# La barrière mucosale intestinale: organisation et rôle

Anne-Christine Lalmanach

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Anne-Christine Lalmanach. La barrière mucosale intestinale: organisation et rôle. Master. Infectiolo-gie Cellulaire et Moléculaire, Vaccinologie, Anticorps Thérapeutiques (Module 5 La barrière mucosale intestinale), 2016, 35 Diapositives. hal-02795437

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# M2 Infectiologie Cellulaire et Moléculaire, Vaccinologie, Anticorps Thérapeutiques

LALMANACH A-C, UMR ISP, INRA Centre de Recherche Val de Loire, Nouzilly

## Module 5 La barrière mucosale intestinale: Organisation et rôle

- Morphologie

- Histologie

- Les cellules épithéliales

- La fonction de barrière

- La surveillance: sonder et contrôler, informer et réagir

- La tolérance orale

- L'équilibre: notions d'homéostasie
# La barrière mucosale intestinale

## L 'intestin

* énorme surface d'échange: la face luminale (interne) du petit intestin présente des repliements (circonvolutions), eux-même recouverts de villosités.

* Plus de $300m^2$ de surface chez l'adulte.

* Au contact d'une microflore intestinale abondante et complexe: environ $10^{14}$ bactéries (dont $10^{12}$ bact/g de feces dans le colon), près de 1000 espèces bactériennes par individu (métagénomique du microbiote humain)*

* Deux parties: petit intestin (proximal ou antérieur) et gros intestin (distal ou postérieur).

<footnote>* Lepage P. et al, Gut 2013, 62:146-158. 2</footnote>
# La barrière mucosale intestinale

## Organisation de l'intestin

* Le petit intestin représente la plus grande partie du tube digestif et est composé de trois partie de l’estomac jusqu’au gros intestin

- **Le duodenum** (reçoit les sécrétions pancréatiques, hépatiques et biliaires)

- **Le jejunum** (la plus grande des 3 parties, 40 à 90% selon les espèces)

- **L'ileum** (se déverse dans le gros intestin)

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

* Sa longueur est d'approximativement 3,5 fois celle du corps (soit environ 6m chez l'homme).

* C'est le siège des étapes finales de la digestion permettant l'absorption de nutriments dans la circulation.

* Le gros intestin: colon et rectum, stockage des éléments non digérés en matières fécales (feces).
# La barrière mucosale intestinale

## Morphologie de la surface de l'intestin

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-Villi (angl): villosités. La muqueuse envoie une multitude de projections vers la lumière qui sont recouvertes de cellules épithéliales
# La barrière mucosale intestinale

## Structure des cellules épithéliales intestinales

Cohésion et étanchéité assurées par des jonctions intercellulaires spécialisées

- Jonctions serrées ou tight junctions (TJ)

- Jonctions adhérentes (zonula adherens ZA)

- Desmosomes (D)

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Microscopie électronique, cryofracture</figcaption></figure>

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# La barrière mucosale intestinale

## Structure des cellules épithéliales intestinales

Connections entre cellules assurées par des jonctions intercellulaires spécialisées: jonctions gap

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Synchronisation des cellules, passage intercellulaire de molécules...
# La barrière mucosale intestinale

## Différents types de cellules épithéliales

### 3 principaux types de formes, selon les muqueuses

* Squameuses (squamous): aplaties, empilées en quinconce. Composent le revêtement de la peau (épiderme) et bordent certaines cavités internes (buccale, pulmonaire).

* cuboïdes (cuboidal): relativement arrondies, déformables et formant une couche élastique. Bordent la vessie, et les organes sujets à déformation (capacité de rétention de liquide).

* en colonne (columnar): hautes et étroites en simple couche de cellules sécrétrices et absorbantes. Bordent le tractus gastro-intestinal et forment la bordure ciliée du tractus respiratoire

### 3 principaux types d'assemblages des cellules

Simples, stratifiés, pseudostratifiés.
# La barrière mucosale intestinale

## Comparaison de différents types d'épithéliums

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>* Cuboidal, simple (kidney)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>* Squamous, simple (lung)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>* Squamous, stratified (skin)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /></figure>
# La barrière mucosale intestinale

## Cellules épithéliales

* Intestinales: enterocytes, Goblet cells, Paneth cells

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

* pulmonaires: ciliées, Goblet cells

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Coupe longitudinale: les « basal bodies » au départ de chaque cil sont formés par les centrioles.

Structure des cils en microscopie électronique à transmission.

Coupe transversale: noter les 9 doublets de microtubules et les deux singlets au centre qui forment l'architecture de chaque cil.
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## Cellules épithéliales intestinales

* Polarisation

Pôle apical: côté lumière intestinale.

