Mathematical modelling of carbohydrate degradation in the human colon

par Rafael Muñoz-Tamayo

Thèse de doctorat en Sciences appliquées. Physique

Sous la direction de Éric Walter.

Soutenue en 2010

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des Sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    = Modélisation mathématique de la dégradation des hydrates de carbone dans le côlon humain


  • Résumé

    Les modèles mathématiques peuvent grandement contribuer à une meilleure compréhension des systèmes biologiques complexes. Les travaux présentés ici ont été consacrés au développement d’un modèle de la dégradation des polysaccharides dans le côlon humain. Le côlon humain est un écosystème avec de nombreuses espèces de microorganismes, qui forment le microbiote intestinal. Ce microbiote a pour fonction la dégradation des polysaccharides qui n���ont pas été digérés dans la partie supérieure de l’intestin. Il joue de ce fait le rôle d’un médiateur de l’effet du régime alimentaire sur la santé. En raison de sa complexité et de son accessibilité difficile, le côlon humain est un organe mal connu. Notre objectif a donc été de contribuer, par une approche in silico, à une meilleure compréhension de la fermentation dans cet écosystème. Nous avons construit un modèle à base de connaissances, qui prend en compte la physiologie de l’intestin, les réactions métaboliques et les phénomènes de transport. En écrivant des équations de bilan de masse, nous avons obtenu un modèle dynamique d’équations différentielles ordinaires. Ce modèle a une structure complexe, avec une dimension d’état élevée et un grand nombre de paramètres. Pour faire face à cette complexité, nous avons utilisé des outils d’analyse et d’ingénierie des systèmes, qui sont l’analyse d’identifiabilité, la réduction d’ordre et l’estimation de paramètres. Les simulations réalisées ont montré que le modèle donnait une description qualitativement correcte du comportement du côlon. La méthodologie que nous avons développée devrait permettre de tester des scenarii nutritionnels et d’aborder des questions qui sont difficiles ou impossibles à étudier par expérimentation.


  • Résumé

    Mathematical models can play a central role for a better insight of complex biological systems. In such a context, this work presents the development of a mathematical model of carbohydrate degradation in the human colon. The human colon can be assimilated to an anaerobic bioreactor with many microorganisms, which form the colonic microbiota. This community performs the breakdown of polysaccharides that are not digested in the upper intestine, mediating some of the effects of diet on health. As a result of its limited accessibility and its complexity, the human colon remains largely unexplored. Our aim was to provide an in silico approach to contribute to a better understanding of the fermentation pattern in such an ecosystem. Our mathematical model is knowledge-based, derived by writing down mass-balance equations. It incorporates physiology of the intestine, metabolic reactions and transport phenomena. As a result, it has a complex structure with a large number of state variables and parameters. In order to handle such a complexity, we made use of mathematical and engineering tools. They included identifiability analysis, model order reduction and parameter estimation. Simulations of the resulting model provided a qualitatively adequate representation of the behaviour of the human colon. The methodology presented here should enable one to assess nutritional scenarios and to address questions that are difficult or impossible to elucidate by experimentation.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (227 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 197-227

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