En spécialité SVT de première (nouveau programme), avec le logiciel NetBioDyn

Pédagogie inversée autour de la réaction inflammatoire aiguë Modèle scientifique versus modèle numérique

Le déclenchement de la réaction inflammatoire aiguë met en jeu une cascade d’événements liés dont la construction par les élèves s’avère délicate.
Dans l’esprit d’une classe inversée, on donne préalablement aux élèves un modèle scientifique de déclenchement de la réaction inflammatoire aiguë. Pendant la classe, différentes ressources -dont des modélisations numériques d’expériences non réalisables au lycée- sont proposées afin de conforter le modèle.

Liaison avec le programme

On se situe au tout début de la partie "Le fonctionnement du système immunitaire humain" dans le thème "Corps humain et santé" du programme de spécialité SVT de première.
Programme de spécialité SVT de première - L’immunité innée

ConnaissancesCapacités, attitudes
L’immunité innée existe chez tous les animaux. Elle opère sans apprentissage préalable. Elle est génétiquement déterminée et présente dès la naissance.
Elle repose sur des mécanismes de reconnaissance et d’action très conservés au cours de l’évolution : une dizaine de types cellulaires différents (récepteurs de surface pour la reconnaissance de motifs étrangers partagés par de nombreux intrus) et une centaine de molécules circulantes (interleukines pour la communication entre cellules). Très rapidement mise en œuvre et présente en tout point de l’organisme, l’immunité innée est la première à intervenir lors de situations variées (atteintes des tissus, infection, cancérisation). C’est une première ligne de défense immunitaire qui agit d’abord seule puis se prolonge pendant toute la réaction immunitaire. La réaction inflammatoire est essentielle. Elle traduit l’accumulation de molécules et de cellules immunitaires au lieu d’infection ou de lésion. Aigüe, elle présente des symptômes stéréotypés (rougeur, chaleur, gonflement, douleur). Elle prépare le déclenchement de l’immunité adaptative.
Recenser, extraire et exploiter des informations, sur les cellules et les molécules impliquées dans la réaction inflammatoire aiguë. Observer et comparer une coupe histologique ou des documents en microscopie avant et lors d’une réaction inflammatoire aiguë. Observer la phagocytose par des cellules immunitaires (macrophages). Recenser, extraire et exploiter des informations, y compris expérimentales, sur les effets de médicaments antalgiques et anti-inflammatoires.

Avant la classe

La réaction inflammatoire observée à la suite d’une plaie ou d’une infection met en jeu des symptômes stéréotypés (rougeur, chaleur, gonflement, douleur). Le déclenchement de la réaction inflammatoire aiguë est orchestré par des acteurs cellulaires et moléculaires selon un modèle proposé par les scientifiques :

Modèle de déclenchement de la réaction inflammatoire aiguë

Il s’agit ici de proposer aux élèves, avant la séance, de découvrir les différents aspects de ce modèle scientifique :

Modèle scientifique de déclenchement de la RIA
Un QCM est proposé pour repérer les éventuelles difficultés des élèves à la suite à ce qui est donné à étudier avant la classe.
Remarque : de mutiples outils existent pour créer des QCM en ligne. On peut citer par exemple Netquizweb,Socrative, Quizinière, ou tout simplement les applications offertes par l’ENT Mon lycee.net

QCM - Choisir l’unique proposition exacte pour chaque question :
1. La réaction inflammatoire est déclenchée :
o par l’action de cellules sans faire intervenir aucune molécule
o par l’action de molécules sans faire intervenir aucune cellule
o par l’intervention de cellules qui résident toutes dans le sang
o par l’intervention de cellules dites sentinelles
2. Lors d’une réaction inflammatoire, un agent infectieux est détecté :
o parce qu’il possède des récepteurs de surface
o parce qu’il possède des signatures moléculaires de pathogène
o parce qu’il est rouge, gonflé, chaud et douloureux
o parce qu’il a la même composition que les cellules de l’organisme
3. Les cellules dites sentinelles, qui interviennent lors de la réaction inflammatoire :
o résident toutes dans les tissus
o résident toutes dans le sang
o sécrètent des médiateurs chimiques de l’inflammation
o suppriment les symptômes aigus de l’inflammation

