Écoulements complexes dans le système digestif

Villosités de l'intestin.

Objectifs

Les phénomènes de transport et de mélange dans le système digestif contrôlent la libération et l'absorption des nutriments, la libération des médicaments, ainsi que la dynamique des bactéries et leur interaction avec le système immunitaire. Ces phénomènes de transport sont contrôlés par l'organisation spatio-temporelle de la motilité des muscles lisses, la présence de microstructures -les villosités- recouvrant la muqueuse digestive, ainsi que le comportement rhéologique des fluides (digesta et mucus). Notre objectif est de développer une approche expérimentale à l'interface de la mécanique des fluides complexes et de la physiologie digestive afin de comprendre et modéliser les phénomènes de transports au sein du système digestif, aux échelles macro- et microscopiques. 

Résultats

• Des écoulements secondaires générés par l'oscillation des villosités intestinales

Nous avons développé des simulations numériques par les méthodes de lattice-Boltzmann pour étudier l’impact des mouvements spontanés des villosités sur l’écoulement et le transport des microparticules dans l’intestin grêle. En simulant des microstructures qui oscillent latéralement de manière coordonnée, nous montrons  que celles-ci peuvent induire un écoulement redressé (« steady streaming flow ») sur une échelle de temps de quelques minutes. Bien que cet écoulement ne puisse pas accélérer l’absorption des nutriments, il facilite le transport de microparticules, telles que des agrégats, des bactéries, et des particules utilisées pour l’administration de médicaments. Ce phénomène s’explique par le fait que le forçage mécanique se fait à des nombres de Reynolds modérés (de l’ordre de l’unité) ce qui favorise l’émergence d’un écoulement secondaire. Nous avons également pu montrer que l’intensité de cet écoulement secondaire et sa structure spatiale ne dépendait pas seulement du nombre de Reynolds, mais également de l’espacement entre les villosités. Étant donné que l’espacement entre les villosités dépend de l’étape physiologique dans le processus de la digestion, ce résultat numérique suggère que le système intestinal a un moyen de contrôler les mélanges.

Dans le cadre du projet ANR TransportGut, nous développons un système expérimental permettant d’imager la motilité des villosités sur des organes isolés, afin d’inclure des mouvements plus complexes et plus réalistes dans les simulations numériques.

Lignes de courant générées par l'oscillation des villosités des instestins.

• La modélisation des écoulements des fluides à seuil d’écoulement pour une analyse quantitative de la fonction rectale (collaboration avec le CHU de Grenoble Alpes, TIMC) 

La défécation humaine est un phénomène complexe qui implique la coordination de différents systèmes physiologiques. De ce fait, il reste difficile pour les médecins de distinguer clairement les étiologies des symptômes. De plus, les examens cliniques, tels que la defecographie dynamique, ne sont que partiellement traités, alors qu'ils contiennent des informations physiques sur la fonction rectale. 

Nous avons développé des simulations numériques de l'évacuation rectale, basées sur des séquences de defecographies dynamiques pour différents patients. Le code lattice-Boltzmann prend en considération les propriétés rhéologiques du substitut de selle utilisé pour l’examen afin de simuler les champs d'écoulement, de pression et de contrainte. Ces simulations ont permis de relier le débit d’évacuation aux forces appliquées par l’ampoule rectale pour différents exemples et d’identifier des critères qui pourraient aider au diagnostic clinique. Ces premiers résultats ouvrent la voie à l’identification quantitative des causes biomécaniques de troubles de la défécation pour des patients présentant à la fois des anomalies fonctionnelles et structurelles.

Modélisation de la défécation humaine.Gauche : champ de pression. Droite : défécorgaphie dynamique.

Références

Ahmad, F., Tanguy, S., Dubreuil, A., Magnin, A., Faucheron, J. L., & de Loubens, C. (2022). Flow simulations of rectal evacuation: towards a quantitative evaluation from video defaecography, Interface Focus, 12(6), 20220033.

Puthumana Melepattu, M., & de Loubens, C. (2022). Steady streaming flow induced by active biological microstructures; application to small intestine villi, Physics of Fluids, 34(6).

de Loubens, C., Dubreuil, A., Lentle, R. G., Magnin, A., Kissi, N. E., & Faucheron, J. L. (2020). Rheology of human faeces and pathophysiology of defaecation. Techniques in coloproctology, 24, 323-329.

Ahmad, F., Investigating gastrointestinal function at macro and micro scales : Insights from fluid dynamics models, PhD thesis, Université Grenoble Alpes, 2023,