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Le Vieillissement Le Vieillissement du du Système Immunitaire Dr Guislaine Carcelain Dr Guislaine Carcelain Immunologie Cellulaire et Tissulaire Hôpital Pitié-Salpêtrière

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Le VieillissementLe Vieillissementdudu

Système Immunitaire

Dr Guislaine CarcelainDr Guislaine CarcelainImmunologie Cellulaire et Tissulaire

Hôpital Pitié-Salpêtrière

I ère Partie: Le Système Immunitaire

La Réponse Immune

Non soi Soi modifiéSubstances étrangères Organisme altéré

Mécanismes de défense NON SPECIFIQUESImmunité Innée

Mécanismes de défense SPECIFIQUESImmunité adaptative

Non soiSubstances étrangères

Soi modifiéOrganisme altéré

IMMUNITE NON SPECIFIQUE IMMUNITE SPECIFIQUE

Réponse immunitaire / Cellules ImmunocompétentesIMMUNITE NON SPECIFIQUE IMMUNITE SPECIFIQUE

Cellules présentatrices d’antigènecellules dendritiques

Monocytes, macrophages, polynucléaires- cellules dendritiques- macrophage- cellules de langherans- lymphocyte B- lymphocyte B

Lymphocytes T

Lymphocytes BLymphocytes NK

RécepteurSpécifiqued’antigèneLymphocytes B

ACTION IMMEDIATE ACTION RETARDEE, MEMOIRE

Production des Lymphocytes T et BCellules épithélium thymique : thymuline thymosine a1 thymopoïétineCellules épithélium thymique : thymuline, thymosine a1, thymopoïétine

IL2, IL7, SCF

Ly T naïfs

IL-3SCF

-

+CD34+

+

Ly B naïfs

Cellules stromales moelle osseuse: IL7, SCF

Maturation périphérique

Notion de répertoire antigénique1 cellule T 1 récepteur à l’antigène 10 13-15 TcR différents1 cellule T 1 récepteur à l antigène, 10 TcR différents1 cellule B 1 récepteur à l’antigène, >10 13-15 BcR différents

T R h î βex: TcR chaîne β:

ADN é éV1, V2, V3 … D1, D2… J1, J2… C1

ADN non réarrangé

Réarrangement D-J

Réarrangement V D J

V1, V2, V3 … D2J6 C1

Réarrangement V-D-J

V2D2J6 C1ADN réarrangé Ly T

β α

Transcription, épissage, traduction chaîne β TCR

Circulation des Lymphocytes

ORGANES LYMPHOIDES PRIMAIRESMoelle Osseuse / ThymusMoelle Osseuse / Thymus

PRODUCTION

Cellules naïves sang

Via HEV

g

ORGANES LYMPHOIDES SECONDAIRESGanglions, rate, tissus lymphoïde associé aux muqueuses

ACTIVATION PROLIFERATION DIFFERENCIATIONACTIVATION, PROLIFERATION, DIFFERENCIATION

LympheCellules mémoires > naïves

ORGANES LYMPHOIDES TERTIAIRESLieu de l’aggressionLieu de l aggression

FONCTIONS EFFECTRICES

Etapes de la réponse immune SpécifiqueLy T CD4 naïfLy T CD4 naïf

TCR spécifiquede l’ag CD4 Th1 CD8 CTLIL2IL2

LBcytokines

CMHCPA/ag

CD4 Th2CPA/ag

4 Différenciation5. Effecteurs

6. Mort+ Ag

2. Activation3. Prolifération

clonale

4. Différenciation

5’. Mémoire1. Reconnaissance

Spécfique

Etapes de la réponse immune Spécifique TReconnaissance par le TCR la s napse imm nologiq eReconnaissance par le TCR: la synapse immunologique

Ly T CPAMolécules d’adhésion

R ft li idi C

CD11a / 18(LFA1)

CD54 (ICAM1)

Raft lipidique

CD3

CD2(LFA1)

