[What is new in 2010 for electron microscopy in surgical pathology?].

In the last decades, several ancillary methods, such as immunohistochemistry and molecular biology techniques, have increased the possibilities for the diagnosis and to evaluate the prognosis of lesions observed in a laboratory of pathology. Conversely, the impact of another method largely used a couple of years ago in a laboratory of pathology, the electron microscopy (EM), is currently limited. EM is a difficult, quite expensive and long method, which requires technicians with a high qualification. Therefore, EM is currently rarely available at the hospital in a laboratory of pathology and is essentially established in research centers. However, EM is still an essential tool for the surgical pathologist. This method allows in some circumstances to confirm or, more rarely, to make the diagnosis of a couple of tissular and cellular lesions observed in human pathology. EM is also an interesting method to better understand the etiopathogenesis of emerging human diseases, in particular of emerging infectious diseases. In this review, we report the main indication of EM in human pathology, we lay special emphasize in certain infectious diseases and neoplasia. Copyright 2010 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Introduction

L’analyse ultrastructurale des lésions tissulaires et cellulaires observées chez l’homme a permis au fil des années de distinguer différentes entités anatomocliniques et aussi d’améliorer la connaissance physiopathologique des maladies. Ainsi, les premières caractérisations et distinctions de différentes tumeurs humaines peu différenciées ont pu se faire grâce à la microscopie électronique (ME). De la même façon, de nombreuses maladies dégénératives (élastopathies, connectivites, certaines neuropathies), de surcharge (amylose), ou métaboliques (glycogénoses, dyslipoïdoses) ont été initialement identifiées par des observations ultrastructurales [1]. Enfin, des agents pathogènes, en particulier viraux, mais aussi bactériens, parasitaires ou mycotiques, ainsi que les conséquences cellulaires de leurs infections ont été identifiés et caractérisés grâce à la ME [2], [3]. L’arrivée des techniques d’immuno-histochimie (IHC) et de biologie moléculaire (BM) a révolutionné l’approche diagnostique en pathologie depuis un peu plus d’une vingtaine d’années. Ces dernières méthodes son rapides, simples, standardisées et permettent actuellement le diagnostic de nombreuses lésions tissulaires et cellulaires humaines, en particulier dans le domaine de la pathologie tumorale, mais aussi de la pathologie infectieuse et de la pathologie métabolique [4]. Ces techniques ont aussi permis progressivement de déterminer le pronostic tumoral et, plus récemment, de pouvoir prédire la réponse tumorale à des thérapeutiques ciblées. Ainsi, l’approche ultrastructurale des lésions a été brutalement supplantée par l’IHC et la BM. La ME est donc très peu, voire non utilisée dans la plupart des laboratoires d’anatomopathologie en France. Cette approche est en effet considérée comme fastidieuse, onéreuse et difficile. Elle n’est pas automatisée et nécessite la présence d’un personnel technique hautement qualifié. De plus, l’expertise morphologique des images ultrastructurales est souvent longue et délicate. Le peu, voire l’absence totale, de formation des jeunes pathologistes à la ME entraîne la disparition progressive des compétences pour l’interprétation de ces images. Ainsi, les microscopes électroniques ont déserté les laboratoires hospitaliers d’anatomopathologie et se trouvent le plus souvent implantés dans des centres de recherche universitaire dans lesquels, au mieux, les pathologistes disposent d’un accès limité. L’analyse en ME devient alors essentiellement utilisée pour des approches expérimentales animales et surtout in vitro (cultures cellulaires). On doit ainsi se poser la question de l’apport actuel de la ME pour les pathologistes en 2009.

L’objectif de cette revue est de montrer que, dans certaines indications, la ME reste un outil très précieux dans le domaine de la pathologie médicale. Nous l’illustrerons à travers différents exemples tirés de la pathologie tumorale et non tumorale (Tableau 1 ). Cette revue n’a pas le souci de présenter de manière exhaustive toutes les indications actuelles de la ME en pathologie humaine, mais a pour but de montrer que cette méthode peut soit permettre, à elle seule, de faire un diagnostic, soit contribuer ou permettre un diagnostic suspecté par d’autres techniques. Enfin, nous insisterons sur le rôle que la ME peut continuer à jouer pour améliorer la connaissance physiopathologique des maladies humaines.

Tableau 1

Principales indications actuelles de la microscopie éléctronique en pathologie humaine.

