Implication des phagocytes mononucléés dans les thérapies anti-cancéreuses

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Origines des macrophages

Depuis les années 1960, le dogme était que les macrophages tissulaires provenaient des monocytes circulants eux-mêmes issus des cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse. Une des techniques utilisées pour cette démonstration était l’irradiation des souris pour provoquer une déplétion massive des cellules immunitaires et observer la reconstitution de ces cellules dans les tissus. Dans ce cas précis, ce sont les monocytes circulants provenant de l’hématopoïèse qui vont infiltrer les tissus pour reconstituer l’ensemble des macrophages (Goodman, 1964). D’autre part, le fait établi que les monocytes infiltrent les tissus en condition inflammatoire, où ils se différencient, était un autre argument pour confirmer l’origine de ces macrophages (van Furth and Cohn, 1968).
Depuis quelques années, plusieurs équipes ont démontré que les macrophages intégraient les tissus pendant le développement embryonnaire, bien avant la mise en place de l’hématopoïèse. Ces macrophages ont la capacité d’auto-renouvèlement et persistent à l’âge adulte indépendamment des monocytes circulants (Hashimoto et al., 2013) ; (Yona et al., 2013). Ces études ont permis de soulever de nouvelles questions sur la nature et l’origine des macrophages. L’ensemble des progéniteurs embryonnaires a une grande plasticité. Ils peuvent coloniser un organe et constituer les macrophages tissulaires qui acquièrent alors les fonctions spécifiques associées à chaque tissu (van de Laar et al., 2016). Les progéniteurs érythro-myéloïdes (EMP) apparaissent très tôt dans le sac vitellin (entre 7.5 et 8.5 jours après le début de l’embryogenèse (E)). Ils sont décrits comme étant à l’origine des progéniteurs macrophagiques du sac vitellin et des monocytes du foie fœtal. Ces populations se différencient par l’acquisition de l’expression de c-Myb par les monocytes dans le foie fœtal (Hoeffel et al., 2015). Les macrophages du sac vitellin se développent sans passer par des étapes intermédiaires monocytaires entre E8.5 et E10.5. Les microglies du cerveau proviennent majoritairement de ces progéniteurs présents dans le sac vitellin des souris (Ginhoux et al., 2010). Les monocytes du foie fœtal apparaissent plus tard entre E10.5 et E13.5 et sont à l’origine de la majorité des autres macrophages tissulaires (peau, foie, rein, …) (Figure 3). En intégrant les tissus, les macrophages vont acquérir graduellement leurs fonctions en commençant à exprimer des récepteurs de cytokines, des récepteurs éboueurs ou de reconnaissance de pathogènes (Mass et al., 2016).
L’activation et les fonctions des macrophages dépendent de leur ontogénie, du tissu dans lequel ils résident et des signaux de stress auxquels ils sont exposés. De façon intéressante, un même signal de stress exposé dans différents tissus ou à des macrophages d’origine différente peut conduire à des réponses fonctionnelles différentes. (Ginhoux and Guilliams, 2016)
L’origine des macrophages tissulaires entre ceux provenant du développement embryonnaire et ceux dérivés des monocytes issus de l’hématopoïèse adulte, ajoute une nouvelle complexité à l’étude de ces cellules et à la compréhension de leurs différents rôles dans des pathologies inflammatoires. Cette notion a un intérêt tout particulier dans le cas du cancer pour lequel le rôle des macrophages d’origine embryonnaire est totalement inconnu. C’est pourquoi il serait intéressant de rechercher si ces sous-types de macrophages ont des différences de fonctions ou d’interaction avec d’autres populations et s’ils répondent de la même manière à leur environnement.

Fonctions des phagocytes mononucléés

Les MP sont des cellules essentielles pour la défense de l’hôte contre de nombreux pathogènes. Ils sont parmi les premiers à détecter l’intrusion de microbes et à engager des fonctions immunes telles que l’élimination des pathogènes, la capture et la présentation d’antigène ou la rémission des dommages tissulaires que je vais maintenant présenter plus en détails.

La phagocytose

La phagocytose correspond à la capacité à internaliser une grosse particule (supérieure à 1µm de diamètre) que ce soit en condition homéostatique (destruction de cellules apoptotiques) ou en condition inflammatoire (destruction de micro-organismes ou de cellules infectées). Afin de reconnaître les microbes, les cellules myéloïdes expriment différents récepteurs reconnaissant des motifs moléculaires associés aux microbes (MAMP) (Didierlaurent et al., 2005). Ces récepteurs peuvent induire diverses réponses comme la production de cytokines pro-inflammatoires (récepteurs de reconnaissance de motifs moléculaires (PRR)) ou la phagocytose. Pour cette dernière, il y a deux catégories principales de récepteurs impliqués. Les récepteurs qui reconnaissent directement les microbes comprennent le récepteur du mannose, la dectine-1 ou les récepteurs éboueurs (MARCO, CD36) capables de reconnaître des microbes et des corps apoptotiques (Peiser and Gordon, 2001). Les macrophages résidents dans les zones T des ganglions lymphatiques sont capables d’efferocytose, c’est-à-dire qu’ils éliminent les cellules apoptotiques par phagocytose (Baratin et al., 2017). La seconde catégorie concerne les récepteurs qui reconnaissent les éléments opsonisés par diverses molécules comme les anticorps ou des composants du complément. Par exemple, le récepteur CRIg (Récepteur du complément de la superfamille des Ig) lie les fragments du complément C3b et iC3b et permet l’opsonisation de particules et de pathogènes provenant de la circulation sanguine par les cellules de Kupffer (Helmy et al., 2006).
La phagocytose se poursuit par l’internalisation des éléments reconnus dans des vésicules appelées phagosomes. Les phagosomes vont ensuite fusionner avec des lysosomes pour former une vésicule destructrice, le phagolysosome, qui contient des peptides antimicrobiens, des enzymes de digestion et des composés oxygénés et azotés toxiques (Aderem and Underhill, 1999). Certains microbes ont évolué et développé des capacités pour échapper à la phagocytose. Ils se servent des étapes précoces de ce processus pour pénétrer dans la cellule et ont développé des mécanismes pour éviter les étapes suivantes en détruisant le phagosome (Listeria monocytogenes) ou en empêchant la fusion avec les lysosomes (Mycobacterium tuberculosis et Salmonella).