CD58 (LFA3)Transductiondu signal RcT

CD8/CD4

CD28/

CMH Cl I/IIdu signalPhosphorylations k

NFkBSd CD28/

CTLA4

CD40L CD40

CD80/86Sd messagers …

CD40L CD40

Molécules de co-activationPolarisationPolarisation

moléculaire / cytosquelette

Etapes de la réponse immune Spécifique BReconnaissance conformationnelle de l’ag

Ly B CPACPACD21

Iga-IgbRcBIga-Igb CD21/c

RcB

RcBIga-Igb

CD22

RFc/Ac

Etapes de la réponse immune Spécifique BCopération T/ B : Th2

Ly B

Copération T/ B : Th2

Ly T CD4

CD21CD11a / 18(LFA1)

CD54 (ICAM1)

Iga-IgbRcBIga-Igb

CD3

CD2(LFA1)

CMH Cl I/II

CD58(LFA3)

( )

RcB

RcBIga-Igb

RcTCD4

CD28/ CD80/86

CD22CD28/CTLA4

CD40L

CD80/86

CD40L CD40

Etapes de la réponse immune Spécifique Fin de la réponse Imm ne et mémoireFin de la réponse Immune et mémoire

Prolifération clonale contraction clonale

Mort par apoptose de la majorité des cellules immunes

Prolifération clonale contraction clonale

p p p jspécifiques

Seul un faible % de cellules survit à la réponse immuneC ll l à i l ll l é iCellules à vie longue = cellules mémoires

Entretien de la survie de ces cellules?Entretien de la survie de ces cellules?Ag résiduel? Ag apparenté, cytokines …

Caractéristiques : réponse plus rapide et plus forte à la ré-exposition à l’antigène

Mécanismes d’homéostasie des lymphocytes T et BMaintenir le nombreMaintenir le nombre

Prolifération( ) (Pé i hé i )(turnover) (Périphérie)

Taux

Cellules mémoiresCellules mémoires

Cellules naïves

éannéesRégénération (central)LT Thymus LB MO

2ème Partie: Le Vieillissement duSystème Immunitaire

Le vieillissement du Système Immunitaire

De quoi dépend une réponse immunitaire adaptée à laDe quoi dépend une réponse immunitaire adaptée à lasévérité de la Maladie?

- De la quantité d’antigène

- De la quantité de lymphocytes spécifiques de l’antigène

- Des capacités prolifératives des lymphocytes

- Des capacités de différenciation/fonction des lymphocytes

AAvec l’âge

AGE ET CELLULES SOUCHES HEMATOPOIETIQUESSOUCHES HEMATOPOIETIQUES

Caractéristique des CSH : proliférer pour entretenir le stockCa acté st que des CS p o é e pou e t ete e stocdes cellules souches et se différencier en cellules plus

différenciées (lymphoïdes et myéloïdes)

Diminution des capacités de réplication des CSH :p pdiminution de l’hématopoïèse(Moins de progéniteurs)

Diminution des capacités de différenciation des CSHDiminution des capacités de différenciation des CSHen progéniteurs lymphoïdes (CLP)

(moins de nouvelles cellules « matures » en périphérie)( p p )

Mécanismes mise en jeu

- causes intrinsèques

CSH de souris âgées repeuplent plus difficilementdes souris que CSH de souris jeunes

• défauts de prolifération, défaut de survie?

t i è l’â- causes extrinsèques, avec l’âge :

• Diminution de la production d’hormone de croissancela substitution en GH de rats âgés augmente l’hématopoïèse

Mécanisme direct ou indirect via médiateurs de la synthèse GH comme l’IGF-I

• Augmentation de la production d’hormones g pstéroïdiennes

EFFET DE L’AGE SUR LES REPONSES INNEES

Cellules NK- nombre augmentenombre augmente- activité cytotoxique non modifiée ou diminuée- production d’IFNγ- production d IFNγ- production chimiokines - flux calciques

