Multi-compartimentés dynamiques

Les systèmes multi-compartimentés et dynamiques sont rares. A ce jour, seuls deux systèmes répondent à ces deux critères et ont été validés par des corrélations in vitro/in vivo.

2.2.3.1. Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem: SHIME

Le SHIME (Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem) a été développé par l’Université de Gand en Belgique (Molly et al., 1993) et est jusqu’ici le seul modèle qui intègre en un seul système l’ensemble des compartiments de l’estomac au côlon. Composé de cinq réacteurs en série: l’estomac, l’intestin grêle, et les trois parties du côlon: caecum-côlon ascendant, côlon transverse, et côlon descendant (Figure 18). Chaque bioréacteur se caractérise par leur pH, leur volume réactionnel et leur temps de résidence qui leur est propre.

Figure 18: Représentation du schématique SHIME

Le SHIME est actuellement le seul système intégrant l’ensemble des phases digestives: estomac, intestin grêle et les trois régions du côlon. J.P.: Jus Pancréatique (Molly et al., 1993).

Ce système permet de reproduire, en fonctions de données in vivo, la température, le pH gastrique et intestinal, les sécrétions d’enzymes digestives (pancréatine, bile), le temps de transit et les communautés microbiennes associés aux différentes régions du côlon humain. Un filtre de dialyse est utilisable afin de simuler un phénomène d’absorption au niveau de l’intestin grêle, cependant aucune absorption n’est simulé dans les compartiments coliques (Vermeiren et al., 2011)

Le M-SHIME (Mucosal-SHIME, Figure 19), une amélioration du SHIME, présente un compartiment supplémentaire doté de mucus intestinal (Van den Abbeele et al., 2012) permettant l’adhésion d’une flore microbienne spécifique. Les flores microbiennes qui

Chapitre 1: La digestion humaine et sa modélisation in vitro

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adhèrent à la couche de mucus intestinal sont composées d’organismes jouant un rôle clé dans la santé humaine et en étroite interactions avec l’hôte (Zoetendal et al., 2002), leurs présences dans les systèmes in vitro permet une simulation de la digestion humaine plus proche de l’in

vivo. Le développement de ce système permet l’étude de ces microbiotes dans un contexte

sain ou de maladies telles que les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI).

Figure 19: Représentation schématique du M-SHIME

Le M-SHIME est une adaptation du SHIME comportant un compartiment supplémentaire reproduisant l’environnement muqueux. L-SHIME correspond à la phase colique d’origine (Van den Abbeele et al., 2012)

Le système SHIME est particulièrement pertinent pour suivre sur plusieurs semaines l’influence de composés alimentaires et de produits pharmaceutiques sur le microbiote intestinal. Le SHIME a été récemment utilisé dans des études microbiologique (De Weirdt et

al., 2013; Geirnaert et al., 2015; Possemiers et al., 2010, 2013; Sivieri et al., 2013; Van den

Abbeele et al., 2012), pharmacologique (Almeida et al., 2011; Rodes et al., 2014), toxicologique (Joly et al., 2013; Ouethrani et al., 2013; Yin et al., 2016) et nutrition/santé (Barroso et al., 2014; Ichim et al., 2016; Marzorati et al., 2016; Truchado et al., 2015; Vanhaecke et al., 2009; Vermeiren et al., 2012).

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35 2.2.3.2. TNO gastro-Intestinal Model: TIM

Le système digestif artificiel TIM-1 (Minekus et al., 1995) sera plus décrit plus en détail que les autres modèles étant le système utilisé lors de ce travail de thèse.

Le TIM-1 (ou TIM) (Figure 20) est un système multi-compartimenté, dynamique et contrôlé par ordinateur. Il est composé de quatre compartiments représentant l’estomac et les trois parties de l’intestin grêle: le duodénum, le jéjunum et l’iléum. Il reproduit le plus physiologiquement possible les conditions physico-chimiques rencontrées dans la lumière gastro-intestinale.

