4. CARACTERES BIOLOGIQUES

sommaire

Plasmodiums dans le globule rouge

Plasmodiums chez l'anophèle

Schizogonie pré-érythrocytaire

4.1 PENETRATION DANS LE GLOBULE ROUGE

Les mérozoïtes, libres dans le plasma pendant quelques instants, doivent pénétrer dans un érythrocyte. Plusieurs antigènes de ce stade jouent un rôle important dans la pénétration: trois protéines de surface (“Merozoïte Surface Antigens”, MSA I, II et III), plusieurs protéines des rhoptries et une protéine des micronèmes transférée, lors de la pénétration, à la surface de l'érythrocyte infecté (“Ring-infected Erythrocyte Surface Antigen”, RESA). Ce processus peut être décomposé en deux phases.

Adhérence

La présence, sur la surface du globule rouge, de récepteurs specifiques est indispensable pour que le mérozoïte puisse reconnaître sa cellule hôte. Ces récepteurs sont, dans le cas de P. vivax, des antigènes de groupes sanguins (glycoprotéines Duffy) et pour P. falciparum, des glycophorines (acide sialique en particulier). Grâce à la présence de ligands, le mérozoïte adhère d'abord par une quelconque partie de sa surface, puis il s'oriente de manière à ce que son pôle antérieur, qui est porteur des organites de pénétration, arrive en contact avec la paroi globulaire. Le contenu des rhoptries est alors déversé sur la membrane externe du globule rouge, provoquant l'invagination de celle-ci. A l'endroit de la jonction, de courts filaments sont visibles, unissant la surface de l'érythrocyte, riche à cet endroit en protéines intra-membranaires, et la surface du mérozoïte.

Une conséquence pratique de ces observations est que le paludisme à P. vivax n'existe pas en Afrique centrale et de l'Ouest: environ 85 p.100 de la population y étant Duffy A(-) B(-), leurs globules sont dépourvus de la protéine de reconnaissance nécessaire à l'attachement des mérozoïtes de P. vivax.

Pénétration

Le mérozoïte est aspiré par une invagination de la membrane globulaire qui forme une vacuole "parasitophore" dans l'érythrocyte. Celle-ci se referme derrière le parasite. Dans ce processus, le rôle du cytosquelette (chaînes permettant la cohérence et l'élasticité de la membrane érythrocytaire: spectrine, actine, ankyrine) est évidemment important. Les ovalocytes, fréquents chez les Mélanésiens et dont le cytosquelette est altéré, rendant la membrane externe plus rigide, sont résistants à l'invasion par les mérozoïtes de P. falciparum.

A l'intérieur du globule rouge parasité, la fabrication du supplément de membrane (bicouche lipidique) requis pour former la vacuole parasitophore au moment de la pénétration entraîne un besoin accru en lipides. Cette membrane est très différente de la membrane globulaire externe: pas de particules intra-membranaires, pas de protéines du cytosquelette, croissance forcée accompagnant l'accroissement de taille du parasite. D’où les modifications du métabolisme des lipides dans l’infection plasmodiale.

P. ovale, P. vivax et P. malariae sont restrictifs dans le choix de leur cellule hôte. Les deux premiers ont une nette prédilection pour les réticulocytes et P. malariae préfère les globules rouges âgés de sorte que les parasitémies dépassent rarement 1 à 2 p.cent. P. falciparum, au contraire, envahit des globules rouges de tous âges et peut atteindre des parasitémies très élevées

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4.2 LE PLASMODIUM DANS LE GLOBULE ROUGE

Formes asexuées sanguines

Synthèse d'ADN

L'activité du parasite à l'intérieur de l'érythrocyte consiste essentiellement en la maturation rapide du stade d'anneau, qui contient 10(exposant -13) g d’ADN, au stade de schizonte qui en contient 20 (exposant -12) g. Cela implique une augmentation de 20 fois. Dans cette synthèse d’ADN, la voie métabolique partant de l'acide para-aminobenzoïque et passant par l'acide folique est utilisée, d'où la sensibilité de ce stade aux sulfamidés et aux antifoliniques du type pyriméthamine (inhibiteur de la dihydrofolate réductase).

Pigment malarien et métabolisme

Le plasmodium ingère plus de 80 p.100 de l'hémoglobine de sa cellule hôte par pinocytose et par l'action du cytostome, invagination de la membrane externe entourée de deux anneaux denses. L'invagination progressant, la fermeture au niveau de la membrane externe la transforme en vacuole alimentaire.

