CM02 Introduction aux cellules sanguines et hematopoïèse PDF

Introduction aux cellules sanguines et hématopoïèse UE Tissu sanguin et Système Immunitaire ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 1 sur 21 1. Le sang et les cellules sanguines................

Introduction aux cellules sanguines et hématopoïèse UE Tissu sanguin et Système Immunitaire ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 1 sur 21 1. Le sang et les cellules sanguines............................................................................................................ 3 1.1. Le sang........................................................................................................................................ 3 1.2. Les globules rouges...................................................................................................................... 4 1.3. Les plaquettes.............................................................................................................................. 4 1.4. Les polynucléaires....................................................................................................................... 4 1.5. Les monocytes............................................................................................................................. 5 1.6. Les lymphocytes.......................................................................................................................... 5 2. L’Hématopoïèse...................................................................................................................................... 6 2.1. Généralités................................................................................................................................... 7 2.1.1. Définition................................................................................................................................. 7 2.1.2. Sites de l’hématopoïèse au cours du développement................................................................. 8 2.1.3. Fonctions de la moelle osseuse................................................................................................. 8 2.2. Structure et fonctions des éléments constituant la moelle osseuse................................................ 9 2.2.1. Le réseau sinusoïdal................................................................................................................. 9 2.2.2. Les cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques.......................................................... 10 2.2.3. Les cellules souches mésenchymateuses et la stroma.............................................................. 13 2.3. Différenciation terminale des prédecurseurs hématopoïétiques................................................. 15 2.3.1. Le lignage érythroïde............................................................................................................. 17 2.3.2. Le lignage mégacaryocytaires................................................................................................. 19 2.3.3. Le lignage granulocytaire....................................................................................................... 20 2.3.4. Le lignage monocytaire.......................................................................................................... 20 2.3.5. La lymphopoïèse.................................................................................................................... 21 ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 2 sur 21 1. Le sang et les cellules sanguines 1.1. Le sang Le sang est une suspension de cellules dans un liquide complexe, le plasma, lui-même constitué d’eau, de sels minéraux et de molécules organiques. Il circule dans les vaisseaux sanguins et véhicule des protéines, des nutriments, des électrolytes mais aussi des cellules dans l’organisme. Son volume moyen est d'environ 5 litres pour un adulte mais varie selon son sexe, son poids et sa taille. Il est composé de cellules sanguines (appelées aussi éléments figurés du sang) en suspension dans le plasma. En vue de son analyse, le sang est prélevé dans un tube pouvant contenir un additif (=anticoagulant) permettant d’éviter la formation d’un caillot solide par coagulation. Figure 1 : Tube de sang après sédimentation Ce sont des protéines plasmatiques appelées facteurs de la coagulation qui sont responsables de la polymérisation de la fibrine et la formation d’un caillot de sang. ll s’agit d’un processus physiologique important qui participe à l’arrêt d’un saignement lors d'une lésion vasculaire (voir cours sur la physiologie de l’hémostase). Pour éviter la coagulation du sang lors de son prélèvement, un anticoagulant est présent dans le tube. Après sédimentation ou centrifugation (qui permet d’accélérer le processus de sédimentation), 3 phases se distinguent (Cf. Figure 1) : Le surnageant correspondant au plasma de couleur jaune citrin et limpide qui représente ~ 55% du volume sanguin total ; Un culot rouge foncé formé de Globules Rouges (GR) qui représente ~ 45% du volume sanguin ; A