Cytotoxicité des phagocytes mononucléés

Les phagocytes activés peuvent produire la forme inductible de l’oxyde nitrique synthase (iNOS) et la NADPH oxydase. Cette production induite par des pathogènes virulents est dépendante de la voie des TLR-Myd88 et de l’IFN-γ, mais aussi du CCL2 pour les monocytes (Hackel et al., 2013). L’iNOS conduit à la production d’oxyde nitrique (NO) et la NADPH oxydase à la production d’espèce réactive de l’oxygène (ROS), très toxiques, qui vont participer à la destruction des organismes internalisés. Ils participent aussi à la production de nombreuses cytokines et à la survie cellulaire (Bogdan et al., 2000).
Les ROS et le NO sont impliqués dans la pathogenèse des douleurs aiguës et chroniques et sont des médiateurs de l’inflammation. Des souris déficientes en iNOS ou NADPH oxydases sont sensibles à un certain nombre de pathogènes, principalement intracellulaires (Bogdan et al., 2000). Le suivi de la production de ROS et de NO est un bon moyen pour vérifier la qualité et la durée de la réponse innée à une infection dans des modèles murins. L’importance de leur production est encore sous-estimée chez l’homme mais pourrait être associée à l’efficacité d’une réponse ou à différents stades d’avancé d’une pathologie.

Production de cytokines

Les cytokines pro-inflammatoires

Le TNF, l’IL-1 et l’IL-6 sont les principales cytokines pro-inflammatoires produites par les phagocytes et jouant un rôle important dans l’induction de l’inflammation (Arango Duque and Descoteaux, 2014). Le TNFα, produit par les monocytes et les macrophages, stimule l’expression de molécules d’adhérence et la production de chimiokines par les cellules endothéliales et contribue au recrutement des leucocytes sur le site inflammatoire (Griffin et al., 2012). Il participe aussi à l’induction de la réponse adaptatrice et à la réparation tissulaire en induisant la production de facteurs de croissance. L’IL-1, sécrété après la reconnaissance de PAMP, participe avec le TNFα à l’adhérence des cellules à l’endothélium vasculaire. Il est aussi impliqué dans la prolifération et la différenciation des lymphocytes T CD4 (Ben-Sasson et al., 2009). C’est une cytokine importante dans l’induction de la fièvre car elle est capable d’activer les centres hypothalamiques qui contrôlent la température corporelle ce qui améliore l’efficacité de l’immunité adaptatrice. L’IL-6 favorise le recrutement des monocytes circulants et l’activation des cellules phagocytaires (Hurst et al., 2001).
L’activation par les TLR initie principalement la voie Myd88 puis NFκB ce qui conduit à la production de cytokines inflammatoires (Parihar et al., 2010). Par exemple, les interférons sont connus pour induire la production de molécules antivirales et l’IL-12 et l’IL-18 sont des cytokines activatrices des NK (Haeberlein et al., 2010).

Les cytokines anti-inflammatoires

Les cytokines anti-inflammatoires sont très importantes dans l’immunorégulation de la réponse inflammatoire et dans le maintien de l’homéostasie. La reconnaissance et la phagocytose de cellules apoptotiques par les macrophages induit la production d’IL-10, de TGFβ et de prostaglandine 2 (PGE2) permettant de maintenir un état homéostatique et de supprimer les risques d’auto-immunité (Makita et al., 2015).
L’intestin est un organe particulier pour l’induction de la tolérance envers les bactéries commensales. Une étude a montré que dans un modèle d’infection de souris par Citrobacter rodentium, la production d’IL-10 par les macrophages intestinaux induit une régulation autocrine qui permet de prévenir l’induction de réponse inflammatoire antibactérienne en limitant leur production d’IL-23 (Krause et al., 2015). Les macrophages interstitiels du poumon permettent la prévention de l’inflammation des voies aériennes en condition d’allergie en diminuant fortement les réponses Th2 par la libération d’IL-10 et de TGFβ (Bedoret et al., 2009).