4. Les médiateurs chimiques de l’inflammation :
o sont, par exemple, l’histamine, les interleukines et la prostate
o provoquent les quatre symptômes de la réaction inflammatoire aiguë
o détruisent l’agent infectieux
o sont fabriqués par un type cellulaire et un seul

Pendant la classe

Matériel et ressources

  • Matériel d’observation  : Microscope optique et lame de frottis sanguin
  • Images  : Coupe histologique de peau lors d’une réaction inflammatoire
    Coupe de peau de souris pendant une réaction inflammatoire
  • Planche des cellules immunitaires
    Planche des cellules immunitaires
  • Ressources informatiques :
    — > Logiciel NetBioDyn
    kit pour installer le logiciel NetBioDyn


    NetBioDyn est un environnement permettant la modélisation et la simulation de mécanismes biologiques complexes. Dans NetBioDyn, un agent est une entité informatique représentant une entité biologique au travers de comportements et d’interactions. Tous les agents sont plongés au sein d’un même environnement afin d’étudier et d’observer l’évolution du système biologique modélisé au cours du temps. NetBioDyn permet de faire tourner des modèles ou de créer de nouveaux modèles.

— > Une collection de modèles numériques permettant de reproduire des expériences non réalisables au lycée, mais réellement menées par les immunologistes :

Description des modèles numériques
Nom du modèleConditions expérimentales reproduites par le modèle
dendritic_cell.nbd
1 Mesure de la proportion de cellules dendritiques mobiles dans un derme avant et après injection de billes en plastique ou d’un ver parasite. Référence : un derme sain contient environ 80% de cellules dendritiques mobiles.
macrophages_in_vitro.nbd
2 Mesure de la concentration en interleukine dans le milieu de culture de macrophages sentinelles en présence du virus de l’herpès chez des souris témoins et chez des souris possédant des récepteurs de surface mutés.
mastocytes.nbd
3 Mesure de la quantité d’histamine et de prostaglandine libérées dans le milieu de culture de mastocytes au repos et de mastocytes après contact avec des bactéries.
action-histamine.nbd
4 Mesure de la fluorescence dans les tissus proches des vaisseaux sanguins irriguant le muscle d’une souris, après injection (t=0) d’un colorant fluorescent dans la circulation sanguine puis application d’histamine à (t=30 minutes) dans le muscle.

Enoncé du travail

On veut montrer que les données histologiques et les résultats des expériences simulées dans les modèles numériques plaident en faveur du modèle de déclenchement de la réaction inflammatoire aiguë proposé par les scientifiques.

Aide à la résolution

Exploitation des images de peau et du matériel d’observation
Rechercher dans le sang une cellule semblable à celle apparue dans la peau lors de la réaction inflammatoire aiguë. Confirmer l’identité de cette cellule à l’aide de la planche des cellules immunitaires.
Utilisation des modèles numériques
Reproduire avec chaque modèle les conditions de l’expérience que le modèle simule. Après avoir fait fonctionner chaque modèle numérique, indiquer sa référence (numéro) sur le document référent (modèle des scientifiques) à l’emplacement de la (des) notion(s) qu’il permet de conforter.

Pendant la classe - Un exemple de déroulement de l’activité

L’EXPLOITATION DES DONNÉES HISTOLOGIQUES

La coupe de peau de souris prélevée lors de la réaction inflammatoire montre la présence de nombreuses cellules qui étaient absentes dans la peau saine et qu’il faut identifier. Or, selon le modèle des scientifiques, il y a « migration des granulocytes depuis le sang vers le lieu de l’infection ». On doit donc, pour conforter le modèle, vérifier à l’aide de la planche des cellules immunitaires que les cellules apparues en nombre dans la peau lors de la réaction inflammatoire sont des granulocytes et s’assurer de leur présence dans le frottis sanguin. C’est bien le cas :

Présence de granulocytes, cellules sanguines, dans la peau lors de la réaction inflammatoire

L’EXPLOITATION DES MODÈLES NUMÉRIQUES

- le modèle dendritic_cell.nbd

Dans l’expérience modélisée, la variable est la nature de l’élément étranger introduit dans le derme sain. Le témoin est le derme sain contenant 80% de cellules dendritiques mobiles. Le phénomène mesurable est la variation du pourcentage de cellules dendritiques mobiles dans le derme.

