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體外仿生胃腸道模型的開發(fā)與應(yīng)用
閱讀：1621 發(fā)布時間：2022-12-28體外仿生胃腸道模型是模擬人或動物的胃腸道及其生理環(huán)境的裝置，近年來被廣泛應(yīng)用于模擬食物營養(yǎng)成分的消化和吸收過程、功能性食品的功效性評估、口服藥物制劑的體內(nèi)溶出度預(yù)測、嬰幼兒奶粉配方優(yōu)化等領(lǐng)域。
常言道：“民以食為天”。吃飯看似是一件很平常的事，但其中卻蘊含著許多知識和學(xué)問。近年來由于膳食的不平衡和營養(yǎng)過剩導(dǎo)致的肥胖癥、高脂血癥、糖尿病和心血管疾病等現(xiàn)代“富貴病”的發(fā)病率居高不下。以糖尿病為例，目前我國糖尿病患者總數(shù)預(yù)計到2045年將達(dá)到1.98億，平均每10個人中將至少有1個人是糖尿病患者。因此，從食品工程的角度來看，未來食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點是既要滿足人們對于食品色、香、味、形的良好感官需求，更要滿足人們在食品的消化與吸收中對營養(yǎng)與健康的需求。
食品在體內(nèi)的加工過程（即消化與吸收）是決定食品的營養(yǎng)和功效的關(guān)鍵。因此，研究食品在胃腸道內(nèi)的消化與吸收過程對深入理解膳食與健康之間的關(guān)系、指導(dǎo)新型功能（健康）食品的設(shè)計和開發(fā)具有重要的意義。同樣，深入研究固體口服藥物制劑在體內(nèi)胃腸道的消化、溶出、釋放和吸收過程也十分重要，因為這是評價其臨床療效的關(guān)鍵，也是仿制藥和創(chuàng)新藥研發(fā)鏈中不可少的環(huán)節(jié)。
如何研究食品和口服藥物制劑在體內(nèi)的消化和吸收過程呢？一般情況下，在人或動物體內(nèi)進(jìn)行試驗尤為理想。然而，由于胃腸道的結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜，生物個體間的差異大，導(dǎo)致動物或人體試驗在技術(shù)上的可行性、結(jié)果的可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)和時間成本、倫理等方面受到了極大的限制。此外，通過體內(nèi)試驗只能得到籠統(tǒng)的結(jié)果，在理解食品和藥物在胃腸道中詳細(xì)的消化和吸收過程和機(jī)理時，也具有很大的局限性。
胃腸道消化和吸收的一般過程
胃腸道（包括口腔、食管、胃、小腸和大腸）是營養(yǎng)物質(zhì)和藥物消化、轉(zhuǎn)運、吸收、代謝和排泄的場所。
與組成和結(jié)構(gòu)較為單一的口服藥物制劑相比，食物在胃腸道內(nèi)的消化和吸收過程相對復(fù)雜得多。食物中的營養(yǎng)素除了水、無機(jī)鹽和某些維生素可以直接被腸道上皮細(xì)胞吸收之外，碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等組分必須在消化道內(nèi)被分解成結(jié)構(gòu)簡單的小分子物質(zhì)之后，才能被人體吸收。例如，固體食物被人體攝入后，首先需要經(jīng)過口腔牙齒的機(jī)械咀嚼，將塊狀食物切割、壓碎和研磨成較小的顆粒，再經(jīng)過舌頭的攪拌和唾液的潤滑作用形成可被吞咽的食團(tuán)，最后通過食道的蠕動輸送到胃繼續(xù)進(jìn)行消化。
胃的近端（頭區(qū)，主要包括胃底和胃體）具有儲存未消化食物的功能，并負(fù)責(zé)液體食物的排空；胃的遠(yuǎn)端（尾區(qū)，由胃竇和幽門構(gòu)成）相當(dāng)于研磨機(jī)和混合器，在蠕動的胃壁機(jī)械摩擦擠壓以及胃酸和胃蛋白酶的共同作用下，將大顆粒研磨成小顆粒。此外，幽門竇處的幽門括約肌的收縮和舒張對固體食物顆粒的胃排空過程形成“篩分效應(yīng)”，即低黏度的液體和粒徑小于1~2毫米的固體小顆粒會從幽門排空至十二指腸，而對于粒徑大于2 毫米的固體顆粒和高黏度的食物成分則保留在胃腔。