La présentation antigénique

Si les DC sont connues comme étant les meilleures APC, les macrophages sont eux aussi capables d’activer l’immunité adaptatrice grâce à la présentation antigénique. En effet, après phagocytose, les macrophages peuvent ne détruire que partiellement les particules étrangères qui ont été captées afin de les présenter à leur surface. La présentation antigénique par les monocytes et les macrophages est très régulée et peut être modulée en contrôlant la synthèse et l’expression des molécules du CMHII. Par exemple, l’IL-10 est capable d’inhiber la production de CMHII et le mécanisme de présentation de l’antigène sur le CMHII (Mittal and Roche, 2015).
Les macrophages CD169+ présents dans les organes lymphoïdes secondaires sont capables d’activer les lymphocytes T CD8 des ganglions lymphatiques en leur présentant des antigènes associés à la mort cellulaire (Asano et al., 2011) et de transférer des antigènes aux cellules dendritiques CD8α présentes dans la rate pour permettre la présentation croisée d’antigènes (Backer et al., 2010). Ces macrophages sont situés à des emplacements stratégiques pour acquérir l’antigène et optimiser la présentation aux lymphocytes (Martinez-Pomares and Gordon, 2012).
Depuis le début des années 1990, les monocytes sont eux aussi considérés comme des APC (Rigby et al., 1990) ; (Szabo et al., 1990). Dans le cas d’une infection par le virus de la grippe, les monocytes inflammatoires portant des antigènes viraux induisent une réponse immunitaire de type Th1 et la prolifération des lymphocytes CD4 spécifiques de l’antigène (Kim and Braciale, 2009). De même, dans le cas de certaines infections bactériennes comme Leishmania major ou Salmonella enterica, les monocytes induisent une réponse Th1 dépendante du TNF (Flores-Langarica et al., 2011) ; (Leon et al., 2007). Dans d’autres modèles comme l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE), les infections par L. monocytogenes ou par Plasmodium berghei, les monocytes peuvent induire des lymphocytes Th17 (Yi et al., 2012). Les monocytes stimulés par du GM-CSF produisent plus de cytokines induisant la différenciation des lymphocytes en Th17 (IL-6, IL-1β) que ne le font les cDC (Ko et al., 2014).
Des études se sont intéressées au recrutement direct des monocytes depuis le tissu inflammatoire jusqu’aux ganglions lymphatiques par les vaisseaux lymphatiques afférents grâce à l’expression de CCR7 et du CMHII (Tamoutounour et al., 2013). Les monocytes qui expriment le CD62L peuvent aussi entrer dans les ganglions par le sang via les veinules à endothélium épais (Leon and Ardavin, 2008). Les monocytes ont un rôle antimicrobien direct sur le site et sont capables, en particulier pendant des infections de la peau ou des poumons, de prendre en charge des antigènes microbiens ou des bactéries vivantes afin de les transporter aux ganglions lymphatiques drainants (Samstein et al., 2013). Ils peuvent alors transférer l’antigène à des DC classiques ou se différencier en DC dérivés de monocytes (Randolph et al., 1999). Ces deux catégories de DC sont capables d’activer correctement les LT CD4 et CD8, ce qui suggère que les monocytes participent à la mise en place d’une réponse effectrice spécifique des LT (Cheong et al., 2010).
En conclusion, les phagocytes mononucléés sont des cellules qui interviennent très tôt dans la réponse inflammatoire ce qui en fait des éléments essentiels pour la mise en place d’une réponse immune de qualité. De nombreuses études tendent maintenant à montrer que le rôle des monocytes ne se limite pas à infiltrer les tissus pour se différencier, mais qu’ils ont bien une fonction en tant que tel et qui ne dépend pas de leur maturation en macrophages ou en cellules dendritiques (Jakubzick et al., 2013). D’autre part, l’avancé des recherches sur l’ontogénie des macrophages ouvre des perspectives intéressantes pour associer des fonctions macrophagiques et les réponses induites par l’environnement avec cette origine.

Le réseau chimiokinique dans la migration des phagocytes mononucléés

Comme nous l’avons vu, les phagocytes mononucléés s’organisent en un système extrêmement dynamique du point de vue spatio-temporel. Leur efficacité fonctionnelle repose sur les capacités migratoires des différents protagonistes entre les tissus lymphoïdes et non-lymphoïdes via la circulation lymphatique et sanguine et à travers le parenchyme tissulaire. Le réseau des chimiokines et de leurs récepteurs fait parti des éléments clés régulant ce trafic cellulaire à travers l’organisme. Les récepteurs de chimiokines représentent la plus grande famille de récepteurs à 7 domaines transmembranaires exprimés par les cellules immunitaires.
Ils lient les chimiokines qui sont de petites cytokines chimio-attractantes qui favorisent la migration cellulaire par chimiotactisme. La première chimiokine découverte a été l’interleukine 8 (IL-8) en 1987, qui, après production par les monocytes, exerçait une activité chimio-attractante sur les neutrophiles (Yoshimura et al., 1987).