Pôle basolatéral: côté lame basale et lamina propria

Réseau complexe de microfilaments du cytosquelette:

Anneaux d'actine à chaque pôle. Filaments intermédiaires dans tout le cytoplasme et points d'ancrage à la membrane plasmique

* Durée de vie limitée: quelques jours

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
# La barrière mucosale intestinale

## Cellules épithéliales intestinales

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

Le renouvellement des cellules de l'épithélium se fait par prolifération de cellules souches au niveau de la crypte, qui migrent et se différencient vers le sommet de la villosité ou elles meurent (apoptose) et exfolient. (implication de EGF, FGF, HGF et ITF).
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## Ontogénie de l'épithélium intestinal

* Morphogenèse du tube digestif à partir de l'endoderme : semaine 4 de gestation.

* Monocouche de cellules épithéliales à jonctions serrées : semaine 10.

* Differentiation de cellules caliciformes à production de mucus : semaine 12.

* Première synthèse des a-défensines par les cellules de Paneth : semaine 13 ; production de lysozyme : vers la semaine 20.

* Expression du FcRn à partir de 18 semaines (transfert d'immunité passive, IgG dans le liquide amniotique vers 12 semaines et dans le lait maternel).

* Apparition des follicules B, zones T et plaques de Peyer : semaine 19 (après la naissance chez la souris).

Les plaques de Peyer sont des zones lymphoïde différenciées à la surface de l'intestin, recouvertes d'un épithélium modifié (cellules « M » sans villosités mais à « microfolds »).
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## La fonction de barrière

L'objectif est de prévenir le passage de pathogènes de la lumière vers la lamina propria et dans la circulation sanguine.

Les barrières physico-chimiques aux infections:

- poumons - ascenceur mucociliaire

- surfactant

- intestin - péristaltisme

- pH acide

- sels biliaires

- thiocyanate

- flux gastro intestinal
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## La fonction de barrière

**Barrière extrinsèque:** pour restreindre la quantité de pathogènes atteignant la surface épithéliale de l'intestin.

* Protéolyse et acidité gastrique

* Péristaltisme

* Couche de mucus

* Anticorps

* Flore commensale

**Barrière intrinsèque:** caractéristiques physiques de l'épithélium lui-même, facteurs antimicrobiens, production de défensines.

**Equipement immunitaire:**

Lymphocytes intra-épithéliaux,

Plaques de Peyer: dômes à cellules épithéliales spéciales (cell. M) recouvrant un ou plusieurs follicules lymphoïdes,

Follicules lymphoïdes disséminés

Cellules immunitaires de la lamina propria sous-épithéliale
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## La fonction de barrière

### La flore intestinale commensale

* Aide à la digestion (Ruminococcus, Fibrobacter chez les ruminants)

* Dégradation des glycoprotéines du mucus (bénéfice mutuel: source alimentaire pour la flore et désengorgement du mucus)

* Compétition vis-à-vis des microbes pathogènes: compétition de nutriments, production de bacteriocines, interférence avec les signaux du quorum sensing.

* Angiogenèse et développement de l'immunité innée*

<footnote>* L. Hooper et al., Science 2001, 291: 881-884.</footnote>
# La barrière mucosale intestinale

## La fonction de barrière

### Maintien de l'homeostasie intestinale: état d'équilibre

Prévenir une réponse excessive
aux antigènes alimentaires et à la
flore commensale sans danger
(tolérance)

Etablir une réponse immune
protectrice contre des
pathogènes intestinaux
(réaction)

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# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: sonder le monde extérieur pour mieux réagir

Sonder et réagir immédiatement si reconnaissance pathogène: immunité innée
Appel à l'aide plus spécifiquement si débordement: immunité adaptative

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# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: sonder le monde extérieur

Discrimination entre flore commensale bénéfique et pathogènes nuisibles:
reconnaissance de motifs moléculaires de surface (MAMPs)
par des récepteurs (PRR)

**MAMPs** = Microbe-associated molecular patterns
LPS
acide lipoteichoïque
peptidoglycanes
lipoprotéines...

**PRR** = pattern-recognition receptors
Toll-like receptors

TLR1-TLR2 -> Lipoprotéines

TLR4 -> LPS

TLR5 -> flagelline

TLR9 -> motifs CpG non méthylés
de l'ADN bactérien

Sur les enterocytes, les phagocytes
et les cellules dendritiques DC

Nod-like receptors (NLRs)

NOD1, NOD2 (voie NF-κB)

NLRP3, NLRC4 (voie Caspase 1)

