J.P. Euzéby : Dictionnaire de Bactériologie Vétérinaire |
Créé le 21 janvier 2004
Lipopolysaccharides (antigènes O et endotoxines)
Sommaire :
Résistance aux agents physico-chimiques
Activation de molécules circulantes
Autres mécanismes pathogéniques
Actions sur le système immunitaire
Mise en évidence des endotoxines
Les lipopolysaccharides sont des complexes macromoléculaires toxiques présents de manière constitutive dans la membrane externe de toutes les bactéries à Gram négatif. Sur le plan structural, les lipopolysaccharides (LPS) sont constitués d'un lipide A et d'une partie polysaccharidique débordant la membrane externe.
Le lipide A est doué de propriétés toxiques et il correspond à l'endotoxine des bactéries à Gram négatif qui n'est libérée, de manière massive, qu'après lyse de la bactérie. Le rôle des endotoxines est très important car elles sont très ubiquistes et aucun organisme n'est à l'abri de leurs effets.
La fraction polysaccharidique constitue l'antigène O et elle est responsable de la spécificité antigénique O permettant de décrire des sérovars au sein d'une même espèce bactérienne.
Le lipide A est constitué de deux sucres aminés liés par une liaison bêta 1-6, phosphorylés et liés à des acides gras hydroxylés sur leur troisième atome de carbone ainsi qu'à un ou deux autres acides gras non hydroxylés. La nature des sucres aminés (glucosamines ou parfois 3-aminoglucosamine) ainsi que la nature et le nombre des acides gras sont variables selon les espèces bactériennes.
L'utilisation de lipide A obtenu par synthèse a permis de démontrer que le lipide A est bien responsable du pouvoir toxique du LPS. L'intégrité de la structure du lipide A est nécessaire à l'activité toxique car des dérivés de synthèse modifiés sont toujours moins actifs que la molécule originale.
La fraction polysaccharidique est constitué d'un noyau (ou core) interne lié au lipide A et d'un noyau (ou core) externe lié à une chaîne polysaccharidique terminale appelée aussi chaîne O spécifique (schéma 1).
Core
La structure du core est semblable pour les souches d'une même espèce mais varie selon les espèces.
Le noyau interne contient deux sucres inhabituels, l'heptose et l'acide 3-désoxy-D-manno-2-octulosonique = KDO. Le KDO est toujours présent dans le LPS et un mutant dépourvu de KDO n'est pas viable. Un résidu de KDO est lié covalentiellement au lipide A et selon les espèces le nombre de résidus de KDO est variable (généralement deux ou trois). L'heptose qui peut être présent sous différentes configurations peut éventuellement faire défaut chez quelques espèces comme Bacteroides fragilis.
Le noyau ou core externe est constitué d'un nombre variable de résidus d'hexoses ou d'hexosamines.
Chaîne O spécifique
La chaîne O spécifique est la partie la plus variable du LPS. Elle est constituée de chaînons répétitifs comprenant chacun 3 à 8 sucres et dont le nombre varie de 20 à 40 chez les salmonelles. Le premier de ces chaînons peut avoir une structure légèrement différente de celle des autres chaînons. Les sucres constituants ces chaînons sont des hexoses "classiques" (glucose, galactose, mannose...) mais aussi des sucres plus particuliers comme le tyvélose, le paratose, l'abéquose, le colitose...
Les différences antigéniques des chaînes spécifiques sont liées soit à la nature des sucres qui composent le chaînon répété soit à leur mode de liaison. La détermination de la spécificité antigénique O est importante notamment en épidémiologie. C'est chez les salmonelles que les antigènes O sont les mieux connus (schéma 1).
Chez les salmonelles, les antigènes O sont classés en facteurs O majeurs et en facteurs O accessoires :
Les facteurs O majeurs permettent de définir des groupes et toutes les souches possédant en commun un facteur O majeur sont placées dans le même groupe. Ainsi, toutes les souches possédant le facteur O:2 appartiennent au groupe A, celles possédant le facteur O:4 appartiennent au groupe B, celles possédant le facteur O:9 au groupe D, celles possédant le facteur O:3 au groupe E... Les facteurs O majeurs sont liés à certains sucres : paratose pour O:2, abéquose pour O:4, tyvélose pour O:9...