Deux exemples de simulations et leurs résultats :

— > avec injection de 10 vers parasites dans le derme :

Variation des effectifs des cellules dendritique mobiles et des cellules dendritiques immobiles au cours du temps, en présence de vers parasites

— > avec injection de 10 billes en plastique dans le derme :

Variation des effectifs des cellules dendritique mobiles et des cellules dendritiques immobiles au cours du temps, en présence de billes en plastique

On déduit de ces résultats que les cellules dendritiques surveillent les tissus et sont capables de détecter les éléments étrangers (notion de cellules "sentinelles" résidentes des tissus). Au contact d’un élément étranger, elles s’immobilisent. Ce comportement est particulièrement manifeste si l’élément étranger est d’origine biologique : un argument en faveur des signatures moléculaires des pathogènes suggérés par le modèle ?

- le modèle macrophages_in_vitro.nbd

Dans l’expérience modélisée, la variable est la nature des macrophages (normaux ou déficients en PRR). Le témoin est la réponse des macrophages normaux au contact du virus de l’herpès. Le phénomène mesurable est la sécrétion de TNF par les macrophages.

Deux exemples de simulations et leurs résultats :

— > Dans un milieu contenant 50 macrophages de souris normale, introduction de 10 particules du virus de l’herpès à t=200 tics :

Variation mesurée de la quantité d’interleukines dans le milieu de culture des macrophages

— > Dans un milieu contenant 50 macrophages de souris mutante pour un récepteur de surface, introduction de 10 particules du virus de l’herpès à t=200 tics. Aucune sécrétion d’interleukines n’est observée.

On déduit de ces résultats que les macrophages, autre exemple de cellules "sentinelles" résidentes des tissus, reconnaissant l’élément étranger grâce à leurs récepteurs de surface et que cette reconnaissance déclenche la sécrétion d’intreleukines.

- le modèle mastocytes.nbd

Dans l’expérience modélisée, la variable est la présence ou non de bactéries dans le milieu de culture des mastocytes. Le témoin est la réponse des mastocytes en l’absence de bactéries. Le phénomène mesurable est la sécrétion d’histamine et de prostaglandines par les mastocytes.

Un exemple de simulation et son résultat :

Dans un milieu contenant 50 mastocytes, introduction de 10 bactéries à t=200 tics :

variations mesurées de la quantité d’histamine et de prostaglandines dans le milieu de culture des mastocytes

On déduit de ces résultats que les mastocytes, autre exemple de cellules "sentinelles" résidentes des tissus, sécrètent de l’histamine et des prostaglandines en très grande quantité lorsqu’ils rencontrent un élément étranger.

- le modèle action-histamine.nbd

Dans l’expérience modélisée, la variable est l’application ou non d’histamine sur le muscle. Le témoin est le résultat avant application d’histamine. Le phénomène mesurable est la manifestation de la fluorescence dans les tissus proches des vaisseaux sanguins irriguant le muscle.

Un exemple de simulation et son résultat :

Dans le corps de la souris, injection de 30 unités de colorant fluorescent à t=0.

à t=0 : injection sanguine d’un colorant fluorescent

À t=300 tics, application d’histamine sur le muscle :

t= 300 tics : application d’histamine sur le muscle
Résultat à t =2000 tics

Le graphique des résultats à t=2000 tics :

Fluorescence mesurée dans les tissus proches des vaisseaux sanguins irriguant le muscle

On déduit de ces résultats que l’histamine a provoqué un flux de plasma (augmentation de la perméabilité vasculaire) depuis le sang périphérique vers les tissus. Il s’agit d’une molécule vasoactive.

