ARTheque - STEF - ENS Cachan | La synthèse des anticorps : évolution d'un modèle et transposition didactique

LA SYNTHESE DES ANTICORPS: EVOLUTION

D'UN MODELE ET TRANSPOSITION

DIDACTIQUE

Claude VILAIN

Université Pierre et Marle Curie, Paris

Jacqueline POCHON DIST

Ministère de la Recherche et de la Technologie,

Paris

Mots clefs Immunologie - Mécanismes cellulaires - Représentation moléculaire

Résumé; sur un exemple concret touchant à l'immunologie est présentée l'évolu-tion d'un modèle relatant les mécanismes conduisant à la production d'anticorps

Au fil du tem~~, l'introduction progessive des nouvelles données oblige les

scientifiques à décomposer le modèle en représentations partielles pour rester accessible à la compréhension. Par rapport à ce degré d'élaboration nous essaierons d'analyser sur quels éléments s'opère la transmission de ce modèle dans les manuels d'enseignement.

Summary A concrete example is chosen in immunology : the evolution of the antibody production model. The new data acquired by the scientists obliged to precise sorne parts of the model. At a certain degree of complexity, the first simple representation had to be dissociated in partial units to remain understandable. We tried to analyze the elements supporting this madel presented in teaching books.

1) CaJmmicatiOIl introductive (C. VILAIN)

Au cours des vingt dernières années le développement de la biologie moléculaire a donné des bases concrètes à certains plénomènes Plysiologiques dont les mécanismes restaient jusqu'alors incompris. La rapidité des découvertes et le souci d'exactitude ont fait évoluer certains modèles simples vers une grande complexité rendant difficile leur représentation.

Parmi les nombreux modèles proposés en physiologie, les mécanismes immunitaires représentent un cas particulièrement intéressant à·plusieurs égards. D'abord par la place essentielle qu'ils occupent comme acteurs de l' homéostasie. Ensuite par l'importance de l'information dont ils font l'objet auprès d'un

public de plus en plus nombreux leur introduction dans les programmes

scolaires est récente et leur diffusion médiatique largement répandue (1). Enfin par la succession rapide des découvertes dans ce domaine créant une dynamique profonde des modèles proposés.

Cette connaissance de l'évolution des modèles apporte-t-elle des éléments pour déceler les obstacles épistémologiques des apprenants ? Permet-elle de guider l'enseignant vers le choix du modèle le plus approprié au niveau de son auditoire?

2. L'évolution d'un modèle immunologigue

Nous nous restreindrons pour cet atelier à ilustrer le modèle de la réaction immunitaire avec production d'anticorps ou réaction immunitaire humorale.

2.1- Les modèles scientifiques élaborés par les chercheurs

Une présentation rapide des quelques modèles les plus marquants sera faite ici.

2.1. 1- Le modè le h is torigue ct'EHRLICH (1900)

Le premier modèle de la production d'anticorps (Fig.l.) fut élaboré par

(1) C. VILAIN. SIDA: Sciences et Information. VIIIèmes journées internationa-les sur l'éducation scientifique, Chamonix 1986, p 83.

EHRLICH (2) au début du siècle. Selon lui, certaines cellules présentent des "récepteurs" de surface susceptibles de s'adapter à différents antigènes par com-plémentarité. Lorsque des antigènes se combinent ainsi à ces récepteurs, ils en stimulent l'élaboration et en déclenchent

la sécrétion: ce sont les anticorps

retrouvés dans le sang.

2.1.2- période transitoire

Dans son essence, le modèle d'EHRLICH pré-figure de façon magistrale ce qui devien-dra une réalité trois-quart de siècle plus tard. Tout ce temps est occupé à découvrir

la nature cellulaire et moléculaire des [Selon P. EHRLIOI (2)Figure l ] produits de la réaction immunitaire. C'est ainsi que la nature globulinique des anticorps n'est définitivement démontrée qu'en 1930 et leur structure ébauchée pour la première fois en 1959 c'est en 1948 que les lymphocytes et les plasmocytes sont reconnus sans équivoque comme cellules responsables de la

sécrétion d'anticorps; enfin la description des récepteurs cellulaires

spécifiques des antigènes abordée depuis les années 1970 dure encore de nos jours.

