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Proposition 1 - Mémoire immunitaire - Pédagogie inversée - Construction d'un modèle

Proposition de démarche impliquant les élèves dans la construction d'un modèle numérique de réponse à deux injections d'un même antigène, en vue de conforter la proposition des scientifiques concernant la construction d'une mémoire immunitaire lors de la réponse adaptative.

 Mise en situation et recherche à mener

Lors de la deuxième rencontre avec un antigène, les biologistes mesurent une sécrétion d'anticorps plus rapide, plus importante et plus durable (réponse secondaire) que lors de la première rencontre (réponse primaire). On veut montrer que la performance de la réponse secondaire s'explique par la mise en place d'une mémoire immunitaire lors de la réponse primaire. 

 Ressources 

Documents à étudier avant la classe

 

 

    - Protocole et résultats de l'expérience de référence consistant en deux injections successives de globules rouges de mouton à une souris 

    - Modèle proposé par les scientifiques : le support cellulaire de la mémoire immunitaire (D’après manuel scolaire Terminale S, Bordas 2012, page 339, modifié

    MISE EN GARDE : Dans cette activité, le modèle "proposé par les scientifiques" est une simplification de la réalité, ne montrant pas tous les aspects de la mise en mémoire.  Actuellement, les connaissances scientifiques soulignent la diversité des processus qui entrent en jeu dans la mémoire. Une mise au point à  ce sujet est proposée dans la page d'accueil commune aux deux démarches.

Matériel à utiliser

pendant la classe

 

 

 

Enoncé de l'activité

 fleche_rouge.gif Consigne globale :

Démontrer à l’aide d’une modélisation numérique que les résultats expérimentaux plaident en faveur du modèle de mise en place d’une mémoire immunitaire proposé par les scientifiques.

  

 fleche_rouge.gif Aide à la résolution :
  •  Construire, à partir du pré-modèle "souris1injGRM.nbd", un modèle numérique incluant la réponse à une deuxième injection de GRM en utilisant pour le paramétrage les informations contenues dans le modèle proposé par les scientifiques.  
  • Eprouver ce modèle numérique : le faire fonctionner en simulant les deux injections de GRM et comparer les variations calculées par le modèle aux variations réelles des effectifs de plasmocytes sécréteurs d'anticorps anti-GRM et des quantités d’anticorps anti-GRM (données expérimentales).

 

 Déroulement de l'activité

  • La construction du modèle numérique à partir du pré-modèle
  1.  Il s'agit dans un premier temps d'analyser les entités et comportements paramétrés dans le pré-modèle "souris1injGRM.nbd"
 Aspect du pré-modèle "souris1injGRM.ndb" à l'ouverture  Fonctionnement du modèle "souris1inj.nbd" : simulation de la réponse primaire

 ouverture prémodèle

 Avec ce pré-modèle, il s'agit de reproduire les conditions de la première partie de l'expérience de référence (première injection de GRM), tout en simplifiant le protocole : d'une part l'utilisateur ne dispose que d'une seule souris, d'autre part l'évolution du nombre de plasmocytes et de la quantité d'anticorps est directement visualisable et quantifiable sans que des prélèvements de rate ne soient nécessaires.

Dans ce pré-modèle, 100 tics représentent (approximativement) une durée de 2 jours.

On rappelle qu'un "tic" représente une unité de temps sous NetBioDyn.

 simulation 1 injection

 

La simulation fait apparaitre les caractéristiques de la réponse primaire (existence d'un délai avant l'apparition des anticorps, disparition progressive des anticorps après un maximum observé) bien visibles dans les résultats expérimentaux, ce qui atteste de la pertinence du pré-modèle

 Entités  Comportements
 
  •   LBspé et LBnonspé : demi-vie infinie
  •   GRM1 : demi-vie = 100 tics
  •   LBa : demi-vie = 350 tics
  •   plasmocytes : demi-vie = 90 tics
  •   Ac : demi-vie = 80 tics

 

 
  • rencontre (p = 1) : LBnonspé + GRMinj1-->   LBnonspé + GRMinj1
  • activation1 (p = 0,04) : LBspé + GRMinj1 -->  LBa + GRMinj1
  • multipldifférenciation (p = 0,08) : LBa -->  plasmocyte + plasmocyte + plasmocyte + plasmocyte + plasmocyte + plasmocyte
  • sécrétion (p = 0,8) : plasmocyte -->  plasmocyte + Ac + Ac
 

  Remarques

- les équations mises en jeu correspondent aux connaissances des élèves sur l'immunité adaptative (sélection clonale, amplification clonale et différenciation en cellules effectrices), ce qui rend compréhensible le pré-modèle.

