Cytolyse Définition
La cytolyse, également connue sous le nom de lyse osmotique, se produit lorsqu’une cellule éclate et libère son contenu dans l’environnement extracellulaire en raison d’un grand afflux d’eau dans la cellule, dépassant largement la capacité de la membrane cellulaire à contenir le volume supplémentaire. C’est une préoccupation en particulier pour les cellules qui n’ont pas une paroi cellulaire solide pour résister à la pression d’eau interne.
L’eau peut diffuser lentement à travers la bicouche lipidique de la membrane cellulaire, mais le transport rapide nécessite la présence de canaux transmembranaires sélectifs appelés aquaporines. Ces protéines membranaires intégrales permettent le mouvement de l’eau tout en empêchant l’accès à de nombreux solutés et ions.
Les cellules ont généralement une concentration en sels et en ions plus élevée que leur environnement immédiat, notamment chez les organismes unicellulaires qui vivent dans des étendues d’eau douce, ce qui peut entraîner un afflux d’eau. La plupart des cellules disposent de mécanismes internes pour gérer le mouvement constitutif de l’eau. Cependant, lorsqu’il y a un changement soudain dans la tonicité de l’environnement extracellulaire, ou un changement dans la structure de la membrane, l’eau peut inonder la cellule et la faire éclater.
L’image montre l’impact de la concentration en ions extracellulaires sur la structure cellulaire. La cytolyse est une cause de mort cellulaire chez les organismes multicellulaires lorsque leurs fluides corporels deviennent hypotoniques et est considérée comme un effet secondaire de la souffrance d’un accident vasculaire cérébral. La lyse osmotique est également utilisée par certaines particules virales répliquées pour sortir de leur cellule hôte et poursuivre le processus infectieux.
Cependant, la cytolyse a également un rôle fonctionnel et est utilisée par le système immunitaire pour détruire sélectivement les cellules tumorales ou celles infectées par certains pathogènes.
Types de cytolyse
La cytolyse peut être provoquée par de nombreux facteurs, de la tonicité du liquide extracellulaire à l’activité d’autres cellules affectant la structure de la membrane cellulaire.
Cytolyse par environnement hypotonique
Lorsque des cellules sont placées dans un environnement d’eau pure, l’eau inonde la cellule et provoque son éclatement. Par exemple, les globules rouges vont subir une hémolyse lorsqu’ils sont placés dans de l’eau distillée et cela peut être mesuré à partir de l’apparition de l’hémoglobine dans la solution. Une solution contenant 0,9 g de chlorure de sodium (NaCl, ou sel commun) dans 100 ml d’eau est considérée comme isotonique, ou contenant la même concentration de sel que l’intérieur d’un globule rouge. Les solutions ayant une concentration en sel plus faible provoqueront l’éclatement de ces cellules. Par conséquent, les injections intraveineuses d’eau distillée pure peuvent être extrêmement nocives, en particulier pour les fragiles membranes cellulaires des érythrocytes ou des globules rouges.
Cytolyse par les agents pathogènes
Les virus sont très spécifiques dans leur choix d’hôte. De plus, la plupart d’entre eux sont adaptés pour infecter non seulement un organisme particulier mais un type de cellule spécifique au sein de l’hôte. Les virus ne peuvent pas fonctionner en dehors de leur hôte et doivent détourner la machinerie cellulaire pour subir le métabolisme et initier la reproduction. Toutefois, après de multiples cycles de duplication, la présence de particules virioniques peut submerger la cellule hôte. À ce stade, les virus peuvent compromettre la membrane cellulaire d’une manière qui conduit à une entrée d’eau et à une éventuelle cytolyse. Une fois que la cellule subit une lyse, les virus sont libérés leur permettant de répéter le cycle infectieux avec de nouvelles cellules hôtes dans le même tissu.