l’interface se trouve une fine couche blanchâtre formée par les leucocytes ou globules blancs. Après coagulation, la phase liquide dépourvue de fibrinogène est appelée sérum (voir cours sur les plaquettes et la physiologie de l’hémostase). Les principales fonctions du sang sont les suivantes : Transport de l’oxygène, échanges oxygène / dioxyde de carbone assuré par les hématies vers les différents tissus ; Transport des nutriments tel que le glucose entre le foie et les différents tissus ; Transport de l’urée ainsi que d’autres déchets de l’organisme ; Transport des hormones ; Transport de l'eau et des minéraux ; ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 3 sur 21  Transport des globules blancs qui pourront ainsi exercer leurs fonctions dans l’ensemble de l’organisme ; Hémostase et Coagulation pour réparer les lésions vasculaires et limiter une hémorragie. 1.2.Les globules rouges Les globules rouges appelées aussi hématies (ou encore érythrocytes) appartiennent au lignage érythroïde. Ce sont des cellules anucléés (dépourvues de noyau) formant un disque biconcave de 7 à 8 µm apparaissant beige rosé avec un halo central clair après coloration au May-Grünwald Giemsa (MGG). La couleur rouge des hématies provient de l’hémoglobine dont la fonction est de transporter l’oxygène mais aussi une partie du CO2. Figure 2 : Hématies après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG NB : En hématologie, l’aspect microscopique des cellules est important. Les premières classifications des hémopathies malignes étaient uniquement basées sur l’observation microscopique des cellules. 1.3. Les plaquettes Elles appartiennent au lignage mégacaryocytaire. Les plaquettes sont les plus petites cellules sanguines et sont dépourvues de noyau. Elles participent à l’hémostase primaire = formation du « clou plaquettaire » qui est la première étape permettant l’obturation d’une paroi vasculaire lésée. La présence de plaquettes fonctionnelles en quantité suffisante est ainsi indispensable pour prévenir un risque hémorragique. Figure 2 : Plaquettes après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG 1.4.Les polynucléaires Ces cellules appartiennent au lignage granulocytaire. Ils tiennent leur nom de la forme de leur noyau qui est polylobé, contrairement à celui des autres cellules sanguines dont la forme est plus régulière. Il existe 3 types de polynucléaires qui se distinguent morphologiquement par leurs granulations qui contiennent des composants spécifiques leur permettant d’assurer des fonctions bien distinctes. Les polynucléaires neutrophiles (PN) se caractérisent par des granulations rosées après coloration au MGG. Ils sont dotés de récepteurs de surface et de facteurs bactéricides puissants stockées dans leurs granules qui en font les premières défenses antibactériennes. Un défaut quantitatif ou fonctionnel des PNs expose l’organisme à un risque infectieux grave. Figure 3 : Polynucléaire neutrophile après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 4 sur 21  Les polynucléaires éosinophiles se caractérisent morphologiquement par de volumineuses granulations orangées après coloration au MGG. Ces cellules sont impliquées dans la défense antiparasitaire. Figure 4 : Polynucléaire éosinophile après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG Les polynucléaires basophiles constituent la population la plus rare dans le sang. Il se caractérisent par des granulations violettes foncées, de tailles irrégulières et remplies d’histamine qui est l’un des principaux composant responsable des manifestations allergiques de l’organisme. Ces cellules vont ainsi participer aux réactions immuno-allergiques. Figure 5 : Polynucléaire basophile après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG 1.5. Les monocytes Ils se distinguent morphologiquement des polynucléaires par la forme de leur noyau qui n’est pas lobé et leur cytoplasme de couleur « gris ciel d’orage » qui ne contient que de très rares granulations. Leur passage dans le sang est transitoire. Les monocytes sont destinés à quitter la circulation sanguine pour pénétrer dans les tissus afin de se différencier en macrophages ou en cellules dendritiques. La fonction de ces 2 populations cellulaires est de capturer le microenvironnement pour d’une part, détruire les cellules sénescentes (par phagocytose) mais aussi détecter la présence de micro-organismes et déclencher une réponse immunitaire spécifique appelée immunité adaptative et médiée par les lymphocytes (Cf cours d’Immunologie). Figure 5 : Monocyte après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG 1.6. Les lymphocytes Les lymphocytes appartiennent au lignage lymphoïde. Il existe plusieurs familles de lymphocytes qu’il n’est pas possible de distinguer morphologiquement mais qui présentent des fonctions bien distinctes. Figure 5 : Lymphocyte après étalement d’un frottis sanguin coloré au MGG Les lymphocytes T (LT) interviennent dans l’immunité adaptative, c’est-à-dire une immunité adaptée/spécialisée vis à-vis d’un microorganisme. Cette spécialisation repose sur un récepteur exprimé à sa surface et