Les facteurs O accessoires peuvent différer selon les souches appartenant à un même groupe.
Les facteurs O accessoires peuvent être liés, de manière constante, à un ou à plusieurs facteurs O majeurs et ils sont alors dépourvus de tout intérêt diagnostique. C'est la cas du facteur O:12 (dû au chaînon galactose-rhamnose-mannose) qui est lié aux facteurs O:2, O:4 et O:9 et qui est donc présent chez toutes les souches des groupes A, B et D.
Les facteurs O accessoires peuvent résulter d'une modification d'un facteur O majeur. Cette modification est due soit à un gène chromosomique qui code pour une acétylase ajoutant un radical acétyl à l'un des sucres d'un facteur O majeur (ainsi, le facteur O:5 résulte d'une acétylation du facteur O:4 et il ne peut exister que chez des souches possédant O:4 et une acétylase), soit à la présence d'un bactériophage (conversion lysogénique) soit, plus rarement, à la présence d'un plasmide (cas du facteur O:54).
Dans le tableau répertoriant les formules antigéniques des sérovars (tableau de Kauffmann-White) les facteurs O liés à la présence d'un phage ou d'un plasmide sont soulignés, exemple : O:1 et ceux liés à la présence d'une acétylase sont placés entre crochets, exemple : O:[5].
Les anticorps anti-O agglutinent les bactéries par leurs parois et l'agglutinat qui se forme est un agglutinat fin, difficile à dissocier.
La spécificité antigénique O peut être perdue plus ou moins totalement par des mutations qui affectent la synthèse ou la fixation des chaînons spécifiques. Les colonies formées par des bactéries dont les antigènes O sont incomplets sont plates, à bords irréguliers et d'aspect rugueux (colonies R ou rugueuse ou rough). Cet aspect contraste avec les colonies rondes et lisses (colonies S ou smooth) obtenues avec les bactéries normales. Les mutants rugueux ont un aspect variable selon la modification engendrée dans la structure polysaccharidique et ils perdent leur pouvoir pathogène car ils sont aisément phagocytés.
Chez certaines espèces, telles que des Neisseria et des Haemophilus, le LPS est remplacé par un lipo-oligosaccharide constitué uniquement du lipide A, du core interne et du core externe.
Résistance aux agents physico-chimiques
Le LPS est très résistant à de nombreux agents physiques ou chimiques.
Il ne peut pas être détoxifié par l'action conjointe du formol, du vieillissement et de la chaleur et il n'est donc pas transformable en anatoxine contrairement à ce qui est observé pour certaines toxines protéiques.
L'hydrolyse par les acides ou les bases ou l'oxydation (par le permanganate, les hypochlorites, ...) du LPS est possible mais il faut utiliser les agents chimiques dans des conditions telles qu'ils altèrent les autres constituants biologiques et qu'ils modifient l'antigénicité du LPS.
La thermorésistance est très élevée. Pour détruire l'activité endotoxinique il faut un chauffage de 7 heures à 126 °C ou un chauffage de 30 minutes à 145 °C en chaleur humide et, dans un four, il est nécessaire de chauffer 7 heures à 170 °C ou 30 minutes à 250 °C.
La libération d'endotoxine dans la circulation sanguine, notamment à la suite d'une septicémie à bactéries à Gram négatif, peut conduire à un choc endotoxinique et à la mort. À titre d'exemple, on estime que le nombre des septicémies dûes à des bactéries à Gram négatif atteint chaque année 300 000 individus aux États Unis d'Amérique et le taux de mortalité peut atteindre 50 p. cent.
Les traitements antibiotiques peuvent conduire à une libération importante d'endotoxines. L'importance de cette libération est variable selon les molécules et, d'une manière générale, les antibiotiques peuvent être classés (en allant des molécules faisant libérer les quantités les plus importantes vers les molécules faisant libérer les quantités les plus faibles) de la manière suivante : céphalosporines, pénicillines, imipenem, aminosides et quinolones.