Polynucléaires neutrophiles

q- capacité prolifération à l’IL2

Polynucléaires neutrophiles- nombre stable- phagocytose stable ou - chimiotactisme

thè dé i é ét b li è- synthèse dérivés métabolisme oxygène- activité microbicide

Monocytes et macrophagesMonocytes et macrophages

Nombre stable

Mais altérations fonctions +++

Altération des fonctions « phagocytaires »chimiotactisme- chimiotactisme

- phagocytose - synthèse dérivés métabolisme oxygènesynthèse dérivés métabolisme oxygène- synthèse dérivés métabolisme nitrogène

Diminution de l’activité bactéricide +++

⇒ cliniquement diminution, retard à guérir blessureSwift M dermatol 2001Swift M, dermatol 2001

Statut Hyper-Inflammatoire du sujet âgé sainIn vivo >< capacités sécrétrices in vitro capacités diminuées

Augmentation des taux sériques ou tissulaires des t ki d l d i fl t i l’â

In vivo >< capacités sécrétrices in vitro capacités diminuées

cytokines de la cascade inflammatoire avec l’âgeIL-6, IL-1β, TNF-α, PGE2, protéines de la phase aigue Sécrétion : macrophage +++Sécrétion : macrophage +++

Diminution des médiateurs de l’inflammationantagonistes de l’IL-1R, R TNF-α soluble

⇒ Forts prédicteurs de risque de mortalité augmenté (quelqu’en soit la cause)Cohortes de patients « sains » suivis longitudinalementdéfinition patient « sain » : SENIEUR protocole

(Krabbe K Exp Gerontol 2004)(Krabbe K, Exp Gerontol 2004)

Cause ou conséquence ???

EFFET DE L’AGE SUR LA PRODUCTION CENTRALE DES LYMPHOCYTES TCENTRALE DES LYMPHOCYTES T

I l ti th iInvolution thymiqueRemplacement du tissus thymique par de la graisseDè 1 à l b é i è 60Dès 1 an, augmente à la puberté, puis +++ après 60 ans- 3% tissus / an à partir de l’âge adulte(tomographie)

Diminution du nombre de cellules T naives produitesDiminution du nombre de cellules T naives produites- 3% cellules naïves / an à partir de l’âge adulte(CD62L, TREC)

CAUSE MAJEURE du déclin desCAUSE MAJEURE du déclin des compétences immunitaires du sujet âgé

Evolution du Thymus avec l’âge

Cette diminution de production thymique de LTt bi i li é it ti d GMOest bien visualisée en situation de GMO

- La récupération des taux de cellules T CD4+ et T naïves (TRECs CD4+) post GMO est âge dépendant(TRECs CD4 ) post GMO est âge dépendant

80% des patients < 40ans50% des patients de 40 à 50 ans10% des patients > 50 ans

Hakim FT, J Clin Invest 2005

- Cependant une reconstruction du répertoire des cellules T naïves post GMO est possible (28 à 53 ans) mais avec une p p ( )diversité moindre

Murano, J Exp Med 2005

Effet de l’âge sur la production centrale des ly TMECANISMESMECANISMES

MULTIFACTORIEL +++

- cause intrinsèque: défauts des HSCHSC souris âgées ne repeuplent pas efficacement une souris jeune

• Diminution du pool des précurseurs des thymocytes

- causes extrinsèques : défauts du microenvironnementinvolution thymique non reversée par injection Mo souris jeune

• Diminution du nombre ou de la fonction des cellulesstromales thymiques

- diminution keratin-8, foxn1- diminution synthèse d’IL7 par les cellules stromalesdiminution synthèse d IL7 par les cellules stromales

adjonction in vitro IL7: amélioration mais non normalisation cellularité thymique souris âgée

• Autres causes extrinsèques : perturbations d’autres facteurs de régulation des cellules épithéliales thymiques

GH, IGF-1 : diminuent avec l’âge

facteurs de régulation des cellules épithéliales thymiques

- effet anti-apoptotique sur les thymocytes- stimulation de la production de cytokines par cellulesp y p

stromales thymiques

effets vérifiés chez les rongeurs : administration thymopoïèseessais cliniques chez primate /homme … comme IL7 …

