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Les structures, facteurs clé des aliments santé : réactivité, bioaccessibilité, allergie
(ACR)
- Mot(s) clé(s) :
Objet d'étude : aliment modèle, matrice alimentaire
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation humaine
Démarche, discipline : Allergologie, Food and Nutrition, Ingénierie des aliments
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Objet d'étude : aliment modèle, matrice alimentaire
Question sociétale et finalité, contexte : alimentation humaine
Démarche, discipline : Allergologie, Food and Nutrition, Ingénierie des aliments
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Ces dernières années ont vu l'émergence des études multi-ou interdisciplinaires avec des vues Afficher la suite
Ces dernières années ont vu l'émergence des études multi-ou interdisciplinaires avec des vues holistiques de l’aliment prenant en compte leur effet sur la santé humaine. Les aliments sont maintenant décrits comme des matrices complexes (classées en plusieurs grandes structures) qui servent de base pour la conception d'aliments modèles réalistes. Dans le même temps, des études mécanistiques visant à la compréhension de l'activité biologique des nutriments au niveau moléculaire ont révélé de fortes interactions au sein des voies métaboliques des nutriments. Les aliments ne sont désormais plus considérés comme la somme de leurs nutriments mais comme une organisation 3D de leurs composants. L’hypothèse de travail est que la structure interne des aliments, définie par l'arrangement complexe et multi-échelle de leurs molécules constitutives, module la bioaccessibilité des nutriments et, par conséquent, leur biodisponibilité, leur cinétique de libération et leurs effets physiologiques. La conception d'aliments à l'échelle nanométrique, rendue possible par les nouvelles technologies et les procédés, est aussi étudiée pour élargir les propriétés « santé » de ces nouveaux aliments. Toutefois, les études permettant d’établir le lien entre les structures de l’aliment et ses propriétés nutritionnelles « in vivo », font souvent défaut, même si des résultats probants ont été obtenus dans le domaine des fibres et de l'amidon, par exemple. Dans ce domaine, la nutrigénomique est également une science émergente avec l'idée sous-jacente que la nourriture peut être adaptée à la physiologie individuelle et au profil génétique des individus.

L'objectif principal de ce thème est donc de comprendre les mécanismes liés aux différents niveaux de structures des aliments qui gouvernent les activités biologiques des nutriments en examinant leur bioaccessibilité dans le tractus digestif. L'objectif ultime est de développer des modèles conceptuels pour la conception d'aliments qui permettent d'optimiser leurs bénéfices pour la santé, assurant une minimisation des risques en y intégrant les allergies alimentaires et les phénomènes d'oxydation. Les nutriments ciblés comprennent les macronutriments (protéines, acides gras insaturés, amidon, fibres), des micronutriments liposolubles et des antioxydants, et un éventail de composés qui sont issus de modifications post-traductionnelles et de traitement des lipides et de protéines. L'approche scientifique vise à être aussi intégrée que possible, en tenant compte des interactions entre constituants. L’expertise de BIA sur la structure et les propriétés physico-chimiques des molécules alimentaires majeures sera utilisée pour caractériser les structures moléculaires aux différents niveaux d’échelle et les interactions des nutriments. On abordera la dynamique de ces systèmes en prenant en compte la stabilité physique et la réactivité chimique et enzymatique des constituants dans l’aliment et tout au long de la chaîne alimentaire, y compris la déstructuration dans le tube digestif.


Le thème peut être structuré en trois grandes parties :

1 - Structure et réactivité des nutriments de la matière première à l’aliment modèle ou réel.

L’objectif est de relier les structures moléculaires, supramoléculaires et les propriétés macroscopiques des matières premières (Thème 1), des assemblages et/ou des matrices alimentaires (Thème 2) à la dynamique (mobilité) et la réactivité des biomolécules au cours des itinéraires technologiques alimentaires. L’approche sera basée sur l’utilisation de systèmes modèles fortement caractérisés réels (émulsions, mousses, gels aqueux incluant ou non les structures lipidiques des protéines et/ou des matrices d’amidon, etc.) mais aussi des aliments réels (œufs, lait, produits céréaliers, etc.).

