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La réaction immunitaire

Corps humain et santé

Lycée Général et technologique

Terminale S

Introduction

Organisation des séances

Scénario organisé en 5 séances pour un total de 7h00.

  • Séance 1 : 1h00

  • Séance 2 : 1h00

  • Séance 3 : 2h00

  • Séance 4 : 2h00

  • Séance 5 : 1h00

Objectifs visés

  • Montrer que la réaction inflammatoire est une réponse innée, présente chez les invertébrés et les vertébrés.
  • Découvrir des acteurs cellulaires impliqués dans la mise en place de cette réaction inflammatoire.
  • Établir des liens entre ces acteurs, leurs caractéristiques, leurs modalités d’action et les signes cliniques de l’inflammation.
  • Découvrir et comprendre le principe d’action d’un anti-inflammatoire.
  • Étudier et comprendre la découverte historique du pouvoir phagocytaire de certaines cellules immunitaires et l’implication de ces cellules dans l’initiation de la réponse adaptative.
  • Découvrir la mise en place de la réponse immune spécifique face à un antigène endocellulaire : du lymphocyte T8 sélectionné au lymphocyte T cytotoxique.
  • Découvrir les acteurs cellulaires et moléculaires impliqués dans la réponse immune à un antigène circulant.
  • Distinguer les modalités d’action des lymphocytes B de celles des lymphocytes T.
  • Prouver, expérimentalement, les propriétés de reconnaissance et neutralisation spécifique des anticorps.
  • Comprendre et schématiser l’enchaînement des étapes permettant d’aboutir à la neutralisation et/ou à l’élimination de l’antigène.
  • Prouver l’existence d’une mémoire immunitaire et montrer son utilité sur le plan clinique, au travers de la vaccination.

Pré-requis

Notions acquises en 3eme

  • Contamination et infection d’un organisme par un pathogène.
  • Reconnaissance des éléments étrangers par le système immunitaire.
  • Importance de la phagocytose dans le cadre de la réaction inflammatoire.
  • Multiplication des lymphocytes spécifiques d’un antigène reconnu dans certains organes, particulièrement les ganglions lymphatiques.
  • Sécrétion dans le sang, par les lymphocytes B sélectionnés et différenciés, de molécules nommées anticorps, capables de participer à la neutralisation des éléments antigéniques.
  • Capacité de certains lymphocytes T à détruire par contact les cellules infectées par un virus ou les cellules cancéreuses.
  • Mémoire immunitaire et vaccination.

Notions acquises en 1re S

  • Structure tridimensionnelle des protéines.
  • Localisation parfois membranaire des protéines (récepteurs protéiques).

Capacités/Compétences acquises depuis la 4e

  • Connaître les étapes essentielles d’une démarche d’investigation.
  • Formuler des hypothèses recevables au regard du contexte étudié (exemple traité en 3e concernant les modalités d’action des lymphocytes).
  • Valider ou invalider ces hypothèses à partir d’observations, d’expériences et de l’exploitation de résultats expérimentaux.
  • Conduire de manière autonome une démarche d’investigation.
  • Exploiter avec méthode des résultats expérimentaux.
  • Construire son compte-rendu d’activité pour atteindre le ou les objectifs fixés.

Séance 1

Durée

1h00

Situation déclenchante

Quelques photographies illustrant des zones corporelles de différents organismes animaux ayant subi un traumatisme infectieux et ayant développé une réaction inflammatoire.
Il s’agit ici de permettre aux élèves de s’exprimer, de faire part de leurs acquis concernant l’immunité (programme de 3e) et de montrer que la réaction inflammatoire n’est pas propre aux êtres humains. Quelques expressions ou termes intéressants, utiles pour les études à suivre, peuvent être retenus : traumatisme, infection, agent infectieux (pathogène), antigène, réaction de l’organisme, gonflement, suintement, rougeur, réaction immunitaire.

Problème

Les échanges réalisés avec les élèves permettent de soulever les interrogations et problématiques liées à la réaction inflammatoire :

  • Que se passe-t-il, dans un premier temps, lors d’une agression de l’organisme par un agent pathogène ?
  • Quels acteurs cellulaires interviennent pour neutraliser l’agent infectieux et ainsi favoriser son éradication ?
  • Quelles relations peut-on établir entre défenses immunitaires et ces signes cliniques caractéristiques de l’inflammation observée (rougeur, gonflement…) ?

