Les cellules épithéliales intestinales tapissent la paroi interne de l’intestin, créant une barrière contre les bactéries dangereuses comme E. coli entéropathogène qui cherchent à fixer et à effacer cette barrière, provoquant la diarrhée. Ces agents pathogènes présentent des risques importants pour la santé humaine et provoquent la mort de nourrissons dans les pays en développement.
Dans une étude publiée dans la revue Immunity, Carlene L. Zindl, Ph.D., et Casey T. Weaver, MD, de l’Université de l’Alabama au Département de pathologie de Birmingham montrent comment deux types de cellules immunitaires – ; l’un faisant partie du système immunitaire inné et l’autre faisant partie du système immunitaire adaptatif – ; jouent des rôles distincts et indispensables pour défendre cette barrière.
Dans cette étude, nous définissons un rôle non redondant pour les lymphocytes T producteurs d’interleukine-22 dans la défense antibactérienne des cryptes du côlon. Nos découvertes abordent un problème central non résolu concernant la coordination de l’immunité innée et adaptative et la spécialisation des cellules lymphoïdes innées, ou ILC, et des cellules T CD4. Depuis la découverte des sous-ensembles ILC et l’appréciation de leur parallèle fonctionnel avec les sous-ensembles de lymphocytes T, on ne sait pas quelles fonctions sont uniques à chaque population de cellules immunitaires.
Casey T. Weaver, MD, Département de pathologie, Université de l’Alabama à Birmingham
L’étude a utilisé des souris atteintes d’une infection bactérienne du côlon par Citrobacter rodentium, qui modélise la maladie humaine causée par E. coli entéropathogène et entérohémorragique. Les côlons des souris et des humains ont des cellules épithéliales intestinales de surface, ou IEC de surface, qui font face à la lumière du côlon et tapissent la bouche des cryptes du côlon. Les cryptes coliques sont les nombreuses minuscules indentations dans le côlon qui ont la forme de tubes à essai à paroi épaisse; au fond de chaque crypte se trouvent des cellules souches qui donnent naissance à tous les nouveaux sous-ensembles IEC.
Chaque crypte n’a qu’environ 75 à 110 cellules de profondeur et 23 cellules de circonférence, et le côlon humain compte environ 9 950 000 cryptes. Les IEC de crypte bordent chaque crypte.
L’interleukine-22, ou IL-22, est une protéine de signalisation des cytokines produite par les cellules pour initier une réponse immunitaire. Les chercheurs de l’UAB ont développé des souris qui ont un gène rapporteur dans l’IL-22, afin qu’ils puissent dire quelles cellules produisent l’IL-22. Ils ont également pu cibler une déficience en IL-22 sur différentes populations de cellules immunitaires, pour connaître l’effet de cette perte de production d’IL-22 dans un sous-ensemble de cellules sur la progression des infections à C. rodentium.
Les chercheurs ont découvert que le sous-ensemble ILC3 de cellules immunitaires innées était les cellules dominantes positives à l’IL-22 à l’état d’équilibre, avant toute infection. Au cours de l’infection précoce par C. rodentium, jours 3 à 6, les ILC3 ont produit la plus grande quantité d’IL-22. Au cours de l’infection tardive, jours 7 à 14, les lymphocytes T avaient augmenté de 50 fois en nombre et étaient les principaux producteurs d’IL-22. De plus, les deux types de cellules possédaient des niches microanatomiques distinctes – ; Les ILC3 étaient confinés à de petits follicules lymphoïdes isolés, à une certaine distance des cryptes, et leur nombre n’augmentait pas au cours de l’infection. Les lymphocytes T à croissance rapide entouraient les cryptes, plus près des CEI que des ILC3.
En éliminant la production d’IL-22 dans les deux ou l’un des types de cellules immunitaires, les chercheurs ont pu discerner leurs rôles particuliers – ; à la fois en visualisant l’infection chez des souris vivantes à l’aide d’une souche bioluminescente de C. rodentium et en examinant quels IEC ont été activés par l’IL-22.
