Mécanosensibilité du tractus gastro-intestinal à la rhéologie des fluides : impacts sur la motilité et la dynamique du flux. // Mechanosensitivity of the gastrointestinal tract to fluid rheology: impacts on motility and flow dynamics.

Le tractus gastro-intestinal est un système biologique complexe où des processus chimiques, physiques et microbiologiques interagissent pour décomposer les aliments et faciliter l'absorption des nutriments. Il est bien établi que le transport et le mélange au sein du système digestif sont gouvernés par l'activité mécanique des muscles lisses entourant le tractus digestif. Comprendre le transport hydrodynamique induit par la motilité intestinale est donc crucial pour de nombreux domaines de recherche en sciences biologiques.
En sciences pharmaceutiques et nutritionnelles, une compréhension détaillée du transport, du mélange et de l'absorption des médicaments et des nutriments est essentielle pour prédire l'efficacité des interventions pharmacologiques et alimentaires. Alors que les processus (bio)chimiques impliqués dans la digestion sont relativement bien connus, les aspects physiques—tels que le mélange, la propulsion et l'impact de la motilité intestinale—restent moins explorés.
Plus loin dans le tractus digestif, le bol alimentaire rencontre une communauté microbienne riche et diversifiée. Malgré des avancées significatives dans la caractérisation de la composition et des fonctions microbiennes, l'organisation spatiale de ces populations microbiennes dans l'intestin reste encore mal comprise. Une description plus détaillée des phénomènes de transport dans le tractus GI pourrait apporter des informations clés sur les effets physiologiques des interventions alimentaires (par ex., la consommation de fibres) et sur la dynamique spatiale des modifications microbiennes.
L'environnement physique du tractus GI est hautement complexe. Premièrement, le bol alimentaire est une suspension hétérogène aux propriétés non newtoniennes, et la couche de mucus tapissant les parois intestinales est un gel hétérogène. De plus, l'écoulement dans le tractus GI opère à plusieurs échelles, influencé par les structures villositaires de taille sub-millimétrique recouvrant la muqueuse, qui modulent davantage les dynamiques de mélange et d'absorption.
Dans ce projet, nous nous concentrons sur la manière dont la rhéologie du bol alimentaire régule la motilité et les processus de transport du tractus GI. La motilité du tractus GI est contrôlée à la fois par le système nerveux entérique et par l'activité myogénique. Les muscles lisses ainsi que le système nerveux entérique sont mécanosensibles, c'est-à-dire qu'ils réagissent dynamiquement à la distension et aux variations de pression. Des recherches menées par les équipes du LRP et du TIMC ont démontré que la motilité du duodénum varie en fonction du degré d'étirement des muscles lisses, passant d'une activité contractile asynchrone sous faible contrainte à des contractions propagatrices sous forte contrainte. De plus, le tractus GI est capable de générer des gradients de pression, qui jouent un rôle clé dans le transport des fluides grâce aux réponses mécanosensibles. Dans l'estomac, l'activité biomécanique est modulée par la structure et la rhéologie du contenu gastrique, influençant ainsi les phénomènes de mélange qui homogénéisent des hétérogénéités spatiales telles que les gradients de pH.
L'objectif de ce projet de thèse est de comprendre comment la rhéologie des fluides influence la motilité, le transport et le mélange dans le tractus GI.
Dans un premier temps, nous utiliserons des modèles ex vivo d'estomac et de duodénum isolés de rat afin d'étudier comment la motilité s'adapte aux différentes propriétés des fluides. Nous emploierons des techniques avancées de visualisation pour quantifier à la fois la motilité et les dynamiques de mélange au sein du tractus GI. Ensuite, nous développerons des simulations numériques pour compléter les observations expérimentales, fournir des prédictions sur le comportement biomécanique du système et valider des hypothèses mécanistiques clés.
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The gastrointestinal (GI) tract is a highly complex biological system where chemical, physical, and microbiological processes interact to break down food and facilitate nutrient absorption. It is well established that transport and mixing within the digestive system are governed by the mechanical activity of smooth muscles surrounding the GI tract. Understanding the hydrodynamic transport induced by gut motility is therefore crucial for multiple research fields in biological sciences.