Dans une première approche, les nutriments concernés seront principalement les lipides et les micronutriments associés, les composés néoformés (produits d’oxydation des lipides et dérivés de protéines) les allergènes et leurs épitopes. Leurs modifications quantitatives et qualitatives au cours de la formulation, du traitement technologique et du stockage seront étudiés. La complexité moléculaire de ces systèmes transitoires nécessitera une détermination quantitative soit des marqueurs caractéristiques soit le développement d’approches lipidomiques et protéomiques.

Les structures supramoléculaires et les microstructures des aliments seront considérées en fonction de la mobilité spatio-temporelle et de la diffusion des micronutriments entre les différents compartiments alimentaires. On s’intéressera particulièrement à la protection des nutriments et micronutriments sensibles dans les phases lipidiques et/ou aqueuses des systèmes multiphasiques. Par exemple, les effets protecteurs des complexes amylose-ligand et des interfaces barrières dans des émulsions mono ou multi couches seront tout particulièrement étudiés en utilisant les outils développés dans le thème 2. Pour les allergènes, la variabilité de composition en allergène dans les matières premières sera étudiée (lien avec le thème 1). On examinera comment la structure moléculaire des allergènes, natifs ou dénaturés dans les aliments, influence leurs interactions avec les IgE par des approches in vitro avec les méthodes immunologiques classiques, et les modèles cellulaires, ou in vivo par des études en collaboration avec des cliniques.
Dans certains cas, les allergènes recombinants et les mutagénèses directes seront utilisés pour caractériser les épitopes conformationnels.

Ces activités sur les structures et la réactivité des nutriments bénéficieront de notre fort réseau national et permettront de renforcer notre positionnement international déjà reconnu au côté d’équipes leaders (Univ. Massachusetts, Univ. Copenhagen, Univ. Kiel, Israel Inst. Technology, etc.).


2 - Evolution des molécules et des structures dans des conditions digestives simulées :

Ce thème est un nouveau domaine de recherche pour l'unité, mais est basé sur notre savoir-faire substantiel sur la structure et la réactivité de matrices alimentaires modèles ou réelles. Cependant, il exige l'acquisition de nouvelles compétences et connaissances scientifiques, particulièrement pour explorer la réactivité chimique et la sensibilité enzymatique de micro- et macronutriments dans les systèmes multi-composant hétérogènes et multi-phasiques. L'objectif est de construire des modèles pour la destructuration alimentaire et la libération des nutriments (bioaccessibilité), dans les conditions du tractus gastro-intestinal, y compris au cours de la mastication.

Pour les aliments solides, les produits céréaliers de type « solide alvéolaire » (pains, biscuits, etc) seront principalement considérés comme des aliments modèles. Un modèle numérique de la fragmentation des matrices amylacées solides sous des conditions mécaniques de mastication sera construit et étendu à la transition solide-liquide en bouche sous conditions, notamment l'accessibilité de l'amidon enzymatique, avec l'intention de concevoir un masticateur virtuel. Ce positionnement original établit des liens entre les domaines de la mécanique, des matériaux, la sciences de l'alimentation et la modélisation numérique.

Les systèmes alimentaires modèles tels que les émulsions, les mousses et les gels (comme développé dans le thème 2) seront utilisés pour étudier l'effet des structures de l'alimentation et les facteurs physiologiques sur la stabilité chimique et la libération dans le tractus gastro-intestinal (TGI), d'acides gras, lipophiles des micronutriments et des peptides présentant une activité immunochimique résiduelle. Les efforts porteront sur la réactivité (oxydation) et la dynamique des molécules et des assemblages dans les systèmes, en raison de l'hydrolyse progressive des macronutriments dans des conditions qui imitent la gamme des variations physico-chimiques trouvés dans des conditions physiologiques digestives. Un des systèmes d'intérêt sera l’émulsion modèle riche en acides gras polyinsaturés et stabilisée par des phospholipides, des protéines. Le but final est de modéliser le processus de déstabilisation de cette émulsion, choisi comme modèle alimentaire, dans les conditions digestives et la diffusion associée des micronutriments lipophiles.