- les probabilités des comportements ont été déterminées « par tâtonnement » avec deux préoccupations : adhérer au réel (courbe de la réponse primaire) et ne pas engorger l’environnement. Il est conseillé de s'inspirer de ces valeurs pour modéliser la réponse à la deuxième injection.

 Télécharger une fiche des caractéristiques du pré-modèle 

 

   2. Dans un deuxième temps, il s'agit d'utiliser le modèle des scientifiques pour prévoir les nouvelles entités et les nouveaux comportements à intégrer au modèle numérique.

Le modèle proposé par les scientifiques montre deux particularités, non prévues dans le pré-modèle, qu'il faudra donc intégrer à la construction du modèle numérique :

memoire_annoté

D’après manuel scolaire Terminale S, Bordas 2012, page 339, modifié 
 

(1) Il y a production de cellules mémoires à longue durée de vie lors de la première rencontre avec l’antigène. 

  (2) Les cellules mémoires formées lors de la première rencontre sont activées lors de la deuxième rencontre avec l’antigène. Elles se multiplient d'une part pour se différencier en cellules effectrices,  d'autre part pour augmenter le pool de cellules mémoires.

  

Les modifications à apporter au pré-modèle pour modéliser la deuxième injection de GRM sont donc les suivantes   :
Entités à déclarer
 
  • LBmémoire

Demi-vie : infinie (« 0 »)

  • GRMinj2 (= GRM injectés lors de la seconde injection)

Demi-vie : 100 tics

Comportements à ajouter
 
  • Production de lymphocytes B mémoires lors de la 1ère injection de GRM :
        LBa -->  LB mémoire + LB mémoire + LB mémoire + LB mémoire + LB mémoire
Probabilité de cet événement : 0,1 
 
  • Activation des lymphocytes B spécifiques lors de la 2ème injection de GRM
        LBspé+ GRMinj2 -->  LBa + GRMinj2
Probabilité de cet événement : 0,04
 
  • Activation des lymphocytes B mémoires lors de la 2ème injection
      LB mémoire + GRMinj2 --> LBa + GRMinj2
Probabilité de cet événement : 0,1
En effet, l'activation d'un LB mémoire est plus efficace que celle d'un LB naïf, ce que l'on traduit dans le modèle par une probabilité supérieure (0,1 au lieu de 0,04). 
 

 Il reste à déclarer ces nouveautés dans le modèle numérique, en utilisant le didacticiel du logiciel NetBioDyn en mode construction de modèle.

Voici deux exemples d'opérations à réaliser :

- déclaration de l'entité "LBmémoire" :

déclaration LB mémoire

 

- déclaration du comportement de production des LB mémoires à partir des LB activés :

étape 1 construction
 étape 2 construction

 étape 3 construction

 Au terme de l'ensemble des opérations prévues, les élèves auront finalement créé un modèle numérique "souris2injGRM.nbd".

 

  • La mise à l'épreuve du modèle numérique 

Une simulation réalisée avec le modèle numérique, incluant une première injection de GRM à t=0 et une deuxième injection de GRM à t=30 jours, donne les résultats suivants :

Le modèle : variation calculée de la quantité d'anticorps anti-GRM à la suite de deux injections de GRM

 simulation 2 injections

 

Or les résultats expérimentaux sont les suivants :   

Le réel : variations mesurées des effectifs des plasmocytes sécréteurs d'anticorps anti-GRM et de la quantité d'anticorps anti-GRM à la suite de deux injections de GRM
réel - résultats complets
 

 

L'adéquation entre le modèle et le réel est bien visible. Cela conforte donc le modèle des scientifiques, à partir duquel on a bâti le modèle numérique. Par conséquent, on aura construit au moyen de cette activité les principales notions contenues dans le modèle des scientifiques :

- production de cellules mémoires à longue durée de vie ;

- augmentation du pool de cellules mémoires au fil du temps, ceci parce que les cellules mémoires créées lors des rencontres successives avec l'antigène viennent incrémenter le pool. 

 

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