L'utilisation de l'hémoglobine, grâce à des protéases très spécialisées actives en milieu acide, n'est pas complète. La globine est scindée en acides aminés, utilisés au même titre que des acides aminés importés du plasma pour la synthèse protéique du plasmodium. L’hème libéré de la molécule est aussitôt oxydé en protoporphyrine ferrique toxique et inhibitrice des protéases dans le cytoplasme du parasite. Une polymérisation intervient in situ sous l’influence de l’héme-polymérase produisant un matériel cristallin insoluble, l’hémozoïne ou pigment malarien qui précipite dans le cytoplasme du parasite au cours de la maturation. Il est visible au microscope sous forme de grains brun-jaunâtres. Une hypothèse avancée pour l’action des médicaments du groupe quinoléine est l’inhibition de la polymérisation provoquant l’accumulation de la protoporphyrine ferrique, toxique pour le parasite.

Les hémoglobines anormales, HbF impliquée dans les thalassémies et HbS causant la drépanocytose, seraient plus difficilement utilisables par P. falciparum au cours de son développement érythrocytaire. La schizogonie serait perturbée et la virulence du parasite s'en trouverait diminuée.

Le plasmodium absorbe également des acides aminés importés du plasma à travers la membrane globulaire dont la perméabilité augmente. De plus, il est capable d'en synthétiser lui-même, à partir des éléments les plus simples, comme les atomes de carbone du CO2.

Le transport du glucose en provenance du plasma est accéléré au niveau, à la fois, de la membrane érythrocytaire (dont la perméabilité est par ailleurs augmentée) et de la membrane plasmatique du parasite grâce à une abondance de protéines assurant un transport actif du dextrose.

Le plasmodium fabrique une quantité importante de membranes, entourant les mitochondries, noyaux, cytostome, vacuoles alimentaires, rhoptries. La source des acides gras semble être le plasma: le globule parasité a en effet une teneur nettement augmentée en lipides.

Vu l'importance du métabolisme des lipides dans l'infection plasmodiale, des investigations sont en cours pour déterminer l'importance éventuelle de l'avitaminose A sur la gravité du paludisme. Cette vitamine liposoluble ne pourrait-elle pas jouer un rôle dans la défense contre l'infection et conférer une protection contre les chocs oxydatifs qui l'accompagnent? D’autre part, les lipides de basse densité joueraient un rôle important dans le métabolisme des plasmodiums au cours de cette phase du cycle, d’où l’hypothèse avancée que l’infection paludéenne protégerait contre les taux élevés de cholestérol plasmatique.

La déficience en G-6-PD (glucose-6-phosphate déshydrogénase) freine aussi le développement du parasite qui a besoin de cet enzyme pour sa maturation.

Figure 12-7 Le plasmodium dans le globule rouge

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Modifications de l'érythrocyte

Le globule rouge infecté subit des modifications de structure et de taille qui ne sont pas encore bien comprises. Les granulations de Schüffner (P. vivax, P. ovale ) sont de petites cavités en rapport avec la membrane globulaire. Les taches de Maurer (P. falciparum ) sont des évaginations de la membrane parasitophore, truffées de particules intramembranaires. Des protubérances ("knobs") apparaissent à la surface du globule rouge parasité par certaines souches de P. falciparum ; elles seraient responsables de l'adhérence des érythrocytes parasités à l'endothélium des capillaires et sont constituées d'accumulation de protéines spécifiques d'espèces, riches en histidine et de haut poids moléculaire. L’accroissement de taille est considérable (11 à 12 µm de diamètre) dans les invasions par P. vivax.

L’érythrocyte infecté passe d’une forme biconcave à une forme globuleuse de sphère crénelée. Sa déformabilité est diminuée et les protéines de surface sont profondément modifiées.

Des altérations surviennent dans le contenu de la membrane globulaire en protéines, hydrates de carbone et lipides, procurant une perméabilité passive augmentée (influençant peut-être l'accessibilité aux médicaments) mais également une plus grande fragilité osmotique. De plus, de nombreux épitopes d'antigènes polymorphiques de plasmodium sont enchâssés dans la membrane globulaire et induisent chez l'hôte une réponse immune protectrice.

