Biologie universitaire — 3e année · Bachelor Year 3

15Immunité innée et inflammation

Une écharde sous la peau y introduit dix mille bactéries qui vont doubler toutes les demi-heures. En quelques minutes les vaisseaux alentour se dilatent et laissent fuir le plasma ; en une heure les premiers neutrophiles se sont extraits du sang et rampent vers les intrus le long d’une piste chimique ; en un jour le site est rouge, chaud, gonflé et douloureux — les quatre signes de l’inflammation que Celse a énumérés il y a deux mille ans — et les bactéries sont mortes, dévorées vivantes par des cellules qui les ont reconnues comme étrangères sans les avoir jamais rencontrées. C’est l’immunité innée : la défense que possède tout animal, prête avant l’infection, inscrite dans le génome plutôt qu’apprise. Elle est rapide, c’est elle qui tue la plupart des envahisseurs, et c’est elle qui avertit l’immunité apprise, plus lente, du chapitre suivant qu’il y a quelque chose à apprendre. Ses excès — choc septique, inflammation chronique, fièvres des maladies auto-inflammatoires — sont aussi instructifs que ses réussites.

15.1 Les couches et les cellules

Définition 15.1 (L’immunité innée)

L’immunité innée est l’ensemble des défenses présentes avant toute exposition, codées par des gènes germinaux qui ne se réarrangent pas, reconnaissant des caractères conservés des microbes plutôt que des individus précis, agissant en quelques minutes à quelques heures et (sous réserve) sans mémoire. Sa première couche est celle des barrières : la kératine de la peau, le mucus et les cils des voies aériennes, l’acidité de l’estomac, le lavage de l’urine et des larmes, le lysozyme qui coupe le peptidoglycane, les peptides antimicrobiens (défensines, cathélicidines) qui perforent les membranes microbiennes, et le microbiote commensal qui occupe les niches (Chapitre 14). Ses cellules, toutes de la lignée myéloïde sauf la dernière : les neutrophiles, $60\,\%$ des leucocytes du sang, $10^{11}$ produits par jour, vivant un jour, les premiers arrivés et les principaux tueurs de bactéries ; les macrophages, résidents de longue vie de tous les tissus (cellules de Kupffer dans le foie, microglie dans le cerveau, macrophages alvéolaires dans le poumon) qui mangent, nettoient et donnent l’alerte ; les cellules dendritiques, qui échantillonnent les tissus et portent leur récolte aux ganglions lymphatiques ; les mastocytes, les basophiles et les éosinophiles, armés contre les parasites et responsables de l’allergie ; et les cellules tueuses naturelles (NK), lymphocytes qui tuent à vue les cellules infectées ou transformées.

Faits expérimentaux. Metchnikoff (1882), à Messine, enfonça une épine de rose dans une larve transparente d’étoile de mer et vit, le lendemain matin, des cellules mobiles se presser autour ; il avait vu les mêmes cellules engloutir des particules alimentaires et des grains de colorant, et proposa qu’elles engloutissaient aussi les microbes — les phagocytes, agents d’une défense de l’hôte qu’il traqua ensuite chez tous les animaux qu’il put trouver, de l’amibe à l’homme. Il partagea le prix Nobel de 1908 avec Ehrlich, dont les anticorps représentaient la vue humorale opposée ; tous deux avaient raison, et un siècle plus tard les deux moitiés de l’immunité se révélèrent un seul système, la moitié innée instruisant l’adaptative. ∎

Élie Metchnikoff, qui vit des phagocytes se rassembler autour d’une épine dans une larve d’étoile de mer et fonda l’immunologie cellulaire (Library of Congress, domaine public). Au centre : un neutrophile engloutissant des bactéries. À droite : un macrophage étalant ses membranes en collerette sur une surface.

15.2 Reconnaître l’ennemi

Définition 15.2 (La reconnaissance de motifs)

Les cellules innées reconnaissent des motifs moléculaires associés aux pathogènes (PAMP) : des molécules communes à des classes entières de microbes, essentielles à ceux-ci et absentes de l’hôte — le lipopolysaccharide des parois à Gram négatif, le peptidoglycane et l’acide lipotéichoïque des Gram positif, la flagelline, les $\beta$ -glucanes fongiques, l’ARN double brin, l’ARN sans coiffe en 5 $'$ , l’ADN à CpG non méthylés, l’ADN dans le cytosol. Les récepteurs sont les récepteurs de reconnaissance de motifs (PRR), quelques dizaines en tout, chacun codé par un gène : les récepteurs de type Toll (TLR) de la surface et des endosomes (TLR4 pour le lipopolysaccharide, TLR5 pour la flagelline, TLR3 pour l’ARN double brin, TLR9 pour l’ADN CpG) ; les protéines cytosoliques NOD pour les fragments de peptidoglycane, RIG-I pour l’ARN viral, cGAS–STING pour l’ADN cytosolique ; les lectines de type C pour les sucres fongiques. Les mêmes récepteurs, ou d’autres des mêmes familles, reconnaissent les motifs moléculaires associés aux dégâts (DAMP) libérés par les cellules lésées — ATP, acide urique, la protéine nucléaire HMGB1, l’ADN mitochondrial — de sorte qu’une lésion stérile enflamme elle aussi. La liaison active les facteurs de transcription NF- $\kappa$ B et les facteurs régulateurs de l’interféron, qui allument cytokines, chimiokines, molécules d’adhérence et gènes antimicrobiens en moins d’une heure ; une partie des capteurs cytosoliques assemblent l’inflammasome, une plate-forme qui active la caspase-1 pour couper l’interleukine-1 $\beta$ en sa forme active et pour déclencher la mort inflammatoire appelée pyroptose (Chapitre 10).