Principe de la migration des leucocytes

Les différents types de migration

La migration des cellules en général peut dépendre de différents types de signaux. Ils sont soient issus d’une migration physique (durotaxie, mécanotaxie) qui dépendent de l’environnement direct ou d’une migration chimique (chimiotaxie) qui permet la mobilisation de cellules entre des tissus plus ou moins éloignés dans l’organisme.
La durotaxie est un type de migration cellulaire où les cellules suivent un gradient de rigidité qui provient de structures spécifiques de la matrice extracellulaire (ECM). La plupart des cellules ne peuvent pas survivre dans un milieu fluide et doivent donc s’ancrer à leur environnement. L’environnement mécanique peut être très différent en fonction des types cellulaires comme la peau, les muscles ou le cerveau et il joue un rôle très important dans l’adhésion ou la migration. La plupart des cellules migrent vers la partie la plus rigide comme peuvent le faire les cellules musculaires lisses vasculaires (Isenberg et al., 2009). Ce type de migration dépend de structures telles que le collagène ou l’élastine.
Le chimiotactisme des leucocytes a été décrit pour la première fois en 1888 par Leber dans un modèle d’irritation de la cornée chez le lapin (Leber, 1892). C’est le résultat d’une migration dirigée, souvent par un gradient de chimiokines solubles, permettant le recrutement de cellules sur un lieu spécifique. Il agit lors du recrutement des cellules depuis la lumière vasculaire puis lors de la migration interstitielle. Les chimiokines solubles permettent la migration des leucocytes circulants dans tout l’organisme. L’IL-8 est le parfait exemple de molécule induisant du chimiotactisme. Il permet le recrutement rapide et dirigé des neutrophiles sur le site inflammatoire selon un gradient de concentration et en se fixant aux récepteurs CXCR1 ou CXCR2 exprimés pas les neutrophiles (Mahalingam and Karupiah, 1999).
A la différence du chimiotactisme, la chimiokinèse décrit une migration aléatoire ne suivant pas de gradient de concentration. Les chimiokines vont augmenter la vitesse des cellules sans pour autant suivre un processus directionnel (Figure 4). La chimiokinèse et le chimiotactisme peuvent agir de façon synergique. Par exemple, l’IL-5 peut induire la chimiokinèse des éosinophiles alors que le CCL11 est responsable du chimiotactisme de ces mêmes cellules. La combinaison des deux permet un recrutement optimal des éosinophiles dans les tissus (Palframan et al., 1998)
L’haptotaxie est un mouvement cellulaire directionnel en réponse à des molécules adhérentes ou à des chimiokines liées à une surface (Figure 4). En 2013, Weber et al. ont réussi à mesurer et à imager in vivo la migration des DC dans les vaisseaux lymphatiques de la peau grâce au CCL21 immobilisé (Weber et al., 2013). La migration transendothéliale (qui permet la diapédèse des cellules) peut arriver en absence de gradient de chimiokines solubles s’il y a une forte concentration de chimiokines fixées sur la surface luminale des vaisseaux (Wei et al., 2003). In vivo, il est difficile d’imaginer que les chimiokines puissent être solubles dans les tissus. En effet, les chimiokines sont connues pour se coller aux protéoglycanes (GAG). Certaines études suggèrent que la liaison des chimiokines aux GAG est essentielle in vivo pour exercer leur fonction. Ainsi, le terme d’haptotactisme devrait être préférentiellement utilisé à celui de chimiotactisme (Prescott and Proudfoot, 2002).
La nécrotaxie est proposée depuis les années 1930 et concerne des chimioattractants issus de cellules nécrotiques ou apoptotiques (Figure 4). Cette migration des leucocytes précède souvent la phagocytose des corps ou cellules détectées. Les molécules issues de cette mort cellulaire, qui sont encore peu connues, peuvent attirer les cellules, ce qui en fait un type de mobilisation important à considérer dans certaines physiopathologies (Debru, 1993).
Cette figure regroupe les différents types de mobilisation qui peuvent être associés aux cellules immunitaires, que ce soit dans le sang ou dans un tissu. Le chimiotactisme représente une migration dirigée dans le sens d’un gradient de concentration croissant d’un chimioattractant soluble. La chimiokinèse correspond à une augmentation de la mobilité cellulaire sans directionalité apparente. L’haptotaxie représente la migration interstitielle typique selon un gradient de concentration d’un chimioattractant lié à différentes molécules de la matrice extracellulaire. Enfin, la nécrotaxie est dépendante de facteurs libérés pendant la nécrose cellulaire. (Kohidai L. 2008)