Les gamétocytes

On ne sait toujours pas à la suite de quel stimulus certains mérozoïtes vont, après la pénétration dans le globule rouge, devenir des gamétocytes. La gamétogenèse prend de quatre à douze jours chez P. falciparum. A maturité, le gamétocyte remplit le globule rouge et son noyau ne s'est pas divisé. De plus, une différenciation sexuelle a lieu en mâle et femelle, morphologiquement différents par la taille du noyau et la colorabilité du cytoplasme.
Ce stade parasitaire doit s'adapter à deux hôtes différents: sa maturation a lieu chez l'homme, tandis que la fécondation du gamétocyte femelle par un gamète mâle s'effectue dans l'estomac de l'anophèle.
On sait que l'immunité antiplasmodium diminue le nombre de gamétocytes viables (c'est-à-dire capables d'évoluer chez l'anophèle). De plus, les gamétocytes peuvent, dans certaines infections aiguës, manquer des substances indispensables à leur développement ou être inhibés par des toxines.
Le fait de produire des gamétocytes ne dépend pas seulement de l'environnement, c'est aussi une qualité intrinsèque d'une lignée parasitaire. Il y a de bons et de moins bons producteurs de gamétocytes. Au laboratoire, lorsqu'on entretient une lignée parasitaire sur l'hôte vertébré seulement (plasmodiums de rongeurs sur souris par exemple) en injectant un animal avec le sang parasité de l'animal précédent, la lignée perd progressivement la faculté de produire des gamétocytes, devenus inutiles à la survie du parasite dans ces conditions artificielles.

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4.3 LE PLASMODIUM CHEZ L'ANOPHELE

Dès l'arrivée chez l'anophèle, les phénomènes se bousculent: en 10 minutes, les gamètes mâles sont formés par exflagellation et prêts à féconder une femelle.

La durée du processus de développement chez le vecteur dépend de la température ambiante: le moustique devient infectant pour l'homme à partir du moment où les sporozoïtes, libérés par les oocystes mûrs sont arrivés dans les glandes salivaires. Plus la température est élevée, plus courte est la sporogonie (8 jours à 30°C pour P. falciparum ). En dessous de 18°C et au dessus de 33°C, le développement de P. falciparum est arrêté chez le moustique. Les climats chauds facilitent donc la transmission du paludisme.

Les stades de la sporogonie

Le temps passé par le plasmodium chez l'anophèle peut se décomposer en trois parties très inégales: fécondation, croissance des oocystes, libération et migration des sporozoïtes.

Viabilité des gamétocytes

Le nombre de gamétocytes ingérés par le moustique est très variable. Il suffit de quelques femelles et d'un mâle pour qu'à l'autre bout du cycle, des centaines de sporozoïtes s'accumulent dans les glandes salivaires. La viabilité des gamétocytes n'est que de quelques jours mais chez l'homme infecté, de nouveaux gamétocytes sont produits à la fin de chaque schizogonie, c’est-à-dire toutes les 48 heures (72 heures pour P. malariae).

Fécondation et formation des ookinètes

Exflagellation des gamètes mâles, fécondation, formation de l'ookinète et sortie de l'estomac prennent environ 24 heures. Les ookinètes doivent pouvoir adhérer aux cellules de la paroi stomacale et les traverser impunément. Ceux qui réussissent à sortir de l'estomac se transforment en oocystes.

On peut, au laboratoire, réaliser la fécondation in vitro des gamétocytes femelles prélevés dans le sang d'un sujet infecté. Les ookinètes obtenus, offerts au moustique dans un repas artificiel, poursuivent leur évolution et sortent de l'estomac à condition que l'espèce d'anophèle convienne (adaptation du parasite à son hôte).

Maturation des oocystes

La croissance de l'oocyste prend de 4 à 21 jours selon la température ambiante dans laquelle se trouve l'anophèle. Plusieurs centaines de sporozoïtes sont formés, à partir de la cellule initiale de l'œuf fécondé, à l'intérieur de la paroi de l'oocyste alors que le diamètre passe de 8 à 65 µm. On ne sait pas de quelles substances se nourrit l'oocyste en cours de maturation.

L'anophèle porteur d'oocystes peut se nourrir exclusivement de solution glucosée ou prendre des repas sanguins, sans que cela influence le rendement ni le rythme de la maturation.

C’est le seul stade dont la culture in vitro n'a pas encore été réussie.

Libération des sporozoïtes et migration vers les glandes salivaires

Les sporozoïtes, libérés dans l'hémolymphe par l'éclatement des oocystes situés autour de l'estomac, se dirigent vers le thorax où ils se concentrent, en 24 heures, dans les cellules des acini des glandes salivaires. Ils peuvent y rester entreposés pendant plusieurs jours, jusqu'à 2 ou 3 semaines, sans perdre leur viabilité c'est-à-dire leur capacité, une fois injectés dans la circulation de l'hôte vertébré, de pénétrer dans un hépatocyte et d'y produire un schizonte pré-érythrocytaire. Ici encore, une migration réussie et une survie longue dans les cellules des glandes salivaires sont tributaires d'une bonne adaptation à l'hôte invertébré.