En parallèle, des dispositifs expérimentaux la simulation de la digestion seront mis en place, y compris au niveau buccal (dilution par la salive des phénomènes, coalescence, l'hydrolyse et l'oxydation. Coll GMPA et ACPS).

Ces activités émergentes se situent dans un domaine de recherche très dynamique où une position spécifique sera occupée par rapport à nos principaux concurrents (Wageningen, IFR, Univ. Massachusetts, Massey Univ. NZ) en faisant les liens entre les structures de l’alimentation et la réactivité de leurs composants dans l'environnement gastro-intestinal. Ces activités devraient être développées en partenariat étroit avec d'autres laboratoires Cepia.


3 - Les activités biologiques: un sujet important, l’allergie alimentaire

En fonction de leur disponibilité dans les différentes parties du tube digestif, les nutriments libérés digérés, les oligo-éléments et les composés nouvellement formés peuvent provoquer divers effets biologiques. Les données résultant de simulation dans les études de digestion in vitro doivent être validées par des expériences in vivo (modèles animaux et/ou études sur l'homme), surtout quand les effets de structure sur la cinétique de libération des aliments en nutriments (bio-accessibilité) ou sur la réactivité des IgE restantes sont observées. La plupart de ces études seront effectuées en dehors de l'Unité en partenariat avec des nutritionnistes et les Centres de Recherche en Nutrition Humaine (CRNH). Dans le cas des allergies alimentaires, l’Unité s’appuiera en préalable aux études cliniques, sur un modèle murin qui a été développé ces dernières années.

Concernant le mécanisme d'absorption intestinale de micronutriments lipophiles (ligand-récepteur d'études) un partenariat avec P. Borel (UMR Marseille) sera engagé ainsi que la recherche sur l'activité antimicrobienne des peptides libérés lors de la digestion. La cinétique postprandiale et le métabolisme des lipides et des micronutriments lipophiles seront étudiés, entre autres, en partenariat avec ACPS (Dijon), UNH (Clermont) et RMND (Lyon). Les résultats seront examinés en termes de risques équilibrés et avantages inhérents à l'utilisation de nouveaux outils pour la structuration de matrices alimentaires.

Pour les allergies alimentaires, l'objectif est de relier la structure des allergènes à leur allergénicité et de déterminer si/comment la structure des allergènes modifie le processus de sensibilisation et/ou les mécanismes de déclenchement. L'influence de la structure de l'allergène sur la translocation à travers la barrière intestinale (Caco-2, fragments intestinaux de souris dans une chambre d’Ussing) et sur l'induction de la réaction allergique (modèles souris) sera étudiée. Ces questions seront d'abord examinées sur les allergènes purifiés. Un partenariat avec les immunologistes et les biologistes moléculaires (INSERM U915 IRT) a été créé pour explorer les voies biologiques et la recherche de biomarqueurs intestinaux de l'allergie. En lien avec une meilleure connaissance de la structure des allergènes dans les matrices alimentaires et au cours de leur déstructuration, dans des conditions digestives, des systèmes plus complexes (jusqu’à l’aliment réel) seront étudiés : la matrice/process et/ou les effets bolus seront ensuite abordés. Les protocoles dédiés seront développées pour étudier l'impact de l'alimentation (pro-sensibilisants ou de protection) sur les mécanismes allergiques (fibres et de prébiotiques, des nutriments pro et anti-inflammatoires, etc.).

La participation de BIA dans un réseau intégré d’allergologie régional est une occasion de renforcer notre position par rapport à nos principaux concurrents internationaux, déjà structurés (IFR Norwich, Mount Sinai School of Medicine, Université de Vienne; Hôpital Universitaire d'enfants de la Charité et Paul-Ehrlich Institut, etc.).

Ces études sur les activités biologiques des nutriments sont d'un intérêt potentiel majeur pour de nouveaux développements au sein de BIA dans les prochaines années. Ils pourraient créer des possibilités de recherche originaux tels que des études visant à relier la composition et les structures des parois cellulaires dans les fruits et des produits céréaliers à leur valeur nutritive ou pour évaluer les effets biologiques des nano-objets bio-sourcés utilisés comme ingrédients alimentaires.

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