Faits expérimentaux. Janeway proposa en 1989 que le système immunitaire adaptatif ne répond pas à l’antigène seul mais a besoin d’un signal venu de récepteurs innés ayant reconnu des motifs microbiens — l’explication de la nécessité d’adjuvants dans les vaccins, « le sale petit secret de l’immunologiste ». Hoffmann (1996) découvrit que Drosophila, privée du récepteur Toll connu pour son rôle dans la mise en place du plan embryonnaire, ne pouvait monter de réponse antifongique et mourait couverte de moisissure ; Beutler (1998) rapporta la résistance au lipopolysaccharide d’une souche de souris, qui survivait à des doses d’endotoxine mortelles pour les autres et n’éliminait pas les infections à Gram négatif, à une mutation de l’homologue mammifère TLR4. Le récepteur de l’endotoxine, cherché pendant cinquante ans, était un Toll. ∎

Trois bras de la reconnaissance de motifs. Un récepteur de type Toll de surface lié par le lipopolysaccharide signale par NF-B vers les cytokines inflammatoires ; les capteurs cytosoliques d’acide nucléique viral induisent l’interféron ; l’inflammasome transforme le précurseur stocké de l’interleukine-1 en cytokine active. — Trois bras de la reconnaissance de motifs. Un récepteur de type Toll de surface lié par le lipopolysaccharide signale par NF- $\kappa$ B vers les cytokines inflammatoires ; les capteurs cytosoliques d’acide nucléique viral induisent l’interféron ; l’inflammasome transforme le précurseur stocké de l’interleukine-1 en cytokine active.

Définition 15.3 (Le complément)

Le complément est un système d’une trentaine de protéines plasmatiques, $10\,\%$ des globulines du sérum, qui marque et détruit les microbes par une cascade d’activations protéolytiques. Trois voies convergent vers le clivage de la protéine centrale C3 : la voie classique, déclenchée par C1q liant des anticorps sur une surface (ou la protéine C réactive, ou des cellules apoptotiques) ; la voie des lectines, déclenchée par la lectine liant le mannose qui reconnaît les sucres microbiens ; et la voie alterne, où C3 s’hydrolyse spontanément à faible taux et où le C3b ainsi formé se fixe sur toute surface rencontrée. Chaque voie construit une convertase C3, enzyme qui clive d’autres C3 ; le C3b qu’elle dépose par covalence sur la surface construit à son tour davantage de convertase — une boucle d’amplification — si bien qu’une bactérie se couvre de millions de C3b en quelques minutes. Le C3b est une opsonine : les phagocytes en portent les récepteurs et mangent ce qu’il recouvre. Les petits fragments C3a et C5a sont des anaphylatoxines qui dilatent les vaisseaux, attirent les neutrophiles et activent les mastocytes. Et C5b assemble C6–C9 en un complexe d’attaque membranaire, un pore de $10\,\mathrm{nm}$ qui lyse les bactéries à Gram négatif et les virus enveloppés. Les cellules de l’hôte sont épargnées parce qu’elles portent des régulateurs — facteur H, CD55, CD59 — qui démontent la convertase et bloquent le pore sur leurs propres surfaces ; les microbes, qui en sont dépourvus, sont consumés par la boucle.

Théorème 15.4 (La boucle du complément comme discriminateur cinétique)

Soit $B(t)$ le nombre de molécules de C3b déposées sur une surface. Le C3b est déposé à un faible taux constant $k_{0}$ par le bruit de fond du C3, et chaque C3b déposé construit de la convertase qui en dépose davantage au taux $a$ par C3b et par seconde, tandis que les régulateurs (hôte) et la décroissance retirent de l’activité convertase au taux $d$ par C3b et par seconde :

\frac{\mathrm{d}B}{\mathrm{d}t} = k_{0} + (a - d)\,B .

Sur une surface où $a > d$ — un microbe, sans régulateurs — $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr]\bigl(e^{(a-d)t} - 1\bigr)$ croît exponentiellement avec la constante de temps $1/(a - d)$ ; sur une surface de l’hôte où $d > a$ , $B$ tend vers la faible valeur stationnaire $k_{0}/(d - a)$ . Les mêmes molécules, aux mêmes concentrations, déposent un million de C3b sur une bactérie en quelques minutes et quelques dizaines sur la cellule voisine : la distinction entre le soi et le non-soi n’est pas faite par une reconnaissance mais par le signe de $a - d$ .

Démonstration. L’équation est linéaire à coefficients constants. Pour $a \ne d$ le point fixe est $B^{*} = -k_{0}/(a-d)$ ; en posant $B = B^{*} + u$ , $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t = (a-d)u$ , donc $u = u_{0}e^{(a-d)t}$ et avec $B(0) = 0$ , $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr](e^{(a-d)t} - 1)$ . Pour $a > d$ cela croît sans borne (jusqu’à épuisement du C3 ou de la surface) ; pour $a < d$ l’exponentielle décroît et $B \to k_{0}/(d-a) > 0$ . Avec $k_{0} = 1$ par seconde et $a - d = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ sur une bactérie, $B(2\,\mathrm{min}) = 10(e^{12} - 1) \approx 1.6\times 10^{6}$ ; avec $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ sur une cellule de l’hôte, $B^{*} = 10$ . ∎

La boucle du complément sur deux surfaces avec k_0 = 1 par seconde et |a - d| = 0.1\, s-1 : sur un microbe dépourvu de régulateurs le C3b croît exponentiellement et atteint le million en deux minutes ; sur une cellule de l’hôte munie de régulateurs il plafonne à dix. — La boucle du complément sur deux surfaces avec $k_{0} = 1$ par seconde et $|a - d| = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ : sur un microbe dépourvu de régulateurs le C3b croît exponentiellement et atteint le million en deux minutes ; sur une cellule de l’hôte munie de régulateurs il plafonne à dix.

