Med Mal Infect. 1993 ; 23, Special : 154 a 161

Mecanismes de l'immunite dans la toxoplasmose humaine

et experimentale* F.S. RIZVI**, J.M. AUTHEMAN**, M.J. FRACHETTE** et C. CAILLET**

RESUME Toxoplasma gondi i a fait l 'objet d 'une g rande a t tent ion durant ces der- nieres annees parce qu'il peu t occasionner des complications severes et

la mort chez les pa t ien ts a t te ints du SIDA. Les anticorps dir iges contre T. gondi i ne conferent qu 'une protect ion partielle contre une epreuve avec le parasi te et l ' immu- nite a media t ion cellulaire es t cons ideree c o m m e le fac teur majeur dans la resis- t ance de l'hSte. Cet te immuni t e peu t ~tre mise en ev idence dans de n o m b r e u x mode les a n i m a u x par depl6t ion select ive des cellules T ainsi que chez les ani- maux immunodepr imes . L ' immuni te a la re infect ion peu t e g a l e m e n t ~tre indui te chez des an imaux na'ifs par t ransfer t passif des cellules T cytotoxiques specifiques. Cependan t , les an t i genes impl iques dans l 'e laborat ion de la r eponse T protect r ice n 'ont pas encore e te t o t a l e m e n t caracter ises . Une conna i s sance approfondie des relations hate-parasi te est neanmoins necessa i re pour developper une s trategie vac- cinale. Nous avons decri t dans ce t te r evue les m e c a n i s m e s de la r eponse i m m u n e cellulaire et humora le dans la toxoplasmose expe r imen ta l e et humaine .

Mots -c les : Toxoplasma gondi i - Ant igenes - Immuni t e - Reponse cellulaire T - Vaccination. '

Le paras i te Toxoplasma gondii , agen t de la toxoplasmose, a une g r a n d e repar t i t ion geo- g r a p h i q u e et i n f e c t e u n e g r a n d e v a r i e t e d ' h ~ t e s an imaux . Chez l ' h o m m e , c ' e s t un i m p o r t a n t p a t h o g e n e qui e s t c a p a b l e d ' indui re une pathologie souven t fatale chez les i m m u n o d e p r i m e s (SIDA, t ransp lan ta t ions d 'o rganes) et chez les n o u v e a u - n e s infec tes par voie t ransplacenta i re . Le paras i te exis te

* Communication present6e lors du Colloque Pharmuka sur "Le toxoplasme et sa pathologie", tenu a Paris le 19 mars 1993. ** Departement d'Immunologie Parasitaire, Pasteur- M6rieux S&V, 1541 Av. Marcel Merieux - F-69280 Marcy l'Etoile.

sous d e u x s t a d e s de d e v e l o p p e m e n t diffe- r e n t s chez l ' h o m m e : le s t a d e t a c h y z o i t e , fo rme prol if6rat ive du paras i te , et le s t ade bradyzoi te p r e s e n t dans les kys tes re t rouves au cours des infections chroniques. Les sujets i m m u n o c o m p e t e n t s sont p ro teges cont re la reinfect ion de man ie re totale et definitive par un p h 6 n o m ~ n e de p remuni t ion ou immuni t e concomitante .

La s t ruc tu re a n t i g e n i q u e de T. gondi i com- m e n c e a ~tre b ien connue , sur tout en ce qui c o n c e r n e le s t ade tachyzoi te . Qua t re mole- cules majeures , P43, P35, P30 et P22 ont e te ident i f iees a la su r f ace du pa ras i t e (8, 18). D ' a u t r e s a n t i g e n e s ont e t e iden t i f i e s au

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n iveau des organi tes intracellulaires du dom- plexe apical du paras i t e comme les rhoptr ies (28, 30), les g ranules denses (7), ou les micro- n e m e s (1). Ces an t igenes p e u v e n t ~tre pre- sents dans les molecules excret6es-s6cr6t6es (ESA) par le paras i t e . Ce r t a ines mo lecu le s sont spec i f iques du s t ade t achyzo i t e (P30,

P22) alors que d ' au t res n 'on t pu 6tre identi- f iees que chez les bradyzoi tes (25). D 'autres molecules c o m m e l ' an t igene 55-60 kDa des rhoptries (28) ou les an t igenes excr6t6s-s6cre- tes de 21, 27 et 28,5 kDa (9) sont c o m m u n s aux deux s tades du paras i te (13).