Main indications of electron microscopy in human pathology.

Maladies infectieuses

Virus

Bactéries

Bartonella sp.

Maladie de Whipple

Parasites

Microsporidies sp., Cyclospora sp.

Champignons

Penicillium marneffei

Maladies néoplasiques

Bénignes

Histiocytoses langerhansiennes

Malignes

Mélanome achromique

Carcicome indifférencié

Maladies dégénératives et congénitales

Pathologie de la jonction dermoépidermique

Dyskinésies ciliaire

Dystrophies musculaires

Glomérulopathies héréditaires

Maladies de surcharge et maladies métaboliques

Amylose et autres maladies de dépôts d’immunoglobulines mono- ou polyclonales

Maladies iatrogènes (toxicité médicamenteuse)

Apport de la microscopie électronique en pathologie infectieuse

C’est certainement dans le domaine de la pathologie infectieuse que la ME a permis chez l’homme une identification plus précise de nombreuses maladies. Ainsi, la ME a apporté et apporte encore une contribution importante dans le diagnostic de certaines infections virales, mais aussi bactériennes, mycotiques et parasitaires [5], [6]. En ce qui concerne la pathologie virale, de nombreux virus pathogènes pour l’homme ont bénéficié initialement d’une identification ultrastructurale très précise à partir de tissus ou de cellules. La morphologie des virus est résistante à la fixation formolée. Ils peuvent ainsi être observés dans des tissus inclus en paraffine. De nombreux virus comme celui de la rage, le cytomégalovirus mais aussi différents virus émergents ont été analysés en ultrastructure (Fig. 1 ) [7], [8]. De façon remarquable, l’identification de certains virus par une méthode ultrastructurale a même parfois précédé leur identification moléculaire. Les deux exemples les plus spectaculaires sont ceux du virus de l’immunodéficience humaine (VIH) et du virus du coronavirus [9], [10]. Actuellement, l’optimisation des méthodes (en utilisant notamment une coloration négative) peut permettre un diagnostic ultrastructural d’infection virale dans un délai très rapide (moins de 30 minutes !) [11]. Certains parasites de petite taille ont aussi été analysés et caractérisés initialement grâce à la ME. Ainsi, les microsporidies (en particulier, Enterocytozoon bieneusii, Nosema spp., Encephalitozoon hellem, Vittaforma cornea, Trachipleistophora hominis, Septata intestinalis), Isospora belli, Cyclospora cayatenesis, Cryptosporidium parvum, sont bien identifiés en ultrastructure (Fig. 2 A–D) [12], [13]. Bien d’autres parasites, en particulier chez le patient VIH positif, ont été également analysés en ME (Fig. 2E et F) [14], [15], [16], [17], [18], [19]. Certaines bactéries sont parfois identifiées en ME [20]. Ainsi, au cours de la malacoplaquie, maladie initialement étiquetée comme étant d’origine tumorale, des structures bactériennes plus ou moins dégradées sont observées dans les macrophages (Fig. 3A). Bartonella sp., responsable notamment des lésions d’angiomatose bacillaire chez le patient VIH positif, est bien caractérisé par la présence d’une membrane plasmique trilamellaire (Fig. 3B) [21]. Des bactéries digestives, comme celles responsables de la maladie de Whipple, ont été initialement identifiées en ME (Fig. 3C) [20], [22]. Des bactéries sont également mise en évidence dans des biopsies effectuées pour une analyse ultrastructurale en l’absence d’éléments cliniques d’orientation étiologique (Fig. 3D). Parmi les différents agents mycotiques, Penicillium marneffei peut être bien reconnu grâce à une étude ultrastructurale [23]. D’une façon plus générale, la ME peut aussi permettre de détecter et de caractériser des agents pathogènes dans des sites tissulaires et cellulaires très inhabituelles ou bien de découvrir parfois des co-infections, notamment chez le patient immunodéprimé (Fig. 3E) [21].

Figure 1

Exemples en pathologie virale. A. Infection à Cytomegalovirus (× 1500 ; encart : × 4500). B. Infection à Rhabdovirus (× 2400 ; encart : × 9800) . C. Infection à Coronavirus (× 2900). D. Infection à Adenovirus (× 1800 ; encart : × 3200).

Examples in viral pathology. A. Cytomegalovirus infection (× 1500; inset: × 4500). B. Rhabdovirus infection (× 2400; inset: × 9800). C. Coronavirus infection (× 2900). D. Adenovirus infection (× 1800; inset: × 3200).