Les sporozoïtes acquièrent leur viabilité une fois sortis de l’oocyste, en même temps qu’est synthétisée la protéine circumsporozoïtique, épais manteau antigénique spécifique du stade. Cette protéine a été isolée et sa structure est connue. Certains de ses épitopes ont servi, dans les années quatre-vingt, aux premiers essais, infructueux, de vaccination antipaludique. D’autre part, des anticorps monoclonaux spécifiques sont utilisés dans un test ELISA pour la repérer dans les moustiques capturés sur le terrain.

Le nombre de sporozoïtes injectés lors d'une piqûre est très variable, en général de quelques dizaines à quelques centaines. Dans le modèle expérimental du paludisme de rongeurs (P. berghei) , le nombre de sporozoïtes contenus dans les glandes salivaires des anophèles infectés peut atteindre plus de 20.000 et le nombre minimal de sporozoïtes nécessaire pour induire à coup sûr une infection chez un rongeur réceptif est de l'ordre de 50.

Adaptation du plasmodium à son vecteur

On peut le constater, le développement des différentes phases de la sporogonie nécessite une adaptation, réalisée au cours de l'évolution, d'une lignée parasitaire donnée à une espèce d'anophèle. Anopheles atroparvus (européen) transmet facilement P. falciparum du Sud de l'Europe mais très difficilement une souche de P. falciparum provenant d'Afrique centrale.

D'autre part, il est possible, dans une population anophélienne, de sélectionner au cours de plusieurs générations, des femelles très sensibles ou au contraire des femelles réfractaires à une population parasitaire (c'est-à-dire à l'hébergement des gamétocytes et de leurs activités).

Les caractères biochimiques responsables de l'adaptation sont actuellement l'objet de recherches actives au niveau des récepteurs de l'estomac des insectes et des protéines de reconnaissance de l'ookinète.

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4.4 LA SCHIZOGONIE PRE-ERYTHROCYTAIRE

Le contraste est frappant entre la léthargie des sporozoïtes en place dans les glandes salivaires de l'anophèle et l'activité déployée par ces mêmes parasites, une fois arrivés dans l'organisme de l'hôte vertébré (une heure, au maximum, dans la circulation sanguine et de 6 à 15 jours dans un hépatocyte pour produire un schizonte à 20.000 noyaux).

Pénétration dans l'hépatocyte

La protéine circumsporozoïtique joue un rôle dans la reconnaissance de la surface de l'hépatocyte. On retrouve en effet des traces de cette protéine à la surface des hépatocytes infectés. Un rôle actif de transport des sporozoïtes vers l'hépatocyte a été attribué aux cellules de Küpffer.

Schizogonie pré-érythrocytaire et hypnozoïtes

Deux espèces présentent un développement pré-érythrocytaire rapide, provenant d'une population de sporozoïtes homogène se développant dans les hépatocytes en 6 jours (P. falciparum) et en 15 jours (P. malariae). Passés ces délais, il n'y a plus de parasites dans le foie (en l'absence de nouvelle inoculation de sporozoïtes).

Pour les deux autres, P. vivax et P. ovale, les sporozoïtes injectés par le moustique constituent un mélange de deux populations. Les uns atteignent le stade de schizonte mûr rapidement (9 jours) dans les hépatocytes tandis que les autres entrent en léthargie dès leur entrée dans l’hépatocyte. Ils restent inchangés (hypnozoïtes), avant de poursuivre leur développement pour atteindre la maturité après des périodes allant de 1 à 18 mois, de sorte que l'envahissement du sang est différé d'autant. Les hypnozoïtes sont à l'origine des rechutes de paludisme, accès aigus survenant longtemps après la piqûre infectante.

Il est probable que P. vivax, adapté aux pays tempérés où l’hibernation est problématique chez le moustique, aurait trouvé le moyen d’hiberner dans le foie et de ressortir dans le sang lorsque les moustiques ont repris leur activité, dans le courant de l’été de l’année suivante.

Au cours de la schizogonie hépatique, des antigènes spécifiques de ce stade, liés à des molécules du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) de classe 1, sont exprimés à la surface des hépatocytes infectés et sont la cible des lymphocytes T cytotoxiques (T CD8+).

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