Phagocytose

La phagocytose, en biologie, est le processus cellulaire par lequel certaines cellules regroupées sous la dénomination générale de phagocyte peuvent ingérer des particules étrangères solides d'échelle micrométrique. On considère habituellement que la phagocytose est une forme particulière d'endocytose[1]. Elle se distingue d'autres processus d'internalisation cellulaire (endocytose, pinocytose) par au moins deux critères généraux :

  • la phagocytose est induite par le contact physique avec la particule-cible ;
  • la particule-cible de la phagocytose a une taille supérieure à 0,5 µm.

Élément essentiel de l'immunité, elle a été découverte à la fin du XIXe siècle par Élie Metchnikov (1845-1916), récompensé par le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1908, conjointement avec Paul Ehrlich. Chez les amibes, elle joue un rôle nutritionnel, en leur permettant de capturer et d'ingérer des bactéries[1].

Bien que la phagocytose ait été observée expérimentalement dans plusieurs types cellulaires, elle est généralement fortement associée avec certaines catégories de leucocytes, tels les macrophages, les cellules dendritiques ou les neutrophiles. Les conséquences de l'activité phagocytaire sont multiples et importantes. On peut citer notamment l'élimination des pathogènes, la présentation des antigènes aux lymphocytes, l'élimination des débris cellulaires pro-inflammatoires. La phagocytose peut également être exploitée en biomédecine, par exemple pour la livraison ciblée de molécules pharmaceutiques ou pour l'immunothérapie antitumorale.

Considérations générales

Les phagocytes

On appelle phagocytes toutes cellules étant capables de phagocytose. Les observations in vitro ont mis en évidence que de nombreux types cellulaires pouvaient, dans certaines conditions, se comporter en phagocytes. C'est par exemple le cas des fibroblastes, des cellules épithéliales ou des cellules endothéliales. Toutefois, la phagocytose est principalement le fait de phagocytes dit « professionnels ». Ce qualificatif leur vient de leur taux de phagocytose nettement plus élevé ainsi que de l'adaptation de leur machinerie moléculaire interne à ce processus d'internalisation. Ces phagocytes « professionnels » appartiennent à la catégorie des leucocytes. On distingue en particulier les macrophages, les neutrophiles et les cellules dendritiques. Les études des bases moléculaires et mécaniques de la phagocytoses concernent principalement les deux premiers.

Diversité morphologique de la phagocytose

La phagocytose est habituellement représentée dans la littérature comme la formation d'une protrusion membranaire en forme de calice, la coupe phagocytaire, qui se forme au niveau du contact entre phagocyte et cible phagocytaire. Cependant, les déformations membranaires menant a la phagocytose présentent des morphologies très variées, en fonction de la cible et de la nature des ligands et récepteurs phagocytaires impliqués.

  • coupe phagocytaire : c'est la forme la plus classiquement décrite. Elle se forme par exemple en aval de la détection du fragment constant (Fc) des immunoglobulines G (IgG) par les récepteurs au fragment constant (FcR) portes par le phagocyte. Elle constitue en un piédestal, à l'endroit du contact initial entre le phagocyte et la cible, et d'un « calice », la coupe phagocytaire a proprement parler, dont les bords englobent progressivement l’intégralité de la cible ;
  • Rides membranaires (ruffle) : La phagocytose en aval de la molécule du complément C3bi (détectée par le récepteur au complément CR3) favorise la formation de « rides » membranaires (« ruffles » en anglais): des ondulations de la membrane plasmique qui peuvent finir par recouvrir la cible phagocytaire ;
  • La phagocytose sans protrusions membranaires : des observations microscopiques pionnières ont rapporte des phagocytoses sans protrusions, ou la cible phagocytaire semblait « couler » dans la cellule, par exemple dans le contexte de la phagocytose en aval du complément C3bi, ou dans la phagocytose passive (sans utilisation de récepteurs ou ligands phagocytaires, seulement due a hydrophobie de la cible) ;
  • phagocytose « enroulée » : cas particulier, observé lors de la phagocytose de certains pathogènes. La membrane de la cellule s'enroule autour d’elle-même, formant ainsi une spirale ;

Les causes physico-chimiques ainsi que les conséquences fonctionnelles (efficacité, rapidité, etc.) de cette diversité sont encore peu connues.

Diversité des couples récepteurs phagocytaires/ligands phagocytaires

La phagocytose se distingue d'autres modes d'ingestion cellulaire par la nécessité d'un contact entre le phagocyte et sa cible. Certains cas de phagocytose passive ont été décrits. Dans ce cas, les propriétés physico-chimique du couple cible/phagocyte (charges électriques, hydrophobie) suffisent à ce que la cible soit passivement englobée. La plupart des cas concernent en revanche une phagocytose active, où le processus n'est enclenché qu'en aval de l'appariement d'un ou plusieurs récepteurs phagocytaires (portés par le phagocyte) et d'un ou plusieurs ligands (portés par la cible). Cette phagocytose active a pour conséquence d'introduire la notion de spécificité de la phagocytose. Parmi les cas de phagocytose active, on distingue ceux où la cible présente déjà les ligands et ceux où les ligands sont fixés sur la cible à la suite de réactions chimiques extérieures, ce qu'on appelle l'opsonisation. L'exemple d'opsonisation le plus connu est le rôle des anticorps IgG : ce n'est que lorsque les IgG se fixent sur leur cible que les récepteurs FcR à la surface des phagocytes peuvent s'y fixer et initier le processus de phagocytose.

Déroulement

Il est habituellement découpé en trois phases : adhésion, ingestion, et digestion - cette dernière étape n'étant pas systématique.