Le complément. Trois routes construisent une convertase C3 ; le C3b qu’elle dépose en construit davantage (la boucle du théorème), et le C3b déposé opsonise, les fragments enflamment et le complexe terminal lyse. Les cellules de l’hôte portent des régulateurs qui coupent la boucle (et, avec CD59, bloquent le pore) sur leurs propres membranes.

15.3 L’inflammation

Définition 15.5 (L’inflammation aiguë)

L’inflammation est la réponse d’un tissu vascularisé à une lésion ou à une infection, orchestrée par les cytokines — les petites protéines de signalisation des cellules immunitaires, ici surtout le TNF, l’interleukine-1 et l’interleukine-6 des macrophages activés — et par les chimiokines, les cytokines qui dirigent la migration. Ses étapes expliquent les signes de Celse. L’histamine des mastocytes, le monoxyde d’azote et les prostaglandines dilatent les artérioles : rougeur et chaleur. L’endothélium des veinules se contracte et laisse fuir le plasma, dont les protéines — complément, anticorps, facteurs de la coagulation — inondent le tissu : gonflement. La bradykinine et la prostaglandine E $_{2}$ sensibilisent les terminaisons nerveuses : douleur. Et les leucocytes arrivent par extravasation : le TNF et l’interleukine-1 font exposer à l’endothélium des sélectines, sur lesquelles les neutrophiles de passage s’accrochent et roulent ; les chimiokines (interleukine-8) de la surface endothéliale activent les intégrines des neutrophiles, qui se lient fermement aux molécules d’adhérence endothéliales et arrêtent la cellule ; et le neutrophile se faufile entre les cellules endothéliales et suit le gradient de chimiokine dans le tissu — toute la séquence en quelques minutes, à raison d’un million de cellules par heure vers un site infecté.

L’extravasation. Les cytokines des macrophages du tissu rendent la paroi de la veinule collante ; un neutrophile de passage s’accroche aux sélectines et roule, est arrêté par ses intégrines, se faufile entre les cellules endothéliales et suit le gradient de chimiokine jusqu’aux bactéries.

Proposition 15.6 (La fièvre, la phase aiguë et la résolution)

L’interleukine-1, le TNF et l’interleukine-6 agissent aussi à distance. Dans l’hypothalamus ils induisent la prostaglandine E $_{2}$ , qui élève la consigne de la température corporelle : la fièvre, qui ralentit bien des bactéries, accélère les réactions des cellules immunitaires elles-mêmes et coûte environ $12\,\%$ de métabolisme en plus par degré. Dans le foie ils induisent les protéines de la phase aiguë — la protéine C réactive, qui lie la phosphocholine bactérienne, active le complément et s’élève d’un facteur mille en deux jours, la mesure de l’inflammation dont dispose le clinicien ; le fibrinogène ; la lectine liant le mannose ; et l’hepcidine, qui met le fer à l’abri des microbes qui en ont besoin. Dans la moelle ils libèrent les neutrophiles et accélèrent leur production. L’inflammation est faite pour finir : à mesure que le stimulus est éliminé, les médiateurs lipidiques passent des prostaglandines aux lipoxines et aux résolvines, les neutrophiles meurent par apoptose et sont mangés par les macrophages, qui basculent alors vers un programme de réparation en sécrétant facteurs de croissance et interleukine-10 — la résolution. Quand le stimulus persiste (un bacille tuberculeux qu’on ne peut tuer, un cristal, un auto-antigène) la réponse devient chronique : les macrophages cloisonnent le site dans un granulome, les fibroblastes déposent de la cicatrice, et le tissu est détruit par sa propre défense.

Exemple 15.7 (Le sepsis)

L’inflammation confinée à une écharde est une guérison ; les mêmes réactions dans tout le corps sont une catastrophe. Quand des bactéries ou leur lipopolysaccharide atteignent le sang en quantité, les macrophages de partout libèrent d’un coup le TNF et l’interleukine-1 : tous les vaisseaux se dilatent et fuient, la pression artérielle s’effondre, la coagulation s’active dans dix mille capillaires et consomme les facteurs de la coagulation, et les organes, privés de perfusion, défaillent — le choc septique, qui tue entre un quart et la moitié de ceux qu’il frappe, quelque onze millions de personnes par an. Quelques microgrammes de lipopolysaccharide injectés à un volontaire produisent fièvre, frissons et chute de la pression artérielle en deux heures ; une souris dépourvue de TLR4 encaisse sans broncher une dose cent fois létale. La maladie est la réponse de l’hôte, et les antibiotiques qui tuent les bactéries peuvent l’aggraver quelques heures en libérant plus d’endotoxine.

L’inflammation aiguë autour d’une griffure d’épine : rougeur et chaleur des vaisseaux dilatés, gonflement dû au plasma qui a fui, et la douleur qui tient le membre immobile — la réponse locale qui, généralisée au corps entier, est le choc septique.