Figure 2

Exemples en pathologie parasitaire. A et B. Infection à microsporidies (Enterocytozoon bieneusii) montrant de nombreuses spores dans une cellules épithéliale intestinale (A × 1400 ; B × 4500). C et D. Infection intestinale à Cryptosporidium parvum (C × 2500 ; D × 4600). E. Infection de la moelle osseuse par Toxoplasma gondii. Presence de trophozoites libres dans un myélocyte (× 4900). F. Infection d’un globule rouge par Plasmodium falciparum (× 2600).

Examples in parasitic infection. A and B. Microsporidium infection (Enterocytozoon bieneusii) showing numerous spores in an intestinal epithelial cell (A × 1400 ; B, × 4500). C and D. Intestinal infection caused by Cryptosporidium parvum (C × 2500; D × 4600). E. Bone marrow infection caused by Toxoplasma gondii. Presence of free trophozoites inside a myelocyte (× 4900). F. Infection of a red blood cell by Plasmodium falciparum (× 2600).

Figure 3

Exemples en pathologie bactérienne. A. Malacoplaquie rénale. Présence de bactéries (Escherichia coli) dans le cytoplasme des macrophages (× 1800 ; encart : × 2500). B. Angiomatose bacillaire cutanée. Présence de bactéries dans l’interstitium possédant une paroi trilamellaire caractéristique de Bartonella sp. (× 1800 ; encart : × 3500). C. Maladie de Whipple (× 5000). D. Myocardite à cocci (Staphylococcus aureus) (× 1200 ; encart : × 2800). E. Coinfection intestinale à mycobacteries (Mycobacterium avium intracellulare) (flèches) et à leishmaniose (Leishmania infantum) (têtes de flèche) (× 4500).

Examples in bacterial infection. A. Kidney malacoplakia. Bacteria (Escherichia coli) within the cytoplasm of macrophages ( × 1800; inset: × 2500). B. Cutaneous bacillary angiomatosis. Bacteria are seen in the intestitium and showed a typical trilamellar membrane characteristic of Bartonella sp. (× 1800; inset: × 3500). C. Whipple disease (× 5000). D. Myocarditis caused by cocci (Staphylococcus aureus) (× 1200; inset: × 2800). E. Intestinal coinfection caused by Mycobacteria sp. (Mycobacterium avium intracellulare) (arrows) and Leishmania sp. (Leishmania infantum) (arrowheads) (× 4500).

Apport de la microscopie électronique en pathologie tumorale

L’IHC a révolutionné le diagnostic des tumeurs en anatomopathologie et a fait ainsi disparaître la quasi-totalité des indications de la ME en pathologie tumorale [24], [25]. La plupart des structures caractéristiques révélées par la ME et utilisées comme marqueurs diagnostiques peuvent aujourd’hui être mises en évidence de manière beaucoup plus rapide, simple, économique et reproductible par les techniques immuno-histochimiques qui identifient la présence des protéines spécifiques associées à ces structures. Citons quelques exemples. La mise en évidence de filaments intermédiaires et des desmosomes a été pendant longtemps un bon moyen pour identifier les carcinomes peu différenciés et les distinguer des autres tumeurs, en particulier des sarcomes (Fig. 4 A). Aujourd’hui, les mêmes informations peuvent être obtenues par la mise en évidence des protéines constitutives de ces structures caractéristiques des cellules épithéliales, comme les cytokératines, constituants moléculaires des tonofilaments et les protéines comme les desmoplakines et la desmogléine, constituants des desmosomes. L’IHC puis la BM ont également « balayé » les indications de la ME pour identifier les différents types de sarcomes ou certains types d’hémopathies, comme les leucémies à tricholeucocytes et les hémopathies à lymphocytes villeux [26], [27]. Toutefois, la ME peut encore apporter des informations complémentaires à l’IHC dans certaines néoplasies [28], [29]. Ainsi, l’observation de structures plus ou moins matures correspondant à des grains neurosécrétoires peut permettre d’identifier des tumeurs neuroendocrines peu différenciées pour lesquelles l’IHC peut être moins contributive (Fig. 4B). La présence de mélanosomes peut aussi exceptionnellement permettre aujourd’hui l’identification d’un mélanome, en particulier pour certaines tumeurs muqueuses achromiques (Fig. 4C et D). La ME peut encore aider au diagnostic différentiel entre un mésothéliome malin et un adénocarcinome, au diagnostic de certaines tumeurs rhabdoïdes, de rares tumeurs à cellules rondes de l’enfant et d’histiocytose langheransienne (Fig. 4E et F) [30], [31], [32], [33].

