 et CXCR3, participent au recrutement des monocytes via les HEVs (Figure 1.9)(Janatpour et al., 2001; Palframan et al., 2001). Une fois à l’intérieur du ganglion lymphatique, les monocytes Ly6Chi recrutés par le signal CCL2 se
différentient en moDCs (Randolph et al., 1999; Palframan et al., 2001). Les DCs immatures peuvent aussi répondre au CCL2, une réponse qui est toutefois perdue lors de leur maturation (Sallusto et al., 1998). La maturation
des DCs entraine également une réduction de l’expression de CCR1, CCR5 et CXCR1 ainsi qu’un important gain des niveaux de CCR7 et CXCR4 (Sallusto et al., 1998). L’expression de CCR7 est essentielle pour la migration des DCs matures aux ganglions lymphatiques et son absence entraîne une forte réduction du nombre de leucocytes totaux dans l’organe (Braun et al., 2011; Moussion and Girard, 2011; Girard et al., 2012). Le récepteur CCR7 possède deux ligands, CCL19 et CCL21, lesquels peuvent être produits par les cellules des HEVs ou les cellules stromales du ganglion (von Andrian and Mempel, 2003; Link et al., 2007; Turley et al., 2010). Il a été rapporté que CCL19, CCL21 et CCL2 produits au foyer inflammatoire peuvent être transportés jusqu’aux vaisseaux lymphatiques pour être exposés à la surface luminale et ainsi contribuer au recrutement leucocytaire (Stein et al., 2000; Baekkevold et al., 2001; Palframan et al., 2001; von Andrian and Mempel, 2003). CCR7 est aussi présent sur les lymphocytes T naïfs et son expression est indispensable pour leur recrutement aux ganglions lymphatiques (Stein et al., 2000; Baekkevold et al., 2001; von Andrian and Mempel, 2003; Braun et al., 2011). De leur côté, les lymphocytes B requièrent l’activation de la voie de CCR7 (CCL19 et CCL21) ou de CXCR4 (CXCL12) ainsi que CXCR5 (CXCL13) pour leur migration (Okada et al., 2002; von Andrian and Mempel, 2003).
En condition inflammatoire, l’influx important de leucocytes dans les organes lymphoïdes secondaires est accompagné d’une diminution de l’égression des lymphocytes, un phénomène appelé le « lymph-node shutdown ». Cette rétention lymphocytaire est causée par la diminution ou l’interruption de la signalisation du récepteur de la sphingosine-1-phosphate (S1P), le principal signal d’égression des lymphocytes (Cyster and Schwab, 2012). Ensemble, l’accumulation leucocytaire et la rétention des lymphocytes augmentent le nombre d’interactions entre APCs et lymphocytes et favorisent les phénomènes de présentation d’antigènes.
FIGURE 1.9 – Recrutement des monocytes aux ganglions lymphatiques.
L’inflammation tissulaire provoque la production de CCL2 (a), lequel est en partie drainé vers les ganglions lymphatiques (b). Le statut inflammatoire induit la perméabilisation des HEVs (c), libérant du même coup le CCL2 qui s’accumule dans le ganglion. Le CCL2 est par la suite présenté aux monocytes inflammatoires CCR2+ circulants, provoquant leur recrutement
vers le ganglion (d). Un sous-type de monocytes activés peut aussi migrer vers le ganglion lymphatique via l’axe CXCL9 – CXCR3 (e). FRC : fibroblastic
La présentation d’antigènes et la différentiation des lymphocytes
L’anatomie du ganglion lymphatique est ordonnée de telle sorte que différentes populations leucocytaires se retrouvent dans des régions distinctes (Figure 1.10). Du côté des APCs, on retrouve les DCs principalement dans la zone des lymphocytes T (paracortex), les macrophages surtout sous la capsule et dans la médulla et les lymphocytes B dans les follicules au niveau du cortex. Il faut noter que les mégacaryocytes furent récemment montrés comme capable de présenter des antigènes (Zufferey et al., 2017), mais ces phénomènes ne seront pas discutés en détails dans cet ouvrage. De par leur nature, les différents APCs ne possèdent pas les mêmes aptitudes de présentation d’antigènes. En effet, plusieurs considèrent que les DCs occupent le premier rang des APCs et sont indispensables dans la défense de l’organisme. Cette assertion est motivée par la démonstration que les animaux dont le nombre de macrophages ou de lymphocytes B est grandement réduit sont tout de même en mesure de développer une réponse lymphocytaire normale (Chang et al., 1995; Epstein et al., 1995). Toutefois, la présence de macrophages résiduels chez les souris op/op utilisées dans l’étude de Chang et al., de même que les conclusions obtenues à partir des souris CD11c-DTR sachant que certains sous-types de macrophages expriment CD11c, font en sorte que l’importance des macrophages à la présentation d’antigènes demeure ambigüe (Chang et al., 1995; Jung et al., 2002; Itano and Jenkins, 2003; Martinez-Pomares and Gordon, 2012; Mildner et al., 2013). Itano et Jenkins, dans leur revue de 2003, ont émis l’hypothèse que les macrophages participeraient davantage à la réactivation locale des lymphocytes, potentialisant ainsi leur réponse directement au foyer inflammatoire (Itano and Jenkins, 2003). Cette réactivation locale pourrait parfois être accomplie dans les organes lymphoïdes tertiaires, des tissus similaires aux organes lymphoïdes secondaires, générés dans le but d’augmenter la vitesse de la réponse immunitaire lorsqu’il y a une génération constante d’antigènes comme dans l’inflammation chronique ou les troubles auto-immunitaires (Neyt et al., 2012; Batoulis et al., 2015).
Notre conception de l’activation des lymphocytes T se base sur le modèle à « deux signaux » introduit dans les années 70 qui permettait d’expliquer les phénomènes de tolérance immunologique (Lafferty et al., 1974). Depuis, ce paradigme a été raffiné et inclus maintenant un troisième signal responsable de la spécialisation de la réponse lymphocytaire (Figure 1.11). Le premier signal est initié par l’interaction entre le TCR d’une cellule T avec le complexe peptide:MHC présent à la surface de la cellule présentatrice. Cette interaction entraine l’entrée massive de calcium dans le cytoplasme du lymphocyte et l’activation d’une cascade de signalisation intracellulaire menant à la production du facteur de transcription NFAT actif (Macián et al., 2002; Smith-Garvin et al., 2009). À lui seul, ce signal n’est pas suffisant pour activer le
