Chapitre 1

INTRODUCTION A L'IMMUNOLOGIE

L'immunologie est la science qui étudie les réactions induites au sein d'un organisme vivant par l'introduction de substances étrangères à l'organisme. Les réactions non spécifiques caractérisent l'immunité naturelle (ou innée), les réactions spécifiques caractérisent l'immunité adaptative.

I - champs d'application de l'immunologie en médecine

1- La réaction immunitaire physiologique vise à éliminer les agents étrangers à l'organisme. Elle assure donc la défense contre les infections. On peut stimuler cette réaction immunitaire par des vaccinations pour prévenir les infections. Le système immunitaire intervient aussi dans la défense anti-tumorale

2- Un certain nombre de maladies peuvent résulter d'un dysfonctionnement du système immunitaire:

o soit d'un déficit de la réponse : les déficits immunitaires congénitaux, les déficits immunitaires acquis, notamment d'origine virale (SIDA)

o soit d'un excès de réponse immunitaire : au cours des maladies allergiques, la réaction immunitaire semble outrepasser son but

o soit d'une réaction immunitaire mal ciblée: ce sont les maladies auto-immunes où l'organismes déclenche une réaction immunitaire contre lui-même.

3- Enfin, il y a un domaine de l'immunopathologie entièrement créé par l'homme: c'est la réaction immunitaire qui entraîne le rejet des greffes.

II – Définitions

A – Antigènes, immunogènes, haptènes, épitopes

L’induction délibérée de la réponse immunitaire est connue sous le terme d’immunisation. Les immunisations expérimentales sont réalisées en routine en injectant à un animal ou à un homme une substance étrangère appelée "antigène". Afin de déterminer si la réponse immunitaire s’est développée, et de suivre son évolution, on recherche chez les individus immunisés l’apparition des stigmates immunologiques de la réponse à l’antigène. La réponse immunitaire vis-à-vis de la plupart des antigènes induit à la fois la production d’anticorps et de cellules spécifiques. L’analyse de la réponse anticorps est effectuée sur le sérum. L’étude de la réponse cellulaire est réalisée à partir de cellules prélevées du sang circulant ou des organes lymphoïdes secondaires. La lourdeur des méthodes employées pour étudier la réponse cellulaire font que son analyse est surtout restreinte à l’étude des modèles animaux.

Toute substance qui peut induire une réponse immunitaire est dite immunogénique et appelée immunogène. Il existe une distinction fonctionnelle claire entre un immunogène et un antigène.

Un immunogène est capable de susciter l'apparition d'un anticorps spécifique et de se combiner à lui.

Un antigène est défini comme toute substance qui peut se combiner à un anticorps spécifique mais qui n'est pas capable de l'induire. Un antigène incapable d'induire une réponse immunitaire est un haptène. Il peut devenir immunogénique lorsqu'on le couple à une protéine porteuse.

Figure 1 : Notion d’antigène

C’est Landsteiner qui, au début du siècle étudia la variété des anticorps pouvant être produits en réponse à une stimulation antigénique. Le modèle expérimental utilisé consistait en l’immunisation d’animaux avec des petites molécules organiques comme les radicaux nitrophényl. Bien que ces structures simples soient incapables d’induire directement une réponse anticorps, Landsteiner montra que la fixation covalente de protéines porteuses à ces structures simples permettait de déclencher une réponse immunitaire. Les molécules chimiques nécessitant l’adjonction de protéines porteuses pour devenir immunogèniques furent appelées « haptènes ». Des animaux immunisés avec ces complexes haptène-protéines porteuses produisent trois types distincts d’anticorps. Le premier correspond à des anticorps anti-haptène. Le second est spécifique de la protéine porteuse et le troisième reconnaît à la fois les deux constituants du complexe. La fixation des anticorps dirigés contre un haptène particulier est spécifique, c’est à dire que ces anticorps sont incapables de reconnaître un autre haptène même si sa structure chimique est très proche. L’étude de ce type de réaction haptène/anticorps anti-haptène a joué un grand rôle dans la connaissance du mode de fixation d’un anticorps sur un antigène. Les anticorps anti-haptène jouent aussi un rôle en pathologie puisqu’ils sont responsables des réactions allergiques aux pénicillines et à divers autres médicaments.