Afin de découvrir quelques acteurs cellulaires impliqués dans l’initiation de la réaction inflammatoire, il peut être intéressant de comparer, sur le plan histologique et cytologique, une préparation de coupe de peau non lésée avec une autre, infectée. Les acteurs immunitaires ayant infiltré la zone lésée pourront être identifiés à l’aide de supports pédagogiques fournis pendant la séance.

Supports

  • Préparations du commerce de frottis sanguins.
  • Banque image de l’Inserm : rubrique « Immunologie », sous rubrique « peau »
  • Reconnaissance de cellules immunitaires : exemple sur le site Acces de l’ENS Lyon.
  • Séquence infographique Corpus La réaction inflammatoire (de 00 min 00 s à 01 min 04 s).

Consigne

Vous êtes technicien au laboratoire d’immunologie de l’hôpital de Creil. Vous vous êtes malencontreusement introduit un éclat de verre souillé dans la paume de la main, en manipulant trop brusquement et sans aucun équipement individuel de protection. La zone traumatisée, lésée, devient rapidement rouge, gonflée et douloureuse. Une réaction inflammatoire vient de se mettre en place, de manière innée et spontanée. Des acteurs cellulaires immunitaires sont entrés en jeu…
Féru d’immunologie, vous décidez de profiter du matériel d’observation de votre laboratoire pour entreprendre des recherches sur la zone de votre peau lésée. Vous désirez en effet identifier ces acteurs du système immunitaire potentiellement impliqués dans la mise en place de la réaction inflammatoire. À vos recherches !
Votre compte-rendu comportera des captures numériques, rigoureusement légendées, de vos observations.
Vous disposez au laboratoire des documents ressources permettant de reconnaître, et donc d’identifier, tout type de tissus non lésés (atlas d’histologie par exemple) et tout type de cellules immunitaires.

Activités

Dans ce type d’activité, réalisable en 1h30, chaque élève est amené à observer et comparer deux coupes de peau humaine, l’une lésée, l’autre non (notion de témoin). L’une des deux coupes peut être fournie sous forme de document imprimé en couleur (disponible dans l’atlas d’histologie par exemple), l’autre étant une véritable préparation histologique.
L’élève est donc ici amené à réaliser une mise au point au microscope, suivie d’une ou de plusieurs captures numériques. Afin de légender rigoureusement sa production et de pouvoir identifier les tissus et les cellules présentes, des documents ressources, numériques ou non, sont mis à disposition.

Production attendue

Au terme de ses démarches, l’élève doit avoir construit sa propre production numérique, dont la mise en forme permet une comparaison aisée des deux zones de peau. Les légendes doivent notamment mettre en avant les cellules immunitaires présentes dans la peau lésée, absentes ou moins représentées dans l’autre zone tissulaire. En guise de synthèse, l’élève nomme les granulocytes et macrophages (ou monocytes), cellules immunitaires potentiellement (la preuve n’est pas apportée dans cette activité) impliquées dans la mise en place de la réaction inflammatoire.
À l’issue de cette étude, une projection de la vidéo La réaction inflammatoire, avec ses animations 3D et ses commentaires, permet de dresser un premier bilan concernant la mise de place de la réaction inflammatoire et l’identification des premiers acteurs cellulaires.

Séance 2

Durée

1h00

Situation déclenchante

Arrêt sur image ou photographie illustrant la présence de phagocytes, sur le lieu de l’inflammation, autour d’éléments étrangers.

Problème

Quelles sont les caractéristiques et propriétés des phagocytes impliqués dans la réaction inflammatoire ? Quel est le devenir de l’élément reconnu comme étranger ?