L'intensité du pouvoir pathogène des endotoxines est variable selon l'espèce animale et selon la bactérie mais les signes observés sont pratiquement toujours identiques. Une forte dose d'endotoxine (environ 0,025 mg par kg chez le chien et le lapin ou 2,5 mg par kg chez le rat et la souris) provoque un effet létal.
Une injection d'endotoxine à dose plus faible provoque de la fièvre, une hypotension, des troubles de la coagulation, une neutropénie et un avortement chez les femelles en gestation.
. Chez le lapin, l'hyperthermie s'observe après un temps de latence d'environ 10 à 20 minutes et le pic thermique est observé vers la 70ème minute.
. L'hypotension est observée environ 30 minutes après une administration d'endotoxine. Elle s'accompagne d'une diminution de la circulation veineuse et d'une congestion des organes.
. Les effets des endotoxines sur la coagulation sont bien illustrés par les réactions de Schwartzman (hypersensibilité non spécifique) observées après deux injections d'endotoxine effectuées à 12 ou 18 heures d'intervalle. Une réaction locale est obtenue par une injection intradermique suivie d'une injection intraveineuse et elle se traduit par une nécrose hémorragique de la zone intradermique. Une réaction générale est obtenue par deux administrations intraveineuses et provoque une nécrose bilatérale du cortex rénal. Les réactions de Schwartzman s'expliquent par une occlusion des petits vaisseaux par de la fibrine et par une coagulation intravasculaire disséminée.
. La neutropénie s'accompagne le plus souvent d'une diminution du nombre des plaquettes et d'une leucocytose.
. L'action abortive qui se produit avec des doses non létales pour la femelle, résulte d'hémorragies placentaires.
Les endotoxines exercent leurs effets de manière indirecte en activant des molécules circulantes ou en se liant sur des récepteurs cellulaires (schéma 2).
Activation de molécules circulantes
Les endotoxines activent le facteur XII ou facteur de Hageman qui initie le système de la coagulation sanguine avec, comme conséquence, la conversion du fibrinogène en fibrine. En cas de choc, la libération prolongée d'endotoxines peut conduire à une thrombose et à une consommation excessive de plaquettes et des facteurs II, V et VII de la coagulation. L'expression clinique de ces événements est une coagulation intravasculaire disséminée.
L'activation du facteur de Hageman stimule également la conversion de la prékallicréine en kallicréine avec pour résultat la conversion du kininogène en bradykinine. Les effets de la bradykinine sur le système vasculaire consistent principalement en une augmentation de la vasoperméabilité pouvant conduire à une hypotension.
Le LPS active le système complémentaire et il en résulte une augmentation de la vasoperméabilité, un effet chimiotactique pour les granulocytes neutrophiles dont une stase au niveau pulmonaire peut contribuer à un syndrome de détresse respiratoire.
Plusieurs cellules sont aptes à répondre aux endotoxines et c'est tout particulièrement le cas des monocytes/macrophages et des cellules endothéliales. En réponse aux endotoxines les monocytes, les macrophages et les cellules endothéliales produisent des cytokines dont l'IL-1, l'IL-6, l'IL-8 et le TNFalpha (non élaboré par les cellules endothéliales). De plus, ces cellules produisent des dérivés oxygénés ainsi que des métabolites de l'acide arachidonique (prostaglandines, thromboxanes, leucotriènes) et du PAF (Platelet Activating Factor).
Produit en quantité modérée, l'ensemble de ces molécules a un effet bénéfique mais lorsque leur production est excessive il en résulte des altérations tissulaires, une hypotension, une coagulation intravasculaire et une hyperthermie élevée.
L'action du TNF et de l'IL-1 sur les cellules endothéliales conduit à une augmentation de l'expression des molécules d'adhésion notamment ICAM 1 dont les ligands sont les complexes CD11a/CD18 (LFA 1) et CD11b/CD18 (Mac 1) portés par les neutrophiles et les monocytes. L'adhésion des neutrophiles suivie de leur dissémination dans les tissus jouent un rôle majeur dans les phénomènes inflammatoires et une déplétion expérimentale des neutrophiles a un effet protecteur.