Une molécule antigénique peut avoir une structure très complexe et comporter plusieurs sites reconnus par des anticorps différents. Chaque site ou déterminant antigénique fixant un anticorps est appelé épitope. Un épitope peut être déterminé par la structure primaire de la chaîne peptidique qui le porte (séquence des acides aminés), par la structure secondaire (replis et boucles de la chaîne peptidique), la structure tertiaire ou la structure quaternaire (rapprochement de différentes chaînes). Un épitope peut donc être constitué par le rapprochement dans l'espace de plusieurs acides aminés qui ne se suivent pas sur la chaîne peptidique: ce sont des épitopes conformationnels qui disparaissent quand l'antigène est dénaturé.

Figure 2 : réponse anti-haptène.

B – Xéno-antigènes, allo-antigènes, auto-antigènes

Lorsque une structure antigénique est propre à une espèce et distribué de façon homogène dans l'espèce, on dit qu'il s'agit d'un antigène isotypique ou d'un xéno-antigène.

Lorsqu'un antigène n'est pas distribué d'une façon homogène dans une espèce, certains individus l'expriment, mais d'autres non. Il s'agit d'un antigène allotypique ou d'un allo-antigène.

Lorsqu'une structure antigénique est portée Il permet de différencier les individus d'une même espèce les uns des autres. Exemples: les allo-antigènes des groupes sanguins.

Les anticorps survenant après une immunisation reconnaissent donc généralement des xéno- ou des allo-antigènes. Il existe aussi des anticorps qui reconnaissent des antigènes au sein même de l'organisme qui les produit: ce sont des auto-anticorps, qui se fixent sur des auto-antigènes. Certains des ces anticorps existent physiologiquement (auto-anticorps naturels), les autres apparaissent au cours des maladies auto-immunes.

C – Influence de la dose, de la forme et de la voie d’administration de l’antigène dans l’induction d’une réponse immunitaire

1- L’amplitude de la réponse immunitaire dépend de la dose d’antigène administrée. Au-dessous d’un certain seuil, la plupart des protéines immunogéniques sont incapables d’induire une réponse immunitaire. Au-dessus de ce seuil, on observe une augmentation progressive de l’intensité de la réponse immunitaire à mesure que la dose d’antigène augmente. A partir d’une certaine dose on atteint un plateau et enfin si la dose augmente encore, on observe paradoxalement une inhibition de la réponse immunitaire. Cette inhibition s’explique par la mise en jeu de systèmes périphériques de régulation du système immunitaire. Ces systèmes permettent d’éviter qu’une trop forte lymphocytaire n’entraîne des effets pervers capables d’altérer l’intégrité physique de l’organisme.

Figure 3 : Influence de la dose d’antigène sur l’intensité de la réponse humorale spécifique

2- La forme physique et la structure de l’antigène influencent aussi l’induction de la réponse immunitaire. Ainsi, un antigène agrégé sera plus immunogène car cette forme favorise la phagocytose de l’antigène par les cellules chargées de présenter les antigènes aux lymphocytes.

3- La voie d’administration de l’antigène affecte aussi l’amplitude et le type de réponse immunitaire mise en jeu. Les antigènes injectés par voie sous cutanée ou intradermique induisent les réponses les plus fortes alors que ceux injectés directement dans la circulation sanguine ont plutôt tendance à induire un état de non réponse du système immunitaire. Ces considérations de voie d’administration sont à relier avec les doses d’antigène immédiatement disponibles dans l’organisme après l’injection. Les voies sous-cutanée et intradermique favorisent la libération lente et progressive de l’antigène dans un lieu riche en cellules présentatrices d’antigène alors que l’injection parentérale directe induit des concentrations sériques d’antigène élevées qui peuvent dépasser le seuil de tolérance du système immunitaire et induire un état de non-réponse.

