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Phagocytose, le processus par lequel les cellules immunitaires innées engloutissent de grosses particules, a évolué à partir du mécanisme alimentaire des organismes unicellulaires, et implique de se lier à une cible, de l’envelopper d’une membrane et de pincer la membrane pour former une vacuole dans le cytosol appelée phagosome. Alors que la membrane phagosomale est dérivée de la membrane plasmique, le tri actif des protéines et des lipides, ainsi que la fusion avec les endomembranes lors de la formation du phagosome, transforment le phagosome en un organite distinct au sein de la cellule avec des propriétés dégradantes qui permettent la destruction, la neutralisation et la décomposition du matériel ingéré1-3. Ce processus, appelé maturation phagosomale, repose sur l’administration d’une foule d’enzymes protéolytiques et microbicides, y compris la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH) oxydase qui transfère des électrons dans les phagosomes produisant l’oxydant fort O2- et son dérivé l’espèce réactive de l’oxygène (ROS) 2,4.
Le pH luminal des phagosomes a une influence profonde sur plusieurs événements nécessaires à la fonction des phagosomes. Tout d’abord, le pH influence le trafic des endomembranes en général, car les changements conformationnels dépendants du pH des régulateurs du trafic transmembranaire modifient le recrutement des déterminants du trafic tels que Arfs, Rabs et les protéines de l’enveloppe vésiculaire, qui à leur tour définissent quelles vésicules peuvent fusionner avec les phagosomes 5 à 8. Deuxièmement, la composition ionique de la lumière phagosomale est également transformée à mesure que les phagosomes mûrissent, et certains transporteurs d’ions, tels que l’échangeur Na+/H+ ou les antiporteurs Cl-/H+ de la famille ClC, qui favorisent la fonction phagocytaire, reposent sur la translocation H+ 9,10. De même, la production de ROS est intimement liée au pH phagosomal. Les ROS et leurs sous-produits oxydants toxiques sont depuis longtemps reconnus comme cruciaux pour la destruction des phagosomes dans les neutrophiles 4, 11, 12, et il a été démontré qu’ils jouent un rôle essentiel dans d’autres phagocytes, notamment les macrophages, les cellules dendritiques (DC) et les amibes 13-16. La NADPH oxydase est une enzyme électrogène qui libère H+ dans le cytosol lorsque le NADPH est consommé, et qui nécessite le transfert simultané de H+ à travers les canaux HVCN1 compagnons le long des électrons transportés dans la lumière phagosomale, afin d’atténuer la dépolarisation massive qui conduirait autrement à l’auto-inhibition de l’enzyme 17-21. Enfin, plusieurs enzymes protéolytiques ont une activité optimale à différents pH, de sorte que les changements de pH phagosomal en fonction du temps peuvent influencer quelles enzymes sont actives et quand. L’importance du pH phagosomal est mise en évidence par des organismes tels que Mycobacterium tuberculosis, Franciscella tularensis et Salmonella typherium qui subvertissent la destruction phagosomale au moins en partie en modifiant le pH phagosomal de 22 à 24.
Chez les mammifères, les principaux phagocytes sont les neutrophiles, les macrophages et les cellules dendritiques, et selon le type de cellule, les changements de pH phagosomal en fonction du temps peuvent varier considérablement et semblent jouer des rôles différents. Dans les macrophages, une acidification forte et rapide médiée par la pompe à protons vacuolaire ATPase (V-ATPase) dépendante de l’ATP est l’un des facteurs clés médiant la destruction 25-27, ressemblant aux mécanismes présents dans les amibes qui utilisent la phagocytose comme mécanisme alimentaire 28. Dans ces cellules, on pense que l’activation des protéases acides joue un rôle clé. En revanche, la destruction des neutrophiles repose davantage sur les ROS ainsi que sur le HOCl produit par la myéloperoxydase (MPO)11, et le pH reste neutre ou alcalin pendant les 30 premières minutes, ne s’acidifiant que plus tard 29,30. Un pH neutre a été suggéré pour favoriser l’activité des protéases oxydatives telles que certaines cathepsines. Dans les DC, le pH phagosomal est controversé, certains signalant une acidification et d’autres un pH neutre ou alcalin de 31,32, mais les ROS et le pH peuvent profondément influencer la capacité de ces cellules à présenter des antigènes aux lymphocytes T, l’une de leurs principales fonctions 33.
Il est important de noter que les hormones, les chimiokines et les cytokines peuvent produire des événements de signalisation qui induisent la maturation et des changements dans le comportement des phagocytes, et influencent à leur tour le pH phagosomal 34,35. De même, des médicaments, par exemple l’antipaludique chloroquine, qui est également envisagé pour les thérapies anticancéreuses 36, peuvent affecter le pH phagosomal et donc les résultats immunitaires. Ainsi, une variété de biologistes cellulaires, d’immunologistes, de microbiologistes et de développeurs de médicaments peuvent s’intéresser à la mesure du pH phagosomal lorsqu’ils cherchent à comprendre les mécanismes sous-jacents aux effets d’une perturbation génétique, d’un composé bioactif ou d’un micro-organisme particulier sur les réponses immunitaires innées et adaptatives.
Nous décrivons ici une méthode de mesure du pH phagosomal dans les neutrophiles qui nous a permis de montrer l’importance du canal HVCN1 dans la régulation du pH phagosomal 19 des neutrophiles. La méthode est basée sur la propriété ratiométrique de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) dont l’émission de fluorescence à 535 nm est sensible au pH lorsqu’elle est excitée à 490 nm mais pas à 440 nm 37. Lorsque ce colorant est couplé chimiquement à une cible, dans ce cas le zymosan, il peut être suivi à l’aide de la microscopie à fluorescence à champ large, où les cellules sont imagées pendant qu’elles phagocytent, et les changements de pH phagosomal sont mesurés en temps réel à mesure que le phagosome mûrit. Le pH réel est ensuite glané en effectuant une expérience d’étalonnage où les cellules qui ont phagocyté sont exposées à des solutions de pH différents contenant les ionophores nigéricine et monensin, qui permettent l’équilibre rapide du pH dans les phagosomes avec la solution externe. Les valeurs de rapport sont ensuite comparées au pH connu des solutions, une courbe d’étalonnage est construite par régression non linéaire et l’équation résultante est utilisée pour calculer le pH à partir de la valeur du rapport.