Intracytoplasmique
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## La surveillance: sonder le monde extérieur

### Innate Immunity

<table><thead><tr><td>Molecular pattern of microbe</td><td>Source</td><td>Pattern recognition receptor of innate immunity</td><td>Principal innate immune response</td></tr></thead><tbody><tr><td>dsRNA<br>ssRNA</td><td>Replicating viruses</td><td>Toll-like receptor?<br>TLR3, TLR7, TLR8</td><td>Type I interferon production<br>by infected cells</td></tr><tr><td>LPS</td><td>Gram-negative bacterial<br>cell wall</td><td>Toll-like receptor/CD14<br>TLR4/CD14</td><td>Macrophage activation</td></tr><tr><td>Unmethylated CpG<br>nucleotides</td><td>Bacterial DNA</td><td>Toll-like receptor<br>TLR9</td><td>Macrophage activation</td></tr><tr><td>N-formylmethionyl<br>peptides</td><td>Bacterial proteins</td><td>N-formylmethionyl<br>peptide receptors</td><td>Neutrophil and macrophage<br>activation</td></tr><tr><td>Mannose-rich glycans</td><td>Microbial glycoproteins<br>or glycolipids</td><td>1. Macrophage mannose<br>receptor<br>2. Plasma mannose-binding<br>lectin</td><td>1. Phagocytosis<br>2. Opsonization, complement<br>activation</td></tr><tr><td>Phosphorylcholine<br>and related molecules</td><td>Microbial membranes</td><td>Plasma C-reactive protein</td><td>Opsonization, complement<br>activation</td></tr></tbody></table>

Abbreviations: dsRNA, double-stranded RNA; LPS, lipopolysaccharide.
# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: sonder et contrôler (immunité innée)

Les signaux transduits par les PRR déclenchent une réponse inflammatoire (cytokines inflam) et la production de chimiokines recrutant les phagocytes

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Effet TLR-ligand: activation de la **voie NF-κB**

Expression des gènes de la réponse inflammatoire
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## La surveillance: sonder et contrôler (immunité innée)

- Stimulation de l'épithélium par les PAMPs: activation de la voie NF-κB

- Expression de l'IL-8 (CXCL8), de l'IL-1, du GMCSF, de GRO (KC, CXCL1) et MCP-1 (CCL2).

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- Recrutement des polynucléaires neutrophiles, des macrophages et activation de la réponse inflammatoire: IL1, IL6, TNFa, ...

- Sollicitation de cellules de l'immunité innée: phagocytes en premier lieu
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## La surveillance: sonder le monde extérieur

### Pathologies inflammatoires intestinales: situations de déséquilibre

* IBD (inflammatory bowel disease): Crohn 's disease et ulcerative colitis

* Réactivité aux bactéries de la flore commensale

* Accessibilité accrue de PRR à la surface apicale des enterocytes

* « Hyper-réponse » aux MAMPs (Nod2= gène de sensibilité à la maladie de Crohn)*.

* Développement de l'IBD chez la souris déficiente en IL-2

* Induction des beta-défensines 2 et 3 humaines abrogée durant la maladie de Crohn.

<footnote>* Y. Ogura et al., Nature 2001, 411: 603.</footnote>

<footnote>J. P. Hugot et al., Nature 2001, 411: 599.</footnote>
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## La surveillance: sonder et contrôler (immunité innée)

Les signaux transduits par les PRR peuvent aussi déclencher une réponse pro-apoptotique menant à la mort cellulaire programmée.

<figure><img src="image_19.png" /></figure>
# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: sonder et contrôler

### Inocuité de la flore commensale ?

* Peu de reconnaissance de motifs moléculaires de surface (MAMPs): masquage des MAMPS des commensaux par les IgAs*

* Peu de PRR accessibles à la surface apicale des enterocytes

* Régulation négative de la voie NF-κB par des bactéries non pathogènes**.
  Signaux délivrés à l'épithélium pour limiter les réponses inflammatoires.
  « Répression » inflammatoire.

<footnote>* AJ Macpherson & T Uhr, Science 2004, 303:1662-1665.</footnote>

<footnote>** A Neish et al., Science 2000, 289: 1560-1563.</footnote>
# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: sonder et contrôler

### « Camouflage » de la flore commensale: rôle des IgA sécrétoires (IgA)

Produites en majorité par les lymphocytes B220+ IgM+ (T -indép), plasmocytes.

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

Nature Reviews | Molecular Cell Biology

1 et 2: Liaison des IgA dimériques (dIgA) au polyIg récept. (pIgR) côté basolatéral de l'épithélium et transcytose (via réseau d'endosomes).