Mobilisation des leucocytes et recrutement dans les tissus

Les leucocytes trafiquent principalement par le sang pour rejoindre les différents tissus. L’intravasation est le mécanisme par lequel les cellules passent d’un tissu vers le sang ou la lymphe. Cela s’applique par exemple à la sortie des leucocytes des organes lymphoïdes 39 primaires après maturation. Les monocytes produits dans la moelle osseuse sont libérés dans la circulation sanguine grâce à l’expression du récepteur CCR2. En effet, les souris déficientes en CCR2 ont très peu de monocytes dans le sang dû à un défaut de sortie des monocytes de la moelle osseuse (Serbina and Pamer, 2006). Les DC entrent dans les vaisseaux lymphatiques par intravasation. La chimiokine CCL21 est particulièrement importante lors de ce processus (Vaahtomeri et al., 2017). Elle permet d’initier l’interaction entre la DC et les cellules endothéliales lymphatiques, ce qui facilite la migration des cellules vers la lymphe.
Le recrutement tissulaire implique la migration cellulaire depuis la circulation vers le parenchyme tissulaire. Ce processus est appelé extravasation cellulaire et se déroule en plusieurs étapes. Tout d’abord, les leucocytes circulant rapidement dans la lumière des vaisseaux sont ralentis par les E- et P-sélectines produites par les cellules endothéliales. Ces interactions transitoires conduisent la cellule à un roulement le long des parois vasculaires de plus en plus lent (Figure 5). Les premiers contacts avec l’endothélium ralentissent les leucocytes de 50 à 100 fois par rapport aux cellules circulantes pour atteindre une vitesse de 10-20mm/s puis le nombre et la force des interactions avec les sélectines augmentent et les cellules commencent à ramper lentement à une vitesse d’environ 5mm/s.
Les chimiokines produites dans le tissu peuvent être présentées par des protéoglycanes au niveau de la lumière vasculaire et participent à l’arrêt spécifique des cellules exprimant les récepteurs appropriés. La liaison entre récepteurs et chimiokines induit la production d’intégrines telles que CD11a ou ICAM-1 qui vont finaliser l’arrêt des leucocytes. De nombreuses chimiokines peuvent stimuler les leucocytes qui expriment le récepteur approprié et ainsi déclencher l’adhésion (Johnston and Butcher, 2002). Par exemple, le CCL2 va déclencher l’adhésion des monocytes via le CCR2 (Gerszten et al., 1999), l’IL-8 induit l’adhésion de neutrophiles qui expriment CXCR1 et CXCR2 (DiVietro et al., 2001), les lymphocytes naïfs peuvent adhérer par la liaison du CCR7 à ses ligands CCL19 et CCL21 (Pachynski et al., 1998) alors que des lymphocytes mémoires vont adhérer en réponse aux ligands des récepteurs CXCR3 (CXCL10, CXCL9) , CCR4 (CCL17, CCL22) (Campbell et al., 1999), CCR6 (CCL20) (Campbell 1998 Science) ou CCR1 et CCR5 (CCL5) (Weber et al., 2001).
Ensuite, la cellule se met à ramper le long des parois luminales toujours grâce aux fortes interactions avec les intégrines (Auffray et al., 2007). La dernière étape consiste à traverser la paroi endothéliale pour pénétrer le tissu : c’est la migration transendothéliale. Les chimiokines participent au déclenchement de cette transmigration en régulant l’affinité et l’activation des intégrines et ainsi l’adhérence des leucocytes (McGettrick et al., 2006) ; (Vaahtomeri et al., 2017). La transmigration se fait via deux mécanismes différents. La transmigration paracellulaire est le processus par lequel la cellule va déstructurer provisoirement une jonction intercellulaire et se déformer afin de pouvoir traverser et atteindre le parenchyme tissulaire. Durant ce processus, différentes molécules interviennent telles que PECAM1, LFA1, ICAM1 ou CD99. Dans certains cas, la cellule peut s’engager dans la voie de transmigration transcellulaire et passer directement à travers une cellule endothéliale (Figure 5) (Carman, 2009).
Une fois que les cellules ont traversé l’endothélium, elles peuvent poursuivre leur migration dans le tissu en suivant un gradient de chimiokine interstitiel. Cette migration intratissulaire est souvent dirigée vers les cellules immunitaires déjà présentes qui produisent les chimiokines nécessaires. La diffusion de ces chimiokines peut toutefois être limitée par leur fixation à la matrice extracellulaire via les protéines GAG, ce qui augmente la concentration en chimiokines au niveau du site de production. Par exemple, les interactions entre les chimiokines CXCL8 ou CXCL2 et les GAG sont importantes pour la migration des neutrophiles dans le tissu pulmonaire .

Fonctions associées aux chimiokines

Les chimiokines peuvent être produites constitutivement ou être sécrétées lors d’une activation cellulaire. Les chimiokines constitutives influencent la mobilisation des leucocytes en condition homéostatique, la surveillance immunitaire et permettent l’organisation structurelle de certains organes tels que les ganglions lymphatiques. Elles sont produites au niveau des organes lymphoïdes, de la peau et des muqueuses. Les chimiokines induites en réponse à un stress physiologique sont produites par le tissu et en particulier par les leucocytes qui s’y trouvent. Ces chimiokines vont recruter les cellules immunitaires sur le site inflammatoire.
Le chimiotactisme est la fonction la plus reconnue du réseau chimiokinique mais il apparaît maintenant de plus en plus clairement que les chimiokines sont impliquées dans d’autres fonctions cruciales régulées par les leucocytes. Des études démontrent leur participation à la survie, la prolifération, la différenciation et l’acquisition de fonctions effectrices des cellules auxquelles elles se lient. Ces différents rôles impliquent les chimiokines dans de nombreuses activités biologiques comme le développement embryonnaire, l’hématopoïèse, l’immunosurveillance, la tolérance, l’angiogenèse ainsi que dans la tumorigenèse et les pathologies infectieuses.