15.4 Tuer

Définition 15.8 (La phagocytose et l’explosion oxydative)

Un phagocyte lie sa proie par des récepteurs d’opsonines — le C3b, et les régions constantes des anticorps — ou directement par des récepteurs de motifs, l’enveloppe de membrane et referme le phagosome, qui fusionne avec les granules et les lysosomes. La mise à mort emprunte plusieurs voies à la fois. L’explosion oxydative : l’enzyme NADPH oxydase, assemblée sur la membrane du phagosome, pompe des électrons sur l’oxygène pour faire du superoxyde, qui devient du peroxyde d’hydrogène, que la myéloperoxydase transforme, avec le chlorure, en hypochlorite — de l’eau de Javel, à concentration millimolaire dans un compartiment d’un micromètre. Le monoxyde d’azote de la NO synthase inductible, qui avec le superoxyde donne du peroxynitrite. L’acide, jusqu’à pH 5. Le lysozyme, des protéases, la lactoferrine qui affame la proie de fer, et les défensines qui la perforent. Un neutrophile qui ne peut manger ce qu’il trouve — une hyphe fongique, un amas — peut expulser sa propre chromatine en un filet collant d’ADN et de protéines de granules, un piège extracellulaire de neutrophile, et en mourir. Les enfants qui héritent d’une NADPH oxydase défectueuse (granulomatose septique chronique) souffrent d’abcès et de granulomes à répétition dus à des bactéries et des champignons que les phagocytes ordinaires tuent sans peine : l’explosion n’est pas facultative.

Définition 15.9 (Les cellules tueuses naturelles et l’interféron)

Les virus se cachent dans les cellules, où ni le complément ni les phagocytes ne peuvent les atteindre. Les cellules tueuses naturelles patrouillent à la recherche de cellules qui ont cessé d’exposer le CMH de classe I — le « soi manquant » d’une cellule dont l’occupant viral ou tumoral a éteint la présentation d’antigène pour échapper aux lymphocytes T (Chapitre 16) — et de protéines de stress que les cellules infectées et transformées mettent à leur surface ; les récepteurs inhibiteurs du CMH I et les récepteurs activateurs des ligands de stress sont additionnés, et une cellule qui fait pencher la balance est tuée en quelques minutes par la perforine et les granzymes qu’on lui injecte, qui déclenchent son apoptose. Les interférons de type I ( $\alpha$ et $\beta$ ) sont fabriqués par toute cellule dont RIG-I ou cGAS a détecté un acide nucléique viral ; sécrétés, ils se lient à des récepteurs des cellules voisines et, par la voie JAK–STAT, induisent des centaines de gènes qui mettent ces cellules en état antiviral : une kinase qui arrête la traduction quand elle rencontre de l’ARN double brin, une nucléase qui dégrade l’ARN, des protéines qui bloquent l’entrée et l’assemblage des virus, et davantage de CMH I pour montrer aux lymphocytes T ce qu’il y a dedans. La cellule qui a fait l’interféron peut mourir ; ses voisines sont prévenues. L’interféron fut découvert par Isaacs et Lindenmann (1957) comme le facteur du milieu des cellules infectées par un virus qui rendait résistantes des cellules fraîches, et c’est la raison pour laquelle une cellule infectée par un virus résiste à un second.

Méthode 15.10 (Mesurer l’inflammation et la fonction phagocytaire)

Au lit du malade : (1) la protéine C réactive du sérum, par immunodosage — au-dessous de $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ au repos, quelques dizaines dans une infection virale, quelques centaines dans un sepsis bactérien, retombant en quelques jours si le traitement agit ; (2) la numération des neutrophiles, élevée dans l’infection bactérienne, avec des formes immatures relâchées tôt par la moelle ; (3) la vitesse de sédimentation des érythrocytes, reflet lent du fibrinogène. Pour les phagocytes : (4) le test au nitrobleu de tétrazolium ou à la dihydrorhodamine, où des neutrophiles stimulés in vitro réduisent un colorant si leur NADPH oxydase fonctionne — le diagnostic de la granulomatose septique chronique en une matinée ; (5) un test de chimiotactisme, qui compte les cellules migrant à travers un filtre vers une chimiokine.

15.5 De l’inné à l’adaptatif, et à travers le vivant

Proposition 15.11 (La décision de la cellule dendritique)

L’immunité adaptative ne se déclenche pas toute seule. Une cellule dendritique d’un tissu mange ce qu’elle trouve ; si ses récepteurs de motifs sont déclenchés — par un microbe ou par un dégât — elle mûrit : elle cesse de manger, migre par les lymphatiques vers le ganglion de drainage, expose sur ses molécules de CMH les peptides de ce qu’elle a mangé, et dresse des molécules costimulatrices (B7) et des cytokines qui disent à un lymphocyte T reconnaissant le peptide de répondre, et comment (Chapitre 16). Un lymphocyte T qui voit son peptide sur une cellule dendritique sans costimulation est éteint. La reconnaissance innée décide donc si un antigène mérite une réponse, et les cytokines que fait la cellule dendritique — décidées par les récepteurs de motifs qui ont tiré — décident si la réponse vise les virus, les bactéries ou les vers. Un adjuvant est un ligand de récepteur de motifs ajouté à un vaccin pour fournir ce signal ; l’alun et les nanoparticules lipidiques des vaccins modernes agissent en le déclenchant.

Remarque 15.12 (L’immunité innée partout, et sa mémoire)

Tout organisme pluricellulaire possède une immunité innée, et les plantes, les champignons et les invertébrés n’ont rien d’autre. Les plantes reconnaissent la flagelline et la chitine par des récepteurs kinases et montent une réponse à deux étages (Chapitre 22) ; les insectes ont Toll et des peptides antimicrobiens ; même les bactéries ont des enzymes de restriction et CRISPR (Chapitre 6). Le dogme d’une immunité innée sans mémoire s’est assoupli : un monocyte qui a rencontré le $\beta$ -glucane ou le vaccin BCG est reprogrammé épigénétiquement (Chapitre 1) pour répondre plus fort à des microbes sans rapport pendant des mois — l’immunité entraînée, qui explique pourquoi le BCG abaisse la mortalité infantile due à des infections autres que la tuberculose. Et l’excès du système est une maladie de notre temps : l’inflammation stérile entretenue par les cristaux d’acide urique (goutte), les cristaux de cholestérol dans la paroi artérielle (athérosclérose), l’amyloïde dans le cerveau, et l’inflammation de bas grade de l’obésité et de la vieillesse.