Figure 20: Représentation schématique du TIM-1

Le système TIM-1 (TNO gastro-Intestinal Model) est composé de quatre compartiments: l’estomac, le duodénum, le jéjunum et l’iléum et reproduit les conditions physico-chimiques rencontrées dans la lumière gastro-intestinale le plus fidèlement possible. EI: Electrolytes, J.G.: Jus gastrique, J.P.: jus pancréatique (Minekus et al., 1995).

Chapitre 1: La digestion humaine et sa modélisation in vitro

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Les principaux paramètres de la digestion tels que l’évolution du pH gastrique et le maintien du pH intestinal, la température corporelle, le brassage du chyme, le temps de transit, les vidanges gastriques et iléales, les secrétions digestives (lipase, pepsine, HCl, bile, pancréatine et NaHCO3), et l’absorption passive d’eau et des produits de digestion sont reproduits à partir de données in vivo. Ces paramètres contrôlés par ordinateur peuvent ainsi être modulés afin de simuler les différents stades de la vie (nourrisson, adulte, personne âgée), les différent types de repas (solide, liquide) et les différentes conditions digestives d’un individu sain ou malade (hyper- ou hypo-acidité gastrique, insuffisance pancréatique) (Blanquet et al., 2004; Guerra et al., 2012; Minekus et al., 1995).

Chaque compartiment est composé d’unités en verre comprenant une paroi interne flexible. De l’eau à 37°C circule entre la paroi en verre externe et la paroi flexible interne afin de maintenir le système à température corporelle. Des variations de pression appliquées à l’eau permettent de mimer le brassage du chyme en comprimant ou relâchant les parois flexibles. Les différents compartiments sont reliés entre eux par des valves péristaltiques, composés de trois tubes en « T » possédant une membrane flexible interne. L’ouverture et la fermeture de ces valves, pilotées par ordinateur (envoi d'air comprimé ou vide), permettent le passage d’une partie du chyme d’un compartiment à un autre, de façon à suivre une courbe de transit prédéterminée. Afin de contrôler le transit, des capteurs de niveau mesurent le volume dans chaque compartiment en permanence. Les vidanges gastriques et iléales sont représentées par le modèle mathématique suivant (Elashoff et al., 1982):

ƒ représente la fraction de chyme délivrée, t le temps de vidange, t1/2 le temps de demi-vidange, β un coefficient décrivant l’allure de la courbe

Ce modèle mathématique permet le contrôle par ordinateur du transit du chyme dans le système digestif TIM-1.

Chaque compartiment est également équipé de sonde de pH afin de contrôler le pH en continu, et d’ajuster, si nécessaire, avec une solution de HCl dans l’estomac et une solution de NaHCO3 dans l’intestin grêle afin de se conformer aux valeurs de pH préalablement définies à partir de données in vivo.

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37 Les différentes sécrétions gastriques (lipase et pepsine), biliaires et pancréatiques sont apportées en continu dans les compartiments correspondants par des pompes contrôlées par ordinateur. Afin de reproduire l’état à jeun, des résidus gastrique, duodénal (contenant de la trypsine), jéjunal et iléal sont introduits dans le TIM juste avant le début de la digestion.

Dans le compartiment jéjunal et iléal, l’absorption passive d’eau et de nutriments est assurée par un système de fibre de dialyses dans lequel circule une solution d’électrolytes (seuil de coupure: 10 000 Da).

Récemment, le système TIM-1 a été utilisé pour des études dans le domaine nutritionnel (Denis et al., 2016; Larsson et al., 2016; Nalin et al., 2015; Nimalaratne et al., 2015; Villemejane et al., 2016), pharmacologique (Barker et al., 2014; Hens et al., 2014; Lyng et al., 2016; Ting et al., 2015; Verwei et al., 2016) et microbiologique (Arroyo-López

et al., 2014; Cordonnier et al., 2015; Miszczycha et al., 2014; Roussel et al., 2016; Uriot et al., 2016).