Par ailleurs il faut noter que jusqu'au milieu des années 1960, les mécanismes par lesquels les cellules immunitaires sont stimulées pour produire des anticorps restent incompris.

2.1.3- Les modèles contemporains

2.1.3.1- Le modèle de MITCHISON (1969)

Dans un système expérimental faisant intervenir des antigènes synthétiques, MITCHISON (3) montre que pour déclencher la réaction immunitaire, la molécule

(2) P. EHRLICfl. Proc. Royal Soc., B, 66, 424, (1900).

(3) N.A. MITelUSON, K. RAJEWSKY and R.B. TAYLOR. in J. STERZL and 1. RIHA Symposium Prague and Slapy, june 1-7, 1969, Adademic Press N.Y., p 547.

doit comporter deux structures distinctes

("porteur" et "haptène") qui stimulent

(iü)

indépendamment et spécifiquement deux

catégories de lymphocytes identifiables (T et B issus respectivement du thymus et de la moelle osseuse) (Fig.2).

Ce système expérimental, d'une grande . 2

F1gure

élégance, aura paradoxalement des consé- [selon N.A. HITCHI~et al (3)]

quences néfastes, encore vérifiables aujourd'hui, sur la compréhension du modèle lorsqu'on le fait fonctionner avec des antigènes "naturels".

C'est ce modèle simple de coopération cellulaire qui servira d'esquisse aux représentations ultérieures en se surchargeant progressivement des données fournies par la biologie moléculaire jusqu'à éclater par excès de complexité. 2.1.3.2- Le modèle de FELDMAN (1973)

[,' importance croissante accor-dée aux macrophages et à la li-libération de facteurs solubles par les lymphocytes, conduisent FELDMANN (4) à proposer une de modèle du

modification

MI'TCHISON (Fig. 3). Les antigè-nes complexés aux récepteurs du lymphocyte T seraient libérés, captés par le macrophage et présentés au lymphocyte B dé-clenchant ainsl la production d'anticorps.

Figure 3 (selon H. FELDHANN (4)]

Alioreacilve

lbanlla) lloelorst step

Phase 1

Recognil KYI and

InlerilcllOO PhiJse 2 P,odueitOfl of lyrnPloktoes Antlgcn ~

l

Q-laclors Inlerteukln-l (IL-Il Olhers Anllgcn-speçlflc,

SellMllelai reslllcied

~-Iactors,BceN growlh lactors

y-factors. BceU maturallon faclors

(Interferon - y) T cell growlh laclor IIL·2}

Eryltuopûl€llC andmyelopou;~tte growllllac lorsICSF's)

OUler.

The secondstep

Phase 1

Resl ingGo ccII

1L:fldctory 10 ~-factor achar.

1

Phase 2

Exclled, achvaled G 1cell suscepllble la

~-faclor actioll

Allo T dependool

Figure 4

2.1.3.3-- Les modèles actuels

Les apports de la biologie moléculalre ayant permis la caractérisation de plusieurs populations cellulaires et d'une multiplicité de substances membra-na ires ou solubles intervenant dans le déclenchement et le contrôle de la réaction immunitaire, le modèle devient trop complexe pour être représenté sur un seul schéma. Un exemple d'une telle représentation éclatée (5) est donné Fig.4 ; elle se résume à établir un répertoire dressant un état des connaissan-ces à un moment précis de l' histoire de la discipline, sorrune de parcellisations dont le décryptage n'est plus réservé qu'aux seuls initiés.