Hormones stéroïdiennes : augmentent avec l’âge

toxiques pour le développement des thymocytes- toxiques pour le développement des thymocytes- accélération de l’involution du tissus thymique

EFFET DE L’AGE SUR LA PROLIFERATION PERIPHERIQUE DES LYMPHOCYTES TPERIPHERIQUE DES LYMPHOCYTES T

• Malgré ces anomalies : peu de changement du nombrede cellules T jusqu’à 70 ans

⇒ Homéostasie périphérique +++prolifération cellules périphériques +++prolifération cellules périphériques Rôle important chez « l’adulte » (ex VIH)

• Maissujets âgés > > 70 ans : valeurs absolues diminuent

ratio CD4/CD8 augmente légèrementratio CD4/CD8 augmente légèrement

Diminution de l’homéostasie périphérique ???Diminution de l homéostasie périphérique ???

CONSEQUENCES : ALTERATION DE LA DIVERSITE DU REPERTOIRE DES LYMPHOCYTES T

La diversité ne peut être maintenue que par la production de nouvelles cellules par le thymus : nouveaux TCRde nouvelles cellules par le thymus : nouveaux TCR

⇒ Diminution du Répertoire des cellules T avec l’âgei ti j ’à 65maintien jusqu’à 65 ans

Puis ↓ brutale d’un facteur 100 entre 65 et 75 ans …⇒ Le thymus n’est pas le seul responsable y p p

Prolifération ⇒ Expansions oligoclonales de cellules CD8+ : sur-représentation de certains clones CD8

+++ sous l’effet d’une stimulation chronique comme qcertaines Infections virales

Démontré chez la souris modèle HSV1 (Messaoudi I, J Exp Med 2004)

Ch l’h l’ l d CMVChez l’homme l’exemple du CMV (Akbar A, Curr Opin Immunol 2005)

autres infections virales chroniques ? EBV, HSV, VZV, HIV

Accumulation de cellules:- mémoires effectrices terminales CD8+CD28-- Absentes chez le nouveau né, jq 80-90% sujet âgé- faibles capacités prolifératives ( télomères)

Faibles capacités fonctionnelles- Faibles capacités fonctionnelles- moins sensibles à la mort par apoptose- prennet la place de nouvelles cellules / spécificitésprennet la place de nouvelles cellules / spécificités

Cliniquement:- Associé à moins bonne capacité de défense immune- Prédiction d’une absce de réponse à une vaccination anti influenza (Goronzy J J Virol 2001)anti influenza (Goronzy J, J Virol 2001)

⇒ Définition d’un phénotype de risque immunitaire ⇒ é t o d u p é otype de sque u ta eCellules CD8+CD28- augmentéesratio CD4/CD8 diminuéprésence d’expansions clonalesaugmentation des ck proinflammatoires

Conséquences CLINIQUES de cette perte de diversité

Une réduction de 2 à 10 de la diversité est suffisante pour compromettre les réponses contre divers antigènes

Nikolich-Zugich, Nat Rev Immunol 2004

⇒ Capacités de réponse à tous les antigènes possibles⇒ Capacités de réponse à tous les antigènes possibles diminuées?

Ho : situations d ’échappement par mutation +++CancersViVirus

Non démontré cliniquement

Situation de vaccination +++⇒ Vrai pour le CMV mais possible pour autres infections⇒ Vrai pour le CMV mais possible pour autres infections

virales chroniques (VIH+++)

EFFET DE L’AGE SUR LES CAPACITES FONCTIONNELLES DES LYMPHOCYTES T

Diminution des capacités fonctionnelles des cellules CD4autre élément important des anomalies du SI âgé +++

• Cellules naïves :- diminution capacités d’activation- diminution sécrétion IL2, et expression RIL2 (CD25)- diminution prolifération- différenciation en cellules Th1 ou Th2 incomplète- différenciation en cellules Th1 ou Th2 incomplète

adjonction d’IL2 permet de rétablir des capacités fonctionnelles des CD4 âgées (Haynes J Exp Med 1999)des CD4 âgées (Haynes J Exp Med 1999)