In pharmaceutical and nutritional sciences, a detailed understanding of how drugs and nutrients are transported, mixed, and absorbed is essential for predicting the efficacy of pharmacological and dietary interventions. While the (bio)chemical processes involved in digestion are relatively well understood, the physical aspects—such as mixing, propulsion, and the impact of gut motility—remain less explored.
Further along the digestive tract, the digesta encounters a rich and diverse microbial community. Despite significant advances in characterizing microbial composition and function, the spatial organization of these microbial populations within the gut remains poorly understood. A more detailed description of transport phenomena in the GI tract could provide key insights into the physiological effects of dietary interventions (e.g., fiber consumption) and the spatial dynamics of microbial changes.
The physical environment of the GI tract is highly complex. First, the digesta is a heterogeneous suspension with non-Newtonian properties, and the mucus layer lining the intestinal walls is a heterogeneous gel. Additionally, the flow in the GI tract operates at multiple scales, influenced by sub-millimeter villi structures covering the mucosa, which further modulate mixing and absorption dynamics.
In this project, we focus on how the rheology of digesta regulates GI tract motility and transport processes. GI tract motility is controlled by both the enteric nervous system and myogenic activity. Both smooth muscles and the enteric nervous system exhibit mechanosensitivity, meaning they respond dynamically to distension and pressure changes. Research conducted by the LRP and TIMC teams has demonstrated that duodenal motility varies depending on the degree of smooth muscle stretching, transitioning from asynchronous contractile activity at low stress to propagating contractions at high stress. Moreover, the GI tract is capable of generating pressure gradients, which play a key role in fluid transport thanks to mechanosensitive responses. In the stomach, biomechanical activity is modulated by the structure and rheology of gastric contents influencing mixing phenomena that homogenize spatial heterogeneities such as pH gradients.
The objective of RheoGut is to understand how fluid rheology influences GI tract motility, transport, and mixing.
First, we will use ex vivo models of the isolated stomach and duodenum of the rat to investigate how motility adapts to different fluid properties. We will employ advanced visualization techniques to quantify both motility and mixing dynamics within the GI tract. Second, we will develop numerical simulations to complement experimental findings, providing predictive insights into the biomechanical behavior of the system and validating key mechanistic hypotheses.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Les compétences attendues sont : - une expérience et des connaissances en mécanique des fluides, rhéologie et/ou physique de la matière molle ; - savoir traiter des données : utilisation de Matlab / Python (ou équivalent), des notions de statistiques et de programmation ; - un goût prononcé pour la recherche expérimentale : savoir mettre au point un dispositif expérimental, savoir utiliser après formation un instrument scientifique ; - esprit de synthèse développé : savoir synthétiser les résultats et les observations afin de dégager des conclusions ; - curiosité scientifique : interroger les observations et les résultats obtenus avec un esprit critique et au regard de la littérature scientifique ; - compétences en communication scientifique (oral et écrit) : savoir rédiger un article scientifique, donner une conférence de niveau international. - un intérêt pour la recherche transversale impliquant l'utilisation des connaissances en ingénierie pour la compréhension de mécanismes physiologiques est indispensable. Diplôme demandé : Le/la candidat(e) doit être titulaire d'un Master 2 avec des compétences en mécanique des fluides, matière molle, procédés.
The skills expected are : - experience and knowledge in fluid mechanics, rheology and/or soft matter physics; - ability to process data: use of Matlab / Python (or equivalent), notions of statistics and programming; - a strong taste for experimental research: ability to set up an experimental device, ability to use a scientific instrument after training; - a well-developed ability to summarize results and observations in order to draw conclusions; - scientific curiosity: questioning observations and results obtained with a critical mind and in the light of scientific literature; - scientific communication skills (oral and written): ability to write a scientific article, give an international conference. - an interest in cross-disciplinary research involving the use of engineering knowledge to understand physiological mechanisms is essential. Diploma required: The candidate must hold a Master 2 with skills in fluid mechanics, soft matter and chemical engineering.