Les chimiokines dans la surveillance immunitaire

Les chimiokines participent à de nombreuses fonctions homéostatiques (Figure 9) telles que l’organogenèse. Elles garantissent la migration des cellules souches dans l’organisme et les 47 dirigent vers l’organe en développement (Doitsidou et al., 2002). Elles favorisent l’angiogenèse et sont directement impliquées dans la prolifération cellulaire. Des études ont ainsi montré l’importance du couple CXCL12/CXCR4 dans le développement du cœur, de la moelle osseuse et du système nerveux central (Zou et al., 1998); (Miller et al., 2008).
Les chimiokines constitutives sont très importantes dans le développement des organes lymphoïdes secondaires et dans l’homéostasie des monocytes circulants impliqués dans la surveillance immunitaire. Le couple CCR7/CCL21 permet le recrutement des lymphocytes T et l’organisation des structures dans les organes lymphoïdes secondaires (SLO) et le couple CXCR5/CXCL13 est impliqué dans le recrutement des lymphocytes B dans les SLO (Hardtke et al., 2005).
Les chimiokines exprimées de façon constitutive permettent la régulation du trafic des cellules immunes qui expriment les récepteurs de chimiokines associés et organisent ainsi la surveillance immunitaire et l’architecture des organes lymphoïdes. Dans la peau, le CCL27 contribue au recrutement de lymphocytes T qui expriment le CCR10. Dans l’intestin, les lymphocytes T qui expriment CCR9 sont recrutés en réponse au CCL25 produits par les cellules épithéliales. Dans les ganglions lymphatiques, le CCL19 et le CCL21 sont connus pour recruter les lymphocytes CCR7+ et le CXCL13 participe au recrutement des lymphocytes T et B qui expriment le CCR5. Certaines cellules stromales présentes dans la moelle osseuse expriment le CXCL12 nécessaire à la création de niche pour les cellules souches hématopoïétiques CXCR4+. (Zlotnik et al., 2011)

Les chimiokines dans la prolifération et la survie des leucocytes

Les chimiokines participent activement à la régulation de la prolifération cellulaire, fonction particulièrement importante lors de l’hématopoïèse. Cet effet est mis en évidence par la chimiokine CXCL12 qui est connue pour induire la prolifération des cellules souches hématopoïétiques (HSC). Cette chimiokine est produite par les cellules stromales de la moelle. Les souris déficientes pour CXCL12 ou pour son récepteur CXCR4 ne sont pas viables à cause du déficit majeur de l’hématopoïèse médullaire alors que l’hématopoïèse du foie fœtal est normale (Tachibana et al., 1998). Le couple CXCL12/CXCR4 participe à la rétention des précurseurs hématopoïétiques au niveau des niches médullaires et régule ainsi la prolifération des cellules hématopoïétiques. A l’inverse, CCL3 est capable d’inhiber directement la prolifération des HSC (Graham et al., 1990). CX3CL1 est connu pour son rôle dans la survie des monocytes car il possède des propriétés anti-apoptotiques (Landsman et al., 2009). Les ligands des récepteurs CXCR4 et CCR3 peuvent inhiber la prolifération des progéniteurs neuronaux en induisant un état de quiescence alors que CX3CL1 est un acteur de la survie de ces cellules (Krathwohl and Kaiser, 2004). De même, CCR5, en plus de permettre le recrutement des leucocytes dans le cerveau, est un facteur de survie lors d’une infection virale de ce tissu (Glass et al., 2005).

Rôle des chimiokines dans l’angiogenèse

L’angiogenèse est un processus de formation de nouveaux vaisseaux sanguins. Elle est importante dans le développement embryonnaire ou la cicatrisation mais est aussi impliquée dans la croissance tumorale et la dissémination des métastases. Il existe des interactions directes et indirectes entre les cellules endothéliales responsables de l’angiogenèse et les cellules immunitaires, notamment les macrophages. Les chimiokines participent à ces interactions et peuvent induire la production de molécules pro-angiogéniques telles que le VEGF.
Les ELR+ CXC-chimiokines sont impliquées dans l’angiogenèse principalement via la fixation au récepteur CXCR2 chez l’homme et chez la souris (Tableau 1). L’induction de l’angiogenèse par ces chimiokines et CXCR2 a été démontrée dans un modèle de néovascularisation de la cornée. L’utilisation de souris déficientes pour CXCR2 ou d’un anticorps neutralisant de ce récepteur inhibe la vascularisation de la cornée en réponse aux ELR+ CXC-chimiokines (Addison et al., 2000). Dans un modèle de réparation tissulaire, les souris déficientes pour CXCR2 ont une cicatrisation retardée due à une diminution de l’angiogenèse (Devalaraja et al., 2000). L’implication de CCL2 dans l’angiogenèse a été démontrée dans des modèles de la membrane chorioallantoïdienne de poulet ou dans l’implantation de cornée (Goede et al., 1999). Le CXCR3 est le récepteur principal des ELR-CXC-chimiokines dont les interactions ont des propriétés angiostatiques (Mehrad et al., 2007). Il existe trois variants de CXCR3 qui ont des propriétés différentes et qui compliquent l’étude de ce récepteur. CXCR3A induit l’activité chimiotactique des cellules mononucléées après liaison à ses ligands et CXCR3-alt diminue l’activité de certaines chimiokines telles que CXCL11, CXCL9 et CXCL10. CXCR3B et ses ligands chimiokiniques sont responsables de l’inhibition de l’angiogenèse, comme cela a été montré pour les cellules endothéliales de micro-vaisseaux chez l’homme. Ainsi, l’expression des ligands de CXCR3 sur le site tumoral serait un moyen d’activer le récepteur et d’inhiber l’angiogenèse tumorale (Tableau 1) (Lasagni et al., 2003).