La première fonction décrite des macrophages est leur capacité de phagocytose, c'est-à-dire que les cellules phagocytaires sont capables de lier, par l’intermédiaire de molécules ayant une surface particulière, certains composants reconnus à la surface de micro-organismes, de parasites ou de cellules.

On sait maintenant que la particule phagocytée est entourée par les pseudopodes de la cellule, formant une nouvelle vacuole intracellulaire, le « phagosome ». Dépendant du type cellulaire et des conditions de phagocytose, des sources autres que la membrane plasmique peuvent fournir la membrane du phagosome. Il s'agit des endosomes de recyclage et du réticulum endoplasmique.

Les principaux récepteurs macrophagiques impliqués dans les processus de phagocytose sont les récepteurs aux opsonines (récepteurs au complément, à la portion Fc des immunoglobulines), le CD14 et le récepteur mannose-fucose.

La liaison d’un micro-organisme ou de toute autre particule à une molécule de surface macrophagique entraîne une cascade signalétique, régulée principalement par des processus de phosphorylation. Cette signalisation résulte en de profonds remaniements du cytosquelette cellulaire, avec accumulation de F-actine sous la membrane plasmique.

Longtemps on a cru que la phagocytose était la seule fonction des phagocytes et que ces cellules avaient une seule mission, celle de servir d'éboueurs des éléments étrangers à notre organisme. Aujourd'hui, il est devenu clair que les polymorphonucléaires comme les phagocytes sont capables d'exercer bien d'autres fonctions que celle de la phagocytose qui les définit.

Ainsi, ces cellules sont capables de synthétiser, de sécréter des métabolites agissant sur d'autres types de cellules, de détruire sans les englober des cellules tumorales, certains parasites, et des cellules normales ou tumorales sensibilisées par des anticorps.

Adhésion

C'est l'étape au cours de laquelle la membrane de la cellule phagocytaire adhère à la particule qu'elle va ingérer. Cette étape se fait grâce aux lectines (glucoses complexes) qui se trouvent à la surface du corps étranger. Des liaisons se forment entre les glycoprotéines membranaires des cellules immunitaires et les oses du corps étranger. L'adhésion est aussi facilitée par l'opsonisation des corps étrangers.

Ingestion

On a cru longtemps que la phagocytose se produit par invagination (repli) de la membrane autour de la particule et une formation secondaire d'une vacuole de phagocytose ou phagosome. On sait maintenant que la particule phagocytée est entourée par les pseudopodes de la cellule entre ces pseudopodes, se forme une nouvelle vacuole intracellulaire, le phagosome. Dépendant du type cellulaire et des conditions de phagocytose, des sources autres que la membrane plasmique peuvent fournir la membrane du phagosome. Il s'agit des endosomes de recyclage et du réticulum endoplasmique[2].

Digestion

À l'intérieur de ce phagosome, le devenir de la particule peut être de trois types :

  • La digestion consécutive à l'accolement et à la fusion des lysosomes avec la membrane du phagosome constituant ainsi un phagolysosome duquel les divers enzymes vont se déverser et, selon leur spécificité, s'attaquer aux divers constituants de la particule ou du micro-organisme.
  • La persistance est observée avec les particules difficilement biodégradables, mais également avec certains germes.
  • La multiplication intracytoplasmique (relatif à l'intérieur du cytoplasme), qui est le propre de certaines variétés de parasites ou de virus, de bactéries responsables d'infections particulièrement virulentes comme la brucellose et la tuberculose.

La phagocytose s’accompagne le plus souvent d’une brutale élévation de la consommation cellulaire en oxygène. En effet, la liaison d’une particule exogène à son récepteur membranaire entraîne une activation de la NADPH oxydase, qui transfère des électrons du NADPH à l'oxygène moléculaire. Les formes actives de l'oxygène formées (H2O2, radicaux OH• et O2) se retrouvent en forte concentration dans le phagosome, où elles exercent des effets toxiques sur les micro-organismes phagocytés. De plus, certains macrophages sont capables après induction d’une NO synthase de produire des dérivés nitrés, notamment le monoxyde d'azote, par oxydation des noyaux azotés de la L-arginine. Le monoxyde d’azote, qui est libéré lors de l'infection de macrophages par des bactéries, des levures, des parasites ou des champignons, contribue à l'élimination de ces organismes.

Pendant l’étape de digestion, il y a l’activation de lysosomes, constituant ainsi un phagolysosome. Les divers enzymes vont se déverser et, selon leur spécificité, s'attaquer aux divers constituants de la particule ou du micro-organisme pour la digestion totale.

Conséquences biologiques de la phagocytose

La fonction de phagocytose est partagée par les cellules dendritiques et deux variétés de cellules appartenant à la famille des leucocytes (ou globules blancs) :

Les neutrophiles sont les premiers à se rendre sur le lieu de l'inflammation. Dans les heures qui suivent, ce sont les monocytes qui parviennent au sein du foyer inflammatoire.

Ils y subissent une différenciation en macrophages, et vont persister pendant un laps de temps variable selon le site de l'inflammation, mais dans l'ensemble, beaucoup plus longtemps que les neutrophiles. Contrairement à ces derniers, les monocytes peuvent survivre après l'acte de phagocytose.

Échappement à la phagocytose et conséquences biologiques

Dans les cas de persistances par des micro-organismes (bactéries ou virus), il existe la digestion partielle avec présentation des peptides antigéniques par les molécules de classe II du CMH.

La multiplication du micro-organisme :

Dans tous les cas, le macrophage doit être activé : c'est le rôle de la cellule Th1 qui, par la sécrétion d'interférons, activera le macrophage « embarrassé ».

Notes et références
  1. Royet, « Endocytose 2-2 1.ppt », sur biologie.univ-mrs.fr, (consulté le ).
  2. Nature Reviews Immunology 3, 280-291 (2003)

Voir aussi

Articles connexes

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