qui est propre à chaque lymphocyte T et capable de reconnaitre un peptide dérivé du microorganisme. Les lymphocytes T vont pouvoir ainsi reconnaitre les cellules de l’organisme infectées par un microorganisme et les détruire. Les LB interviennent également dans l’immunité adaptative en sécrétant des anticorps, qui sont des protéines solubles venant se fixer sur les microorganismes. Le complexe anticorps/microorganisme ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 5 sur 21  ainsi formé sera reconnu par d’autres cellules immunitaires telles que les monocytes, les macrophages ou les cellules dendritiques qui pourront ainsi les phagocyter et les éliminer. Les lymphocytes NK se distinguent des LT et des LB par le fait que ces lymphocytes ne sont pas dotés de récepteurs leur permettant une reconnaissance spécifique et directe des agents infectieux. A ce titre, ils ne participent pas à l’immunité adaptative mais à l’immunité innée immédiate. Ce sont les cellules infectées par un organisme qui vont signaler aux lymphocytes NK la présence d’un agent pathogène pour que ces derniers exercent leur action cytotoxique contre la cellule infectée. Important : La production quotidienne de cellules hématopoïétiques appelée hématopoïèse est considérable (tableau 1) et coûteuse en énergie et nutriments. Tout déficit en éléments essentiels (certaines vitamines ou le fer par exemple) à cette production conduiront à une baisse du nombre de cellules sanguines circulantes dont la survenue sera d’autant plus rapide que la durée de vie des cellules est courte (tableau 1). De par l’importance des fonctions assurées par les cellules sanguines, toute perturbation de leur production aura des répercussions importantes sur la santé dont les signes seront étroitement liés à la fonction exercée par les cellules sanguines concernées. Par exemple, une quantité insuffisante de PN expose à un risque rapide et accru d’infections graves qui nécessiteront une prise en charge urgente. Tableau 1 : Quelques données quantitatives sur les cellules sanguines Les plaquettes ont, quant à elles, une durée de vie de 8 jours. L’aspirine, un médicament très communément utilisé contre la douleur ou la fièvre, a pour propriété d’inhiber de façon irréversible une enzyme plaquettaire nécessaire à leur agrégation. Ainsi, la prise d’aspirine conduit à un défaut d’agrégation plaquettaire pendant 8 jours ce qui expose à des saignements beaucoup plus importants lors d’une intervention chirurgicale ou de soins dentaires par exemple. 2. L’Hématopoïèse A partir du 6ème mois de gestation et tout au long de la vie, la moelle osseuse est le siège principal de l’hématopoïèse, assurant la production des cellules myéloïdes (polynucléaires, monocytes, hématies et plaquettes) et lymphoïdes (lymphocytes B matures, précurseurs lymphoïdes T et NK) qui sont libérées ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 6 sur 21 dans la circulation sanguine. Dans ce chapitre du cours seront détaillées l’architecture de la moelle osseuse et la fonction des différents éléments qui la composent permettant le maintien de la production de cellules hématopoïétiques et de l’adapter aux besoins physiologiques tout au long de la vie. Figure 6 : Les lignages du tissu sanguin B : Lymphocytes B ; CSH : Cellule souche hématopoïétique ; GR : Globules rouges ; Mo : Monocytes ; NK : Lymphocytes NK ; PB : Polynucléaires basophiles ; PE : Polynucléaires éosinophiles ; PLT : Plaquettes ; PN : Polynucléaires neutrophiles ; T : Lymphocytes T. 2.1.Généralités 2.1.1. Définition L’hématopoïèse est le processus par lequel sont produites l’ensemble des cellules hématopoïétiques tout au long de la vie. Cette production est finement régulée et capable de s’adapter aux besoins de l’organisme tels qu’une infection, une augmentation des besoins en oxygène ou une hémorragie. Cette production est assurée tout au long de la vie par des cellules souches hématopoïétiques. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 7 sur 21  2.1.2. Sites de l’hématopoïèse au cours du développement Le siège de l’hématopoïèse varie au cours du développement. Les premières cellules hématopoïétiques détectées chez le fœtus émergent au niveau de la région para-aortique et sont dérivées de l’endothélium vasculaire. Elles ont donc d’abord au cours des deux premiers mois de gestation une origine endothéliale puis l’hématopoïèse va se développer dans le foie, la rate et enfin la moelle osseuse. L’hématopoïèse hépatique commence au premier mois de gestation, puis il y a un pic entre le 4ème et le 5ème mois puis régression jusqu’à la naissance. A partir du 2ème mois, la rate participe à la production du tissu hématopoïétique. Ce n’est qu’à partir du 4ème mois que l’hématopoïèse s’installe au niveau de la moelle osseuse qui constituera l’unique siège physiologique après la naissance. Toute résurgence d’une hématopoïèse hépatique ou splénique au cours de la vie se traduira par une organomégalie, c’est-à-dire une augmentation du volume du foie (hépatomégalie) ou de la rate (splénomégalie) pouvant être révélateur d’une hémopathie maligne. Figure 7 : Site de l’hématopoïèse au cours du développement 2.1.3. Fonctions de la moelle osseuse La moelle osseuse assure l’hématopoïèse à partir de CSH qui sont des cellules multipotentes, à l’origine de tous les lignages du tissu hématopoïétique (lignages myéloïde et lymphoïde). Elle constitue également un réservoir mobilisable de cellules hématopoïétiques : elle contient notamment 8 fois plus de polynucléaires que le sang circulant. Ainsi, lors d’une infection, les PN médullaires seront rapidement mobilisés vers le sang périphérique pour répondre rapidement aux besoins de défense antibactérienne de l’organisme. Dans un second temps de nouveaux PN seront produits par différenciation des progéniteurs et CSH, La moelle osseuse est donc un site de stockage des cellules, mais aussi de nutriments comme le fer (qui joue un rôle très important dans la fabrication des globules rouges( Cf. cours) et de lipides. La moelle osseuse est également un site de destruction des cellules hématopoïétiques sénescentes. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 8 sur 21  2.2.Structure et fonctions des éléments constituant la moelle osseuse A l’âge adulte, la moelle rouge contenant les précurseurs hématopoïétiques se situe dans les os plats (os iliaque, omoplates, côtes, sternum et crâne), au niveau des extrémités (épiphyses) des os longs (fémur, tibia, humérus…) et au niveau du rachis (vertèbres). Sa structure est organisée en unités fonctionnelles regroupant une anastomose vasculaire appelée réseau sinusoïdal, un îlot de cellules hématopoïétiques, un tissu de soutien ou stroma jouant également un rôle dans la régulation de l’hématopoïèse et les composantes cellulaires et minérales de l’os. Figure 8 : Localisation de la moelle rouge chez l’adulte (les sites osseux contenant de la moelle rouge sont indiquées par les zones grisées) 2.2.1. Le réseau sinusoïdal Le réseau sinusoïdal est formé entre un sinus veineux médullaire et une artériole médullaire qui se ramifient et forment des anastomoses. Il garantit l’apport en oxygène, en nutriments et en facteurs de croissance indispensables au métabolisme osseux et à l’hématopoïèse médullaire. Enfin, il constitue la voie de sortie des cellules hématopoïétiques matures produites dans la circulation sanguine. Pour gagner la circulation, les cellules hématopoïétiques passent à travers les cellules endothéliales par un pore de très petite taille qui se forme de façon transitoire dans la cellule endothéliale. Ce procédé de migration est appelé diabase. La lame basale contient également des orifices étroits nécessitant une déformation importante des cellules pour la traverser. Ainsi les précurseurs érythroïdes vont expulser leur noyau avec le concours des macrophages avant de pouvoir traverser l’endothélium pour donner naissance aux réticulocytes. Les polynucléaires matures, les réticulocytes, les lymphocytes et monocytes gagnent la circulation sanguine par ce processus de migration trans-endothéliale. Les mégacaryocytes qui sont de trop grande taille vont libérer les plaquettes issues de la fragmentation de leur cytoplasme dans le sinus sans traverser l’endothélium (figure 9). Le réseau vasculaire est connecté à des fibres nerveuses vasomotrices (modifiant le diamètre des vaisseaux sanguins) du système nerveux sympathique. Ce réseau nerveux régule le flux sanguin irrigant la moelle. Elles sont aussi à l’origine des sensations douloureuses ressenties par les patients lors des prélèvements de moelle osseuse (ponction et biopsie médullaire). ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 9 sur 21  Important : Les cellules endothéliales délimitant les sinus vasculaires constituent donc un filtre ne laissant passer dans la circulation sanguine que les cellules hématopoïétiques matures de petite taille. Toutefois, lorsque l’hématopoïèse est très sollicitée (lors d’une infection par exemple) ou après la destruction de cellules hématopoïétiques par un agent infectieux ou toxiques, la moelle osseuse Figure 9 : Le réseau sinusoïdal va produire une quantité CSH : Cellule souche hématopoïétique ; OB : Ostéoblaste ; SDF-1 : Stem massive de précurseurs cell- derived Factor 1; SNΣ système nerveux sympathique hématopoïétiques qui vont remplir les sinus vasculaires et se déverser dans la circulation sanguine. 2.2.2. Les cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques Pour rappel, une cellule souche présente 2 propriétés : le potentiel de différenciation qui en hématologie est définit par sa capacité à produire tous les lignages hématopoïétiques et l’auto-renouvellement. Donc ces cellules seront à la fois capables de se différencier et de donner une cellule fille qui sera elle-même une cellule souche. Cette propriété d’auto-renouvellement est très étudiée dans le but de pouvoir amplifier in vitro les cellules souches hématopoïétiques. Chez l’adulte, les cellules souches hématopoïétiques sont localisées dans la moelle osseuse. Ce sont de rares cellules qui représentent moins de 1% des cellules totales de la moelle osseuse. Ce sont des cellules ayant un rapport nucléo cytoplasmique élevé, c'est-à-dire que