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Une arme des cellules immunitaires contre les bactéries

Jeudi 31 mars 2011, Cécile Bouton, Institut de Chimie des Substances Naturelles

vendredi 26 août 2011, par Séverine

Pour ce jeudi de la recherche du mois de mars, nous avons découvert le rôle d’une molécule, le monoxyde d’azote, et son implication dans notre système immunitaire. Pour cela, nous avons passé une soirée avec des membres de l’Institut de Chimie des Substances Naturelles (ICSN) sur le campus CNRS de Gif sur Yvette, qui nous ont raconté l’histoire du monoxyde d’azote et surtout qui nous ont fait découvrir la vie du chercheur.

Le monoxyde d’azote est, à température et pression ambiantes, un gaz. C’est une molécule simple constituée d’un atome d’azote et d’un atome d’oxygène. Elle très instable et réactive. Le monoxyde d’azote (NO en abréviation) est notamment connu pour être un gaz émis par les moteurs de nos voitures. Il réagit avec l’oxygène de l’air pour former du dioxyde d’azote qui est une molécule irritante pour nos bronches. Toutefois, on ne peut résumer le monoxyde d’azote à un simple marqueur de la pollution de l’air. C’est une molécule qui possède de multiples fonctions biologiques. En 1998, la communauté scientifique a d’ailleurs décerné le prix Nobel de médecine à Robert Furchgott, Louis Ignarro et Ferid Murad pour leurs travaux sur cette molécule.

Le monoxyde d’azote, une molécule aux multiples vertus…

Ces scientifiques et médecins n’ont du tout pas étudié comment réduire l’émission de monoxyde d’azote provenant des moteurs de nos voitures, ils ont été récompensés pour avoir découvert l’impact de ce gaz en cardiologie vasculaire. Ils ont ainsi mis en évidence le rôle important de NO comme molécule de signalisation : elle permet aux muscles lisses de se détendre, par exemple ceux qui tapissent les parois vasculaires, ce qui entraîne la dilatation de nos vaisseaux. Phénomène que l’on observe aussi lorsque que l’estomac augmente son volume pour pouvoir augmenter sa capacité ou encore lors des érections chez l’homme : NO joue également un rôle en favorisant la vasodilatation des corps caverneux conduisant à l’érection. Le Viagra®, médicament connu pour ces effets bénéfiques contre les troubles de l’érection, est en fait un composé inhibiteur qui permet à l’action vasodilatatrice de NO de perdurer !

Le monoxyde d’azote est donc une substance très importante pour notre corps dont la production doit être très finement régulée. Une trop faible quantité de NO peut entraîner une susceptibilité accrue aux infections bactériennes ; à l’inverse, une production excessive et prolongée contribue au développement de maladies chroniques inflammatoires et de maladies auto-immunes. C’est ce rôle de NO au sein de notre système immunitaire que nous a fait découvrir Cécile Bouton et ses collègues de l’ICSN, qui nous ont accueillis dans leur laboratoire.

Le système immunitaire est notre moyen de protection contre les agressions quotidiennes d’organismes pathogènes. Il s’agit d’un système très complexe qui regroupe plusieurs types cellulaires. Parmi ces soldats de la défense immunitaire, on trouve les macrophages. Ce sont de véritables fées du logis de notre corps humain : ils sont chargés d’avaler (on parle de phagocytose) et de digérer tout débris cellulaire ou intrus qu’ils rencontrent. Mais avant d’être une cellule active capable de phagocyter tous les intrus, le macrophage est présent dans le sang sous une forme immature, appelée monocyte. Lorsque qu’une infection a lieu, les monocytes traversent la paroi de nos vaisseaux pour se rendre sur le lieu de l’infection où ils deviendront des macrophages pour lutter contre l’infection.

Les macrophages dans tous leurs états

Photos de microscopie montrant les différentes formes que peuvent prendre les macrophages pour atteindre leurs cibles.
Dans les photos 2 et 3, les petites tâches lumineuses correspondent à des bactéries. C’est une fois ces proies ingérées que le macrophage produit le monoxyde d’azote afin de les tuer.
Dans la photo 3, le noyau du macrophage a été coloré en rose/violet, les bactéries phagocytées sont colorées en vert et les pointillés délimitent le macrophage.