• Cellules mémoires :- diminution de la prolifération- diminution de la prolifération- diminution sécrétion cytokines

Hyporéactivité dans des tests fonctionnels ex vivo (testprolifération H3, dosages de cytokines …)

Conséquences sur réponses I aires et II aires

Diminution des capacités fonctionnelles des cellules CD8

• Cellules naïves :• Cellules naïves :

- diminution de la proliférationd ut o de a p o é at o

• Cellules mémoires :

- diminution de la proliférationdiminution des capacités de sécrétion d’IFNg- diminution des capacités de sécrétion d IFNg

- peu d’analyses concernant les capacités cytotoxiquesprobablement diminuée parallèlement à la sécrétion ckp p

- augmentation de l’AICD

?? Mécanismes: causes intrinsèques +++

surtout étudiés pour les anomalies fonctionnelles des CD4Causes extrinsèques peu étudiées

• anomalies des voies de transmission du signal d’activation:thyrosine kinasesthyrosine kinasesserine/thréonines kinasesphosphorylation chaîne zéta CD3translocation facteurs de transcription nucléiques (NFAT ..)

• altération de la formation de la synapse immunologique• altération de la formation de la synapse immunologique

50% CD4 souris jeunes TG PCCF / 25% souris âgéesj gdiminution de la migration PKC dans la synapsediminution de la réorganisation du cytosquelettealtération de la polarisation du CD3 augmentation de molécules hyperglycosylées (CD45 …)

• Anomalies des raft lipidiques:

- Augmentation du taux en cholestérol des lymphocytes T- diminution de la fluidité cytoplasmique de ces cellules Ty p q

- surchage in vitro de lymphocytes T en cholestérol (Nguyen D, Mech Ageing Dev 2004)

Diminution des signaux calciquesDiminution de la sécrétion IL2 de T activésDiminution de la sécrétion IL2 de T activésDiminution de la polarisation des molécules de la

synapse (CD3, CD28 +++)y p ( , )⇒ suggère rôle du cholesterol dans anomalies de

fonction des lymphocytes T+++fonction des lymphocytes T

• accumulation de clones cellulaires en différenciationterminale et résistants à l’apoptose (CD8)

- Diminution du nombre de cellules T naïves en périphérie

AU TOTALen périphérie

de 3.109 à 7.108

- Diminution de la diversité du répertoire des cellules T

de 108 à 106de 108 à 106

- Augmentation de la proportion de cellules mémoires

- Expansion oligoclonales de certaines cellules TExpansion oligoclonales de certaines cellules T mémoires peu fonctionnelles aux dépends d’autres

f é- Anomalies de fonction des cellules T résiduelles

- Conséquence sur l’ensembles des réponsesConséquence sur l ensembles des réponses effectrices Iaires ou IIaires: réponse B+++

EFFET DE L’AGE SUR LA PRODUCTION CENTRALEDES LYMPHOCYTES BDES LYMPHOCYTES B

Diminution du nombre de cellules pro-B:souris âgées > 18–20 mois : nombre de pro-B diminuéde + de 75%

?? Mécanismes:- causes extrinsèques :- causes extrinsèques :

• diminution de synthèse d’IL7 par les cellulesstromales de la MOstromales de la MO

mais adjonction in vitro ne fait pas proliférer les pro-B- causes intrinsèques:q

• R IL7 normal• anomalie de la voie de signalisation?g

anomalie du réarrangement des gènes du BCR ?

