Modélisation multi-échelle du transport dans l'intestin grêle

Le transport dans le tube digestif est important pour l'absorption des nutriments, ainsi que pour la dynamique du microbiote intestinal. Cependant, le transport dans le tube digestif est mal caractérisé. Cela s'explique notamment par la complexité des interactions entre les mouvements des parois, les structures intestinales, et la dynamique microbienne. Cette thèse modélise plusieurs aspects de ce transport. Dans une première partie, la densité de structures comme les villi (dans l'intestin grêle) et les cryptes (dans le colon) qui maximisent l'absorption est calculée analytiquement, en supposant que ces structures sont statiques, et que le transport est diffusif à leur proximité. Alors qu'on pense souvent que davantage de surface permet forcément d'augmenter l'absorption, des structures trop proches limitent la diffusion. Il y a donc une distance optimale finie entre ces structures. Des données physiologiques de diverses espèces animales s'alignent sur la plage optimale prédite par le modèle. Cela suggère que l'évolution pourrait avoir optimisé ces structures pour favoriser l'absorption. Dans une deuxième partie, je me focalise sur l'effet inverse: comme les parois du tube digestif sur lesquelles sont les villis bougent, l'espace entre villi peut varier, ce qui entraîne un écoulement. Des simulations de dynamique computationnelle des fluides permettent d'explorer systématiquement l'impact de la période spatiale de la vague de contraction sur l'épaisseur de la couche où le mouvement des villi entraîne un mélange, et sur l'écoulement net résultant dans la lumière intestinale. Ce dernier correspond à ce qu'une approximation analytique prédit. Dans la troisième partie, je m'intéresse à l'écoulement et au transport de molécules générés par les contractions longitudinales du tube digestif. Des contractions idéalisées sont implémentées dans des simulations de dynamique computationnelle des fluides. Dans ces simulations, les trajectoires des particules sont suivies et un coefficient de diffusion effectif est calculé. Dans une dernière partie, on regarde l'impact du transport sur la compétition entre souches bactérienne, en prenant la description la plus simple du transport, qui se focalise uniquement sur la position longitudinale le long du tube digestif, et considère la vitesse moyenne de l'écoulement et un coefficient de diffusion effectif représentant le mélange. On considère un flux de nutriments à l'entrée, et deux souches bactériennes, l'une qui se réplique plus vite lorsqu'il y a abondance de nutriments, et l'autre qui arrive à mieux acquérir les nutriments quand ils deviennent limitants. S'il n'y a pas de structure spatiale et que les souches sont limitées par le même nutriment, il n'y a pas de coexistence possible entre ces souches. Par une combinaison de simulations et d'approximations analytiques, on détermine dans quel espace des paramètres la structure spatiale due à l'écoulement permet la coexistence de telles souches. Ce travail contribue à une meilleure compréhension des mécanismes physiques impliqués dans les fonctions digestives et la dynamique du microbiote.