Le LPS peut se fixer directement sur les monocytes et les macrophages par l'intermédiaire de la molécule CD18 ou par des protéines de 73 et de 40 kDa. Toutefois, il n'est pas encore définitivement prouvé que ces interactions provoquent une activation des cellules. En fait, le principal signal d'activation résulte de la fixation sur la molécule CD14 d'un complexe LPS-LBP. La LBP ou LPS binding protein (protéine liant le lipopolysaccharide) est une glycoprotéine de 60 kDa, produite par les hépatocytes et présente dans le sérum à des concentrations de l'ordre de 5 à 10 mg par mL. Lors d'inflammation, la concentration de la LBP peut atteindre 200 mg par mL. La molécule CD14 est ancrée dans la membrane cellulaire mais elle ne possède pas de structure permettant une activation de la cellule. Le complexe CD14-LPS-LBP doit réagir avec une autre molécule transmembranaire (non caractérisée) pour délivrer un signal d'activation.
Les cellules endothéliales sont dépourvues de CD14 et leur activation fait intervenir une molécule sérique qui est la forme soluble du récepteur CD14. Le CD14 soluble est soit relargué par les cellules activées soit il provient d'un clivage enzymatique du CD14 membranaire. Il est présent dans le sérum à des concentrations de 3 à 6 mg par mL. Le LPS présent dans le sang forme un complexe LPS-LBP-CD14 soluble qui se fixe sur un récepteur porté par les cellules endothéliales. Ce récepteur semble être une molécule de 80 kDa dont on a montré qu'elle est capable de fixer du lipide A en présence de LBP et de CD14 soluble.
Les granulocytes neutrophiles sécrètent une protéine appelée bactericidal/permeability increasing protein (BPI) de poids moléculaire 55 kDa. Cette molécule, présente dans le sérum normal à des concentrations de 800 pg par mL, présente environ 40 p. cent d'homologie avec la LBP. Chez des sujets soumis à des endotoxines, la concentration sérique en BPI augmente et elle est de l'ordre de 19 ng par mL. La BPI se lie au LPS et inhibe ses effets si bien que la BPI est une protéine endogène capable de contrôler la réponse de l'organisme vis-à-vis du LPS. En se liant au LPS porté par les bactéries, la BPI conduit à une action bactéricide.
Autres mécanismes pathogéniques
Chez certaines espèces telles que Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae, Campylobacter jejuni et Helicobacter pylori les structures oligosaccharidiques ou polysaccharidiques du LPS miment la structure de certaines molécules présentes chez l'hôte et ce camouflage permettrait à ces bactéries d'échapper aux réponses immunitaires.
Chez certains sérovars de Campylobacter jejuni (O:2, O:15, O:18, O:21, O:24, O:30, O:37, O:53...) la structure du core présente des analogies avec les gangliosides. Cette homologie structurale expliquerait que des anticorps produits contre le core puissent réagir avec les gangliosides de l'hôte et être à l'origine d'un phénomène auto-immun à l'origine du syndrome de Guillain-Barré (paralysie due à une inflammation et à une démyélinisation des nerfs périphériques, souvent consécutive à une infection respiratoire ou digestive dont des infections intestinales à Campylobacter jejuni).
Dans le cas de Helicobacter pylori, ce sont les chaînes latérales qui peuvent présenter des analogies avec les antigènes Lewis des groupes sanguins. De manière analogue à Campylobacter jejuni, les anticorps post-infectieux pourraient réagir contre les antigènes Lewis. Ceux ci étant exprimés par des cellules de l'estomac, un phénomène auto-immun pourrait participer à la pathogénie des infections à Helicobacter pylori.
Chez certaines espèces comme Actinobacillus pleuropneumoniae, le LPS joue un rôle dans les mécanismes d'adhésion : (i) le LPS adhère à des anneaux de trachée maintenus en culture ainsi qu'aux endothéliums vasculaires et au mésenchyme de coupes de poumons congelés ; (ii) le LPS purifié inhibe l'adhésion de Actinobacillus pleuropneumoniae et cette inhibition est due au KDO et aux chaînes polysaccharidiques ; (iii) le LPS se lie par son lipide A à des protéines de 10 et de 11 kDa présentes dans le mucus du tractus respiratoire du porc et qui correspondent aux chaînes alpha et bêta de l'hémoglobine porcine ; (iv) en dépit de la présence d'une capsule, le LPS est exposé à la surface de la bactérie notamment au niveau de résidus de membrane externe faisant saillie à travers la capsule et il peut donc interagir avec des récepteurs cellulaires, mais l'adhésion au mucus est meilleure lorsque les souches possèdent une capsule peu épaisse.