消化是機(jī)體通過消化管的運動和消化腺分泌物的酶解作用，將大塊的、分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的食物，分解為能被吸收的、分子結(jié)構(gòu)簡單的小分子化學(xué)物質(zhì)的過程。消化作用有利于營養(yǎng)物質(zhì)通過消化管黏膜上皮細(xì)胞進(jìn)入血液和淋巴，即營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程，從而為機(jī)體的生命活動提供能量。
小腸是消化和吸收的主要場所。酸性食物從胃進(jìn)入十二指腸后，首先被小腸細(xì)胞分泌的碳酸氫鹽中和至中性，隨后在胰液、膽汁和小腸液的化學(xué)性水解和小腸運動的物理混合作用下完成最終的消化過程。不同營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程大同小異。淀粉和蛋白質(zhì)分別分解成單糖（葡萄糖）和氨基酸或小分子肽之后，以主動轉(zhuǎn)運的方式被小腸（主要是空腸）上皮細(xì)胞吸收進(jìn)入血液循環(huán)；脂肪的吸收過程更為復(fù)雜，它首先要被膽汁中的膽酸鹽、卵磷脂等乳化成極細(xì)的微滴，然后在脂肪酶的作用下將甘油三酯分解為甘油與脂肪酸，而脂肪酸再一次與膽酸鹽、膽固醇結(jié)合成水溶性的微膠粒才能被小腸長皮細(xì)胞吸收進(jìn)入血液循環(huán)。不能被小腸消化和吸收的食物殘渣進(jìn)入大腸，在結(jié)腸微生物群的作用下進(jìn)一步發(fā)酵和降解，其中的一部分水分、電解質(zhì)被大腸黏膜吸收后形成糞便。
人體消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要生理功能
體外仿生胃腸道模型
體外仿生胃腸道模型，是對人體或動物的消化道及其消化環(huán)境、消化道內(nèi)的流體動態(tài)行為等進(jìn)行模擬的裝置。與體內(nèi)試驗相比，體外仿生胃腸道模型作為一種高效的食品（醫(yī)藥）配方（處方）和加工工藝篩選工具，不僅能部分替代體內(nèi)活體試驗，減少動物犧牲的數(shù)量，避免倫理限制，而且可以縮短試驗周期、節(jié)約成本、提高結(jié)果重復(fù)性。此外，體外仿生胃腸道模型可以在時間和空間的任意尺度上，實現(xiàn)對食物與藥物的混合、崩解、釋放、排空、轉(zhuǎn)運、吸收等動態(tài)過程的監(jiān)測。這對于深刻理解食品與藥物在體內(nèi)的加工過程極為重要。
目前，國內(nèi)外學(xué)者已報道了多種體外仿生胃腸道模型，從結(jié)構(gòu)和仿生程度上，這些模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩類。體外模型已被廣泛應(yīng)用于食品營養(yǎng)學(xué)、功能性活性組分代謝、藥物釋放動力學(xué)、益生菌及益生元、食品毒理學(xué)、動物營養(yǎng)及飼料等多個研究領(lǐng)域。
靜態(tài)模型
靜態(tài)模型是目前使用廣泛的體外仿生胃腸道模型，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作簡便，主要用于研究單一食品組分（如分離的淀粉、蛋白質(zhì)等）或簡單食品在模擬消化環(huán)境中的消化率和營養(yǎng)活性成分的釋放行為。
常見的靜態(tài)模型是由若干個試管、燒杯或錐形瓶等容器組成，用以模擬胃、小腸及大腸。在大部分的靜態(tài)模型中，研究人員只是簡單地將均勻分散的食物和模擬胃液充分混合后，置于37℃水浴中攪拌或振蕩1~3小時以模擬胃的消化過程，然后用堿性緩沖液將其pH調(diào)至7左右，再與模擬腸液混合2~3小時以模擬小腸的消化過程。
不同的靜態(tài)模型對于消化參數(shù)，如消化酶濃度、食物與消化酶的比例、pH等的選擇各異，因而不利于不同試驗的結(jié)果對比。因此，國際食品消化聯(lián)盟于2014年提出了標(biāo)準(zhǔn)化的靜態(tài)模型，自提出以來廣泛引用。該模型以胃腸道相關(guān)生理學(xué)參數(shù)（離子強(qiáng)度、pH、酶濃度、消化時間等）為依據(jù)，提出了制備模擬唾液、胃液和小腸液的標(biāo)準(zhǔn)方法，并針對特定食物樣品提供了詳細(xì)的操作規(guī)程和提示。
標(biāo)準(zhǔn)化體外靜態(tài)模型的制備流程
動態(tài)模型