Supports

  • Séquence La découverte historique de la phagocytose : présentation d’Ilya Metchnikov et de ses croquis, schémas sommairement légendés (séquence à venir).
  • Séquence infographique La réaction inflammatoire
  • Anti-inflammatoire de demain
  • Électronographie illustrant l’endocytose d’une bactérie par un phagocyte (banque d’images Inserm, référence n° 13773)
  • Interview de Jenny Valladeau, chercheuse à l’Inserm de Lyon U1052, répondant à la question « C’est quoi, la phagocytose ? » (banque d’images Inserm, référence n° 55775)

Consigne

À la fin du XIXe siècle, Ilya Metchnikov, zoologiste russe, prix Nobel de médecine en 1908, entreprend de mettre en contact des phagocytes de grenouille, maintenus actifs, avec des bactéries pathogènes…
En étudiant les croquis ou dessin d’observation légendés réalisés par Metchnikov, retrouvez l’objectif principal et formulez ses hypothèses de travail.

Activités

Chaque élève découvre les croquis historiques, accompagnés de leurs légendes respectives. Par la mise en relation des informations récoltées et après réflexion, il formule, en respectant le contexte d’étude, l’objectif visé par Metchnikov (comprendre comment certaines cellules, présentes dans le sang, combattent, éliminent un élément étranger pathogène) et pose son ou ses hypothèses de travail  (Certaines leucocytes, présents naturellement dans l’organisme, sont capables de migrer vers le lieu d’une infection puis d’éliminer (ou détruire) un agent étranger).
La séquence infographique La réaction inflammatoire (entre 01 min 35 s et 01 min 47 s) peut être visualisée à la fin de la séance. Elle permet de présenter la diapédèse réalisée par certaines cellules immunitaires et de présenter le pouvoir phagocytaire des phagocytes. La séquence montre par ailleurs l’importance des médiateurs chimiques dans la mise en place de la réaction inflammatoire. Le lien entre les signes cliniques, dits locaux, et la réaction inflammatoire est ainsi établi.
On peut profiter des connaissances acquises ici par les élèves pour leur proposer l’observation ou l’étude détaillée de la séquence Anti-inflammatoire de demain. Cette séquence permet, outre une immersion dans le domaine de la recherche expérimentale, une compréhension affinée des mécanismes immunitaires associés à la réaction inflammatoire.

Production attendue

Formulation écrite, cohérente au regard du contexte étudié, de l’objectif et des hypothèses de travail de Metchnikov.

Séance 3

Durée

2h00

Situation déclenchante

La séquence infographique L’immunité adaptative constitue, dans ses deux premières minutes, une très bonne entrée en matière pour contextualiser la mise en place des réponses immunes, face à un antigène endocellulaire pour l’exemple choisi ici. L’exemple du virus de la grippe est pris comme exemple d’antigène étudié. L’observation de ce début de séquence peut constituer un levier pour soulever les interrogations et problématiques liées au déroulement des réponses immunes spécifiques.

Problème

  • Quelles sont les étapes de la réponse immune mise en place pour lutter contre un antigène endocellulaire ? Quels acteurs sont ici sollicités ?
  • Comment la cellule infectée sera-t-elle reconnue et détruite ?

Afin d’étudier cette réponse adaptative face à un antigène endocellulaire, une démarche de type tâche complexe collective peut être proposée aux élèves.

Supports

  • Séquence La réaction inflammatoire, avec sélection du passage présentant le déroulement de la phagocytose
  • Test de cytotoxicité sur culture mixte de lymphocytes
  • Imagerie fonctionnelle commentée présentant des lymphocytes cytotoxiques au contact de cellules infectées
  • Des aides mineures (définitions de termes scientifiques, conseils de méthode pour bien exploiter les résultats d’un test de cytotoxicité sur culture mixte de LT…) sont mises à disposition en cas de difficulté

Consigne

Le virus de la grippe est un agent infectieux bénin pour la plupart des sujets immunocompétents. Dès son introduction dans l’organisme, ce virus infecte des cellules hôtes au sein desquelles il se reproduit activement. Le système immunitaire est capable de reconnaître spécifiquement les cellules infectées et de les détruire. Il épargne les cellules saines…
À partir de l’exploitation des différents supports mis à votre disposition, présentez les acteurs mis en jeu lors de cette réponse immune et explicitez leur(s) modalité(s) d’action.
Votre compte-rendu présentera un (ou des) schéma(s) fonctionnel(s) légendé(s).
La démarche d’investigation sera réalisée par groupe de 3 ou 4 élèves.