La spécificité des virus pour leur hôte peut potentiellement être exploitée dans la thérapie du cancer. Le phénomène des virus induisant une rémission du cancer a été observé depuis les années 1800. De nombreux virus infectent préférentiellement les cellules cancéreuses tout en laissant les cellules normales intactes, car la malignité endommage la réponse antivirale d’une cellule. Ces virus peuvent induire la cytolyse des cellules tumorales et contribuer ainsi au traitement. En 2011, une particule virale a été signalée comme induisant une cytolyse dans des lignées de cellules tumorales, des cellules initiatrices de tumeurs ainsi que dans des tissus tumoraux primaires de patients. En 2015, la FDA américaine a approuvé la première thérapie virale du mélanome.
Une cytolyse bactérienne a été observée en raison d’une surcroissance de lactobacilles dans le vagin. Le vagin des femmes adultes est normalement colonisé par des lactobacilles et, en faible nombre, ces bactéries protègent contre les infections fongiques. Cependant, certaines femmes présentent des symptômes d’infection fongique qui résistent au traitement par des médicaments antifongiques. Dans ces cas, les femmes présentant des pertes abondantes, des démangeaisons et aucune bactérie ou champignon pathogène dans les frottis humides montrent également une abondance accrue de lactobacilles. Les pertes sont causées par la cytolyse des cellules épithéliales vaginales due à une infection bactérienne par les lactobacilles.
Cytolyse par le système immunitaire
Le système immunitaire utilise une variété de méthodes pour induire la cytolyse -dans les agents pathogènes ainsi que dans les cellules infectées ou cancéreuses du corps. Parmi les médiateurs les plus puissants de la cytolyse dans le système immunitaire figurent les cellules T et les cellules tueuses naturelles (NK). Ces deux cellules peuvent soit inciter une cellule à subir une apoptose, soit libérer des protéines appelées perforines qui forment des canaux sur la membrane cellulaire. Lorsque l’eau pénètre dans la cellule par ces canaux, celle-ci subit une lyse osmotique. En outre, les cellules NK peuvent également agir par le biais du système immunitaire adaptatif, en interagissant avec les lymphocytes T ainsi qu’avec les anticorps libérés par les lymphocytes B. Grâce au système des anticorps et du complément, les cellules pathogènes peuvent être lysées par la formation d’une structure transmembranaire en forme d’anneau sur la membrane cellulaire par les protéines du complément.
Cette méthode de cytolyse peut entraîner une complication majeure lorsqu’il existe une histoincompatibilité entre une mère et un fœtus. Lorsqu’un type particulier d’anticorps (IgG) traverse le placenta et reconnaît des antigènes sur le sang du fœtus, il peut activer le système du complément ainsi que l’immunité innée provoquant une hémolyse de ces globules rouges. L’enfant naît avec des symptômes ressemblant à la jaunisse.
Les cellules tueuses naturelles sont également cruciales pour le mécanisme de défense de l’organisme contre la formation de tumeurs. Lorsque les cellules cancéreuses régulent à la baisse l’expression des antigènes de surface, les cellules puissantes du système immunitaire adaptatif ne peuvent pas reconnaître ces cellules ou monter une réponse immunitaire contre elles. Les cellules NK peuvent activer une réponse inflammatoire, attirer d’autres cellules cytotoxiques et, ensemble, induire soit une lyse osmotique, soit une apoptose sur les cellules précurseurs de tumeurs.
Fonctions de la cytolyse
La cytolyse est souvent utilisée comme outil de survie par diverses cellules. Alors que les organismes unicellulaires et les pathogènes l’utilisent pour repousser les attaques ou accéder à de nouveaux hôtes, les organismes multicellulaires utilisent la cytolyse au cours d’une réponse immunitaire ou afin d’éliminer les cellules endommagées et dangereuses de leur corps.