靜態(tài)模型雖然簡單、廉價，但無法重現(xiàn)消化道的形態(tài)和蠕動收縮、pH的動態(tài)調(diào)節(jié)、消化液的連續(xù)分泌、流體動力學(xué)以及消化物的胃排空等動態(tài)過程。因此，建立具有胃和腸道生理形態(tài)特征、胃壁和腸壁可運動、消化液連續(xù)分泌和食物排空等更為復(fù)雜、更接近真實體內(nèi)環(huán)境的動態(tài)體外仿生胃腸道模型是體外消化和吸收過程的研究重點與關(guān)鍵。
基于模型的結(jié)構(gòu)和組成，動態(tài)模型可分為單腔室模型（只模擬胃）和多腔室模型（同時模擬胃和腸）。代表性的單腔室模型包括動態(tài)胃模型（dynamic gastric model, DGM）、人胃模擬器（human gastric simulator, HGS）等。多腔室模型結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，包括TNO胃腸道模型（TNO gastro-intestinal model, TIM-1）、人工胃—十二指腸模型（artificial stomach-duodenum, ASD）、胃腸模擬器（gastrointestinal simulator, GIS）等。在這些模型中，TIM-1被認(rèn)為是接近人體胃腸道的體外模型，已實現(xiàn)商業(yè)化，目前已被廣泛用于食品營養(yǎng)學(xué)、益生菌、生物醫(yī)藥、環(huán)境毒理學(xué)等多個領(lǐng)域。
通過對比分析發(fā)現(xiàn)，目前絕大部分體外仿生胃腸道模型不具備真實的胃或腸道的形態(tài)和生理結(jié)構(gòu)特征（大小、胃內(nèi)壁褶皺等），因此無法重現(xiàn)食物在受到胃的形態(tài)和結(jié)構(gòu)及胃壁蠕動收縮作用而呈現(xiàn)的特殊分布和排空規(guī)律，從而導(dǎo)致體外仿生胃腸道模型中的食物的消化過程與實際體內(nèi)消化過程有一定的差距。近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼開發(fā)了幾種與人體胃部形狀近似的體外胃腸道模型，包括體外機(jī)械胃系統(tǒng)（in vitro mechanical gastric system, IMGS）、胃仿真模型（gastric simulation model, GSM）等。目前已報道的大多數(shù)體外仿生胃腸道模型主要用于研究食品的消化和吸收特性，只有少數(shù)模型，如DGM、TIM-1、ASD和GIS等可應(yīng)用于藥物測試領(lǐng)域。
盡管動態(tài)體外仿生胃腸道模型的開發(fā)和應(yīng)用已受到了廣泛關(guān)注，但與真實的胃腸道系統(tǒng)相比仍存在較大的差距。比如，合適的胃排空速率是保證營養(yǎng)或活性物質(zhì)在胃腸道內(nèi)實現(xiàn)*佳釋放和吸收的必要條件。而在諸多體外模型中，胃排空及消化物或溶解液在不同腔室之間的轉(zhuǎn)運大多被動地由蠕動泵控制，排空或轉(zhuǎn)運速率需要提前進(jìn)行人為設(shè)定。而這種被動排空和轉(zhuǎn)運方式與體內(nèi)的主動、自然排空和轉(zhuǎn)運行為有較大區(qū)別，可能會影響小腸后續(xù)的吸收和轉(zhuǎn)運。因此，如何以自然的排空方式精確地模擬食物在體內(nèi)的胃排空過程，是當(dāng)前體外仿生胃腸道模型設(shè)計和開發(fā)過程中面臨的挑戰(zhàn)之一。
2004年，筆者提出了“仿生化工”和“準(zhǔn)真實體外模擬消化與吸收系統(tǒng)”概念，即一個理想的體外仿生消化系統(tǒng)不僅需從器官運動及生化環(huán)境上實現(xiàn)仿生，還應(yīng)當(dāng)在形態(tài)上接近真實的消化道，才能重現(xiàn)與體內(nèi)消化過程高度相似的體外過程。因此，在遵循形態(tài)解剖學(xué)仿生原理的基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊先后開發(fā)了一系列集胃腸道形態(tài)解剖學(xué)、生化環(huán)境、蠕動仿生于一體的體外動態(tài)仿生動物（大鼠）和人胃腸道消化系統(tǒng)。
體外動態(tài)仿生人胃腸道模型DHSI-Ⅳ