CX3CR1/CX3CL1

Le CX3CR1 est un récepteur de chimiokine exprimé par les monocytes, les macrophages, les mastocytes, les lymphocytes T et les cellules « Natural Killer ». Son unique ligand, CX3CL1 (ou fractalkine), est exprimé par les cellules endothéliales, les cellules épithéliales, les cellules musculaires lisses, les cellules dendritiques, les neurones et les macrophages. CX3CL1 est une chimiokine particulière qui existe sous forme soluble et sous forme membranaire. Cette dernière lui confère une capacité d’adhérence avec les cellules exprimant le récepteur (Bazan et al., 1997). L’interaction entre CX3CR1 et le CX3CL1 membranaire est suffisamment forte pour conduire à l’arrêt des monocytes soumis un flux (Fong et al., 1998). CX3CL1 est une molécule de 95kDa composée d’un domaine chimiokinique lié à un domaine transmembranaire via une queue riche en mucine (Figure 10). Elle peut être clivée de la membrane pour produire une chimiokine de 80kDa qui induit le chimiotactisme des cellules exprimant le CX3CR1. Ce clivage est produit par des métalloprotéinases de façon constitutive par ADAM 10 (Hundhausen et al., 2003) et en réponse à une activation cellulaire par ADAM.
Le CX3CR1 peut être exprimé par les cellules endothéliales de tissus inflammatoires activés par des cytokines inflammatoires telles que TNFα, IFNγ et IL-1 (Imaizumi et al., 2004).
Le CX3CL1 (fractalkine) a la particularité d’exister sous une forme membranaire et sous une forme soluble. Il est composé d’un domaine N-terminal extracellulaire lié à un tronc mucine. Cet ensemble peut être clivé pour les métalloprotéinases telles que ADAM7 et ADAM10 et former le CX3CL1 soluble. Le CX3CL1 membranaire possède aussi une partie intracellulaire reliée au domaine transmembranaire. (Jones et al., 2010)
Les souris déficientes pour le CX3CR1 ont une diminution de l’activité de « patrolling » des monocytes Ly6Clow ainsi qu’une diminution du recrutement des monocytes Ly6Chigh au niveau des sites infectieux (Auffray et al., 2007) ; (Auffray et al., 2009). Dans un modèle murin de myéloablation transitoire, l’absence de CX3CR1 conduit à une augmentation rapide du nombre de monocytes Ly6Chigh dans le sang et la rate au cours de la reconstitution du réservoir medullaire et au contraire une réduction de la reconstitution dans la moelle osseuse. Ces résultats impliquent le CX3CR1 dans la libération des monocytes de la moelle osseuse (Jacquelin et al., 2013). Dans un modèle murin de rejet d’allogreffe cardiaque, les cellules endothéliales et les myocytes cardiaques expriment plus de CX3CL1, ce qui conduit à l’adhérence des monocytes sur les parois vasculaires et participe au rejet. L’utilisation d’anticorps anti-CX3CR1 inhibe la liaison des monocytes à l’endothélium et protège partiellement les souris contre le rejet de greffe (Nelson and Krensky, 2001).
L’axe CX3CR1/CX3CL1 est impliqué dans la survie des monocytes en conditions homéostatiques et inflammatoires. Dans un modèle d’athérosclérose, les signaux de survie procurés par CX3CR1 sont essentiels pour la formation et la progression des plaques d’athérome (Landsman et al., 2009). CX3CR1 participe aussi au maintien de l’homéostasie des macrophages de la lamina propria dans l’intestin (Medina-Contreras et al., 2011). Ces études sont de nouveaux éléments démontrant que le rôle des chimiokines ne se limite pas au chimiotactisme.