le noyau occupe la grande majorité du volume de la cellule. La structure du noyau est très homogène avec 2 à 3 halos plus clairs appelés nucléoles. Le cytoplasme est dépourvu de grains après coloration au MGG. Cet aspect morphologique appelé blaste n'est pas spécifique des cellules souches hématopoïétiques puisque la plupart des progéniteurs qu'elles produisent présentent une morphologie très similaire. Figure 10 : Blastes après étalement d’un frottis médullaire coloré au MGG ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 10 sur 21 C'est la raison pour laquelle une cellule souche hématopoïétique ne peut être identifiées que par des tests fonctionnels. Expérience 1 Expérience 2 Souris Souris Souris Souris donneus donneus donneuse donneuse Irradiation e e Cellules de la Cellules de la moelle osseuse moelle osseuse avec des lésions Souris Souris chromosomiques receveuse receveuse irradiée irradiée 10 jours 10 jours Colonies Colonies spléniques spléniques Figure 11 : Expérience de Till et McCulloch (1960’s) démontrant l’existence des CSH C’est une expérience historique (figure 11) qui a permis de démontrer l’existence de cellules souches et de progéniteurs hématopoïétiques et plus généralement que le tissu hématologique est hiérarchisé. Une exposition à de hautes doses de radiations provoque une destruction irréversible des cellules médullaires et sanguines et à une mort inéluctable. Leur première expérience fut de montrer qu’il était possible de restaurer le tissu hématopoïétique d’une souris irradiée en lui injectait les cellules de la moelle osseuse provenant d’une souris saine donneuse. Ils démontraient ainsi que les cellules de la moelle osseuse étaient nécessaires et suffisantes pour produire les cellules sanguines. En analysant à la fin de l’expérience les rates des souris qui avaient survécu, ils ont observé des nodules blanchâtres composés de cellules hématopoïétiques. Figure 12. : Colonies spléniques d’une souris irradiée et greffée Le plus souvent chaque nodule, appelé aussi colonie splénique (figure 12), ne contenait que des cellules appartenant à un seul lignage (érythroïde ou granulocytaire ou monocytaire etc…). Ces cellules étaient nécessairement issues de la souris donneuse puisque toutes les cellules hématopoïétiques de la souris receveuse avaient été détruites par les irradiations. La question était alors de déterminer si ces cellules s’étaient agrégées pour former ces nodules ou si elles dérivaient d’une cellule unique qui s’était multipliée localement. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 11 sur 21  Sachant que les radiations pouvaient occasionner des lésions génétiques observables par l’étude des chromosomes, ils ont réalisé une 2ème expérience dite de clonalité permettant de tester l’hypothèse selon laquelle chaque colonie splénique est dérivée d’une cellule unique de la souris donneuse et formait donc un clone. La souris receveuse est à nouveau exposée à des doses létales de radiations. Mais les cellules médullaires de la souris donneuse étaient cette fois-ci exposées à de faibles doses de radiations n’induisant pas la mort des cellules hématopoïétiques mais suffisantes pour induire de façon aléatoire des cassures chromosomiques. Les cassures étant aléatoires, la probabilité pour que deux cellules portent la même anomalie génétique après irradiation est quasiment négligeable. De plus, ces anomalies génétiques sont irréversibles et transmises aux cellules filles lorsqu’elles se divisent. Les résultats de cette 2ème expérience montrent que les cellules hématopoïétiques présentaient toujours dans un même nodule une seule et même anomalie génétique. Conclusion : les nodules appelés aussi colonies spléniques sont le résultat de la prolifération locale d’une cellule unique et non l’agrégation de multiples cellules transplantées. L’analyse morphologique des colonies spléniques et par la suite de colonies issue de culture in vitro de progéniteurs en présence de facteurs de croissance ont permis de mettre en évidence les différents types de progéniteurs hématopoïétiques dont les noms dérivent directement des différents types de colonies observées (figure 13). L’activité des cellules souches est régulée par de nombreux facteurs de croissance dont certains sont également actifs sur certains lignages myéloïdes : SCF (Stem Cell Factor) qui est indispensable au maintien des CSH et qui stimule également la différenciation du lignage basophile TPO (thrombopoïétine) permet la survie et le maintien des CSH et stimule également la mégacaryopoïèse IL-3 et IL-6 qui agissent en synergie pour favoriser la différenciation des CSH. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 12 sur 21 Figure 13 : Hiérarchie hématopoïétique. HSC : Cellule souche hématopoïétique, MPP : Progéniteur multipotent, CFU : Colony-forming unit ; GEMM : Granulo-Erythro-Megakaryo-Monocytic Progénitor ou progéniteur myéloïde commun ; CLP : Progéniteur lymphoïde commun ; GM : ; Progéniteur granulo-monocytaire ; MEP progéniteur érythro-mégacaryocytaire ; MP : Progéniteur mono-macrophagique ; GP : Progéniteur granulocytaire ; MKP : Progéniteur mégacaryocytaire ; EP : Progéniteur érythroïde ; GR : Globule rouge ; PLT : Plaquettes ; PN : Polynucléaire neutrophile ; PE : Polynucléaire éosinophile ; PB : progéniteur basophile ; Mo : Monocyte ; T : Lymphocyte T ; NK : Lymphocyte NK ; B : Lymphocyte B ? 