Modeling and simulating the uptake of dietary long-chain fatty acids and their re-synthesis into triglycerides inside enterocytes | Modélisation et simulation de la captation des acides gras alimentaires à longue chaîne et de leur re-synthèse en triglycérides au sein des entérocytes

anglais. Intestinal absorption of dietary fatty acids is a key step in cardio-metabolic health. However, the molecular mechanisms underlying fatty acids uptake by the absorptive cells of the intestine, the enterocytes, remain incompletely understood. This thesis proposes a quantitative, mechanistic modeling approach for the first steps of intestinal long-chain fatty acids absorption. The first chapter reviews the published quantitative data regarding long chain-fatty acids intestinal uptake, transport to the endoplasmic reticulum and re-esterification into triglycerides, as well as published mathematical models that address related questions. The second chapter is the core of the thesis. It proposes a quantitative and mechanistic model of the intestinal uptake of long chain-fatty acids, taking into account their hydrophobicity and their sensitivity to pH. This system of ordinary differential equations is composed of passive diffusion and of different modules (active transport, fatty acid-binding proteins (FABPs), intracellular metabolism), that were removed in turn to simulate gene knockouts. To allow for the quantitative comparison of uptake rates, a standardized dataset of long-chain fatty acid uptake rates was built based on nine published experimental datasets, originally expressed in various units. The simulations show that intracellular metabolism, acting as a sink for passive diffusion through the membrane, is critical to ensure total absorption of the dietary content, at the time scale of several hours. Removing FABP does not prevent total absorption, but delays the process by more than a hundred hours. The presence of active transport does not impact the long-term uptake dynamics, but is required to properly fit experimental data at the time scale of a few seconds or minutes. Beyond goodness-of-fit, dissecting the quantitative contribution of each subflux shows that two kinds of dynamics can underly a good fit. In the “physiological” dynamics, fatty acids enter the cell via passive diffusion and active transport and end up metabolized. In the “anomalous” dynamics, fatty acids enter via active transport, but most of them leave via outward passive diffusion instead of being metabolized. The third chapter describes the preliminary studies conducted to model the subsequent step of fatty acid re-esterification into triglycerides through the 2-monoglyceride pathway, which is generally considered the main pathway in enterocytes. Equations for bisubstrate enzyme kinetics and experimental data are studied. Altogether these results pave the way towards a numerical mirror of the enterocyte for long-chain fatty acids absorption.

français. L’absorption des acides gras alimentaires est une étape clé de la santé cardio-métabolique. Toutefois, les mécanismes moléculaires de leur captation par les entérocytes, cellules absorptives de l’intestin, demeurent mal compris. Cette thèse propose une approche de modélisation des premières étapes de l’absorption intestinale des acides gras à longue chaîne. Le premier chapitre recense les données quantitatives et les modèles mathématiques de la littérature en lien avec la captation intestinale des acides gras à longue chaine, leur transport jusqu’au réticulum endoplasmique et leur ré-estérification en triglycérides. Le second chapitre propose un modèle quantitatif et mécanistique de la captation intestinale des acides gras à longue chaine, prenant en compte leur hydrophobie et leur sensibilité au pH. Ce système d’équations différentielles ordinaires retranscrit la diffusion passive et différents modules (transport actif, protéines de liaison aux acides gras (FABP), métabolisme intracellulaire), tour à tour retirés du système pour simuler un knockout de gène. Afin de comparer les vitesses de captation, un jeu de données a été constitué à partir de neuf jeux de données expérimentales publiées. Les simulations montrent que le métabolisme intracellulaire est critique pour assurer une absorption totale à l’échelle des heures. Le temps d’absorption augmente fortement sans FABP. A l’échelle de la seconde ou minute, le transport actif est requis pour ajuster le modèle aux données. Quantifier les flux montre que le modèle adopte deux dynamiques lors des ajustements. Dans la dynamique « physiologique », les acides gras sont captés puis métabolisés. Dans la dynamique « anormale », les acides gras entrent par transport actif et ressortent par diffusion passive. Le troisième chapitre retrace l’étude préliminaire à la modélisation de la ré-estérification des acides gras en triglycérides via la voie des 2-monoglycérides, considérée comme majoritaire dans les entérocytes. Réactions enzymatiques à deux substrats et données expérimentales de la littérature sont étudiées. Ensemble, ces résultats fondent les bases d’un modèle quantitatif de l’entérocyte pour le trafic des acides gras.