Figure 4

A. Carcinome peu différencié de la thyroide chez un enfant. Présence d’un desmosome (flèche) et de filaments intermédiaires (cytokératine) (tête de flèche) (× 4500). B. Carcinome neuroendocrine peu différencié primitif du larynx. Présence de grains neurosécrétoires (fléches) (× 1800). C et D. Mélanome malin cliniquement achromique de la muqueuse nasale. Présence de quelques mélanosomes (flèches) (C × 1800 ; D × 6700). E et F. Histiocytose langheransienne de la thyroïde. Présence de granules de Birbeck dans le cytoplasme (flèches) (E × 3400 ; F × 7000).

A. Poorly differentiated carcinoma of the thyroid gland in a child. Presence of a desmosome (arrow) and of intermediate filaments (cytokeratine) (arrowhead) (× 4500). B. Poor differentiated neuroendocrine tumour of the larynx. Presence of neurosecretory granules (arrows) (× 1800). C and D. Achromic melanoma of the nasal cavity. Presence of a few melanosoma (arrows) (C × 1800; D × 6700). E and F. Langherans histiocytosis of the thyroid gland. Presence of Birbeck bodies within the cytoplasm (arrows) (E × 3400 ; F × 7000).

Apport de la microscopie électronique en pathologie non infectieuse et non tumorale

Ce domaine regroupe des maladies humaines très hétérogènes, en particulier, les pathologies de surcharge, dégénératives et iatrogènes. Certains grands mécanismes de mort cellulaire, comme l’apoptose ou l’autophagie, ont été d’abord analysés par la ME (Fig. 5 A et B) qui reste la technique de référence pour démontrer leur implication en pathologie [34], [35]. Un certain nombre de myopathies et de neuropathies périphériques bénéficient encore à ce jour de l’apport de la ME pour être mieux caractérisées et la ME reste également un outil privilégié pour analyser les anomalies de la jonction neuromusculaire (Fig. 5C) [36], [37], [38], [39]. La ME a permis de mieux identifier les dépôts d’amylose et des plaques amyloïdes dans des maladies neurodégénératives, comme celles observées dans la maladie d’Alzheimer (Fig. 5C et D). De la même façon, avant le développement des analyses moléculaires et génétiques, les glycogénoses et les dyslipoïdoses étaient identifiées, diagnostiquées et classées essentiellement grâce aux images observées en ME.

Figure 5

A. Polynucléaires neutrophiles en apoptose montrant des noyaux condensés et fragmentés (fléches) (× 1250). B. Images d’autophagie dans un polynucléaire neutrophile (× 1600 ; encarts ; × 3800). C. Dépôt d’amylose dans une biopsie nerveuse (× 2600 ; encart ; × 5000). D. Dépôt de corps dense dans une biopsie de muscle strié squelettique (× 3900).

A. Apoptotic neutrophils showing dense and fragmentated nuclei (arrows) (arrows) (× 1250). B. Autophagic features in a neutrophil (× 1600; insets; × 3800). C. Amyloidosis deposit in a nerve biopsy (× 2600; inset: × 5000). D. Dense bodies in striated muscle biopsy (× 3900).

La ME reste le seul outil efficace pour analyser des structures dont l’étude nécessite un niveau de résolution très poussé et/ou dont la composition est trop complexe pour se prêter facilement à une étude immuno-histochimique. C’est évidemment le cas des organites intracellulaires et des spécialisations de la membrane plasmique, que la ME a contribué à identifier et à décrire, mais aussi de certaines différenciations tissulaires complexes, comme les lames basales, voire de certaines structures histologiques, comme le glomérule rénal ou la paroi du sinusoïde hépatique, dont l’étude de la pathologie et de la physiopathologie continue encore à nécessiter une approche ultrastructurale [40], [41], [42] (Fig. 6 ). En conséquence, la ME peut être très utile pour le diagnostic de certaines maladies rénales, en particulier les glomérulopathies héréditaires ou associées à des dépôts d’immunoglobulines mono- ou polyclonales, pour celui des dyskinésies ciliaires et dans certains cas d’infertilité masculine (centriolopathie et anomalies des spermatozoïdes) [43], [44], [45].

