Modélisation mathématique de l'intestin grêle : un progrès nécessaire en nutrition animale et humaine

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1 Modélisation mathématique de l'intestin grêle : un progrès nécessaire en nutrition animale et humaine A G R I C U L T U R E A L I M E N T A T I O N E N V I R O N N E M E N T

2 Problématique et Objectifs Les phénomènes digestifs sont : Majeurs pour les performances de l animal Partagés par différentes espèces Modélisés de façon insatisfaisante Les objectifs en découlant sont : D encourager une approche physiologique comparée D obtenir un modèle de simulation générique utilisant des méthodes mathématiques adéquates

3 Mode opératoire : échanges en Réunions biologie et mathématiques multidisciplinaires (mathématiciens et biologistes) multiespèces (monogastriques, ruminants, humains) Modalités d échanges : biologistes : quelles questions traiter? mathématiciens : comment modéliser?

4 Plan La diversité et la complexité du tube digestif Une activité mécanique intense le long du tube digestif Dégradations intenses le long du tube digestif Absorptions le long du tube digestif Des modèles à modifier Une approche pas à pas : Un premier modèle avec des hypothèses simples

5 La digestion : un ensemble de phénomènes simultanés constituants alimentaires nutriments DIGESTION Rejets phénomènes mécaniques absorption phénomènes chimiques hydrolyses enzymatiques phénomènes microbiens hydrolyses enzymatiques fermentations

6 Système digestif : un ensemble complexe oesophage estomac pancréas vésicule biliaire rectum anus bouche glandes salivaires foie Organes du tractus Organes et glandes annexes intestin grêle caecum colon gros intestin

7 Anatomie de l intestin grêle accroissement de la surface fonctionnelle de la muqueuse intestinale : une approche multi-échelle replis circulaires villosités microvillosités de la membrane des entérocytes

8 Volumes et proportions relatives des segments digestifs des animaux estomac intestin grêle gros intestin caecum + colon/rectum omnivores porc 9 L 30% 10 L 20 m 33% 2+9 L 7+30% carnivores chien 63% 4 m 23% 14% monogastriques cheval herbivores bovin 15 L 7% 230 L 70% 70 L 22 m 30% 67 L 45 m 20% L 13+50% L 2+7% polygastriques ruminants

9 Plan La diversité et la complexité du tube digestif Une activité mécanique intense le long du tube digestif Dégradations intenses le long du tube digestif Absorptions le long du tube digestif Des modèles à modifier Une approche pas à pas : Un premier modèle avec des hypothèses simples

10 Les mouvements péristaltiques Communs à tous les organes digestifs du grec peri : autour stalicos : qui resserre onde de contraction des fibres circulaires en arrière du bol relachement des fibres musculaires situées en avant

11 Bueno & Fioramonti 1980

12 Fréquence, durée et vitesse de propagation des CMM : Différences entre espèces CMM jéjunum Mouton Chèvre Vache Période (min) 88 ± ± ± 10 Durée (min) 46 ± 6 39 ± 5 44 ± 7 Vitesse (cm/min) 18 ± 6 19 ± 4 19 ± 3 Repos (min) Bueno & Fioramonti 1980

13 Fréquence et distance de propagation des CMM Effets du niveau alimentaire Duodénum Jéjunum Iléon (n/j) (n/j) (n/j) Jeûne <3 Normal Suralimenté Bueno & Fioramonti 1980

14 Plan La diversité et la complexité du tube digestif Une activité mécanique intense le long du tube digestif Dégradations intenses le long du tube digestif Absorptions le long du tube digestif Des modèles à modifier Une approche pas à pas : Un premier modèle avec des hypothèses simples

15 Origines et rôle des principales sécrétions digestives chez le porc (1) origine glandes salivaires enzymes -amylase ( ou ptyaline) autres composants eau ions mucus rôles imbibition lubrification paroi de l estomac pepsine (chymosine) HCl mucus ph action pepsine protection épithélium foie via vésicule biliaire bile neutralisation chyme émulsification lipides pancréas exocrine amylase lipase trypsine chymotrypsine peptidases

16 Origines et rôle des principales sécrétions digestives chez le porc (2) origine paroi intestin grêle enzymes maltase isomaltase saccharase lactase lipase dipeptidases peptidases (DPP4) autres composants mucus desquamations cellulaires rôles lubrification protection épithélium

