Modélisation muli-échelle du transport dans le système digestif – TransportGut

Le système digestif met en jeu de nombreux phénomènes biologiques, chimiques et physiques afin d’assurer l’absorption des nutriments venant de notre alimentation. Grâce à certains sites de la muqueuse intestinale, c’est aussi une porte d’entrée vers notre système immunitaire. Cette spécificité permet d’envisager des voies thérapeutiques innovantes via l’encapsulation de médicaments dans des nano- ou micro- particules ou l’administration de bactéries qui cibleraient ces sites afin d’induire une réponse immunitaire. Un verrou majeur au développement de ces technologies est de pouvoir prédire l’acheminement de ce type de « microparticules » et ainsi de contrôler la dose absorbée par notre organisme.

TransportGut a pour objectif de modéliser de manière effective le transport de microparticules dans le système gastro-intestinal.

L’enjeu d’un tel modèle est de pouvoir rendre compte des différentes spécificités de l’environnement physique du système digestif sur les phénomènes de transport et de mélange. D’une part, le transport et les mélanges sont contrôlés par l’activité mécanique des muscles lisses de la muqueuse intestinale, aussi bien aux échelles macroscopiques que microscopiques. D’autre part, cette activité varie selon les échelles de temps considérées. Plusieurs échelles sont ainsi pertinentes : les microstructures de la muqueuse, l’organe isolé et le long du système digestif. Les mélanges aux grandes échelles sont probablement contrôlés par les mélanges aux petites échelles. Il n’y a actuellement aucun modèle de transport de particules qui rende compte de l’ensemble de ces échelles.

TransportGut est un projet intégré et interdisciplinaire qui s’appuie sur l’expertise complémentaire de trois équipes en biorhéologie, biophysique théorique et physiologie. L’équipe du Laboratoire Rhéologie et Procédés (LRP) a une expérience importante pour le développement d’expérimentations en mécanique des fluides complexes aux échelles macroscopiques et microscopiques, ainsi qu’en modélisation numérique des écoulements dans le système digestif. L’équipe du Laboratoire Jean Perrin (LJP) a une expertise en modélisation théorique du transport de bactéries et de leurs interactions avec le système immunitaire du tube digestif. Enfin, l’équipe du laboratoire Technique de l’Ingénierie Médicale et de la Complexité (TIMC-IMAG) développe des systèmes expérimentaux et des technologies originales pour la compréhension de la physiologie des muscles lisses.

Sur la base d’expériences à l’interface de la physiologie et de la mécanique des fluides et de simulations numériques des écoulements, nous proposons de développer un modèle analytique du transport connectant ces différentes échelles. D’une part, nous développerons des expérimentations sur des modèles animaux pour étudier le transport de particules depuis le long du système digestif jusqu’aux microstructures de la muqueuse intestinale. Ces expérimentations permettront de simuler les couplages entre les écoulements aux échelles microscopiques et macroscopiques afin de comprendre le rôle d’interfaces actives et microstructurées sur le transport et le mélange de microparticules. L’ensemble de ces données issues des expérimentations et des simulations numériques permettront de bâtir des modèles analytiques et simplifiés du transport et du mélanges de particules à différentes échelles spatiales et temporelles. Ce modèle permettrait de prédire la dispersion spatiotemporelle de particules afin d’être un outil d’aide à la décision pour l’industrie pharmaceutique, mais aussi de comprendre les mécanismes fondamentaux qui gouvernent la structure spatiale du microbiote intestinal.