2.2.3. Les cellules souches mésenchymateuses et le stroma Le tissu environnant les cellules hématopoïétiques appelé stroma joue un rôle essentiel dans la régulation de la production de cellules hématopoïétiques par la moelle osseuse. Des facteurs solubles, membranaires ou des éléments de la matrice extracellulaire régulent la prolifération, la différenciation, la survie et la mobilité des cellules hématopoïétiques aux différents stades de maturation. Le stroma participe également à l’architecture générale de la moelle osseuse et à son abondance. On distingue ainsi les composantes cellulaires du tissu de soutien, la matrice extracellulaire et le tissu adipeux. L’ensemble de ces composantes forme un environnement optimal au maintien de l’homéostasie hématopoïétique. Il existe une controverse quant à la structure et la localisation du microenvironnement appelé aussi niche hématopoïétique qui se trouve au contact direct des CSH. La niche des CSH pourrait se situer au niveau des cellules endothéliales et dans les régions périvasculaires ou au contraire au niveau de la paroi osseuse (endoste) à proximité des ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 13 sur 21 ostéoblastes. Celle-ci suscite un intérêt particulier car les facteurs régulant l’activité des CSH restent encore mal connus et leurs applications médicales sont potentiellement nombreuses. Les cellules stromales : Les cellules souches mésenchymateuses sont les précurseurs des fibroblastes, des chondrocytes qui forme le cartilage, des adipocytes et des ostéoblastes. Elles sont donc essentielles au maintien d’un stroma fonctionnel de la moelle osseuse. Elles possèdent également des propriétés immunorégulatrices. Les ostéoblastes, dont le rôle principal est de participer à l’ostéogenèse, sécrètent également des facteurs de croissance et expriment des protéines à la surface de leur membrane qui peuvent réguler la fonction des cellules souches hématopoïétiques comme leur auto-renouvellement, leur différenciation ou le maintien à l’état quiescent (N-cadhérine, BMP, NOTCH, TGFβ). Les fibroblastes sont des cellules allongées formant de grandes expansions cytoplasmiques qui vont entourer les cellules hématopoïétiques avec lesquelles ils interagissent étroitement. Ils sécrètent des facteurs de croissance stimulant (Stem Cell Factor SCF, IL-3, IL-6, G-CSF, GM-CSF) ou inhibant (TGFβ) l’hématopoïèse. La sécrétion de chimiokines telles que SDF-1 (ou CXCL12) contribue au maintien des cellules souches et progéniteurs dans la moelle osseuse. Enfin, les fibroblastes sécrètent des composants de la matrice extracellulaire. Les cellules endothéliales sécrètent des facteurs de croissance hématopoïétiques. Elles produisent notamment une source importante de SCF (Stem cell factor) qui est l’un des principaux facteurs de croissance essentiel au maintien des CSH. Elles expriment des protéines membranaires qui au contact des CSH peuvent réguler leur activité (ex : Jagged2 sur les cellules endothéliales avec Notch exprimé par les CSH). La matrice extracellulaire Produite par les cellules stromales et en particulier les fibroblastes, le collagène, la fibronectine, la laminine et les protéoglycans participent à l’architecture de la niche hématopoïétique. Par ailleurs, les composants de la matrice extracellulaire régulent l’activité des progéniteurs et cellules souches hématopoïétiques en interagissant avec les intégrines exprimées à leur surface. Les adipocytes Les adipocytes jouent un rôle de remplissage de la cavité osseuse et leur abondance est inversement proportionnelle à la richesse de la moelle en cellules hématopoïétiques. La prolifération d’adipocytes au centre des os longs participe ainsi à la restriction du tissu hématopoïétique au niveau des extrémités. La part de tissu adipeux dans la moelle osseuse augmente avec l’âge. Ainsi la cellularité observée dans les différents os diminue au cours de la vie avec une décroissance très prononcée dans le tibia et la fibula (ou ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 14 sur 21 péroné) pour devenir quasi nulle vers l’âge de 20 ans. A cet âge, la cellularité hématopoïétique dans les vertèbres et le sternum est réduite de moitié par rapport à la naissance. Ci-contre une coupe de moelle rouge colorée à l’hématoxyline – éosine (HE) : on observe des zones denses, ainsi que des halos clairs et des travées osseuses (larges bandes rosées). Les zones cellulaires denses correspondent aux cellules hématopoïétiques. Les adipocytes disparaissant après coloration et laissent leur empreinte formant une vacuole optiquement vide. Figure 14 : Coupe de moelle rouge ou hématogène. Ci-contre une coupe de moelle jaune montrant les travées osseuses, les empreintes de très nombreux adipocytes et l’absence totale de cellules hématopoïétique. Figure 15 : Coupe de moelle jaune après