15.6 Exercices

Exercice 15.1 ★

Énumérer quatre barrières et cinq types cellulaires de l’immunité innée, avec une fonction pour chacun.

Solution

Solution de Exercice 15.1.

Barrières : la kératine de la peau (mécanique), le mucus et les cils des voies aériennes (piégeage et évacuation), l’acidité de l’estomac (tue les microbes avalés), le lysozyme et les défensines des sécrétions (lysent et perforent), le microbiote commensal (occupe les niches). Cellules : neutrophiles (tuent les bactéries par phagocytose), macrophages (mangent, nettoient, donnent l’alerte), cellules dendritiques (portent l’antigène aux ganglions et démarrent les réponses adaptatives), mastocytes (libèrent l’histamine, enflamment), cellules tueuses naturelles (tuent les cellules infectées et transformées).

Exercice 15.2 ★

Qu’est-ce qui fait d’une molécule un bon motif moléculaire associé aux pathogènes ? Donner trois exemples et le récepteur de chacun.

Solution

Solution de Exercice 15.2.

Partagé par toute une classe de microbes, essentiel à eux (il ne peut donc être perdu pour s’échapper) et absent de l’hôte. Lipopolysaccharide — TLR4 ; flagelline — TLR5 ; ARN double brin — TLR3 (et RIG-I dans le cytosol) ; ADN CpG non méthylé — TLR9 ; fragments de peptidoglycane — protéines NOD ; $\beta$ -glucane — dectine-1.

Exercice 15.3 ★

Expliquer chacun des quatre signes de Celse par un médiateur et un changement vasculaire ou nerveux.

Solution

Solution de Exercice 15.3.

Rougeur : dilatation des artérioles par l’histamine, le monoxyde d’azote et les prostaglandines. Chaleur : le même surcroît de débit sanguin. Gonflement : fuite plasmatique des veinules après contraction endothéliale (histamine, C3a, C5a). Douleur : la bradykinine et la prostaglandine E $_{2}$ sensibilisent les nocicepteurs, plus la pression du gonflement.

Exercice 15.4 ★

Nommer les trois voies du complément, ce qui déclenche chacune, et les trois conséquences du clivage de C3.

Solution

Solution de Exercice 15.4.

Classique : C1q liant un anticorps (ou la protéine C réactive) sur une surface. Lectines : la lectine liant le mannose sur les sucres microbiens. Alterne : bruit de fond spontané du C3 et dépôt de C3b sur toute surface non protégée. Conséquences : le C3b opsonise pour la phagocytose ; C3a et C5a enflamment et recrutent ; C5b démarre le complexe d’attaque membranaire qui lyse.

Exercice 15.5 ★★

Dans le modèle du complément avec $k_{0} = 2$ par seconde, $a = 0.15\,\mathrm{s}^{-1}$ et $d = 0.05\,\mathrm{s}^{-1}$ sur un microbe, combien de C3b sont déposés après $60\,\mathrm{s}$ ? Après $90\,\mathrm{s}$ ? Sur une cellule de l’hôte avec $a = 0.05$ et $d = 0.15$ , quel est l’état stationnaire ?

Solution

Solution de Exercice 15.5.

$B = [k_{0}/(a-d)](e^{(a-d)t} - 1)$ avec $a - d = 0.1$ : à $60\,\mathrm{s}$ , $20(e^{6} - 1) \approx 8000$ ; à $90\,\mathrm{s}$ , $20(e^{9} - 1) \approx 1.6\times 10^{5}$ . Cellule de l’hôte : $k_{0}/(d - a) = 2/0.1 = 20$ .

Exercice 15.6 ★★

Ordonner les événements de l’extravasation, nommer la classe de molécules de chaque étape, et prévoir le phénotype d’un enfant dont les neutrophiles manquent d’intégrines $\beta_{2}$ (déficit d’adhérence leucocytaire).

Solution

Solution de Exercice 15.6.

Roulement sur les sélectines (lectines liant un sucre) ; signalisation par chimiokine qui active les intégrines ; adhérence ferme des intégrines aux molécules d’adhérence endothéliales (ICAM) ; transmigration entre les cellules endothéliales ; chimiotactisme le long du gradient. Sans intégrines $\beta_{2}$ les neutrophiles roulent mais ne s’arrêtent ni ne traversent jamais : ils s’accumulent dans le sang (comptes très élevés), les infections récidivent sans former de pus, les plaies cicatrisent mal et le cordon ombilical se détache tard.

Exercice 15.7 ★★

Les neutrophiles d’un patient échouent au test à la dihydrorhodamine. Quel est le diagnostic, quelle réaction manque, et à quelles infections s’attendre ? Pourquoi des granulomes se forment-ils ?

Solution

Solution de Exercice 15.7.

Granulomatose septique chronique : la NADPH oxydase est défectueuse, si bien qu’il ne se fait dans le phagosome ni superoxyde, ni peroxyde d’hydrogène, ni hypochlorite. Infections par des organismes qui détruisent leur propre peroxyde d’hydrogène (catalase positive) : Staphylococcus aureus, Aspergillus, Burkholderia, Serratia, Nocardia. Des granulomes se forment parce que les macrophages englobent des microbes qu’ils ne peuvent tuer et les cloisonnent, avec un recrutement continuel, dans une lésion chronique.

Exercice 15.8 ★★

Expliquer la reconnaissance du soi manquant et prévoir ce qu’il advient d’une cellule tumorale qui (a) perd le CMH I pour échapper aux lymphocytes T, (b) garde le CMH I mais expose des ligands de stress.

Solution

Solution de Exercice 15.8.

