Tumor necrosis factor

Le terme Tumor Necrosis Factor ou TNF cache en fait une réalité complexe.
On en connaît deux espèces, dénommées

alpha ou cachectine

béta ou lymphotoxine.
La plupart du temps aucune distinction n'est faite entre les deux, ce qui est incorrect.
Le paysage est encore plus complexe car le TNF est membre d'une famille de molécules solubles ou membranaires structuralement proches et utilisant des récepteurs eux-mêmes similaires. Les activités biologiques étant elles aussi généralement proches, bien que ceci ne soit pas obligatoire. D'ailleurs, la nouvelle nomenclature tient compte de cette notion importante de famille car elle note ces différentes entités "TNF super family (TNFSF)" suivi d'un chiffre de 1 à 20 pour l'instant.

Dans cette courte note nous ne parlerons que du TNF alpha ou TNFSF2 de la nouvelle nomenclature.
C'est une protéine non-glycosylée composé de 157 acides aminés (aa) pour l'espèce humaine donnant un poids moléculaire de 17 kD. C'est probablement l'ancienne toxine de Cooley, induite par un choc septique destiné à traiter les patients atteints de certains cancers, il y a de cela 70 ans !!

Il est produit à partir du clivage d'un précurseur membranaire de 233 aa par une métalloprotéase appelée TACE pour TNF alpha converting enzyme.
Il peut exister sous forme membranaire ou à l'état soluble, il est le plus souvent homotrimérique. C'est sous cette forme qu'il est biologiquement actif, la polymérisation étant importante comme nous le verrons plus loin, et démontrée par les images en trois dimensions obtenues en diffraction aux rayons X. On voit déjà que les propriétés liées à son état soluble dépendent de la TACE et que compte tenu des activités pro-inflammatoires majeures du TNF que nous allons voir, l'inhibition de la TACE représente un enjeu thérapeutique important dans une visée anti-inflammatoire.
Il n'existe qu'un seul gène connu pour le TNF alpha codé sur le chromosome 6 au milieu du complexe majeur d'histocompatibilité, c'est à dire entre les gènes codant pour les HLA de classe I et ceux de classe II chez l'homme. Les gènes codant pour les TNF alpha et béta sont proches l'un de l'autre exactement comme c'est le cas chez la souris sur le chromosome synténique 17.
Il est produit en majorité par les cellules de l'immunité innée comme les monocytes, les macrophages, les neutrophiles, les cellules NK après stimulation par les LPS bactériens. Parmi les lymphocytes T, ce sont surtout les CD4 qui le produisent. Il peut aussi être produit par d'autres cellules que celles du système immunitaire comme les astrocytes, les fibroblastes et les cellules musculaires lisses, ce qui serait important dans la constitution et l'entretien des plaques d'athérome par exemple.
Sa sécrétion est induite par des stimuli variés dont les interférons, l'IL2, la bradykinine, le GM-CSF, les immuns complexes, le platelet activating factor (PAF), les inhibiteurs de la cycloxygénase par exemple. Par contre sa production est inhibée par le TGF béta, l'IL6, l'IL10, les corticoïdes, la cyclosporine A, la prostaglandine E2.

Les nombreuses activités biologiques du TNF alpha sont identiques à celles du TNF béta, bien que celui ci ait une activité spécifique moindre (activité biologique divisée par la quantité de protéine ; plus le numérateur est grand, plus l'activité spécifique est élevée).
Son nom provient de sa capacité à lyser de nombreuses lignées tumorales dont les cellules vont entrer en apoptose après avoir été exposées à des concentrations de l'ordre du picomolaire (10^-12M) de TNFa.

In vivo dans les tumeurs, il occasionne des hémorragies et finalement la destruction tumorale. Il augmente les propriétés de phagocytose et cytotoxiques des neutrophiles qu'il active et il module la production de plusieurs facteurs dont des cytokines comme l'IL1 ou l'IL6.

Il inhibe la croissance des cellules endothéliales in vitro mais se montre angiogénique in vivo, cette activité se trouvant inhibée par l'IFN g.

Il possède une activité procoagulante à l'origine de plusieurs processus pathogènes comme les thromboses veineuses, les vascularites, la coagulation vasculaire disséminée et l'athérosclérose.

Il induit la synthèse d'un certain nombre de facteurs chimiotactiques permettant le ciblage tissulaire d'effecteurs cellulaires.

Il active des ostéoclastes et provoque ainsi la résorption osseuse.

Il augmente la synthèse des molécules HLA de classe I et II sur les cellules du système immunitaire, conduisant à une nette augmentation de la présentation aux lymphocytes T des antigènes, et augmentant en cela la réponse immunitaire. Cet effet est potentialisé par un autre effet qui consiste à induire la maturation des cellules dendritiques pour qu'elles deviennent des cellules présentatrices de l'antigène efficaces.

Comme l'IL1 et l'IL6, il stimule la synthèse d'ACTH et il participe ainsi à une boucle de régulation négative de sa production via l'axe hypophysaire.