Les antagonistes des chimiokines

Leur importance dans les principales fonctions immunes et leur rôle dans le recrutement des leucocytes auraient pu faire des récepteurs de chimiokines des cibles thérapeutiques très prisées par les compagnies pharmaceutiques. Jusqu’à aujourd’hui, un très grand nombre d’antagonistes de ces récepteurs ont été testés dans le traitement de pathologies auto-immunes, d’infections ou de cancers. Cependant, seulement deux molécules sont maintenant utilisées en clinique : des inhibiteurs du CCR5 et du CXCR4 (Tableau 2). Ce sont les premiers récepteurs à avoir été ciblés pour la recherche clinique car tous deux sont des corécepteurs de l’entrée du VIH dans les cellules. Plusieurs antagonistes du CCR5 ont atteint la phase III des essais cliniques et la combinaison de ces molécules avec des traitements optimisés chez des patients en échec thérapeutique permet d’améliorer la réponse anti-rétrovirale. Le maraviroc (Pfizer) est une des molécules mises sur le marché. L’étude du CXCR4 contre le VIH n’a pour l’instant pas aboutit mais le pleriflaxor (Genzyme) est un antagoniste aujourd’hui approuvé et utilisé dans le traitement de certains cancers comme nous le décrirons plus tard.
En parallèle des essais cliniques, les études précliniques continuent de développer et d’optimiser des antagonistes. CX3CR1 et CCR2 jouent un rôle important dans la formation des plaques d’athérome et l’arrivée des monocytes dans les parois de l’artère. L’utilisation d’un antagoniste de CX3CR1 permet de réduire la progression de l’athérosclérose (Poupel et al., 2013). Des antagonistes du CCR2 ont été développés dans les traitements contre l’athérosclérose ainsi que contre l’insulino-résistance (Tableau 2).
L’asthme est associé à un recrutement et à une activation des éosinophiles et des mastocytes dans l’épithélium bronchique via le CCR3. L’inhibition des fonctions de chimiotactisme de CCR3 permet de diminuer l’inflammation pulmonaire liée à l’allergie (Tian et al., 2011). L’utilisation d’antagonistes de la voie SDF-1/CXCR4 a permis de révéler leur implication dans l’allergie des voies respiratoires et la formation des métastases du cancer mammaire chez la souris (Muller et al., 2001). D’autres antagonistes ont été générés dans les cas des maladies pulmonaires obstructives chroniques (CXCR1, CXCR2) (Kaur and Singh, 2013) ou du rejet de greffe (CXCR3) (Jenh et al., 2012).
La majorité des essais cliniques menés sur ces antagonistes n’a pas abouti. De nombreuses raisons ont été évoquées pour expliquer ces échecs dont la redondance des chimiokines et l’hétérogénéité des pathologies ciblées. En effet, démontrer l’efficacité d’un antagoniste ciblant un seul récepteur peut s’avérer complexe par rapport à l’ensemble du réseau chimiokinique. De plus, les différents effets que peuvent avoir l’activation d’un récepteur dans une pathologie ne permettent pas d’optimiser la réponse souhaitée avec l’utilisation d’un antagoniste ciblé. Une des alternatives à ces deux raisons serait l’utilisation d’antagonistes capables de cibler plusieurs récepteurs ou d’inhiber plusieurs chimiokines. Une étude a ainsi montré que le fait de bloquer simultanément CCR5 et CXCR3 grâce à un antagoniste permettait de diminuer le rejet de greffe de rein chez le rat (Kakuta et al., 2012).
L’ensemble de ces travaux permet aussi de souligner les limites présentes entre les recherches précliniques principalement menées chez les rongeurs et l’application à des essais cliniques. Les récepteurs de chimiokines exprimés par les cellules humaines ou murines peuvent avoir des profils d’expression différents et ne pas présenter la même affinité pour l’agoniste. Partant de cela, de nombreux biais peuvent apparaître lors du passage chez l’homme, tels que le choix de la cible, l’affinité de la molécule et le dosage utilisé. Néanmoins, de nombreuses études cherchent encore à produire des antagonistes de chimiokines et à les tester dans de nombreuses pathologies. De plus, nos connaissances sur le fonctionnement de ces petites molécules ne cessent pas de croître, ce qui laisse espérer que certains traitements finiront par aboutir.

Table des matières

INTRODUCTION
Les phagocytes, acteurs de l’immunité innée
Caractéristiques des phagocytes professionnels
Les monocytes
Les cellules dendritiques
Les macrophages
Fonctions des phagocytes mononucléés
La phagocytose
Cytotoxicité des phagocytes mononucléés
Production de cytokines
La présentation antigénique
Le réseau chimiokinique dans la migration des phagocytes mononucléés
Principe de la migration des leucocytes
Les différents types de migration
Mobilisation des leucocytes et recrutement dans les tissus
Les chimiokines et leurs récepteurs
Conformation des chimiokines
Les récepteurs de chimiokines
Fonctions associées aux chimiokines
Les chimiokines dans la surveillance immunitaire
Les chimiokines dans la prolifération et la survie des leucocytes
Rôle des chimiokines dans l’angiogenèse
Les principaux couples de chimiokines impliqués dans la mobilisation des monocytes
Les antagonistes des chimiokines
Les phagocytes mononucléés dans le cancer
L’inflammation et le système immunitaire dans le cancer
Inflammation et Cancer
Les concepts d’immunosurveillance et d’immunoediting
Les macrophages dans le cancer
Le rôle des monocytes
Rôle des macrophages dans la réponse anti-tumorale
Le rôle pro-tumoral des macrophages
Implication des macrophages dans l’invasion des cellules tumorales et les
métastases
Implication des phagocytes mononucléés dans les thérapies anti-cancéreuses
Les différentes thérapies anti-cancéreuses
Les effets secondaires des thérapies conventionnelles sur les phagocytes mononucléés
Les anticorps monoclonaux associés aux macrophages pour détruire la tumeur
Les couples CCL2/CCR2 et CX3CL1/CX3CR1 comme cibles des thérapies antitumorales
OBJECTIFS DE LA THESE
RESULTATS
Travaux principaux
Article 1 : “Tracking mouse bone marrow monocytes in vivo”
Contexte de l’étude
Principaux résultats
Conclusion et perspectives
Article 2 : “CX3CR1-dependant endothelial margination modulates Ly6Chigh monocyte systemic deployment upon inflammation in mice”
Contexte de l’étude
Principaux résultats
Conclusion et perspectives
Article 3 : “Implication of resident and recruited macrophages in lung metastasis development and response to cancer therapies”
Contexte de l’étude
Principaux résultats
Conclusion et perspectives
Travaux annexes
Travaux collaboratifs
DISCUSSION
BIBLIOGRAPHIE

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