Les récepteurs inhibiteurs comptent le CMH I ; les récepteurs activateurs comptent les ligands de stress ; la cellule meurt si l’activation l’emporte sur l’inhibition. (a) Perdre le CMH I ôte l’inhibition : la cellule tueuse naturelle la tue — le prix à payer pour échapper aux lymphocytes T. (b) Avec le CMH I conservé mais des ligands de stress exposés, l’activation peut encore l’emporter et la cellule est tuée ; les tumeurs perdent donc souvent, ou répriment, les ligands de stress.

Exercice 15.9 ★★

Pourquoi un vaccin de protéine pure induit-il peu d’immunité, et qu’ajoute un adjuvant ? Relier à l’argument de Janeway.

Solution

Solution de Exercice 15.9.

Une protéine pure ne porte aucun motif de pathogène : les cellules dendritiques qui la captent ne mûrissent donc pas, la présentent sans costimulation, et les lymphocytes T qui la reconnaissent sont éteints ou l’ignorent. Un adjuvant — l’alun, un lipide, un ligand de récepteur de type Toll — déclenche les récepteurs de motifs, fait mûrir la cellule dendritique et fournit le second signal. C’est le point de Janeway : le système adaptatif ne répond à un antigène que lorsque le système inné dit que l’antigène est venu avec un microbe.

Exercice 15.10 ★★★

La fièvre coûte $12\,\%$ du métabolisme de repos par degré et allonge le temps de doublement d’une bactérie de $30\,\mathrm{min}$ à $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $45\,\mathrm{min}$ à $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Sur un jour d’infection, calculer la population bactérienne à partir de $10^{4}$ avec et sans fièvre (en négligeant la destruction), et l’énergie supplémentaire pour une personne à $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ . La fièvre en vaut-elle la peine ? De quoi la réponse dépend-elle ?

Solution

Solution de Exercice 15.10.

Sans fièvre, $48$ doublements : $10^{4}\times 2^{48} \approx 3\times 10^{18}$ (une absurdité qui montre que c’est la destruction, et non la croissance, qui décide de l’issue). Avec la fièvre, $32$ doublements : $4\times 10^{13}$ — un facteur $2^{16} \approx 65\,000$ de bactéries en moins à affronter pour les neutrophiles. Coût : $3\times 0.12\times 8 = 2.9\,\mathrm{MJ}$ par jour, un gros repas. Cela en vaut la peine quand le pathogène est ralenti et que l’hôte a des réserves ; pas quand le pathogène pousse aussi bien à $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ni quand l’hôte est affamé, ni quand la fièvre elle-même approche des températures dangereuses.

Exercice 15.11 ★★★

Certaines bactéries fixent le facteur H à leur surface ; d’autres clivent le C3b ou perdent leur capsule. À l’aide du Théorème 15.4, expliquer chacune comme un changement de $a$ ou de $d$ , et dire laquelle est la défense la plus économique pour le microbe.

Solution

Solution de Exercice 15.11.

Fixer le facteur H recrute le régulateur de l’hôte lui-même : $d$ passe au-dessus de $a$ et la boucle s’éteint sur le microbe comme sur une cellule de l’hôte. Cliver le C3b retire la convertase déposée : encore une hausse de $d$ . Une capsule présente une surface sur laquelle la convertase se forme mal, ce qui abaisse $a$ , et cache aux récepteurs des phagocytes le C3b déposé. Le moins cher : une seule protéine de surface qui fixe le facteur H, que l’hôte fournit gratuitement et qui fait le travail.

Exercice 15.12 ★★★

Argumenter, avec les mécanismes de ce chapitre, pourquoi la même réponse est adaptative au niveau d’une écharde et létale dans la circulation sanguine, et pourquoi les médicaments qui bloquent le TNF aident dans la polyarthrite rhumatoïde mais augmentent le risque de tuberculose.

Solution

Solution de Exercice 15.12.

Au niveau d’une écharde, la dilatation, la fuite et le recrutement engagent quelques millilitres de vaisseaux et portent la défense là où il le faut ; les mêmes médiateurs libérés dans toute la circulation dilatent chaque vaisseau et font fuir chaque capillaire, si bien que la pression s’effondre et que la coagulation se déclenche partout — la physiologie est identique, l’échelle est létale. Le TNF entretient l’inflammation synoviale de la polyarthrite rhumatoïde, si bien que le bloquer soulage la maladie ; mais le TNF est aussi ce qui tient les macrophages en ordre dans les granulomes qui contiennent les bacilles tuberculeux dormants, et le bloquer laisse échapper une tuberculose latente.

15.7 Problème : une écharde

Problème 15.1

Problème du week-end — dix mille bactéries sous la peau lancées dans une course contre les neutrophiles envoyés à leur rencontre, couvertes de complément par l’arithmétique de la boucle, combattues par la fièvre à son prix métabolique et, dans le sang, transformées en physiologie du choc, pour finir sur les bactéries restantes après six heures, le C3b sur chacune et le coût d’une journée de fièvre

Données : $10^{4}$ bactéries inoculées, doublant toutes les $40\,\mathrm{min}$ ; les neutrophiles arrivent à partir de $1\,\mathrm{h}$ au rythme de $2\times 10^{4}$ par heure, chacun tuant $20$ bactéries puis mourant. Complément : $k_{0} = 1$ par seconde et par bactérie, $a - d = 0.08\,\mathrm{s}^{-1}$ sur les bactéries, $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ sur les cellules de l’hôte ; la surface d’une bactérie ne porte au plus que $2\times 10^{6}$ C3b. Fièvre : $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ coûte $24\,\%$ d’un métabolisme de $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ et allonge le temps de doublement bactérien à $60\,\mathrm{min}$ . Sepsis : $10^{9}$ bactéries dans $5\,\mathrm{L}$ de sang, $3\times 10^{6}$ molécules de lipopolysaccharide par bactérie ; la signalisation TLR4 sature à $10^{-9}$ mol/L de lipopolysaccharide.