Son implication dans les lésions de sclérose en plaques s'explique par sa capacité à faire proliférer les cellules de la microglie et astrogliales et à induire une démyélinisation.

C'est une cytokine redoutable à l'origine des manifestations létales des chocs septiques à bactéries gram négatives, des neuropaludismes, jouant un rôle dans les éclampsies. Il est indispensable dans la résistance contre la listériose et en général contre les bactéries intracellulaires, ce qui explique que les thérapeutiques visant à le diminuer soient génératrices d'incidents ou d'accidents infectieux impliquant ce type de bactéries (ex : tuberculose) comme après l'administration d'infliximab ou d'éthanercept.

Tous ces nombreux effets biologiques sont médiés par un récepteur spécifique. Il existe deux récepteurs pour le TNF. L'un de 75 kD le CD120a est aussi appelé TNF receptor superfamily 1A, le second de 55kD (CD120b) est aussi dénommé TNFRSF 1B. Ces deux chaînes sont elles aussi structuralement proches et sont membres d'une famille caractérisée par l'existence dans leur portion extra-membranaire d'un module de 44 aa possédant 6 cystéines. Le nombre de ces modules est variable pour chaque chaîne. Appartiennent à cette famille de récepteurs, le récepteur au Nerve Growth Factor, et des récepteurs particulièrement importants en immunologie comme les CD40, CD95, CD30 et bien d'autres. Les deux récepteurs sont capables de fixer les deux espèces de TN (a et b). La chaîne p55 est exprimée par les cellules sensibles aux effets cytotoxiques directs du TNF. La p75 est plutôt exprimée sur les cellules d'origine myéloïde. Les effets différentiels du TNF sur les cellules peuvent être expliqués par l'expression différentielle des récepteurs, mais aussi par la présence dans le cytoplasme de protéines associées aux récepteurs, différentes. Ces protéines permettent la transduction du signal induite par la fixation du ligand trimérique sur les récepteurs déjà pré-assemblés. C'est l'agrégation différentielle des complexes qui, par la concentration des segments intracellulaires des récepteurs, induit l'activation des protéines transductrices qui y sont associées permettant à la cascade biochimique de s'initialiser. La signalisation de cette famille de récepteurs est relativement bien connue et complexe. Elle débouche sur l'induction des mécanismes d'apoptose à l'origine des effets cytotoxiques et la translocation nucléaire d'un facteur de transcription le NF-kB ubiquitaire et fondamental régulant la transcription de nombreux gènes actifs dans les phénomènes inflammatoires. C'est d'ailleurs ce facteur de transcription, clé dans l'inflammation, qui est la cible des corticostéroïdes. Elle ne sera pas abordée ici. Il existe des versions solubles de ces récepteurs capables de capter le ligand et ainsi d'en diminuer les effets biologiques. Ces TNF-BP pour "binding protein" sont des troncations de la portion extracytoplasmique des récepteurs. Ils sont présents dans les urines, le plasma. Certains virus ont d'ailleurs dans leur génome de tels gènes participant à leur pathogénicité (Pox virus). Le TNF est présent à l'état normal dans le sérum. Ce n'est pas le cas de toutes les cytokines. Ceci est probablement dû à la faible affinité du récepteur pour son ligand autorisant la présence de concentrations non négligeables sans aboutir à l'activation du récepteur. Il y a aussi le rôle négatif du récepteurs solubles sur l'effet du ligand qui entre en jeu, exactement comme cela est reproduit avec l'éthanercept.

A des fins thérapeutiques, on utilise des anticorps monoclonaux pour inhiber le TNF : infliximab (Remicade^®) ; adalimumab (Humira^®).
L'EtanerceptÒ repose sur un concept différent d'inhibition puisqu'il est constitué du récepteur soluble fusionné à la portion constante d'une IgG par génie génétique, lui conférant une longue durée de vie. Ceci explique leurs effets différents en thérapeutique.

TNF et pathologie respiratoire
(A. Taytard)
Asthme
Le TNFa joue un rôle critique dans l'initiation et l'amplification de l'inflammation bronchique dans l'asthme.
Il est produit par les cellules de l'immunité innée. Il peut aussi être produit par les cellules musculaires lisses.
Il est stocké dans les mastocytes et rapidement libéré lors de la réaction IgE-dépendante.
Il active les molécules d'adhésion conduisant à la migration des éosinophiles et des neutrophiles dans les voies aériennes.
Il active ces cellules et les cellules épithéliales ce qui conduit à la libération de médiateurs cytotoxiques, de radicaux de l'oxygène avec pour conséquence une inflammation chronique et le remodelage.
Indépendamment de ces effets il agit aussi sur l'hyper-réactivité bronchique.
Les patients avec un asthme réfractaire ont une up-regulation de l’axe TNFa ;l'etanercept semble avoir un effet positif modeste sur ce type d'asthme (Howarth, 2005 ; Berry, 2006)
L'essai d'anti-TNFa dans l'asthme semble prometteur.