其中，第4代動態(tài)仿生人胃腸道系統(tǒng)（dynamic human stomach-intestine, DHSI-Ⅳ）較為完整地模擬了整個胃腸道，包括食管、胃、小腸和大腸硅膠模型及其相應(yīng)的機(jī)電驅(qū)動裝置。胃模型更以真實人胃標(biāo)本為模具進(jìn)行翻模并借助3D打印技術(shù)輔助制作而成，其大小、形狀及內(nèi)部褶皺細(xì)節(jié)與真實人胃一致。DHSI-Ⅳ不依賴外加動力裝置（如蠕動泵），僅在滾輪系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬胃蠕動及幽門閥的篩分作用下，模擬了米飯、牛肉、奶酪等食物在體外的胃排空過程，其獲得的排空曲線與體內(nèi)試驗保持一致。目前，DHSI-Ⅳ已形成商業(yè)化產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于預(yù)測食品消化過程中物理化學(xué)變化、營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用率、嬰幼兒和老年人乳品營養(yǎng)功效評價、益生菌胃腸道存活率、口服藥物胃腸道緩釋研究等多個領(lǐng)域。
除了針對人的體外仿生胃腸道模型，筆者團(tuán)隊還開發(fā)了針對老鼠、豬、狗、貓的體外模型，應(yīng)用于動物營養(yǎng)和飼料領(lǐng)域。此外，還設(shè)計和搭建了基于仿生學(xué)的柔性小腸反應(yīng)器系統(tǒng)，證明其在處理高黏度物料時的優(yōu)勢。
展 望
近10年來，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)并優(yōu)化了多種體外仿生胃腸道模型，其中，靜態(tài)體外模型結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易標(biāo)準(zhǔn)化，但過于簡化了胃腸道的蠕動、轉(zhuǎn)運和流體力學(xué)行為等；動態(tài)模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能更準(zhǔn)確地預(yù)測食品或口服藥物在胃腸道內(nèi)的結(jié)構(gòu)變化和消化吸收特性。但到目前為止，還沒能且真實地模擬胃腸道內(nèi)極其復(fù)雜的消化吸收環(huán)境和動態(tài)特征，尤其是體內(nèi)消化吸收過程所涉及的激素和神經(jīng)控制、反饋機(jī)制、黏膜細(xì)胞活動等。因此，距離食品和藥物研究的需求仍有一定差距。
今后可對體外仿生胃腸道動態(tài)模型進(jìn)行如下設(shè)計和優(yōu)化：一是集成消化、吸收及發(fā)酵系統(tǒng)，構(gòu)建口腔、胃、小腸及大腸一體化的動態(tài)仿生胃腸道模型；二是耦合體外消化與計算機(jī)仿真吸收與代謝模型，建立體外與體內(nèi)相關(guān)性，提高體外胃腸道模型的應(yīng)用價值；三是植入高通量快速檢測設(shè)備，對關(guān)鍵消化和吸收產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行實時檢測和分析，提高測試效率；四是開發(fā)新型的智能高分子材料，結(jié)合3D打印技術(shù)，制備標(biāo)準(zhǔn)化的、透明的、生物相容性強(qiáng)的仿生胃腸道器官模型；五是構(gòu)建適合不同人群（如老年人、嬰幼兒、糖尿病人等）的體外仿生胃腸道模型，為精準(zhǔn)營養(yǎng)和個性化治療提供指導(dǎo)。
搭建一套可以真實還原人胃腸道的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、運動、消化、吸收和代謝特征的體外動態(tài)胃腸道模型是一項“宏大的工程”，涉及生理、醫(yī)學(xué)、生物、食品、機(jī)電、物理、材料等相關(guān)學(xué)科。既要盡可能模擬真實胃腸道的運動、解剖結(jié)構(gòu)、生化環(huán)境、生物相關(guān)性等，也要權(quán)衡模型的簡便易行性和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究者應(yīng)該根據(jù)具體目標(biāo)，把握研究重點，并結(jié)合不同體外模型的特點和適用性，選擇適合的體外胃腸道模型。