Finalement, l’exploitation des quatre modèles numériques aura permis de conforter (et, pourquoi pas, de mémoriser ?) une proportion intéressante des notions exprimées dans le modèle des scientifiques :

Le modèle des scientifiques versus les quatre modèles numériques (les numéros entre parenthèses sont les références des expériences qui corroborent le modèle scientifique)

Remarques

- Afin de contenir l’exploitation de toutes les ressources dans le temps imparti pour la séance de TP (2 heures), il peut être intéressant de répartir le travail sur les différents modèles numériques entre différents groupes.
- Pour faciliter l’exploration du frottis sanguin (et donc éviter la casse !) et la prise en main des modèles numériques, une sorte de vademecum peut être proposé aux élèves :

Exemple de vademecum


- Pour une bonne prise en main d’un modèle numérique reproduisant une expérience, on peut recommander aux élèves de lire attentivement sa description puis de simuler l’expérience reproduite par le modèle. On peut même proposer un QCM de vérification de la bonne compréhension et de la bonne utilisation des modèles numériques. En voici un exemple, avec une ou plusieurs proposition(s) exacte(s) par question :

1. Dans l’expérience reproduite par le modèle dendritic-cell.nbd :

    • les cellules dendritiques s’immobilisent autant en présence de vers parasites qu’en présence de billes en plastique
    • les billes en plastique représentent des entités porteuses de signatures du pathogène, à la différence des vers parasites
    • les vers parasites représentent des entités porteuses de signatures du pathogène, à la différence des billes en plastique
    • Initialement, toutes les cellules dendritiques présentes dans le derme sont mobiles
      2. Dans l’expérience reproduite par le modèle macrophages_in_vivo.nbd :
    • il est pertinent de faire une mesure avec les macrophages de souris témoins normaux et une autre avec les macrophages de souris dont les récepteurs de surface sont mutés
    • on prouve que les récepteurs de surface sont indispensables pour qu’un macrophage en présence du pathogène sécrète de l’interleukine
    • on prouve que les récepteurs de surface n’ont aucune utilité dans l’activité des macrophages en présence du pathogène
    • on prouve que l’interleukine agit sur les macrophages
      3. L’expérience reproduite par le modèle mastocytes.nbd prouve que :
    • la sécrétion d’histamine et de prostaglandines par les mastocytes est impossible tant que le pathogène n’est pas présent
    • la sécrétion d’histamine et de prostaglandines par les mastocytes est beaucoup plus importante lorsque le pathogène est présent
    • l’histamine agit sur la perméabilité vasculaire
    • les prostaglandines sont responsables de la sensation de douleur
      4. Dans l’expérience reproduite par le modèle action-histamine.nbd :
    • la fluorescence est mesurée dans la circulation sanguine
    • la fluorescence est mesurée dans des tissus
    • l’histamine n’a aucun effet sur la migration du colorant fluorescent
    • on prouve que l’histamine a provoqué la sortie du colorant fluorescent de la circulation sanguine
    • on prouve que l’histamine est une substance vaso-active (= qui agit sur les vaisseaux)

Liens utiles

- Une version "non inversée" de cette proposition pédagogique est publiée sur le site ACCES de l’Ifé, avec d’autres ressources pédagogiques et scientifiques concernant la réaction inflammatoire aiguë.

- Un article sur ce site qui propose des solutions pour pratiquer la pédagogie inversée en SVT.

Auteur de cet article : Anne FLORIMOND, professeur de SVT au lycée RICHELIEU (Rueil-Malmaison), professeur associé aux travaux de l’Ifé (GT microbes, immunité et vaccination), et professeur formateur (PAF Versailles).

Remerciements à David Busti (ENS de Lyon), auteur du cliché de coupe de peau de souris utilisable à des fins pédagogiques, et à Laurent Guerre pour sa relecture, son aide et les conseils apportés.

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