Le monoxyde d’azote : une arme anti-microbienne à double tranchant

Lors de notre visite du laboratoire, nous avons pu participer à des ateliers afin de voir de nos propres yeux, à l’aide de différents microscopes, ces petites cellules si importantes pour notre corps. A l’état immature, il s’agit de petites cellules rondes de quelques dizaines de micromètres. Une fois leur différenciation effectuée, ils deviennent plus allongés et possèdent une plasticité assez exceptionnelle (voir image 1 de la figure ci-dessus). Ils sont en effet capables de développer des excroissances (pseudopodes) afin d’atteindre rapidement leur cible. Une fois le contact établi, le macrophage va rapidement envelopper puis ingérer sa proie. Il utilisera alors une de ses armes de défense : le monoxyde d’azote. L’organisme pathogène est détecté par le macrophage grâce à des récepteurs qui reconnaissent les composants constitutifs de l’intrus. Un signal est alors déclenché un signal à l’intérieur du macrophage, entraînant la production de monoxyde d’azote et d’espèces réactives de l’oxygène, composés toxiques pour la bactérie à éliminer. Le monoxyde d’azote va alors inhiber l’activité de certaines fonctions vitales de la bactérie mais aussi l’empêcher de se multiplier en affectant la division cellulaire.

La dangerosité du NO pour les cellules s’explique par son instabilité, due à la présence d’un électron célibataire (non impliqué dans une liaison entre deux atomes). Il va donc constamment chercher à se lier à d’autres molécules avec une préférence pour l’oxygène, le fer ou le soufre, ce qui entraîne des cascades d’oxydations de molécules, néfastes pour la cellule. Le NO est donc une arme terrible pour lutter contre les envahisseurs microbiens, mais cette arme peut se retourner contre la cellule puisque le NO provoque aussi des dommages cellulaires chez le macrophage. L’un des thèmes de recherche de Cécile Bouton est donc de comprendre quels sont les mécanismes mis en place par le macrophage pour résister à sa propre production de dioxyde d’azote et dérivés nocifs l’accompagnant (comme les espèces réactives de l’oxygène).

Lors de notre visite, nous avons pu mesurer la quantité de NO produit par les macrophages en utilisant un test colorimétrique. Des cultures cellulaires de macrophages ont été soumises à différents signaux activateurs et inhibiteurs de NO. Le monoxyde d’azote étant un composé instable, sa détection directe est difficile : nous avons dosé le nitrite qui est un produit stable de la transformation du NO en présence d’oxygène. En ajoutant un réactif et en comparant la couleur obtenue à une gamme étalon, nous avons pu constater à quel point les macrophages produisent de grande quantité de NO lorsqu’ils sont en contact avec des bactéries (pour notre expérience, nous avons utilisé un fragment bactérien pour mimer la présence de la bactérie). Comme pour tout processus, il existe des systèmes de contrôle de la production des molécules afin d’éviter que la concentration ne deviennent nocive pour la cellule qui la produit. C’est le cas pour le macrophage, qui doit rapidement arrêter la synthèse de NO avant que celui-ci ne l’empoisonne ou n’altère les tissus environnants. Nous avons observé, sur la base des nos expériences, que la présence d’inhibiteurs pharmacologiques de l’enzyme qui synthétise le NO, pouvait effectivement stopper la production du monoxyde d’azote. Il faut donc que tout ce processus de libération du NO soit finement régulé afin que l’arme redoutable qu’il constitue ne se retourne pas contre la cellule qui l’a produit.

Ce jeudi de la recherche nous a permis de découvrir NO, cette si petite molécule qui joue pourtant un rôle important pour nous protéger des organismes pathogènes, mais aussi l’espace d’une soirée de nous mettre dans la peau des chercheurs en manipulant pipettes de précisions et fluorimètres !

Nous retiendrons également l’accueil des chercheurs qui nous ont reçus dans leur laboratoire et mis au point de petits ateliers pour nous. Un grand merci à Sergio Gonçalves (Ingénieur), Cendrine Seguin (Ingénieur CNRS), Ioana Ferecatu (chercheur post doc) et Cécile Bouton (Chargée de Recherche CNRS) qui ont animé les différents ateliers.