Tableau 1 : Influence de la forme physique de l’antigène

Facteurs influençant l’immunogénicité des protéines
Paramètres	+ Immunogénicité	- Immunogénicité
Taille	Grosse (>2500 kd)	Petite (<2500 kd)
Dose	Intermédiaire	Faible ou forte
Voie d’administration	SC > IP > IV
Forme physique	Particulaire	Soluble
	Dénaturée	Native
Origine	Protéine du non soi	Protéine du soi
Adjuvant	Présence	Absence

Rôle des adjuvants

La plupart des protéines sont faiblement immunogéniques lorsqu’elles sont administrées directement sous forme native. Une réponse immunitaire forte contre une protéine antigénique nécessite que l’antigène soit injecté de façon concomitante avec des adjuvants. Un adjuvant est par définition une substance qui permet d’augmenter l’immunogénicité d’une protéine qui lui est associée. Les adjuvants diffèrent des protéines porteuses car ils ne forment pas de liaisons covalentes avec l’antigène.

Les adjuvants peuvent augmenter l’immunogénicité d’une protéine de plusieurs façons. Premièrement, les adjuvants convertissent une protéine antigénique soluble en antigène particulaire, forme dont sont particulièrement friandes les cellules présentatrices de l’antigène. Le second rôle des adjuvants est d’induire une inflammation locale permettant l’afflux des cellules présentatrice de l’antigène. Cette action est due à la présence dans l’adjuvant, de composés bactériens. Enfin, le troisième rôle de l’adjuvant tient dans sa forme physique huileuse qui, lorsque la préparation antigénique est administrée sous la peau, entraînent un relargage lent et progressif de l’antigène, favorisant ainsi la stimulation du système immunitaire. L'adjuvant le plus utilisé en immunologie expérimentale est l'adjuvant de Freund.

Tableau 2 : Rôle des adjuvants

Différents types d’adjuvants
Dénomination	Composition	Mécanisme d’action
Adjuvant incomplet de Freund	Emulsion huile/eau	- Retarde la diffusion de l’antigène - Favorise la prise en charge de l’antigène par les macrophages
Adjuvant complet de Freund	Emulsion huile/eau Mycobactéries tuées	Identique à l’AIF + co-stimulation des macrophages.
Alun	Gel d’hydroxyde d’Aluminium	- Retarde la diffusion de l’antigène - Favorise la prise en charge de l’antigène par les macrophages
Complexes immuno-stimulants	Matrice de QuilA	- incorporation d’antigènes dans le cytosol. - Favorise l’induction d’une réponse cytotoxique.

III - Les instruments de la réponse immunitaire adaptative

Les cellules immuno-compétentes dérivent toutes de la moelle osseuse. On peut les classer en cellules présentatrices d'antigènes (CPA) et en cellules lymphoïdes. Les cellules présentatrices professionnelles (monocytes, macrophages, cellules dendritiques) phagocytent les antigènes et les traitent pour qu'ils deviennent capables de stimuler les cellules lymphoïdes. Les cellules lymphoïdes se répartissent en deux grandes populations: les lymphocytes T et les lymphocytes B. Ces deux populations se distinguent par leur origine, des caractéristiques phénotypiques et des caractéristiques fonctionnelles. Les lymphocytes T sont responsables de l'immunité à médiation cellulaire; les lymphocytes B sont responsables de l'immunité humorale et de la production des anticorps.

Figure 4 : Différenciation des cellules hématopoïétiques dans la moelle.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

A - Origine des cellules lymphoïdes

Les deux populations naissent dans la moelle osseuse, mais les précurseurs des lymphocytes T migrent dans le thymus pour y mûrir et y acquérir leur immuno-compétence, tandis que les lymphocytes B mûrissent dans la moelle osseuse.

B - Phénotype

Les lymphocytes T sont caractérisés par la présence sur leur membrane, de "marqueurs" comme la molécule CD3 ("Cluster de différenciation" 3). D'autres marqueurs permettent de distinguer au sein des lymphocytes T deux sous-populations : lymphocytes Th (T "helper" ou T "auxiliaires") porteurs du marqueur CD4 et lymphocytes Tc (T" cytotoxiques") porteurs du CD8. De même, parmi les lymphocytes B, on distingue les lymphocytes B 1a, B1b et B2. Tous les lymphocytes B sont reconnus par la présence d'immmunoglobulines sur leur membrane.