BPCO
Les polymorphismes du tumor necrosis factor (TNFa G-308A et TNFß A252G) ne sont pas associés au déclin de la fonction respiratoire (Sandford, 2001).
Les sujets avec une BPCO modérée à sévère ne tirent pas de bénéfice d'un traitement par infliximab (Rennard, 2007).

Tuberculose
Le TNF est indispensable à la défense contre les germes intra-cellulaires.
Une tuberculose active peut se développer précocément après la mise en route d'un traitement par anti-TNFa (Keane, 2001).
Prévention lors de la prescription d'un traitement par anti-TNFa.

Sarcoïdose
Il y a une augmentation de la sécrétion de TNFa par les macrophages alvéolaires des malades atteints de sarcoïdose résistant aux corticoïdes (Ziegenhagen, 2002).
Le macrophage alvéolaire peut relâcher les 2 récepteurs solubles de TNFa (sTNFRs capables de bloquer TNFa) en même temps que TNFa (Dai, 2005).
Effets controversés des anti-TNFa dans la sarcoïdose pulmonaire : aggravation possible avec l'etanercept (Utz, 2003), amélioration modeste possible avec infliximab (Baughman, 2001).

Pneumopathies d'hypersensibilité
La production de TNFa par les macrophages alvéolaires est augmentée chez les patients avec HP (Chen, 2004).
Le macrophage alvéolaire peut relâcher les 2 récepteurs solubles de TNFa (sTNFRs capables de bloquer TNFa) en même temps que TNFa (Dai, 2005).

Tabagisme passif
L’effet du tabagisme passif sur les absences respiratoires des enfants, diffère selon le génotype TNF (Wenten, 2005).

Cancer bronchique
Outre l'apparition de lymphomes, on a aussi décrit la survenue de cancers bronchiques non à petites cellules (cellules positives pour les récepteurs TNF de type 1 et 2) chez des patients de plus de 65 ans, gros fumeurs ou anciens gros fumeurs recevant de l'infliximab ; on a aussi décrit la disparition du cancer à l'arrêt du traitement (Lees, 2008).

Réf :

Baughman RP, Lower EE. Infliximab for refractory sarcoidosis. Sarcoidosis Vasc Diffuse Lung Dis 2001;18:70-4

Berry MA, Hargadon B, Shelley M, Parker D, Shaw DE et al. Evidence of a role of tumor necrosis factor a in refractory asthma. N Eng J Med 2006;354 :697-708

Chen B, Tong Z, Nakamura S, Costabel U, Guzman J. Production of IL-12, IL-18 and TNF-alpha by alveolar macrophages in hypersensitivity pneumonitis. Sarcoidosis Vasc Diffuse Lung Dis 2004;21:199-203

Dai H, Guzman J, Chen B, Costabel U. Production of soluble tumor necrosis factor receptors and tumor necrosis factor-alpha by alveolar macrophages in sarcoidosis and extrinsic allergic alveolitis. Chest 2005;127:251-6

Howarth PH, Babu KS, Arshad HS, Lau L, Buckley M, McConnell W, Beckett P, Al Ali M, Chauhan A, Wilson SJ, Reynolds A, Davies DE, Holgate ST. Tumour necrosis factor (TNF) as a novel therapeutic target in symptomatic corticosteroid dependent asthma. Thorax 2005;60:1012-8

Keane J, Gershon S, Wise RP, Mirabile-Levens E, Kasznica J, Schwieterman WD, Siegel JN, Braun MM. Tuberculosis associated with infliximab, a tumor necrosis factor alpha-neutralizing agent. N Eng J Med 2001;345:1098-104

Lees CW, Wallace WAH, Satsangi J. Resolution of non-small-cell lung cancer after withdrawal of anti-TNF therapy. N Eng J Med 2008;359:320-1

Rennard SI, Fogarty C, Kelsen S, Long W, Ramsdell J et al on behalf of the COPD investigators. The safety and efficacy of infliximab in moderate to severe chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 2007;175:926-34

Sandford AJ, Chagani T, Weir TD, Connett JE, Anthonisen NR, Pare PD. Susceptibility genes for rapid decline of lung function in the lung health study. Am J Respir Crit Care Med 2001;163:469-73

Utz JP, Limper AH, Kalra S, Specks U, Scott JP, Vuk-Pavlovic Z, Schroeder DR. Etanercept for the treatment of stage II and III progressive pulmonary sarcoidosis. Chest 2003;124:177-85

Wenten M, Berhane K, Rappaport EB, Avol E, Tsai WW, Gauderman WJ, McConnell R, Dubeau L, Gilliland FD. TNF-308 modifies the effect of second-hand smoke on respiratory illness-related school absences. Am J Respir Crit Care Med 2005;172:1563-8

Ziegenhagen MW, Rothe ME, Zissel G, Muller-Quernheim J . Exaggerated TNFalpha release of alveolar macrophages in corticosteroid resistant sarcoidosis. Sarcoidosis Vasc Diffuse Lung Dis 2002;19:185-90