Activités

Chaque élève exploite une ressource documentaire faisant partie du corpus mis à disposition. Il extrait de cette exploitation une ou deux informations utiles concernant la catégorie et le mode d’action des leucocytes impliqués dans la réponse immune étudiée. À l’issue de cette exploitation, chaque élève rejoint son groupe et participe à une mise en commun des informations récoltées. Les membres du groupe mettent alors en relation les informations essentielles retenues et, après échanges réflexifs, proposent un schéma fonctionnel légendé présentant les acteurs et les mécanismes mis en jeu dans le déroulement de la réponse adaptative à médiation cellulaire.
Dans ce type d’activité, réalisable en 2 heures, chaque élève est amené à exploiter une ou deux ressources documentaires. Ces études isolées ne répondent pas entièrement à la problématique posée. Cependant, chaque étude constitue une pièce d’un puzzle dont l’assemblage, avec les autres pièces exploitées par les membres du groupe, permet d’atteindre l’objectif visé.

Production attendue

La production finale prend la forme d’un schéma de synthèse fonctionnel illustrant le déroulement de la réponse immunitaire à médiation cellulaire.

Séance 4

Durée

2h00

Situation déclenchante

L’activité des LT cytotoxiques immunocompétents permet l’élimination d’un antigène endocellulaire. Cependant, dans certains cas, l’antigène demeure circulant, extracellulaire. Cela peut être le cas, par exemple, de la toxine tétanique. (La séquence Corpus L’immunité adaptative peut servir de support pour déclencher la séquence pédagogique).

Problème

  • Quelles sont les étapes de la réponse immune contre un antigène extracellulaire ? Quels acteurs cellulaires et moléculaires sont ici sollicités ?
  • Comment l’antigène est-il spécifiquement éliminé ?

Supports

  • 4e document associé à la vidéo L’immunité adaptative et présentant la structure de l’anticorps circulant (modélisation).
  • Protocole de réalisation d’un test d’Ouchterlony ou test d’immunodiffusion sur gel (exemple sur le site de l’académie de Nantes, rubrique « ressources pédagogiques », taper « Ouchterlony » dans le moteur de recherche).

Consigne

Montrez, par la réalisation du test d’Ouchterlony, que l’anticorps circulant est doté de propriétés de reconnaissance et de neutralisation spécifique d’un antigène donné.
Votre rapport sera accompagné de schémas légendés illustrant les interactions moléculaires possibles ou non entre l’anticorps et les différents antigènes étudiés.

Activités

Après avoir rappelé la nécessaire production d’anticorps circulant par les LB sélectionnés et différenciés en plasmocytes anti-antigène, il peut être intéressant de travailler les propriétés effectrices des anticorps circulants. La réalisation d’un test d’immunodiffusion sur gel et celui d’une hémagglutination permet d’aborder les interactions entre anticorps et antigène, la formation de complexes immuns, la neutralisation de l’antigène.
Les élèves opèrent, de manière autonome, la réalisation des deux tests. Grâce aux résultats obtenus, ils peuvent dégager les propriétés de solubilité, de reconnaissance et de fixation spécifiques des anticorps circulants sur l’antigène correspondant.
Des « coups de pouce », tels que le rappel de consignes pour élaborer un schéma légendé et/ou celui de quelques légendes essentielles attendues dans ce type de production, peuvent être proposés aux élèves en difficulté.

Production attendue

Chaque élève réalise le test d’Ouchterlony et observe les résultats associés. Il schématise alors ces résultats et en propose, toujours sous forme schématique, une explication à l’échelle moléculaire. Les interactions entre l’antigène et l’anticorps correspondant sont alors clairement mise en évidence.
La production se termine par la rédaction d’une rapide synthèse permettant de mettre en valeur les propriétés de reconnaissance et de neutralisation spécifique de l’antigène par l’anticorps.
La communication schématique imposée pour l’établissement du compte-rendu permet de vérifier que les méthodes de communication scientifique sont maîtrisées.

Bilan

Les connaissances ici récoltées permettent de mieux intégrer les informations fournies par la séquence L’immunité adaptative. On peut ainsi s’appuyer sur les passages infographiques concernés par ces points pour construire, avec les élèves, un schéma fonctionnel présentant le déroulement des réponses immunes spécifiques. On soulignera alors l’importance cruciale des interleukines ou des cytokines dans l’établissement de la phase d’expansion clonale.