C - Fonctions des cellules immuno-compétentes

La fonction principale des lymphocytes est la reconnaissance des déterminants antigéniques ou épitopes grâce à des récepteurs spécifiques d'antigènes: le TCR ("T cell receptor") sur les lymphocytes T, et le BCR ("B cell receptor") sur les lymphocytes B. Chaque lymphocyte a une spécificité restreinte à un seul épitope. Les lymphocytes T ne peuvent reconnaître que des épitopes peptidiques primaires présentés par les CPA. Les lymphocytes B peuvent reconnaître les épitopes primaires ainsi que les épitopes conformationnels présents sur les molécules antigéniques complexes.

1 – L'immunité à médiation cellulaire

Les lymphocytes T jouent un rôle prépondérant. Les lymphocytes T CD4+ permettent la stimulation et l'activation d'autres populations lymphoïdes, notamment les lymphocytes T cytotoxiques (Tc) CD8+ et les lymphocytes B. Ils peuvent aussi être à l'origine de réactions inflammatoires locales. Les lymphocytes Tc lysent les cibles cellulaires porteuses de l'épitope qui a activé les lymphocytes.

Figure 5 : Aspects microscopiques d’un lymphocyte.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

La mesure de l' immunité à médiation cellulaire est difficile à réaliser. Ceci est dû à l’absence de sécrétion de produits spécifiques de l’antigène par les lymphocytes T. Il n’existe donc pas de méthodes simples pour mesurer la réponse T spécifique. L’activation des lymphocytes T peut être divisée en une phase d’induction au cours de laquelle les cellules T sont activées, se divisent et se différencient et en une phase effectrice ou les lymphocytes T répondent à l’agression antigénique. Chacune de ces phases nécessite l’interaction de la cellule T avec une autre cellule présentant à sa surface un complexe CMH-peptide spécifique du récepteur pour l’antigène du lymphocyte T (TcR). Durant la phase d’induction, la cellule présentatrice d’antigène délivre au lymphocyte T deux signaux. Le premier correspond à l’interaction CHM-peptide/TcR et conditionne la spécificité de la réponse immunitaire. Le second correspond à l'interaction de molécules de surface complémentaires sur la CPA et le lymphocyte T appelées molécules de costimulation. Les signaux de costimulation délivrés au lymphocyte T par la CPA induisent la prolifération de la cellule T. Durant la phase effectrice, la nature de la cellule cible dépend du type de cellules T effectrices préalablement stimulés.

La présence de cellules T ayant répondu à une stimulation antigénique in vivo est détectée par une réaction de prolifération in vitro en présence de l’antigène immunisant. Cependant, la prolifération des lymphocytes T indique seulement que ces cellules, capables de reconnaître un antigène donné, ont été préalablement activées in vivo, elle ne révèle pas quel type de fonction effectrice elles remplissent. Les fonctions effectrices des lymphocytes T sont testées par les effets qu’elles induisent lorsqu’elles sont mises en contact avec une cellule cible appropriée. Ainsi, les lymphocytes T CD8+ cytotoxiques peuvent tuer des cellules cibles infectées prévenant ainsi la réplication des micro-organismes intracellulaires. Au contraire, les lymphocytes T CD4+ n’induisent pas d’effet direct mais sont capables, par l’intermédiaire des cytokines qu’ils sécrètent, d’activer les lymphocytes B et les macrophages qui vont alors défendre de façon adaptée l’organisme contre divers types d’agression.