REPONSE ANTICORPS

Les ant icorps c i rculants c o n s t i t u e n t essen- t i e l l e m e n t u n m a r q u e u r de l ' i n fec t ion pa r T. gondii et ils sont l a rgemen t uti l ises pour le diagnostic de la maladie. Au n iveau de la pro- tect ion, ils cons t i t uen t la p r e m i e r e bar r ie re de de f ense de l 'o rganisme. Ils ag i s sen t sur les tachyzo~tes extracellulaires et l imitent leur mult ipl icat ion en lysant les pa ras i t e s en pre- s e n c e de c o m p l e m e n t . Ils son t e g a l e m e n t act ifs par opson i s a t i on , en r e c o u v r a n t les parasi tes afin d ' a u g m e n t e r la phagocy tose au n iveau des mac rophages . Chez la souris, le t r a n s f e r t pa s s i f de s e r u m s an t i - toxoplas - miques ou d 'an t icorps monoc lonaux confere aux an imaux u n e protec t ion cont re les sou- ches de faible v i ru lence alors que la protec- t ion vis-a-vis des souches de h a u t e v i rulence est moindre (19). En e tud ian t les pa rame t r e s de l ' in fec t ion chez des sour is n o r m a l e s et chez des souris def ic ientes en cellules B, il a et6 demont r6 q u ' u n e forte r eponse ant icorps semble favoriser la formation de kys tes intra- ce rebraux (4).

La reponse IgA peu t jouer le r~le de premiere bar r ie re de d e f e n s e cont re l ' infec t ion toxo- p lasmique car la voie na ture l le d ' infect ion du paras i te est la voie orale. Chez l 'homme, la P30 est i n t e n s e m e n t r e c o n n u e par des IgA (10). Cet te r eponse est t res p recoce et dispa- rai t au cours de la p h a s e c h r o n i q u e de la maladie. L ' immunisat ion par les an t igenes ES en t ra ine e g a l e m e n t une r eponse IgA speci- f ique chez le rat et chez la souris (16).

REPONSE CELLULAIRE

La reponse i m m u n e a media t ion cellulaire est le facteur ma jeur de r6s is tance dans la lut te contre l ' infection toxoplasmique . Elle met en jeu divers types de cellules c o m m e les cel- lules T, les m a c r o p h a g e s et les cellules NK (f igure 1). Le r~le e s s e n t i e l de s ce l lu les T dans la protection contre T. gondii a et6 decrit pour la p remiere fois par Frenkel (14). Ses tra-

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vaux indiquent que le transfert de cellules lymphoides de hamsters infectes par T. gon- dii pro tege des an imaux sains contre une dose letale d 'une souche de parasite de forte virulence (souche RH). Ces resultats de trans- fert passif de protection par des cellules T ont ete confirmes par plusieurs equipes (23, 26, 33).

Les lymphocytes T "helper" de pheno type CD4+ in t e rv iennen t dans l ' immuni te anti- toxoplasmique en cooperant avec les lym- phocy tes B pour favoriser la p roduct ion d'anticorps. Grice a la production d'IL-2, les cellules Thl permet tent ega lement la proli- feration des cellules cytotoxiques (CTL). Chez le rat a thymique , Santoro et al (29) ont demontr6 que l ' immunite T e s t essent ie l le pour le d e v e l o p p e m e n t des m e c a n i s m e s effecteurs dependant d 'anticorps impliques dans le contr~le de la toxoplasmose. Le r~le de ces cellules T a ete mis en evidence par Canessa et al (6) qui ont montre que les lym- phocytes peripheriques d'individus ayant une serologie posit ive en toxoplasmose sont capables de proliferer en presence de para- sites entiers. L'analyse phenotypique de ces cellules indique que ces lymphocytes portent le marqueur CD4. Les resultats obtenus dans notre laboratoire nous ont permis de montrer que les antigenes excretes-secretes (ESA) et qu 'un lysat de tachyzoites sont capables de s t imuler des lymphocytes pe r iphe r iques humains (figure 2). Lorsque ce dernier type d 'ant igene est fractionne par electrophorese preparative, on observe une bonne correla- tion entre la proliferation des cellules T et la production d'IFN-7 (figure 3). Nous avons ega- lement produit des clones de lymphocytes T partir de sujets en phase chronique de mala- die. Huit des trente clones isoles sont capa- bles de proliferer en reponse aux ant igenes toxoplasmiques. Deux de ces clones sont sti- mules par la P30 et un autre par les antigenes excret6s-s6cr6t6s (ESA). La reponse prolife- rative tres intense de ce dernier face a ta frac- tion hydrophile des ESA est inhibee par les ant igenes amphiphiles purifies a partir des ESA bruts (figure 4). Ces resultats indiquent que les molecules de surface presentes dans la fraction amphiphi le sont capab les de moduler ta proliferation des lymphocytes face aux autres antigenes.