Partie I — La course.

Combien de bactéries à $1\,\mathrm{h}$ , quand arrivent les premiers neutrophiles, si aucune n’a été tuée ?
Entre $1\,\mathrm{h}$ et $2\,\mathrm{h}$ , combien de neutrophiles arrivent et combien de bactéries peuvent-ils tuer ? Comparer à la croissance bactérienne de cette heure-là à partir du compte de la question 1.
Continuer heure par heure (croissance, puis destruction à la fin de chaque heure) jusqu’à $6\,\mathrm{h}$ . Quand la population culmine-t-elle, et combien en reste-t-il à $6\,\mathrm{h}$ ?
Refaire avec une arrivée des neutrophiles retardée à $3\,\mathrm{h}$ . Que se passe-t-il à $6\,\mathrm{h}$ ? Commenter la valeur de la rapidité.
Combien de neutrophiles morts se sont accumulés quand les bactéries ont disparu à la question 3 ? Qu’est-ce que le pus, et pourquoi doit-il être évacué ?
Une personne ayant le dixième du compte normal de neutrophiles (neutropénie après chimiothérapie) : refaire la question 3 et expliquer pourquoi de tels patients reçoivent des antibiotiques dès la première fièvre.

Partie II — Le manteau.

D’après le théorème, combien de C3b sont déposés sur une bactérie après $30\,\mathrm{s}$ , $60\,\mathrm{s}$ et $120\,\mathrm{s}$ ?
Quand la surface sature-t-elle ?
Sur une cellule de l’hôte à côté, quel est le nombre stationnaire de C3b ?
La bactérie acquiert une capsule qui divise $a$ par deux, de sorte que $a - d = 0.03$ . Recalculer le C3b à $120\,\mathrm{s}$ . Qu’achète la capsule ?
Combien de C3b l’inoculum entier de $10^{4}$ bactéries porte-t-il à saturation, et quelle fraction cela fait-il des $2\times 10^{16}$ molécules de C3 d’un litre de plasma ?
Un patient manque de C3. Quelles voies sont touchées, et quelles infections s’ensuivent ? Un patient manque de C9 : pourquoi le phénotype est-il plus modéré, et limité à un seul genre ?

Partie III — La fièvre.

Combien d’énergie supplémentaire coûtent deux jours de fièvre à $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en mégajoules et en grammes de graisse ( $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ) ?
Refaire la question 1 à la température de fièvre : combien de bactéries à $1\,\mathrm{h}$ ? De quel facteur la fièvre a-t-elle réduit la population que rencontrent les neutrophiles ?
Dans le modèle de la question 3, avec le temps de doublement allongé, quand les bactéries ont-elles disparu ?
La protéine C réactive passe de $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ à $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ en deux jours. Avec un volume plasmatique de $3\,\mathrm{L}$ et une masse moléculaire de $115\,\mathrm{kDa}$ , combien de molécules le foie a-t-il fabriquées, et combien par seconde ?
Les antipyrétiques bloquent la synthèse des prostaglandines. Que font-ils à la consigne, au confort du patient et, d’après les nombres ci-dessus, à l’infection ?
Pourquoi une fièvre à $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ est-elle dangereuse quand $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ne l’est pas, et qu’est-ce qui empêche la consigne de monter indéfiniment ?

Partie IV — Le choc.

Les molécules de lipopolysaccharide dans le sang du patient septique, et leur concentration en mol/L.
Comparer à la concentration saturante pour TLR4. Les macrophages du corps sont-ils tous activés ?
Chacun des $10^{11}$ macrophages du corps libère $1000$ molécules de TNF par seconde pendant une heure. Combien de moles de TNF, et quelle concentration dans $15\,\mathrm{L}$ de liquide extracellulaire ? (Le TNF agit à $1 \times 10^{-11}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .)
Expliquer la chute de la pression artérielle et la défaillance des reins à partir des mécanismes locaux de l’inflammation.
L’antibiotique donné à l’admission tue les bactéries en une heure. Pourquoi le patient peut-il s’aggraver avant de s’améliorer, et qu’est-ce qui limite l’utilité des anticorps anti-TNF dans le sepsis ?
Une souche de souris manque de TLR4. Prévoir sa réponse au lipopolysaccharide injecté et à une infection vivante à Gram négatif, et expliquer le paradoxe apparent.
Résumer : les bactéries restantes à $6\,\mathrm{h}$ (question 3), le C3b sur une bactérie à $120\,\mathrm{s}$ (question 7), et le coût de deux jours de fièvre (question 13).

Solution

Solution de Problème 15.1.