2 – L'immunité humorale

Les lymphocytes B contribuent à la réponse immunitaire adaptative en produisant des anticorps. La réponse des cellules B après injection d’un immunogène est habituellement mesurée par la production d’anticorps spécifiques de l’antigène dans le sérum ou dans le plasma. La réponse humorale se caractérise par la spécificité, le titre, et la classe (ou isotype) des anticorps produits. La spécificité détermine la capacité de l’anticorps de distinguer l’immunogène des autres antigènes. Le titre des anticorps peut être déterminé par de nombreuses méthodes et dépend du nombre de cellules B stimulées, du taux de synthèse de l’anticorps par les lymphocytes B et de la persistance de l’anticorps dans le sérum après sa production. La persistance d’un anticorps dans un fluide extracellulaire dépend de son isotype, chaque isotype ayant une demi-vie différente in vivo. Tous ces paramètres de la réponse humorale permettent de prévoir si la réponse anticorps va permettre de protéger l’organisme contre une infection.

D - Autres cellules impliquées dans la réponse immunitaire

Les cellules présentatrices d'antigènes "professionnelles" sont les macrophages et les cellules dendritiques, ainsi que les autres phagocytes mononucléés tels que les cellules de Kuppfer du foie, les cellules de Langherans de la peau et les cellules de la microglie. D'autres cellules, comme les lymphocytes B et les cellules épithéliales exprimant des antigènes HLA de classe II après activation, peuvent occasionnellement présenter des antigènes aux lymphocytes T.

En outre, les polynucléaires éosinophiles interviennent dans la défense anti-parasitaire, et les mastocytes jouent un rôle primordial dans les réaction allergiques immédiates.

Figure 6 : Cellules présentatrices d’antigène.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

IV - Les organes lymphoïdes

Le thymus et la moelle osseuse constituent les organes lymphoïdes primaires (ou centraux) où sont sélectionnées, mûrissent et se différencient des cellules lymphoïdes.

A – Structure des organes lymphoïdes centraux

1- Le thymus

Le thymus dérive des troisième et quatrième fentes branchiales, et est situé dans la partie supérieure du médiastin antérieur. Il est volumineux chez l'enfant et involue progressivement jusqu'à la puberté sans disparaître complètement ni anatomiquement ni fonctionnellement. Il est divisé en lobes qui comportent une zone corticale et une zone médullaire. La maturation et la différenciation des thymocytes s'opèrent de la corticale vers la médullaire, au contact des cellules épithéliales thymiques, des cellules dendritiques et des macrophages. Certaines cellules épithéliales sont agencées pour former les corpuscules de Hassal dans la zone médullaire. Au cours de ces contacts s'opèrent différentes sélections des thymocytes qui déterminent le répertoire des TCR. Seuls les thymocytes différenciés en lymphocytes Th CD4+ et Tc CD8+ quittent le thymus pour circuler et coloniser les organes lymphoïdes périphériques.

Figure 7 : Structure du thymus.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

2 – La moelle osseuse hématopoïétique

Les mammifères ne possèdent pas d’organe spécialisé dans la lymphopoïèse B. Les cellules B se développent à partir des cellules souches lymphoïdes dans le tissu hématopoïétique du foie fœtal à partir de 8 à 9 semaines de gestation chez l’homme et vers le 14^ème jour chez la souris. Le foie fœtal est ensuite relayé par la moelle osseuse qui conserve cette fonction chez l’adulte. Les cellules B ne sont pas produites dans un compartiment particulier de la moelle osseuse.

B – Structure des organes lymphoïdes périphériques

La rate et les ganglions sont les organes lymphoïdes périphériques (ou secondaires). Fonctionnellement, la rate joue le rôle d'un gros ganglion branché sur la grande circulation. Dans les organes lymphoïdes périphériques, les antigènes sont captés et présentés aux cellules lymphoïdes par les CPA. Les cellules lymphoïdes spécifiques activées prolifèrent, se différencient, coopèrent les unes avec les autres pour développer la réponse immunitaire spécifique.

Figure 8 : Le réseau lymphatique.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

1 - Les ganglions lymphatiques

Les ganglions lymphatiques drainent la lymphe en provenance des tissus. Les vaisseaux lymphatiques afférents abordent le ganglion par la périphérie en débouchant dans le sinus marginal à partir duquel la lymphe progresse vers le hile. Elle traverse d'abord la zone corticale (cortex) puis la zone médullaire (médulla). Elle ressort du ganglion par le lymphatique efférent qui débouche du hile.