Les lymphocytes T cytotoxiques intervien- nent de maniere directe pour lyser les cel- lules infectees par les toxoplasmes. Yano et al (35) ont caracteris6 des clones T cytotoxiques de phenotype CD8+ a partir de lymphocytes periph6riques de patients en phase aigu~ et en phase chron ique de maladie. Dans les modeles animaux, les cellules T cytotoxiques sont impliquees dans la reponse immune pro- tec t r ice de l 'h~te (33, 34) et leur act ivi te lytique, restreinte par les antigenes de classe I du complexe majeur d 'his tocompat ibi l i te (CMH) vis-a-vis de cellules infectees par T. gondii ou de cellules recouvertes d 'ant igenes toxoplasmiques, a ete demontr6e recemment (17). Les cellules CD8÷ de souris vaccinees p rodu isen t e g a l e m e n t de l ' interferon-7 en reponse a la s t imulat ion avec des cellules infectees et constituent les effecteurs majeurs de la reponse immune protectrice contre la toxoplasmose (15). Seul un certain hombre d 'antigenes parasitaires est capable d'induire la proliferation des cellules T cytotoxiques et ce type de molecules n 'a pas encore pu 6tre bien caracteris6 (27). Par l 'uti l isation d 'un modele de vaccination de souris deficientes en ~2-microglobuline, qui n 'expriment donc pas les an t igenes de classe I du CMH, Denkers et al (11) ont montre que les cellules

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NK ("Natural Killer") etaient capables de rem- placer les ceUules cytotoxiques CD8+ en tant qu 'e f fec teurs de l ' immuni te anti- toxoplas- mique.

Les macrophages sont les principales cellules l ' in ter ieur desque l l e s se mul t ip l ient les

toxoplasmes. Les parasites sont capables de resister a la destruction par les macrophages en inhibant la fusion phagosome-lysosome rorigine de la reaction phagocytaire. Cepen- dant, au cours de la reponse immunitaire, ces macrophages sont actives par l ' intermediaire d'IFN- 7 et d e v i e n n e n t alors capables de de t ru i re les formes tachyzoi tes intracellu- laires ou de diminuer leur multiplication (2). Ces mecanismes de toxicite font intervenir p lus ieurs mecan i smes , incluant differents enzymes, le TNF, les ions superoxydes et les deriv6s nitres. La stimulation de la cytotoxi- cite envers T. gondii peut ~tre correl6e avec une production augmentee d'H202, mais un mecanisme independant d 'oxygene est ega- lement actif. Ces observations faites in vitro

ont pu ~tre confirmees in vivo chez rhomme et dans les modeles animaux. L'importance de la production des oxydes d 'azote dans cet effet a et6 demontr6e et elle semble agir sur l ' inactivation d ' enzymes essent ie ls pour la repl icat ion de I'ADN, le cycle de l 'acide citrique et la respiration mitochondriale. I1 est postule que son mecanisme d'action resulte de la nitrosylation des groupements prosthe- t iques Fe-S au n iveau du site actif de ces enzymes.

