Modélisation du transport d'anticorps et de bactéries dans le système digestif – TABAG

Au niveau des méthodes, ce projet utilise un mélange d'approches analytiques et numériques.

Les approches numériques peuvent permettre d'étudier systématiquement des systèmes trop complexes pour être résolus exactement. On utilise plusieurs types d'approches numériques. Par exemple, dans certains cas on résout un système d'équations différentielles par un schéma numérique discrétisant le temps et l'espace, où toutes les composants (par exemple les bactéries, les nutriments, les anticorps), sont traités comme des concentrations. Dans d'autres cas, on utilise des simulations stochastiques, par exemple quand on s'intéresse à la distribution de taille d'amas de bactéries, et qu'on prend les bactéries comme des particules discrètes au lieu de concentrations continues. Pour explorer le transport hydrodynamique, on utilise pour résoudre les équations de Navier-Stokes incompressibles la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM), et une procédure spécifique pour traiter les bords, lorsqu'ils bougent comme les villis sur les parois quand elles ont des contractions longitudinales.

Les approches analytiques permettent d'obtenir des résultats généraux, et d'identifier robustement les paramètres importants. Dans la plupart des cas, le système général n'est pas solvable explicitement, mais on peut obtenir des approximations dans certains régimes. Dans certains cas, aller au delà de la moyenne est essentiel, et on fait des calculs stochastiques, principalement avec des processus de branchement.

Une partie de ce projet consiste à développer des modèles théoriques génériques inspirés par la biologie, pour identifier les propriétés essentielles. Une autre partie de ce projet est de la modélisation proche des données, avec comparaison quantitative.

4 publications, 1 preprint, 2 manuscrits en finalisation.

[La1] Labavić et al, in prep. Modèle général de la distribution des anticorps dans le système digestif, qui prend en compte production, transport, et attachement/détachement des antigènes. Approches numériques et analytiques, en lien avec des observations expérimentales de la littérature d'immunologie.

[La2] Labavić et al, in prep. Simulations stochastiques de la dsitribution de taille de clusters de bactéries liées par les anticorps.

[V] Vernekar et al. (2025) Nous étudions l’écoulement induit par une onde pendulaire se propageant le long des parois d’un canal bordé de villosités. Comme cette onde déplace la paroi, cela fait osciller les villosités, avec un déphasage relatif entre voisins. Par des simulations de Boltzmann sur réseau, nous montrons l’existence d’une couche limite de mélange juste au-dessus des villosités. Dans la lumière, un écoulement axial stationnaire émerge. En considérant la vitesse moyenne du fluide piégé entre les villosités adjacentes, nous dérivons analytiquement une loi d’échelle pour cet écoulement. Nous développons aussi une condition aux limites effective, pour permettre des simulations des écoulements intestinaux sans résoudre individuellement chaque villosité.

[A] Alexandre et al. (2025) Modèle simple qui fait le lien entre le modèle de Wright-Fisher et le modèle de Moran, modèles largement utilisés en génétique des populations.

[F] Fruet et al. (preprint) Impact de l’hétérogénéité environnementale sur la fixation des mutants dans des populations spatialement structurées, où les dèmes (sous-populations) sont situés aux nœuds d’un graphe. Lorsque les migrations entre dèmes sont fréquentes, l’hétérogénéité environnementale peut amplifier la sélection naturelle et, simultanément, accélérer à la fois la fixation et l’extinction des mutants, favorisant ainsi une fixation rapide des mutants bénéfiques. Nous démontrons cet effet dans le graphe en étoile, et plus fortement dans le graphe en ligne, inspiré du système digestif.

[H] Hoces et al. (2023) Quantification des goulots d'étranglement démographiques bactériens lors de la colonisation de l'intestin, et prédiction du résultat de l'introduction simultanée des deux souches à partir des données de colonisation de chaque souche séparemment.

[Le] Lentsch et al. (2025) Preuve de concept, avec des souches de salmonelles chez des souris, qu'en combinant vaccination orale et introduction de souches compétitrices, on peut éliminer des souches bactériennes indésirables dans le microbiote intestinal. Du côté du modèle, en prenant en compte la souche à éliminer, la souche compétitrice, et le reste du microbiote, nous avons montré que les bactéries reconnues par les anticorps sortent plus vite du cecum, et nous avons obtenu une prédiction partiellement vérifiée par des expériences supplémentaires.

Les perspectives sont dans 3 directions: le transport dans le système digestif, l'impact de la structure spatiale sur l'évolution, la dynamique bactérienne et leur interaction avec les anticorps dans le système digestif.

Pour le transport dans le système digestif, ce projet a permis d'approfondir ma collaboration avec Clément de Loubens et Stéphane Tanguy, obtenir de nouveaux financements sur le sujet. En plus de la suite de nos projets de recherche, nous avons aussi organisé un workshop "Inter-regulation of gut transport and motility: the way forward" en 2025, qui rassemblait des chercheurs en imagerie médicale, en étude de la digestion de nourriture, des biologistes spécialistes du mucus, des microbiologistes, et des modélisateurs. Ce workshop a été vraiment un succès et a permis de créer des liens entre différentes disciplines.

Pour l'impact de la structure de populations sur leur évolution, par exemple de populations bactériennes structurées spatialement dans le système digestif, il existe beaucoup de résultats théoriques pour des graphes avec certaines symétries. Mais quand les migrations entre sous-populations sont asymétriques, comme dans le système digestif où il y a un flux net dans une direction, il n'y a presque aucun résultat sur lesquels se baser. Ce projet nous a permis de commener à défricher ces questions avec Anne-Florence Bitbol. Nous continuons à développer ces modèles, et espérons pouvoir comparer avec des données expérimentales.

Le microbiote intestinal est un sujet de recherche très actuel. Malgré les nombreuses études sur le sujet, il y a relativement peu de modèles de la dynamique des populations bactériennes dans le système digestif, et encore moins sur les mécanismes physiques qui font que la sécrétion d'anticorps favorise les bactéries commensales tout en protégeant l'organisme contre les bactéries pathogènes. Ces travaux commencés via se projet sont des jalons dans cette direction, que je vais continuer, avec mes collaborateurs.