Le cortex contient 3 sortes de cellules réparties dans 2 structures reconnaissables en histologie: les lymphocytes T sont disposés en nappe sur la trame de réticuline du parenchyme ganglionnaire et constituent la zone paracorticale diffuse. Les lymphocytes B sont regroupés en follicules corticaux dont l'aspect varie selon leur niveau d'activité. En période de quiescence, les follicules sont de petite taille et d'aspect dense, homogène. En cas de stimulation et de réaction immunitaire, leur taille se développe et leur centre devient plus clair à cause de la présence de grandes cellules immunoblastiques résultant de la rencontre avec l'antigène. On observe aussi, au sein de la corticale ganglionnaire, les cellules dendritiques spécialisées dans la présentation des antigènes.

La médullaire comporte des lymphocytes, des plasmocytes et des anticorps disposés de façon apparemment aléatoire.

Figure 9 : Structure d’un ganglion lymphatique.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

2 - La rate

La rate a une structure lymphoïde qui ressemble à celle du ganglion, mais le tissu lymphoïde splénique est disposé autour et le long des artérioles "pénicillées" résultant de la subdivision de l'artère splénique. Les lymphocytes forment en effet autour des artérioles, des manchons de pulpe blanche et sont l'équivalent du cortex ganglionnaire. Comme lui, ils comportent une zone diffuse T et des follicules B. Entre les manchons de la pulpe blanche, on observe la pulpe rouge qui équivaut à la médullaire des ganglions. Elle contient aussi des lymphocytes, des plasmocytes et des macrophages. Elle est en outre le lieu privilégié de destruction des hématies qui ont atteint la limite d'âge (120 j). Il faut noter que dans la rate il n'y a pas de vaisseaux lymphatiques afférents périphériques mais seulement des lymphatiques efférents hilaires.

Figure 10 : Structure de la rate.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

3 - Les structures lymphoïdes annexées aux muqueuses

Aux tissus épithéliaux sont annexées des formations lymphoïdes jouant le même rôle que les organes lymphoïdes secondaires: ce sont les formations lymphoïdes associées au tissu bronchique (BALT, " Bronchus associated lymphoïd tissu") et au tissu intestinal (GALT, "gut-associated lympoïd tissue").

Le GALT comporte les amygdales, l'appendice et les formations lymphoïdes de la sous-muqueuse intestinale appelées "plaques de Peyer". Les antigènes traversent la barrière intestinale grâce à des cellules épithéliales spécialisées, les cellules M, qui les captent et permettent leur transfert au sein de la plaque de Peyer. Celle-ci est constituée d'une zone folliculaire B entourée d'une zone T diffuse. En outre, au sein de l'épithélium intestinal, existe une population lymphocytaire particulière (les lymphocytes intra-épithéliaux) qui interviennent spécialement dans l'immunité muqueuse.

Figure 11 : Structure lymphoïdes associées aux muqueuses.

Photo : Immunobiology, 1998, CA. Janeway. Ed Garland Publishing

C - La recirculation des lymphocytes

Il y a un va-et-vient permanent des lymphocytes entre la circulation sanguine et la circulation lymphatique. Ils pénètrent dans les ganglions et la rate à partir des vaisseaux sanguins en traversant la paroi capillaire grâce à des cellules endothéliales spécialisées caractérisées par leur aspect cubique ("high endothelial cells"). Ils peuvent en ressortir soit par la veine efférente, soit par le lymphatique efférent qui se draîne dans le canal thoracique. Le canal thoracique débouchant dans la veine cave supérieure, les lymphocytes retournent ainsi dans la circulation sanguine.

En outre, grâce aux capillaires sanguins et aux capillaires lymphatiques, les lymphocytes sont présents au sein de presque tous les tissus. Les tissus les moins riches en lymphocytes sont l'oeil, le cerveau et le testicule.

Figure 12 : Recirculation des lymphocytes.