Le traitement de souris chroniquement infec- tees par des anticorps antMFN-7 ou anti-cel- lules CD8÷ produi t une reac t iva t ion de la maladie et declenche des encephali tes. Par contre, une d6pletion des cellules CD4+ n'est pas capable de lever une immunite preexis- tante (15). A la lumiere de ces resultats, la react ivat ion de la toxop lasmose chez les patients infectes par HIV pendant les stades tardifs du SIDA peu t ~tre a t t r ibuee a une defection des cellules CD8+ cytotoxiques plu- tat qu 'a une def ic ience des cellules CD4÷.

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Pour e tudier ces p h e n o m e n e s de react ivat ion de la toxoplasmose dans le cadre des situa- t ions d ' immunodef ic ience , le g roupe d 'Alan Sher a d6velopp6 un module de SIDA mur in

(27). I1 a mont re q u ' u n e co-infection de souris infec tees par T. gondii avec le virus LP-BM5 c o n d u i t a u n e r e a c t i v a t i o n pa r t i e l l e de la maladie . L 'appari t ion de la toxoplasmose est corre lee avec l ' induct ion d'IL-4 et d'IL-10 et avec la suppress ion des reponses a IFN- 7 et IL-2 chez les an imaux recevant le virus. C 'es t a insi que dans le SIDA murin, et peu t -~ t re e g a l e m e n t chez l ' h o m m e , l ' i n d u c t i o n des cytokines IL-4 et IL-10 peu t 6tre r e sponsab le de la pe r t e de la p ro tec t ion indui te par les cellules CD8+ cyto toxiques et l ' interferon- 7.

Le contr~le de l ' infect ion intra-cel lulaire de ces paras i tes par les m a c r o p h a g e s peu t ~tre retro-inhib6 par les cytokines (figure 1). L'IL-4, I'IL-10 et le TGF-[I p e u v e n t chacun inhiber de m a n i e r e d o s e - d e p e n d a n t e la c a p a c i t e de I'IFN- 7 a activer les macrophages afin de limi- ter la mult ipl icat ion de T. gondii. Ces effets sur la survie du paras i t e sont paral le les aux effets inh ib i t eurs des cy tokines sur la pro- d u c t i o n des o x y d e s d ' a z o t e m e s u r e e pa r l ' a ccumula t i on des ni t r i tes dans les surna- gean t s des mac rophages . L'associat ion de la product ion des lymphokines Th2 avec la reac- t ivation d ' infect ions chroniques par des retro- v i rus s u g g e r e q u ' u n e r e t ro - inh ib i t ion de l ' i m m u n i t e a m e d i a t i o n cetlulaire con t re le paras i te peu t auss i in terveni r par l ' in terme- dia i re des cy tokines . Sklenar et al (32) ont o b s e r v e q u e les ce l lu les d ' u n p a t i e n t en p h a s e aigu~ de ma lad ie produisa ien t moins d'IFN- 7 que les cellules p rovenan t de suje ts c h r o n i q u e m e n t infectes . La m~me observa- t ion a et6 faite chez la souris (20). Diez et al (12) ont e g a l e m e n t demont r6 chez la souris qu ' au fur e t a m e s u r e que l ' infection se deve- loppe, il y aura i t u n e d iminut ion de la pro- duct ion d'IFN-7, une reduct ion progress ive de la reponse proliferative des lymphocytes face aux m i t o g e n e s et u n e a u g m e n t a t i o n de la p roduc t ion d'IFN-ct/[L La p roduc t ion d'IFN- a/[~ pourrai t 6tre un facteur important associe

l ' i m m u n o - s u p p r e s s i o n o b s e r v e e dans les infect ions toxop lasmiques aigu~s.

VACCINATION ANTITOXOPLASMIQUE

L'equilibre en t re la r eponse i m m u n e protec- tr ice de l 'h~te et les m e c a n i s m e s d ' evas ion i m m u n e mis en oeuvre par le parasi te sont les pr incipaux obs tac les au d e v e l o p p e m e n t d ' un