Diminution de la capacité de maturation vers le stade pré-B:?? Mécanismes:

diminution de l’apport de pro-B• diminution de l’expression de facteurs de transcriptions(E12 et E47) nécessaires à la synthèse des gènes deschaînes lourdes des Igchaînes lourdes des Ig

mais l’expression des transgènes correspondant ne compense pastotalement ce déficit

Diminution de la capacité proliférative des cellules pré-B di i ti i li ti é BCR ( i b )diminution signalisation pré BCR (expression mb )diminution signalisation IL7R

conséquence : diminution du nombre de cellules B IgM+ ?:

résultats discordants

EFFET DE L’AGE SUR LA MATURATION PERIPHERIQUE DES LYMPHOCYTES B

Diminution de l’entrée de Ly B dans la rate ou les gg

Accumulation de LY B non prolifératif dans la rate ou les gg

?? Mé i?? Mécanismes

- Défauts fonctionnels intrinsèques des cellules B- Défauts fonctionnels intrinsèques des cellules BDéfaut de signalisation via le BCRDéfaut de co-stimulation via B7 (CD86)( )

- Anomalie des cellules T CD4 helperNé i à l f ti d t i tifNécessaires à la formation des centres germinatifsNécessaire aux mutations somatiques

- Anomalies du microenvironnement? Involution gg

EFFET DE L’AGE SUR LE REPERTOIRE DES LYMPHOCYTES B PERIPHERIQUESDES LYMPHOCYTES B PERIPHERIQUES

Cellules B matures :LB f lli l i CG liLB folliculaires CG ganglions

LB Zone marginale rateLB B1LB B1

- Répertoire BCR anormal +++ (souris)

- Diminution des capacités de mutation somatique CGDi i ti é ifi ité l t i t i i ti- Diminution spécificités plasmocytaires post immunisation

- expansion relative de certaines spécificitésrate +++rate +++clones spécificités antibactétiennes +++Martin F, Immunity 2001

Conséquences sur l’Immunité Humorale:

- Durée de la réponse immune humorale diminuée

- Sécrétion d’anticorps:titre plus faibleaffinité plus faibleprotection plus faible

- Capacité de switch plus faible : plus de sécrétion d’IgM

-Utilisation des VH plus restreinte, restriction du répertoireantigénique reconnu

EN RESUME, effet de l’âge sur les réponses immunes spécifiqueseffet de l âge sur les réponses immunes spécifiques

CONSEQUENCES SUR LA MISE EN PLACE DE REPONSES MEMOIRESO S S O S

Protection plus forte et plus rapide lors d’une ré-expositionantigéniqueantigénique

⇒ Principe de la protection par vaccination +++

Réponse primaire Réponse secondairemémoiremémoire

Cellules effectrices ou production d’anticorps

Cellules effectrices + fortes ou production d’anticorps

Faibles si cellules T naïves âgées

Diminution des réponses vaccinales chez le sujet âgé

-Vaccination anti influenza chez le jeune adulte induit j65-80% protection / sujet âgé 30-50%

Pas de réponse O é l f ibl (tit AC CD4 é ifi )Ou réponse plus faible (titre AC, CD4 spécifiques)

Haynes L, Immunity 2006

-Réponses comparables à 1 semaines puis n’augmentent plus comme chez le sujet jeunep j jMise en évidence du rôle de l’IL7

Kang I, J Immunol 2004

-Réponses induites présentes mais non fonctionnellesDeng Y J Immunol 2004Deng Y, J Immunol 2004

Quelques remarques, sur les modèles murins

- Une souris n’est pas un homme…

- Toutes les souris âgées ne présentent pas d’anomalies del’h é t i l h t i d ê i t itél’homéostasie lymphocytaire ou pas de même intensité

même si fond génétique identique

Rôle de l’environnement ???

stress, nombre de souris dans l’animalerie, propretéde l’animalerie …

ôl l i f ti l d tirôle sur les infections, sur les productionshormonales, cytokiniques …

Multifactoriel …

Le vieillissement du système immunitaire …

- encore beaucoup de mécanismes à déterminer,

+++ multifactoriels

- changements subtils dans des conditions de vie normale

M i d diti ti liè i t l dMais des conditions particulières pourraient les rendrebeaucoup plus importants quantitativement ouqualitativement stress infection sévère vaccinationqualitativement stress, infection sévère, vaccination …et conduire à des conséquences cliniques sévères

- importance de déterminer les causes, proposer desthérapeutiques à une époque ou la proportion de sujets âgésaugmente …