3: Clivage du grand domaine extracellulaire du pIgR, libérant l'IgA sécrétoire associée au composant sécrétoire dans la lumière intestinale.
# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: informer et réagir (immunité spécifique)

Le passage de microorganismes est possible mais contrôlé: « sampling ».

1. Passage direct, au travers des cellules épithéliales

2. Passage via les cellules M qui surmontent les zones lymphoïdes folliculaires

3. Captation par les cellules dendritiques qui envoient des extensions dans la lumière intestinale

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# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: informer et réagir (immunité spécifique)

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

La cellule M « super captatrice »

- bordure en brosse désorganisée

- glycocalix réduit

- pas de sécrétion de mucus

-expression de CCL20

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Recrutement de cellules dendritiques immatures dans le dôme subépithélial

La cellule dendritique « super sentinelle » muqueuse.
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La surveillance: informer et réagir (immunité spécifique)

## La réponse T: développement d'une immunité spécifique des antigènes dérivés des pathogènes

Les lymphocytes intra épithéliaux (IEL): majoritairement CD8+ TCR$\alpha\beta$ ou TCR$\gamma\delta$ à répertoire restreint → CMHI non conventionnel des cellules épithéliales intestinales (IEC).

Les IEL expriment l'intégrine $\alpha\epsilon\beta7$ qui interagit avec la E-cadhérine des cellules épithéliales.

Les lymphocytes T de la lamina propria sont effecteurs / mémoire et issus de la migration de cellules T:
sites inducteurs (« priming » par les DC dans les follicules lymphoïdes et ganglions drainant) → recirculationT et « homing » des T ($\alpha4\beta7$↔ MAdCAM).

Recirculation des lymphocytes stimulés, via la lymphe → canal thoracique puis circulation générale et domiciliation muqueuse intestinale.
# La barrière mucosale intestinale

## La surveillance: informer et réagir (immunité spécifique)

### La circulation des lymphocytes

Les lymphocytes T et B stimulés au niveau des MALT (mucosa associated lymphoid tissue) acquièrent des récepteurs de domiciliation muqueuse: l'intégrine α4β7.

α4β7 intégrine
des lymphocytes primés

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

MadCAM-1 adressine
des cellules endothéliales
de veinules post-capillaires
de l'intestin

CCR9/CCR10
des lymphocytes primés

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

CCL25 et MEC (mucosa-associated
epithelial chemokine)
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## La tolérance orale

La rencontre d 'un antigène (Ag) au niveau de l 'intestin déclenche un processus inhibiteur prévenant l 'établissement de réponses cellulaires spécifiques de cet Ag (TCD4+ et TCD8+) suivant une immunisation systémique avec le même Ag.

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

### Immunosuppression

## Prévention d 'une hypersensibilité retardée aux antigènes alimentaires et de la flore commensale
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## La tolérance orale

* La muqueuse du petit intestin représente le siège d'induction de la tolérance orale.

* Les cellules épithéliales expriment des molécules du CMH I et II atypiques et ne possèdent pas de molécules de co-stimulation indispensables à la présentation d'Ag → induction d'anergie?

* Les lymphocytes T intestinaux de la lamina propria sont majoritairement effecteur/mémoire et peu sont naïfs.

* Les cellules épithéliales ayant rencontré un Ag intestinal peuvent être suppressives vis à vis de cellules TCD8+ spécifiques via la sécrétion d'IL10 et de TGFβ.
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## La tolérance orale

### Mécanisme, selon la dose d'antigène

* Faible dose: immuno-suppression médiée par les cellules Treg.

* Forte dose: immuno-suppression médiée par anergie/délétion des cellules T spécifiques de l'antigène.

### Les cellules T régulatrices: CD4+ Treg

<figure><img src="image_27.png" /></figure>
# La barrière mucosale intestinale

## La fonction de barrière

### Maintien de l'homeostasie intestinale: état d'équilibre

Prévenir une réponse excessive
aux antigènes alimentaires et à la
flore commensale sans danger
(tolérance)

Etablir une réponse immune
protectrice contre des
pathogènes intestinaux
(réaction)

<figure><img src="image_28.png" /></figure>
# La muqueuse: orchestration cytokinique

Équilibre a Eubiosis

b Dysbiosis

Deséquilibre

Homéostasie

Inflammation

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

C.L. Maynard et al
Nature, 13Sept2012
Vol 489 ; p231
<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Référence à lire :

Araceli Perez-Lopez et al. « Mucosal immunity to pathogenic intestinal bacteria ». Nature Reviews/Immunology, Mars 2016, Vol 16, p 135-148.