Chez les souris dont le système immunitaire était intact, une certaine croissance de C. rodentium dans le côlon a été observée aux jours 3 à 7 ; mais les souris ont survécu à l’infection. Chez les souris sans production d’IL-22 par les ILC3 et les cellules T, une forte infection à C. rodentium a été observée aux jours 3 à 7, et toutes les souris ont ensuite succombé à l’infection.
Les souris qui n’avaient pas de production d’IL-22 par les ILC3, mais qui maintenaient toujours la production d’IL-22 dans les cellules T, ont commencé à succomber à l’infection aussi rapidement que les souris knock-out totales pour l’IL-22 ; mais 40 % ont survécu, vraisemblablement sauvés par la production ultérieure d’IL-22 à partir des cellules T. Les souris avec une perte de production d’IL-22 uniquement dans les cellules T ont commencé à succomber à l’infection plus tard que les deux autres souches de souris, et elles ont montré une survie de 60 %.
« Ces données établissent que l’IL-22 dérivé de cellules innées agit pour limiter la colonisation de C. rodentium au cours de la phase précoce de l’infection », a déclaré Weaver, président Wyatt et Susan Haskell d’excellence médicale en pathologie, « mais est incapable de compenser T IL-22 dérivée de cellules dans la contention bactérienne et la protection de l’hôte plus tard. »
L’examen microscopique des sections du côlon a montré que les souris dont le système immunitaire était intact présentaient une fixation bactérienne aux CEI de surface aux jours 4 à 9, mais aucune croissance bactérienne à l’intérieur des cryptes. Chez les souris sans production d’IL-22 par toutes les cellules immunitaires ou par les lymphocytes T uniquement, une forte infection a été observée à l’intérieur de la lumière de la crypte et C. rodentium était attaché aux CEI de la crypte au jour 9.
Lorsque l’IL-22 produite par les cellules immunitaires se lie aux CEI, elle active la voie de signalisation STAT3 dans les cellules cibles, qui à son tour active ou réprime des gènes spécifiques dans les cellules cibles.
L’examen microscopique de coupes de côlon colorées pour l’activation de STAT3 a montré que, malgré leur rôle essentiel dans la limitation de la colonisation bactérienne au début de l’infection bactérienne entéropathogène, les ILC3 n’induisaient qu’une signalisation STAT3 faible et que la signalisation était limitée aux CEI de surface. En revanche, les lymphocytes T ont contribué à la défense de la barrière du côlon en délivrant de l’IL-22 aux CEI de crypte et aux CEI de surface au fur et à mesure de la progression de l’infection, induisant une signalisation STAT3 robuste et soutenue dans les deux populations de CEI. « Nos données déterminent que l’immunité des lymphocytes T » spécialisée « est nécessaire pour la protection des cryptes du côlon lors d’une infection à C. rodentium », a déclaré Zindl. « Cela peut refléter la capacité des lymphocytes T, contrairement aux ILC3, à migrer vers l’épithélium de la crypte et à entrer en contact direct avec les CEI via des interactions peptide-MHC et/ou des molécules d’adhésion de surface. »
Zindl est un scientifique UAB I et le chercheur principal de l’étude.
Les changements d’expression génique résultants dans les CEI comprenaient une expression accrue des ARN messagers pour les peptides antimicrobiens, les chimiokines recrutant des neutrophiles et les enzymes qui altéraient les mucines protectrices produites par les cellules caliciformes du côlon et les entérocytes. Tous ces éléments aident à combattre une infection bactérienne. En revanche, les gènes pro-inflammatoires induits par l’interféron gamma ont été réprimés. « Ces données révèlent un double rôle de l’IL-22 dérivé des cellules T », a déclaré Zindl, « à la fois dans la promotion de la défense antibactérienne des cryptes et dans la limitation des dommages tissulaires causés par l’IEC incontrôlée et l’activation des cellules immunitaires ».
« Nos résultats démontrent des différences spatio-temporelles dans la production et l’action de l’IL-22 par les ILC et les cellules T pendant l’infection », a déclaré Weaver, « et ils révèlent un rôle indispensable pour les cellules T productrices d’IL-22 dans la protection des cryptes intestinales. «
