En Terminale S, 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 du thème 3-A du programme de Terminale S : "Le maintien de l’intégrité de l’organisme : quelques aspects de la réaction immunitaire".

Programme TS- Thème 3A1 - La réaction inflammatoire, un exemple de réponse innée

ConnaissancesCapacités, attitudes
L’immunité innée ne nécessite pas d’apprentissage préalable, est
génétiquement héritée et est présente dès la naissance. Elle repose sur des
mécanismes de reconnaissance et d’action très conservés au cours de l’évolution.
Très rapidement mise en œuvre, l’immunité innée est la première à intervenir
lors de situations variées (atteintes des tissus, infection, cancer). C’est une
première ligne de défense qui agit d’abord seule puis se prolonge pendant
toute la réaction immunitaire.
La réaction inflammatoire aiguë en est un mécanisme essentiel. Elle fait suite à l’infection ou à la lésion d’un tissu et met en jeu des molécules
à l’origine de symptômes stéréotypés (rougeur, chaleur, gonflement, douleur).
Elle prépare le déclenchement de l’immunité adaptative.
Observer et comparer une coupe histologique ou des documents en microscopie avant et lors d’une réaction inflammatoire aiguë.
Recenser, extraire et exploiter des informations, sur les cellules et les
molécules impliquées dans la réaction inflammatoire aiguë.

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 :

Fiche présentant le modèle des scientifiques, à lire avant la classe :

Modèle scientifique de déclenchement de la RIA

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 et collection de modèles numériques permettant de reproduire des expériences non réalisables au lycée, mais réellement menées par les immunologistes.

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.

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 TNF dans le milieu de culture de macrophages sentinelles en présence du virus de l’herpès chez des souris témoins et des souris mutantes pour un récepteur PRR.
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

Démontrer 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.

Remarque : afin de contenir l’exploitation de toutes les ressources dans le temps imparti (1h30 de TP), il peut être intéressant de répartir le travail sur les différents modèles numériques entre différents groupes.

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

L’EXPLOITATION DES DONNEES 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 MODELES NUMERIQUES

- 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 PAMP suggérés par le modèle ?

Les notions du modèle scientifique qui semblent confortées par ce premier modèle numérique sont donc les suivantes :

Place du modèle numérique 1 sur le modèle scientifique

- 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 de TNF dans le milieu de culture des macrophages

— > Dans un milieu contenant 50 macrophages de souris mutante pour un récepteur PRR, introduction de 10 particules du virus de l’herpès à t=200 tics. Aucune sécrétion de TNF 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 des récepteurs : les PRR. Cette reconnaissance déclenche la sécrétion de TNF.

Les notions du modèle scientifique qui semblent confortées par ce deuxième modèle numérique sont donc les suivantes :

Place du modèle numérique 2 sur le modèle scientifique

- 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.

Les notions du modèle scientifique qui semblent confortées par ce troisième modèle numérique sont donc les suivantes :

Place du modèle numérique 3 sur le modèle scientifique

- 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.

La notion du modèle scientifique qui semble confortée par ce quatrième modèle numérique est donc la suivante :

Place du modèle numérique 4 sur le modèle scientifique

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

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 (Equipe ACCES), et professeur formateur co-animant avec David Guillerme le stage "Modèles et modélisation en SVT " (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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