1. Une heure fait $1.5$ doublement : $10^{4}\times 2^{1.5} \approx 2.8\times 10^{4}$ . 2. $2\times 10^{4}$ neutrophiles tuent jusqu’à $4\times 10^{5}$ bactéries ; les bactéries ne passent que de $2.8\times 10^{4}$ à $8\times 10^{4}$ : la destruction dépasse la croissance d’un facteur cinq. 3. Heure 2 : $8\times 10^{4}$ avant la destruction, aucune après. La population culmine vers $8\times 10^{4}$ aux environs de $2\,\mathrm{h}$ et est nulle ensuite ; il n’en reste aucune à $6\,\mathrm{h}$ . 4. Arrivée à $3\,\mathrm{h}$ : $10^{4}\times 2^{4.5} = 2.3\times 10^{5}$ alors. Heure 4 : $6.4\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 2.4\times 10^{5}$ ; heure 5 : $6.8\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 2.8\times 10^{5}$ ; heure 6 : $7.9\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 3.9\times 10^{5}$ et en hausse — les neutrophiles ne suivent plus, et un abcès se forme. Deux heures de retard changent une guérison en infection chronique. 5. $8\times 10^{4}/20 = 4000$ neutrophiles meurent en tuant, plus les $2\times 10^{4}$ arrivés qui meurent de toute façon dans la journée. Le pus est fait de neutrophiles morts, de bactéries mortes et de tissu liquéfié ; les macrophages l’évacuent en mangeant les cadavres, sinon il faut le drainer. 6. Arrivées de $2000$ par heure, destruction de $4\times 10^{4}$ : heure 2, $8\times 10^{4} - 4\times 10^{4} = 4\times 10^{4}$ ; heure 3, $1.1\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 7\times 10^{4}$ ; heure 4, $2\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 1.6\times 10^{5}$ — croissance sans limite. Le patient ne peut contenir un inoculum banal, et les antibiotiques doivent donc tuer dès le premier signe. 7. $B = 12.5(e^{0.08t} - 1)$ : $30\,\mathrm{s}$ , $125$ ; $60\,\mathrm{s}$ , $1500$ ; $120\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{5}$ . 8. $e^{0.08t} = 1.6\times 10^{5}$ : $t = 12/0.08 = 150\,\mathrm{s}$ . 9. $k_{0}/(d - a) = 10$ . 10. $B(120) = 33(e^{3.6} - 1) \approx 1200$ , $150$ fois moins. La capsule achète des minutes — du temps pour se multiplier, et une protection jusqu’à l’arrivée des anticorps qui démarreront la voie classique sur la capsule elle-même. 11. $10^{4}\times 2\times 10^{6} = 2\times 10^{10}$ C3b : un millionième du C3 du plasma. 12. Sans C3 les trois voies s’arrêtent à leur étape commune : pas d’opsonisation, pas d’anaphylatoxines, pas de lyse — infections sévères et récidivantes à bactéries encapsulées. Sans C9 seul le pore terminal est perdu ; l’opsonisation et l’inflammation fonctionnent, et le phénotype est fait d’infections récidivantes à Neisseria, le seul genre que les phagocytes contrôlent mal et que la lyse contrôle bien. 13. $2\times 0.24\times 8 = 3.8\,\mathrm{MJ}$ , environ $100\,\mathrm{g}$ de graisse. 14. Un doublement dans l’heure : $2\times 10^{4}$ au lieu de $2.8\times 10^{4}$ , un facteur $1.4$ . 15. Heure 2 : $4\times 10^{4}$ avant la destruction, aucune après — disparues à $2\,\mathrm{h}$ , comme avant ; l’apport de la fièvre compte quand l’offre de neutrophiles est juste, comme aux questions 4 et 6. 16. $199\,\text{mg/L}\times 3\,\text{L} = 0.6\,\mathrm{g}$ ; $0.6/ 115\,000 = 5.2\times 10^{-6}$ mol $= 3.1\times 10^{18}$ molécules ; sur $172\,800\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{13}$ par seconde. 17. Ils ramènent la consigne vers $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le patient se sent mieux, et les bactéries doublent un peu plus vite ; dans ce modèle les neutrophiles l’emportent quand même, et les preuves que les antipyrétiques aggravent les infections ordinaires sont faibles. 18. Au-dessus de $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ environ les protéines commencent à se dénaturer, les enzymes défaillent et les neurones s’emballent (convulsions) ; $42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ est létal. La consigne est tenue en dessous par des cryogènes — interleukine-10, vasopressine, glucocorticoïdes — et par le plafond de l’action des prostaglandines dans l’hypothalamus. 19. $10^{9}\times 3\times 10^{6} = 3\times 10^{15}$ molécules $= 5\times 10^{-9}$ mol dans $5\,\mathrm{L}$ : $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . 20. Égale à la concentration saturante : tous les macrophages du corps sont activés au maximum en même temps. 21. $10^{11}\times 1000\times 3600 = 3.6\times 10^{17}$ molécules $= 6\times 10^{-7}$ mol ; dans $15\,\mathrm{L}$ , $4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ — quatre mille fois la concentration active. 22. Chaque artériole se dilate et chaque veinule fuit : le volume sanguin stagne dans les vaisseaux élargis et s’échappe dans les tissus, si bien que la pression tombe ; les reins, mal perfusés, cessent de filtrer ; et la coagulation déclenchée dans des milliers de capillaires les bouche et consomme les facteurs de la coagulation. 23. Les Gram négatif tués libèrent d’un coup tout leur lipopolysaccharide, un bolus pour TLR4, si bien que la bouffée de cytokines peut s’aggraver pendant des heures. L’anti-TNF échoue parce qu’au moment du choc la cascade a dépassé le TNF — interleukine-1, interleukine-6 et coagulation tournent déjà — et parce que le TNF est nécessaire pour maîtriser les bactéries : le problème est le moment, non la cible. 24. Le lipopolysaccharide injecté ne fait rien à la souris sans TLR4, qui survit à des doses létales pour les souris normales ; une infection vivante à Gram négatif la tue, parce qu’elle ne peut détecter tôt les bactéries et monter l’inflammation qui les contient. Le paradoxe se dissipe : le détecteur qui cause le choc est le détecteur qui fournit la défense. 25. Aucune bactérie ne reste à $6\,\mathrm{h}$ (toutes tuées dès $2\,\mathrm{h}$ ) ; environ $1.8\times 10^{5}$ C3b par bactérie à $120\,\mathrm{s}$ ; deux jours de fièvre coûtent $3.8\,\mathrm{MJ}$ , quelque $100\,\mathrm{g}$ de graisse.

Termes définis dans ce chapitre

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