NetBioDyn et la modélisation des réactions immunitaires Cette formation a pour objectif d'utiliser la modélisation multi-agents par  le logiciel NetBioDyn pour faire comprendre quelques aspects fondamentaux du fonctionnement du système immunitaire. Elle présente également un nouveau logiciel qui, par son caractère généraliste, peut être utilisé dans d’autres domaines. 2

L’outil NetBioDyn Une présentation de l’outil est disponible sur le site ACCES : http://acces.inrp.fr/acces/logiciels/externes/netbiodyn/logiciel-et-ressources Bien insister sur l’inscription préalable pour avoir accès aux informations de mise à jour des collections et de l’exécutable. La version élève est la même que la version de base du professeur 3

Se procurer le logiciel Net BioDyn On préfèrera la version en ligne qui est plus stable http://netbiodyn.tuxfamily.org/netbiodyn_1/netBioDyn.html En cas de choix de la version hors-ligne (= si problème de connexion ou bien pour le travail sur un deuxième poste non connecté à internet) : installer le logiciel sur chaque poste de travail 4

Programme de Terminale S, partie 7 : Immunologie Intégration aux programmes officiels Programme de Terminale S, partie 7 : Immunologie Les activités proposées peuvent constituer des TP utiles pour la construction de différentes notions dans la partie « Immunologie » du programme de la classe de Terminale S, en particulier sur des points pour lesquels on a recours habituellement à l’exploitation de documents : action du VIH sur le système immunitaire : « Une maladie qui touche le système immunitaire : le SIDA (syndrome d’immunodéficience acquise) » action des lymphocytes T cytotoxiques: « Les lymphocytes T cytotoxiques (T8) : agents du maintien de l’intégrité des populations cellulaires » mode d’action des LT4 : « Les lymphocytes T4 : pivots des réactions immunitaires spécifiques » notion de mémoire immunitaire : « Les vaccins et la mémoire immunitaire » 5

Déroulement de la session de formation Utilisation des ressources pour NetBiodyn situées à l’adresse suivante : http://acces.inrp.fr/acces/ressources/sante/reponse-immunitaire/enseigner/enseigner-avec-netbiodyn 6

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 7

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 8

1. Cellules immunitaires et VIH Problématique n°1: Quelles sont les interactions entre le VIH et les éléments du système immunitaire ? Problématique n°2 : En quoi la structure moléculaire des LT4 leur permet-elle d’être la cible du VIH ? Les élèves ont préalablement identifié différentes catégories de cellules immunitaires (par l'observation d'un frottis sanguin, l'utilisation du logiciel WinMDI par exemple). Ils connaissent l'existence de populations cellulaires de lymphocytes (B, T4 et T8), de monocytes et de macrophages (et granulocytes). Ils savent que le SIDA est une maladie virale mortelle. 9

Cellules immunitaires et VIH Pour expliciter les interactions entre le système immunitaire et le VIH … Un modèle in vivo déjà construit dans lequel les comportements des entités sont fixés activité de l’élève : A l’aide d’une simulation, déterminer les interactions visibles entre le VIH et les leucocytes. Placer les entités (les leucocytes et les particules virales) en respectant les proportions physiologiques pour les leucocytes. Modèle : Biodynothèque/ cellules immunitaires et VIH/ modelinvivo/ invivo.nbd

Un exemple de résultat Cellules immunitaires et VIH Parler du pas de temps et de la résolution des courbes en fonction du pas de temps. Touches ctrl pour afficher plusieurs courbes en même temps

Un exemple de résultat Cellules immunitaires et VIH Diapo de secours en cas de problème de simulation

Quelle exploitation pédagogique de ce résultat ? Cellules immunitaires et VIH Quelle exploitation pédagogique de ce résultat ? Rappel : activité de l’élève A l’aide d’une simulation, déterminer les interactions visibles entre le VIH et les leucocytes Hypothèse : les lymphocytes T4 (et les macrophages) sont les cellules-cibles du VIH

Cellules immunitaires et VIH Activité de l’élève A l’aide de simulations appropriées, tester l’hypothèse de la nécessité d’un contact entre le VIH et les LT4 pour la multiplication virale.

Cellules immunitaires et VIH ps Probabilité de contact entre le VIH et les lymphocytes

Cellules immunitaires et VIH Un exemple de résultat ps

Quelle exploitation pédagogique de ce résultat ? Cellules immunitaires et VIH Quelle exploitation pédagogique de ce résultat ? Rappel : activité de l’élève A l’aide de simulations appropriées, tester l’hypothèse de la nécessité d’un contact entre le VIH et les LT4 pour la multiplication virale. Hypothèse validée… … La suite : En quoi la structure moléculaire des LT4 leur permet-elle d’être la cible du VIH ?