L'intensité de cette adhésion dépend de la structure du LPS et les souches ayant un LPS de type lisse (par exemple les souches des sérovars 2, 4 et 7) adhèrent plus fortement que les souches ayant un LPS de type semi-rugueux (sérovar 1) ou rugueux (sérovars 3 et 6).
Actions sur le système immunitaire
Les endotoxines sont douées de nombreuses actions sur le système immunitaire et elles ont à la fois un effet adjuvant et un effet immunostimulant.
L'effet adjuvant est connu depuis longtemps et on savait que l'adjonction de vaccin TAB (typhoïde et paratyphoïde A et B) à une autre vaccination augmentait de façon importante la réponse immunitaire vis-à-vis de la vaccination concomitante. Cette action adjuvante est le fait du lipide A et elle peut être obtenue lorsque l'endotoxine est administrée moins de six heures après l'injection de l'antigène.
L'action immunostimulante résulte d'un effet sur les lymphocytes B et sur les macrophages. Le LPS est un mitogène pour les lymphocytes B (au moins chez la souris) et c'est un antigène thymo-indépendant. L'action sur les macrophages résulte de leur activation (cf. supra). Le LPS libéré par les bactéries des flores intestinales serait un facteur important pour expliquer la maturation du système immunitaire.
Mise en évidence des endotoxines
La recherche des endotoxines peut se faire dans le sérum ou le LCR mais aussi dans les solutés injectables dont la stérilité ne garantie pas qu'ils sont exempts d'endotoxines. Les tests les plus utilisés sont la recherche d'un effet pyrogène chez le lapin et le "test Limule". Celui ci repose sur le fait que l'administration d'endotoxine à un arthropode, Limulus polyphemus, déclenche une forte coagulation intravasculaire due à la gélification des amoebocytes. Les tests commercialisés recherchent la gélification d'un lysat d'amoebocytes 1, 4 et 24 heures après l'adjonction d'un liquide biologique. La vitesse de gélification est corrélée à la quantité d'endotoxine.
Les anticorps dirigés contre les chaînes latérales permettent une opsonisation mais la variabilité antigénique des Ag O ne permet pas leur utilisation en pratique. Le core et le lipide A sont des structures beaucoup moins variables et des anticorps monoclonaux anti-core et anti-lipide A ont été obtenus et certains d'entre eux sont commercialisés (en France, le prix d'une dose est d'environ 20 000 F). De nombreux essais effectués en double aveugle montrent cependant que l'effet protecteur de ces anticorps donne des résultats contradictoires. L'utilisation d'anticorps anti-CD14 ou anti-LBP ont donné des résultats encourageants respectivement chez le singe et la souris. L'utilisation d'anticorps anti-TNF associés à une antibiothérapie donne des résultats bénéfiques à condition d'être utilisée très précocement.
L'utilisation de BPI ou d'une protéine recombinante de 23 kDa correspondant à l'extrémité N-terminale de la BPI présente des avantages théoriques importants car cette protéine est spécifique du LPS, elle neutralise les effets du LPS de manière précoce et ne semble pas interférer avec d'autres mécanismes biologiques. Son utilisation dans divers modèles expérimentaux et chez des volontaires humains montre qu'elle est susceptible de s'opposer aux effets néfastes des endotoxines.
La biosynthèse d'analogues du KDO ou d'analogues du lipide A ou de précurseurs du lipide A est une voie de recherche très active mais nécessite des études complémentaires. Le but est de faire incorporer ces analogues anormaux par les bactéries en croissance. Compte-tenu de l'importance du lipide A et du KDO, cette incorporation conduit à une inhibition de la division bactérienne.
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