17 Granules d amidon de pomme de terre (microscopie optique) Granule d amidon après passage dans l intestin grêle humain porcin

18

19 Solubilité du phytate (%) Na Zn Ca Maïs Blé ph Tiré de Scheuermann et al., 1989

20 Hydrolyse des protéines protéines estomac dénaturation pepsine polypeptides quelques AA libres intestin grêle enzymes pancréatiques trypsine chymotrypsine carboxypeptidases aminopeptidases polypeptides oligopeptides dipeptides AA libres enzymes intestinales aminopeptidases DPP 4 di- tripeptides, AA libres + non absorbables

21 Plan La diversité et la complexité du tube digestif Une activité mécanique intense le long du tube digestif Dégradations intenses le long du tube digestif Absorptions le long du tube digestif Des modèles à modifier Une approche pas à pas : Un premier modèle avec des hypothèses simples

22 lumière intestinale produits de la digestion Absorption des nutriments dextrines 1 glucides diholosides oses 1 lipides protéines 2 entérocyte triglycérides AG longs oligopeptides AG micelles courts mixtes acides aminés réestérific ation 2 oses triglycérides acides aminés chylomicrons milieu intérieur nutriments oses (sang) AG courts (sang) triglycérides (lymphe) acides aminés (sang) 1 glucidases membranaires 2 di et tri peptidases membranaires et cytoplasmiques

23 Exemple : L absorption du Ca est la somme de deux mécanismes : 1. Flux paracellulaire, passif, non saturable 2. Flux transcellulaire, passif ou actif, saturable Adapté de : Pansu et al., 1984

24 Bilan de l absorption le long du tube digestif porc ruminant Rumen - réseau AGV NH3 en excès Feuillet eau, minéraux, vit hydrosolubles Intestin grêle glucose id porc avec des particularités AG courts AG longs vit liposolubles AA eau, minéraux, vit hydrosolubles Gros intestin AGV en faible quantité AGV eau, minéraux, vit hydrosolubles - glucose en faible quantité - AG alimentaires remaniés et microbiens - AA alimentaires et microbiens NH3 en excès eau, minéraux, vit hydrosolubles

25 Plan La diversité et la complexité du tube digestif Une activité mécanique intense le long du tube digestif Dégradations intenses le long du tube digestif Absorptions le long du tube digestif Des modèles à modifier Une approche pas à pas : Un premier modèle avec des hypothèses simples

26 Modélisation comparée Porc / Volaille InputPphyt ph est phytase M phytase V InputPmin InputPnonphyt PV Estomac Intestin grêle Ca:Pphyt PphytI PphytS Pi sol/insol hydrolyse PphytI-Pinsol PphytS-Pabs PphytS-Pinsol Pinsol Pi-Pinsol Pi-Pabs Pabsorbable InputPendo AbsP ExcrPinsol ExcrPabs Apport Ca

27 Modélisation comparée Porc / Volaille InputPphyt ph jabot phytase M phytase V InputPmin InputPnonphyt PV Jabot Proventricule / gésier Intestin grêle Ca:Pphyt PphytI1 PphytS1 Pi1 sol/insol 1 hydrolyse jabot PphytI2 Pinsol PphytI1-PphytI2 PphytS1-PphytS2 Pi1-Pi2 sol/insol 2 ExcrPinsol PphytS2 ph prov/gésier PphytI2-Pinsol PphytS2-Pinsol Hydrolyse prov/gésier Pi2-Pinsol Pi2 Pi2-Pabs Pabsorbable ExcrPabs InputPendo AbsP Apport Ca

28 Plan La diversité et la complexité du tube digestif Une activité mécanique intense le long du tube digestif Dégradations intenses le long du tube digestif Absorptions le long du tube digestif Des modèles à modifier Une approche pas à pas : Un premier modèle avec des hypothèses simples

29 Devenir de la fraction digérée (1) Inactivation de l enzyme : C1 : 75 %/h C2 : 25%/h

30 Devenir de la fraction digérée (2) Localisation de l absorption : A1 : tout l intestin A2 : la moitié

31 Devenir de la fraction digérée (3) ph optimal : A1 : 5 A2 : 7,5

32 Merci à Lucile Montagne (Agrocampus, Rennes) Et Marie-Pierre Létourneau-Montminy (INRA)

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