Cellules immunitaires et VIH Pour déterminer en quoi la structure du VIH lui permet d’infecter les lymphocytes T4… Une expérience référente : infection de LT4 par le VIH incubé préalablement avec différents anticorps Le protocole (d'après Klatzman et al., Nature, vol. 312, 1984) Des lymphocytes T4 sains ont été incubés in vitro avec deux types d'anticorps spécifiques de protéines membranaires : l'un est spécifique de la protéine HLA-II et l'autre de la protéine CD4. Ensuite, les LT4 sont incubés avec le VIH. On évalue l'infection grâce au dosage de l'activité de la transcriptase inverse dans les LT4. Le résultat (non montré aux élèves)

Modèle : Biodynothèque/ cellules immunitaires et VIH/ Pour déterminer en quoi la structure du VIH lui permet d’infecter les lymphocytes T4…  Un modèle in vitro déjà construit dans lequel les comportements des entités sont fixés activité de l’élève : A l’aide de simulations appropriées, reproduire le protocole de l'expérience : 3 situations correspondant à 3 simulations différentes (dont un témoin sans anticorps) placer les LT4  (30 par exemple) et éventuellement les anticorps (spécifiques des marqueurs CD4 ou spécifiques d'autres protéines membranaires (60 pour obtenir une liaison assez rapide avec les LT4) en cours de simulation (au bout de 1000 "tics" par exemple), une fois que les anticorps se sont liés aux LT4, ajouter le VIH (30) Modèle : Biodynothèque/ cellules immunitaires et VIH/ modelinvitro/ invitro.nbd

Cellules immunitaires et VIH Un exemple de résultat temps

Quelle exploitation pédagogique de ce résultat ? Cellules immunitaires et VIH Quelle exploitation pédagogique de ce résultat ? Rappel : activité de l’élève A l’aide de simulations appropriées, reproduire le protocole de l'expérience : 3 situations correspondant à 3 simulations différentes (dont un témoin sans anticorps)

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 22

2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Prérequis : effecteurs – phase asymptomatique – charge virale Problématique : on recherche de quelle manière les LTc participent à la lutte contre le VIH Point de départ : les LTc sont des cellules effectrices de l'immunité acquise. Leur présence en quantité signifiante lors de la phase asymptomatique d'une infection par le VIH est associée à une charge virale relativement constante et basse. 23

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 24

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Expérience référente Chez des patients infectés par le VIH, on prélève des LTc ainsi que des cellules qui seront ou non artificiellement modifiées. La modification consiste à infecter les cellules par le virus de la vaccine (variole bovine) dans lequel on a éventuellement introduit des gènes du VIH susceptibles de faire s'exprimer des protéines virales (glycoprotéines gp160 (=association de gp120 et gp41), protéine  p14 ou protéine p24) en surface des cellules. Les trois lots de cellules (cellules saines, cellules infectées par le virus de la vaccine, cellules infectées par le virus de la vaccine et modifiées) sont mis en culture en présence de chrome 51 radioactif. Pour finir, les cellules ayant incorporé le chrome radioactif sont mises en présence des LTc. Il s'agit alors d'évaluer la présence ou non de chrome radioactif  dans le milieu de culture, révélant la lyse ou non des cellules par les LTc : on parle de test de cytotoxicité.

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Point technique Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente - quelles entités ? - quels comportements ?

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 27

L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … activité de l’élève :  à l’aide de simulations appropriées, déterminer les conditions nécessaires à l’action des LTc et le résultat de cette action Accès au modèle in vitro « opérationnel » (= déjà construit) : Biodynothèque/ action LTc/ modelexp.nbd

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Modèle « modelexp.nbd » Exemple de simulation Situation initiale

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Modèle « modelexp.nbd » Exemple de simulation Situation en cours de simulation

Modifier un modèle Netbiodyn existant : L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Point technique Modifier un modèle Netbiodyn existant : Modification des dimensions de l’environnement Remplacement du symbole d’une entité par une imagette

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 32

Biodynothèque/ action LTc/ modelinvivo/ modelinvivo.nbd L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour expliciter le mode d’action des LTc …  Un modèle didactique niveau lycée : Biodynothèque/ action LTc/ modelinvivo/ modelinvivo.nbd activité de l’élève :  Exploiter le modèle in vivo pour préciser les modalités de l'action des LTc.

Pour expliciter le mode d’action des LTc … Modèle « modelinvivo.nbd » L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour expliciter le mode d’action des LTc … Modèle « modelinvivo.nbd »

Modèle « modelinvivo.nbd » L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour expliciter le mode d’action des LTc … Modèle « modelinvivo.nbd » Résultat en cours de simulation (avec zoom)

Pour expliciter le mode d’action des LTc … Modèle « modelinvivo.nbd » L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour expliciter le mode d’action des LTc … Modèle « modelinvivo.nbd » Interactions entre l’utilisateur et le modèle ? Limites de ce modèle ?