coloration HE. 2.3. Différenciation terminale des précurseurs hématopoïétiques Au contact de la vascularisation, entre les travées osseuses, les cellules hématopoïétiques en voie de différenciation forment des zones à forte densité cellulaire. La différenciation des progéniteurs de chaque lignage est dépendante de facteurs de croissance dont certains jouent un rôle prépondérant sur certains lignages (figure 16). Figure 16 : Les lignages myéloïdes et leurs principaux facteurs de croissance ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 15 sur 21  Figure 17 : Transduction du signal des facteurs de croissance et leurs récepteurs La différenciation hématopoïétique est un processus multifactoriel impliquant de nombreux facteurs de croissances et de partenaires cellulaires variés. L’ensemble des lignages hématopoïétiques achèvent leur différenciation dans de la moelle osseuse à l’exception des lymphocytes T dont la différenciation et la maturation terminale se fait au niveau d’un petit organe situé dernière le sternum : le thymus. La transmission du signal fait intervenir deux types de récepteurs (figure 17): Les récepteurs à activité tyrosine kinase (ex : KIT : récepteur au SCF ou le M-CSFR) La fixation du facteur de croissance à son récepteur va induire l’activation d’une activité tyrosine kinase situé au niveau de l’extrémité intracellulaire du récepteur. Cette activité kinase va phosphoryler les protéines intracellulaires de la voie Ras/MAPK conduisant à l’expression de gènes impliqués dans la survie, la prolifération et la différenciation des précurseurs hématopoïétiques. Les récepteurs sans activité tyrosine kinase (ex : EPO-R, G-CSFR, GM-CSFR) La fixation du facteur de croissance sur son récepteur va induire un changement conformationnel de son extrémité intracytoplasmique. Cette dernière va alors recruter des kinases (ex : les Janus kinase JAK1/2/3) qui seront activées au contact du récepteur. Ces kinases vont alors phosphoryler des facteurs de transcription (ex STAT3/5) qui pourront ensuite rejoindre le noyau pour activer les gènes impliqués dans la prolifération, la survie et la différenciation hématopoïétique. Le lignage hématopoïétique majoritaire dans la moelle osseuse est composé par les lignées granuleuses neutrophile, éosinophile et basophile (50-70%) suivi par la lignée érythroïde (10-30%), la lignée lymphoïde (5-25%), quelques précurseurs mégacaryocytaires, et quelques éléments de la lignée monocytaire. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 16 sur 21 Alors que les différents types de progéniteurs ne sont pas distinguables au microscope et apparaissent tous en cytologie comme des blastes, la différenciation terminale des précurseurs hématopoïétiques se décompose en plusieurs stades identifiables en microscopie (figure 13 ; voir cours sur le myélogramme). 2.3.1.Le lignage érythroïde La différenciation du progéniteur érythroïde appelé aussi CFU-E (colony forming unit-erythroid) dure 7 jours et s’accompagne d’une multiplication importante du nombre d’érythroblastes, d’une réduction de leur taille et de la synthèse progressive d’hémoglobine (figures 18 et 19). Figure 18 : Les différentes étapes de de l’érythropoïèse L’érythroblaste acidophile est le dernier stade de différenciation avant l’expulsion du noyau générant un réticulocyte qui va après 1 à 2 jours rejoindre la circulation sanguine. Les précurseurs érythroïdes se différencient en formant des îlots au contact des macrophages. Ces derniers jouent un rôle important dans l’érythropoïèse par le biais d’échange de fer avec les précurseurs érythroïdes ou encore lors de l’expulsion du noyau au stade terminal de leur différenciation. Une fois dans le sang le réticulocyte perd en 1 à 2 jours ses ARN résiduels pour devenir un globule rouge dont la durée de vie dans le sang est de 120 jours. Important : Le taux de réticulocytes dans le sang est donc le reflet direct de l’érythropoïèse médullaire, c’est-à-dire de la production récente par la moelle osseuse de globules rouges. Au cours de la différenciation, la taille des précurseurs érythroïdes va diminuer et le cytoplasme va progressivement s’enrichir en hémoglobine. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 17 sur 21  Figure 19 : Les différents stades de différenciation des précurseurs érythroïdes Régulation de l’érythropoïèse : Le principal facteur de croissance stimulant l’érythropoïèse est l’érythropoïétine (EPO). Elle est produite par les cellules endothéliales péritubulaires rénales. Ces cellules détectent une baisse de la pression partielle en l’oxygène dans le sang qui représente un risque grave pour l’organisme. Ces cellules vont alors sécréter en réponse de l’EPO dans le sang qui agira ensuite dans la moelle osseuse sur les érythroblastes en favorisant leur prolifération et survie. L’EPO est utilisée en thérapeutique pour stimuler la production de globules rouges chez certains patients anémiés mais aussi par certains sportifs comme agent dopant. La synthèse d’hémoglobine par les érythroblastes est dépendante du fer. Les multiples divisions cellulaires associées à la différenciation terminale des érythroblastes nécessitent les vitamines B9 appelées aussi folates et la vitamine B12, les deux étant indispensables à la synthèse des bases nucléotidiques de l’ADN. Une quantité insuffisante de fer, de folates ou de vitamine B12 conduira à une réduction de la production par la moelle osseuse de globules rouges. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 18 sur 21  Figure 20 : Facteurs agissant sur le rendement de l’érythropoïèse N.B. : Les folates et la vitamine B12 sont essentiels à la division de toutes les cellules de l’organisme. Une carence en vitamine B12 ou en folates aura des répercussions non seulement sur le lignage érythroïde mais également sur les autres lignages sanguins et sur d’autres tissus de l’organisme pourvus de cellules à renouvellement rapide. La maturation en érythrocyte dépend également du fer, essentiel pour la fixation de l’oxygène à l’hémoglobine. Une carence en fer (ou carence martiale) est associée à une production insuffisante de globules rouges. D’autres facteurs de croissances tels que SCF, IL-3 stimulent l’érythropoïèse en agissant en amont sur les progéniteurs érythroïdes. Les hormones thyroïdiennes telles que la TSH et les androgènes stimulent également l’érythropoïèse, expliquant que les hommes produisent plus de globules rouges que les femmes ! 2.3.2. Le lignage mégacaryocytaire Les précurseurs des plaquettes ou mégacaryocytes sont des cellules très grandes dont la taille va augmenter au cours de la différenciation contrairement à toutes les autres cellules hématopoïétiques. Au dernier stade de différenciation, les plaquettes naissent de la fragmentation du cytoplasme du mégacaryocyte thrombocytogène de très grande taille pour gagner ensuite le sang (figure 21). Figure 21 : Les différents stades de différenciation mégacaryocytaire La thrombopoïétine (TPO) est le principal facteur de croissance régulant la mégacaryopoïèse. Elle est synthétisée en grande partie par le foie. Les patients qui souffrent d’atteintes hépatiques (cirrhose, hépatite virale/auto-immune…) présentent souvent un nombre de plaquettes diminué dans le sang en partie lié à une baisse de production de la TPO. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 19 sur 21  2.3.3. Le lignage granulocytaire Au cours de la différenciation granulocytaire, 5 stades morphologiquement distincts se succèdent (figure 22) et s’accompagnent d’une maturation des granulations qui vont progressivement s’enrichir en enzymes et protéines indispensables à leurs fonctions antibactériennes. La chromatine du noyau se condense pour Figure 22 : Différenciation granulocytaire former des lobes. La maturation et la prolifération des précurseurs du lignage granulocytaire sont stimulées par deux principaux facteurs de croissance : le GM-CSF et le G-CSF. GM-CSF : il a une action sur la granulopoïèse et la monocytopoïèse. Son récepteur est le GM-CSFR qui est codé par le gène CSF2R. Il est produit par de nombreuses cellules (cellules stromales telles que les fibroblastes, mais aussi les macrophages et les cellules musculaires lisses). Sa sécrétion est stimulée lors d’une réaction inflammatoire provoquant une augmentation des polynucléaires et des cellules monocytaires et macrophagiques. Ce facteur de croissance n’est plus utilisé en thérapeutique suite à la découverte d’une action leucémogène (induisant des leucémies) lorsqu’il était administré de façon prolongée aux patients. G-CSF : il est synthétisé par les cellules endothéliales, les fibroblastes ou les monocytes. Il se fixe sur le récepteur G-CSFR codé par le gène CSF3R. Il stimule spécifiquement la différenciation et la prolifération des précurseurs du lignage granulocytaire et peut être utilisé en thérapeutique en cas de production insuffisante de polynucléaires par la moelle osseuse. A dose élevée, son action va également favoriser la circulation dans le sang des progéniteurs et des CSH. Cette propriété est utilisée à des fins thérapeutiques pour collecter les CSH d’un donneur destinées à être ensuite greffées à un malade receveur (par exemple dans le cadre d’un traitement de leucémie aiguë). 2.3.4. Le lignage monocytaire Les précurseurs monocytaires sont très rares dans la moelle osseuse et ne seront observables que dans des situations pathologiques. La différenciation des précurseurs monocytaires est dépendante de 3 facteurs de croissances principaux le GM-CSF, FLT3-L et le M-CSF. Le récepteur au M-CSF (M-CSFR codé par le gène CSF1R) est le prototype du récepteur aux facteurs de croissance ayant une activité tyrosine kinase intracellulaire. Une fois formé, les monocytes peuvent ensuite se différencier dans les tissus en macrophages ou en cellules dendritiques (Cf. cours d’immunologie). ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 20 sur 21  2.3.5.La lymphopoïèse La Lymphopoïèse B se fait dans la moelle osseuse. La lymphopoïèse T débute dans la moelle osseuse et se termine dans le thymus. La lymphopoïèse sera abordée plus en détail dans les cours d’Immunologie. ©Ivan Sloma – UE Tissu sanguin & Système Immunitaire – DFGSM2 – 2020/2021 Page 21 sur 21