Prévention de la cytolyse
En dépit de ses nombreuses utilisations, il est important pour un organisme de contrôler quand et comment la cytolyse se produit. Les plantes ont un mécanisme de défense naturel contre la cytolyse car elles contiennent une paroi cellulaire résistante. Lorsqu’une cellule végétale est placée dans un environnement hypotonique et que l’eau s’y engouffre, la paroi cellulaire exerce une pression opposée sur la membrane cellulaire, l’empêchant de se dilater ou de se rompre. Dans un environnement hypertonique, la cellule subit une perte d’eau, également appelée plasmolyse. Dans une solution isotonique, il y a une quantité égale d’eau qui entre et sort de la cellule, ce qui laisse son volume global intact. Dans les solutions hypotoniques, lorsque l’eau entre dans la cellule, la vacuole absorbe une grande partie de l’excès d’eau, protégeant ainsi le cytoplasme de la dilution.
La paroi cellulaire crée également une pression inverse, faisant sortir l’eau de la cellule, tout en maintenant une turgescence optimale. Cette turgescence permet aux plantes de rester debout en l’absence d’un système squelettique interne.
Les protistes unicellulaires comme les amibes et les paramécies contiennent un organite appelé vacuole contractile qui intervient dans la prévention de la cytolyse. Il s’agit d’une structure pulsatoire qui subit des cycles répétés de diastole (entrée d’eau dans la vacuole) et de systole (pompage de l’eau hors de la cellule). Le mécanisme exact de ces contractions n’est pas connu, mais ces organites semblent fonctionner même lorsque les cellules sont placées dans une solution à forte concentration en sel.
Les organismes multicellulaires disposent généralement d’un mécanisme sophistiqué pour s’assurer que toutes leurs cellules baignent dans une solution isotonique. Chez l’homme et les autres mammifères, il s’agit du système d’organes excréteurs formé par les unités fonctionnelles que sont les néphrons du rein. Lorsque le sang est filtré dans le rein, les sels, les ions, les déchets, l’ammoniac et l’excès d’eau sont éliminés et expulsés à intervalles réguliers, ce qui permet à l’organisme de maintenir l’homéostasie. S’il y a une augmentation de l’apport en eau, il y a une augmentation concomitante de l’élimination de l’eau par le système excréteur. Ce système est sous la régulation d’un réseau élaboré d’hormones et d’autres réponses physiologiques et garantit que toutes les cellules de l’organisme sont principalement exposées à un liquide extracellulaire isotonique. Les cellules présentes à l’interface avec le monde extérieur – qu’il s’agisse de la peau ou de la paroi du système digestif – sont protégées de la cytolyse par une couche hydrophobe composée soit d’huiles, soit de cires.
Occasionnellement, le système excréteur est débordé lorsqu’un organisme imbibe soudainement une grande quantité d’eau par rapport aux réserves de sel du corps. On parle alors d’intoxication hydrique et les symptômes proviennent de l’effet de cytolyse dans les cellules du cerveau.
- Système immunitaire adaptatif – Sous-ensemble du système immunitaire des vertébrés capable de mémoire immunologique. La deuxième exposition et les expositions ultérieures à un pathogène particulier évoquent des réponses rapides et spécialisées.
- Crénage – Contraction d’une cellule après exposition à une solution hypertonique.
- Tonicité – Mesure de la concentration relative des solutés dans deux solutions séparées par une membrane semi-perméable. La tonicité détermine la direction et l’étendue de la diffusion à travers la membrane.
- Pression de turgescence – Pression de l’eau poussant la membrane cellulaire contre la paroi cellulaire d’une cellule végétale.
Quiz
1. Laquelle de ces solutions provoquera une cytolyse des globules rouges ?
A. 0,9% NaCl
B. 1,5% NaCl
C. 0,4% NaCl
D. Eau de mer
2. Lequel de ces éléments N’induit PAS de cytolyse ?
A. Le placement des cellules dans un environnement hypertonique
B. Action des perforines sur les membranes cellulaires
C. Activité du complexe d’attaque membranaire par les protéines du complément
D. Perturbation de la structure membranaire par les virus
3. Laquelle de ces méthodes est utilisée par les amibes pour empêcher la cytolyse ?
A. Paroi cellulaire
B. Système d’organes excréteurs
C. Vacuole contractile
D. Toutes ces réponses