2.2 Transmission des modèles dans l'enseignement

2.2.1 Enseignement universitaire

La revue des ouvraqes util isés dans l'enseignement supérleur montre que le parti a élé pl' is, COfT'Jne dans les

publi-cations scientiflques, de décomposer la représentation du modèle de coopération cellulaire en plUSHOltrS schémas se com-plétant mutuellement (Flg. 5) selon les auteurs (6), (7), les détails peuvent être plus ou moins poussés (Fig. 6), mais dans l'ensemble ces représenta-tions restent sllnples el leur leclure aisée.

- - - . _•._

-( 5) F. MELL:HERS and J. ANDERSON.

Cell

rt..,

715, (1984).

Immunolcgie,F'laiT'flld.cion f\1,'..'~~cine Scien-ces. Paris, 1 vol_, (1981) ..

( 71 1. ROITT, ,]. BROS'fÜFF and D. MALE.

ImmunolOJie fondamentale et appliquée MEDSI, Paris, lvol-, (1985).

Ponl antiyémque

Figure 5

signal non spèclfoQue

Signai non spècollQue

Figure 6

[selon 1. ROrM' et al. (7)] 2.2.2- Enseignement secondaire

L'analyse des manuels de Terminale D montre que le modèle est présenté aux élèves à des niveaux de complexité très différents. Il est surprenant que les auteurs ne se soient pas inspirés des ouvrages universitaires et qu'ils aient choisi de concentrer sur un seul schéma les différents évènements impliqués dans la réponse immunitaire humorale, nuisant ainsi à la fidélité ou à la clarté du phénomène.

Ces différents documents (Fig 7, 8 et 9) sont proposés aux participants comme point de départ de la discussion.

antigène

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inform.tion J~O . 4 ~? l,mphoc,.,e B ;,'0

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lymphoey1e T

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3. DEBAT "N)[)ELISATI(l\/ EN ENSElœE>IENl' DE L' IMMlNJWGIE"

Jacqueline POCHON ouvre le débat en demandant aux participants de

témoigner de leur expérience d'enseignant en ce domaine. L'enseignement de la réaction immunitaire humorale est reconnu particulièrement délicat puisqu'à l' heure actuelle n'émerge vraiment, dans la mcuvance des connaissances, qu'un seul point indubitable, il s'agit de la coopération des lymphocytes T et B.

Le relevé des remarques est présenté en trois parties

- dans la première, sont répertoriées les difficultés liées à la modélisation et à la discipline

- dans la seconde, les difficultés liées à la représentation des modèles au niveau scolaire

- dans la dernière, sont proposées les possibilités qui peuvent aider les enseignants à améliorer leur communication avec les élèves.

3.1- Les difficultés liées à la modélisation

L'outil modélisation, dont l'utilisation s'impose dans cette discipline dont les éléments de connaissance échappent très rapidement au pouvoir séparateur de l'oeil, n'est pas sans comporter de nombreux inconvénients dont voici quelques exemples.

al la première difficulté est de reconnaître les pré-modèles des modèles, c'est-à-dire savoir distinguer les modèles construits à partir des acquis des modèles à priori et être conscient de la forme inachevée de la modéli-sation qui est encore en gestation ;

bl modéliser en immunologie, c'est aussi savoir que la quête des éléments de connaissances passe par la recherche des erreurs à éviter, par la prise de conscience des lacunes, des limites, des champs de validité (épistémolo-giquement, on cherche le et et ou)

cl une troisième difficulté apparaît avec l'impossibilité de superposer de façon satisfaisante des niveaux différents (par exemple les niveaux cellu-laire et molécucellu-laire) ;

d) de plus, le modèle doit atteindre la cohérence dans un délai acceptable

e) il dépend d'un choix (sélection des facteurs) d'une sectorisation et, le plus souvent, vu la complexité expérimentale, d'un réductionnisme nécessai-re mais mutilant. Deux méthodes peuvent êtnécessai-re utilisées suivant deux chemins opposés: soit le modèle est élaboré à partir de référents apportés par l'expérience, soit il devient le moyen de contrôle d'une proposition théorique produite par un ingénieur fiabiliste à partir de diverses variables considérées fondamentales dans une perspective pluridisciplinaire