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vaccin ant i - toxoplasmique. Pour l ' inst~nt, seule l 'utilisation d 'une souche vivante atte- nuee (souche Ts4) a permis d'induire une pro- tection totale contre une infection letale par T. gondi i (24). Cependant le pouvoir protec- teur de certains ant igenes purifies a deja ete test& Une protection significative a ete obte- nue chez des souris immunisees avec des ant igenes de 35 et 14 kDa purifies par elec- trophorese preparative (3). Le m~me type de resultats avait ete obtenu apres transfert pas- sif d 'ant icorps monoclonaux diriges contre ces m~mes ant igenes (19). Cependant, cette protection West efficace que lorsque l 'epreuve est realisee avec une souche de toxoplasmes de faible virulence. Deux ant igenes de 58 et 28 kDa purifies sont egalement capables de proteger des souris contre une epreuve avec une souche de faible v i ru lence (31). Par ailleurs l ' immunisa t ion avec les an t igenes excretes-secretes par les tachyzoites (ESA) etait ega lement capable d ' induire une pro- tection chez des rats Nudes eprouves avec la souche de forte virulence (9). Cependant chez les souris immun i see s avec la p ro te ine majeure de surface du tachyzoi te (P30) et ep rouvees avec des tachyzoi tes de la souche C, il a ete observe que la mortalite des souris vaccinees etait significativement plus elevee que dans le groupe temoin (21). De plus, ces animaux ont presente un accrois- sement du nombre de kystes intracerebraux par rapport aux souris temoins. Des resultats identiques ont ete obtenus par transfert pas-

sif d 'an t icorps monoclonaux anti-P30. Par contre, lorsque cette molecule est presentee sous forme de liposomes ou d'ISCOM (Immu- nostimulating complex), une protection effi- cace des animaux vaccines est obtenue (5, 22).

CONCLUSION

Les travaux effectues sur des modeles ani- maux et chez l ' homme conf i rment le r61e majeur des cellules T dans l ' immunite anti- toxoplasmique. Bien que l ' implicat ion des divers types de cellules (CD4+, CD8+) soit controversee, I'IFN-7 est la principale cyto- kine impliquee aussi bien dans la resistance contre une nouvel le infect ion que dans le contr~le de l 'infection chronique. Le parasite penetrant dans une grande variete de cellules qui expr iment des molecules du CMH de classe I, il semble donc que les cellules cyto- toxiques (CD8÷) jouent un r~le impor tan t dans le contr~le de l'infection.

La presenta t ion des an t igenes est cruciale pour generer une immunite a mediation cel- lulaire. Or seuls les organismes vivants ou at tenues sont capables d 'engendrer une telle immunit& Les progres en biologie molecu- laire devraient donc permettre l'utilisation de vecteurs vivants afin de presenter les anti- genes dans les m~mes condi t ions qu e les parasites, generant ainsi une immunite pro- tectrice T dependante .

SUMMARY MECHANISMS OF IMMUNITY IN HUMAN AND EXPERIMENTAL TOXOPLASMOSIS

Toxoplasma gondii has rece ived cons iderable a t ten t ion dur ing the las t f e w years b e c a u s e it causes severe compl ica t ions and dea th in AIDS pat ien ts . A n t i b o d i e s aga ins t T. gondii confer only part ial protec t ion agains t chal lenge w i t h the paras i te and ce l l -media ted i m m u n i t y is t h o u g h t to b e a major factor in h o s t res is tance . Cel l -mediated i m m u n i t y can be demons t ra t ed in various animal mode l s b y select ive deple t ion o f T-cell popula t ion as wel l as in i m m u n o d e p r e s s e d animals. I m m u n i t y to reinfect ion can also be induced in naive animals b y pass i ve transfer o f specif ic cyto- tox ic T-cells. However , the a n t i g e n s i n v o l v e d in e l ic i t ing the p r o t e c t i v e T-cell r e s p o n s e have no t b e e n comple te l y def ined. A n ex t ens i ve k n o w l e d g e o f host-para- s i te re la t ionship is therefore n e c e s s a r y in order to deve lop vaccinat ion s trategies . We h a v e s u m m a r i z e d in this r e v i e w article the m e c h a n i s m s o f ce l l -media ted and humora l i m m u n e r e s p o n s e s in exper imen ta l and h u m a n toxoplasmosis .

K e y - w o r d s : Toxoplasma gondi i - A n t i g e n s - I m m u n i t y - T-cell r e s p o n s e - Vaccination.

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