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 37

Biodynothèque/ action LTc/ modelcell/ modelcell.nbd L’action des lymphocytes T cytotoxiques Vers une mise au point scientifique sur le mode d’action des LTc …  Un modèle didactique plus complexe : Biodynothèque/ action LTc/ modelcell/ modelcell.nbd activité de l’élève : Exploiter ce modèle en vue d’obtenir des précisions sur les modalités de la lyse. [stratégie : se placer en observateur, bien analyser la situation au moment zéro de la simulation et la succession d’événements une fois que la simulation est lancée]

Modèle « modelcell.nbd » L’action des lymphocytes T cytotoxiques Vers une mise au point scientifique sur le mode d’action des LTc … Modèle « modelcell.nbd » Des entités moléculaires …

Modèle « modelcell.nbd » L’action des lymphocytes T cytotoxiques Vers une mise au point scientifique sur le mode d’action des LTc … Modèle « modelcell.nbd » Résultat

Modèle « modelcell.nbd » L’action des lymphocytes T cytotoxiques Vers une mise au point scientifique sur le mode d’action des LTc … Modèle « modelcell.nbd » Des entités moléculaires Peu d’interaction entre l’utilisateur et le modèle Limites de ce modèle ?

1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro Déroulement de la session de formation 1. Cellules immunitaires et VIH Modèle in vivo Modèle in vitro 2. L’action des lymphocytes T cytotoxiques Construction d’un modèle NetBiodyn Modèle in vivo, didactique, niveau lycée Modèle didactique pour aller plus loin 3. Le mode d’action des LT4 Modèle in vitro : dispositif de Marbrook 42

3. Le mode d’action des lymphocytes T4 Prérequis : notion de coopération cellulaire - LT4 pivot Problématique : on recherche par quel moyen les LT4 interviennent dans la différenciation des LB en plasmocytes sécréteurs d'anticorps. Point de départ : les LT4 sont les pivots des réactions immunitaires acquises. L'utilisation du modèle "coopération cellulaire" a préalablement été l'occasion  de mettre en évidence la nécessité des LT4 pour la production d'anticorps.  43

Expérience référente Le mode d’action des LT4 Pour déterminer comment les LT4 déclenchent la différenciation des LB en plasmocytes … Expérience référente

Biodynothèque / mode d’action LT4/ Marbrook/ marbrook.nbd L’action des LTc Pour déterminer comment les LT4 déclenchent la différenciation des LB en plasmocytes … Accès au modèle : Biodynothèque / mode d’action LT4/ Marbrook/ marbrook.nbd Modèle « marbrook.nbd » activité de l’élève :  Réaliser les simulations appropriées pour confirmer le rôle pivot joué in vivo par les LT4.  Réaliser les simulations appropriées pour déterminer la nature de l'interaction entre les LT4 et les LB.

L’action des LTc Pour déterminer comment les LT4 déclenchent la différenciation des LB en plasmocytes … Modèle « marbrook.nbd » activité de l’élève :  Réaliser les simulations appropriées pour confirmer le rôle pivot joué in vivo par les LT4.  Réaliser les simulations appropriées pour déterminer la nature de l'interaction entre les LT4 et les LB.

Modèle « marbrook.nbd » L’action des LTc Pour déterminer comment les LT4 déclenchent la différenciation des LB en plasmocytes … Modèle « marbrook.nbd »

Confirmation du rôle pivot joué par les LT4 ? L’action des LTc Confirmation du rôle pivot joué par les LT4 ? Modèle « marbrook.nbd » Situation initiale Situation finale

Confirmation du rôle pivot joué par les LT4 ? L’action des LTc Confirmation du rôle pivot joué par les LT4 ? Modèle « marbrook.nbd » Situation finale Situation initiale

Modèle « marbrook.nbd » Exemple de situation initiale L’action des LTc Nature de l'interaction entre les LT4 et les LB ? Modèle « marbrook.nbd » Exemple de situation initiale

Nature de l'interaction entre les LT4 et les LB ? L’action des LTc Nature de l'interaction entre les LT4 et les LB ? Modèle « marbrook.nbd » Exemple de résultat

Modèle « marbrook.nbd » Exemple de résultat (avec zoom) L’action des LTc Nature de l'interaction entre les LT4 et les LB ? Modèle « marbrook.nbd » Exemple de résultat (avec zoom)

Parcours du dossier ACCES Pour en finir ? Parcours du dossier ACCES Les évolutions attendues de l’outil NetBiodyn Votre avis nous intéresse … 53

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Pour déclarer les entités Pour déclarer les comportements des entités Pour régler (si nécessaire) les « dimensions » (nombre de pixels) de l’environnement

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Phase 1 : Déclaration des entités 2 1

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Phase 1 : Déclaration des entités 1 - Taper le nom de l’entité 2 – Choisir la taille adaptée pour représenter l’entité [pour personnaliser la représentation de l’entité] 3 – Valider

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Phase 1 : Déclaration des entités Réitérer le processus jusqu’à ce que toutes les entités souhaitées soient déclarées

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Phase 2 : Mise en équation du comportement des entités 2 3 1

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Phase 2 : Mise en équation du comportement des entités 1. Écrire ici le nom réel de la réaction qu’on modélise (par exemple : lyse) [Préférer le type : « située en absolu»] 2. Choisir dans le menu déroulant les entités qui vont participer à la réaction 3. Choisir dans le menu déroulant les entités qui vont être produites ainsi que les réactifs non modifiés

Pour déterminer les conditions d’action des LTc … L’action des lymphocytes T cytotoxiques Pour déterminer les conditions d’action des LTc … Confection d’un modèle NetBiodyn : modélisation de l’expérience référente Phase 2 : Mise en équation du comportement des entités