3.2- Les difficultés liées à la représentation des IOOdèles au niveau scolaire

Elle sont fondamentalement de 2 types et sont relatives à

a) l'état des connaissances

Le relévé de divers schémas publiés dans les manuels scolaires mettent en évidence que des faits sont avancés - par exemple le macrophage phagocyte l'antigène - sans que ce phénomène, observé puisse être réellement compris. Par ailleurs, les rrodèles proposés ne reposent pas sur des données expéri mentalement reconnues. Que sait-on à l'heure actuelle sur ce qui se passe effectivement entre macrophage et illltigène, entre lymphocyte T et antigène que connaît-on de l'origine du lymphocyte B mémoire, etc ... ?

b) le choix de la figuration

la figuration ne tient pas toujours compte du niveau choisi (cellulaire, moléculaire ..• ) des notions acquises et celles qui restent encore hypothé-tique, de la chronologie. Il est difficile d'illustrer une cinétique dans une représentation instantanée ; comment représenter la transformation du lymphocyte B en plasmocyte -: De plus, l'auteur du schéma reste très

dépendant du champ étroit où il exerce sa recherche, ce qui produit une représentation très partielle du phénomène ou bien il s'attache à donner un aspect théorique plus vaste mais qui très rapidement est déconnecté du concret.

3.3- Propositians pédagogiques

Conscients des multiples difficultés obligatoirement rencontrées dans la présentation de l'immunologie aux élèves, quelques palliatifs ont été proposés au cours de la discussion :

- enseigner que le modèle est imaginaire plutôt que laisser croire à un modèle dit "vrai".

- préciser le niveau de figuration et de formulation

éviter les écueils de la terminologie en définissant avec précision le sens des mots tels qu'ils sont utilisés par les chercheurs dans un contex-te et un moment donné. Des termes communs comme coopération, recon-naissance, cohabitation peuvent former des obstacles épistémologiques.

- préciser les limites et la validité du modèle

- replacer l'objet d'étude dans son contexte (la cellule appartient à un organisme)

- préciser la chronologie implicite du schéma ou faire une série de schémas.

- attirer l'attention sur les erreurs qui peuvent accompagner les objectifs à faire passer et inciter à un questionnement développé

- faire fonctionner le modèle dans d'autres champs conceptuels ou de validité. Par exemple, le concept de coopération cellulaire est un modèle en soi qui fonctionne dans d'autre cas. Ce procédé a l'avantage d'être heuristique

- rechercher l'aide des chercheurs et la plur idisciplinari té

- avoir recours à l'histoire des sciences sachant que pour l'immunologie, le recul n'est pas suffisant puisque les référents fondamentaux sont encore en évolution constante.

Conclusion

Comment introduire l'immunologie dans l'enseignement secondaire 7 Voici une vraie question.

Cet atelier aura le mérite d'avoir permis le recensement des difficultés, les unes inhérentes au procédé de modèlisation en lui-même, les autres relevant de la discipline et de l'état des connaissances. Il ouvre également des perspectives d'ordre méthodologique.

A l'heure actuelle, M. Claude VILAIN propose de constuire l'enseignement en immunologie à partir de modèles techniques par exemple, la réponse immunitaire peut être présentée aux élèves de 3ème par celle observée à l'aide de la technique des plages d'hémolyse locale. C'est un bon moyen pour aborder le problème de la réponse humorale ~n général y compris celui de la mémoire immunitaire.

L'enseignant peut également aborder les prùblèmes d'immunologie recensés dans les Annales, discuter des apports par les médias sur les maladies

auto-immunes, sur le cancer, sur le SIDA, ...

Laissons le mot de la fin à l'enseignant-chercheur spécialiste pour qui "le rôle de l'enseignant est de transmettre l'incertain d'un univers convolutif, sachant que la loupe déforme l'objet".