Figure 6

Ultrastructure de la paroi du sinusoïde hépatique à l’état normal et en pathologie. À l’état normal (A et C), la paroi du sinusoïde hépatique est formée par un revêtement endothélial (flèches, E) discontinu et fenêtré qui sépare la lumière du sinusoïde hépatique (S) des hépatocytes adjacents (H). L’espace périsinusoïdal, ou espace de disse (D), est dépourvu de lame basale identifiable. L’immunohistochimie ultrastructurale (B) confirme que les cellules endothéliales expriment la protéine CD34. En cas de fibrose et de cirrhose (D), la paroi sinusoïdale se capillarise, ce qui se traduit notamment par l’apparition d’une lame basale sous-endothéliale (flèches) et la disparition du caractère fenêtré des cellules endothéliales. A × 12 000 ; B × 16 000 ; C × 20 000 ; D × 18 000.

Ultrastructure of the hepatic sinusoid, in health and disease. In the normal state (A and C), the wall of the hepatic sinusoid is formed by a discontinuous and fenestrated endothelial lining (arrows, E) which separates the vascular lumen (S) from the adjacent hepatocytes (H). The perisinusoidal space, or space of Disse (D), is devoided of visible basement membrane. Ultrastructural immunohistochemistry (B) confirms the expression of CD34 protein by sinusoidal liver endothelial cells. During fibrosis and cirrhosis (D), the process of sinusoidal capillarization is associated with the development of a basement membrane (arrows) and the diseappearance of endothelial fenestrations. A × 12000; B × 16000; C × 20000; D × 18000.

Certaines altérations cellulaires liées à des toxiques et à des médicaments sont détectables de façon très caractéristiques en ME. Rappelons la contribution essentielle de la ME à l’analyse des lésions toxiques des hépatocytes et à la compréhension des mécanismes pathogéniques en cause [46]. Aujourd’hui, l’effet iatrogène de la cordarone dans les cellules isolées des liquides de lavage bronchoalvéolaires ou l’atteinte mitochondriale liées à certains antirétroviraux comme l’azidothymidine donnent des images ultrastructurales très caractéristiques [47]. Enfin, certaines anomalies de la kératinisation de l’épiderme ou de la jonction dermoépidermique, souvent associées à des maladies congénitales, sont caractérisées par la ME, qui reste pour certains la technique de référence pour faire leur diagnostic [48], [49], [50], [51].

Perspectives

À travers les quelque exemples cités plus haut, il est donc certain que l’analyse ultrastructurale en pathologie humaine reste un domaine d’expertise indispensable à conserver dans notre discipline (Tableau 1). Le maintien de cette expertise nécessite une formation spécifique des pathologistes. Il est donc regrettable que cette formation tende à disparaître complètement du cursus universitaire des jeunes pathologistes, ce qui contribue encore d’avantage à l’abandon progressif de cet outil diagnostique en anatomopathologie. Les nouvelles orientations économiques du secteur public ne favorisent guère le maintien d’un équipement de ce type dans le cadre de l’offre de soins aux patients, ainsi que celui d’un personnel technique hautement qualifié uniquement dédié à cette activité. Toutefois, il est incontournable que les pathologistes puissent avoir la possibilité de faire des analyses ultrastructurales dans des cas bien ciblés et sur des indications bien posées [52]. En effet, la confrontation des images observées en ME, avec celles observées en microscopie optique, les résultats des analyses immuno-histochimiques et/ou moléculaires et les données cliniques, est parfois d’un apport diagnostique important et doit être du domaine de l’expertise médicale [53]. Ainsi, au-delà de la nouvelle compréhension physiopathologique de certaines maladies, comme celles impliquant par exemple l’autophagie, la ME peut encore être aujourd’hui très utile dans certaines indications diagnostiques, notamment celles liées à une maladie infectieuse, tumorale ou bien congénitale [11], [54], [55], [56], [57], [58], [59]. Un des moyens les plus efficaces pour pallier la diminution inéluctable du nombre de pathologistes possédant des compétences en ME est de créer un réseau de centres experts en ultrastructure et d’optimiser la télépathologie afin d’obtenir un diagnostic rapide [60].

Conflit d’intérêt

Les auteurs déclarent l’absence de tout conflit d’intérêt en ce qui concerne ce manuscrit.