Séance 5

Durée

1h00

Situation déclenchante

Après un rappel des principales étapes mises en jeu dans le déroulement de la réponse immune adaptative (voir activités précédentes), la présentation d’un graphique illustrant les variations de la concentration d’anticorps circulants ou celles du nombre de plasmocytes anti-antigène en fonction du nombre de contact avec un antigène donné, permet de raviver les notions de réponses primaires, secondaires et de mémoire immunitaire (voir programme de 3e). Le document présenté peut être accompagné d’une photographie illustrant un acte vaccinatoire.

Problème

Le 1er document associé à la séquence La mémoire immunitaire invite les élèves à exploiter, méthodiquement, la représentation graphique fournie et à formuler un (ou des) problème(s) en lien avec la notion de vaccin, de vaccination et/ou de mémoire immunitaire.
Les problématiques qui peuvent en découler doivent permettre d’enclencher la (ou les) démarche(s) d’investigation utile(s).

Supports

Documents associés (en particulier le 1er) à la vidéo La mémoire immunitaire

  • Schéma fonctionnel de synthèse légendé  présentant l’organisation des réponses immunes primaires et secondaires (sur le site de l’académie de Dijon, « BDS Schémas animés », « immunologie », « mémoire immunitaire »)
  • Séquence vidéo entretien avec Jean-François Bach, Immunité et environnement
  • Présentation ou définition du concept de phénotype immunitaire

Consigne

Le second ou énième contact avec un même antigène permet la mise en place d’une réponse immunitaire qualitativement et quantitativement supérieure à la réponse primaire. L’efficacité de la réponse secondaire suggère l’existence d’une mémoire immunitaire.
Convertissez le schéma fonctionnel de synthèse fourni (voir rubrique « supports ») en un paragraphe organisé utilisant le vocabulaire scientifique requis. Votre commentaire insistera tout particulièrement sur les acteurs impliqués dans la mémoire immunitaire.
Expliquez par ailleurs en quoi cette mise en mémoire modifie le phénotype immunitaire du sujet.

Activités

L’activité permet, par ailleurs, d’introduire le concept de cellules mémoire, supports de la mémoire immunitaire. En s’appuyant sur l’intervention du professeur Bach, l’élève peut expliquer comment le contact avec tel ou tel antigène modifie le phénotype immunitaire de chacun.
À l’issue de cette étude, une projection de la séquence vidéographique Corpus La mémoire immunitaire, avec ses animations 3D et ses commentaires, permet de dresser un bilan de la réponse immune secondaire. Le support cellulaire de la mémoire immunitaire, ici clairement mis en évidence, permet d’expliciter la notion de phénotype immunitaire à l’échelle cellulaire.

Production attendue

Après avoir pris connaissance de la schématisation proposée, l’élève doit donc rédiger un paragraphe scientifique organisé traduisant le plus fidèlement possible l’organisation de la réponse immune présentée. Le vocabulaire acquis durant les séances précédentes pourra ici être utilement réinvesti.

Conclusion

Ce scénario pédagogique s’articule autour de démarches d’investigation valorisant l’autonomie et l’esprit d’initiative. Les méthodes et les techniques mobilisées sont celles déjà utilisées dans les classes antérieures.
Les tâches complexes proposées nécessitent la possibilité, pour les élèves en difficulté, d’avoir recours à des aides mineures ou « coups de pouce ». Ces aides doivent être anticipées par l’enseignant et sont mises à disposition des élèves pendant la séance.
En ce qui concerne la formulation d’hypothèses expérimentales (activité proposée en séance 2) : certains élèves rencontrent des difficultés pour concevoir qu’une hypothèse est avant tout une affirmation provisoire, laquelle sera infirmée ou validée par les résultats expérimentaux obtenus. Il est important de permettre aux élèves, lorsque cela est possible, de s’entraîner à la formulation de telles hypothèses. Les recherches menées post-bac amèneront en effet ces futurs étudiants à entreprendre, seuls, cette phase de la démarche expérimentale…

Vidéos utilisées

Suggestion de scénarios pédagogiques