體外消化模型的研究進展

陳 責，賈 慧

（上海交通大學食品科學與工程系，上海200240）

體外消化模型的研究進展

陳 責，賈 慧

（上海交通大學食品科學與工程系，上海200240）

體外消化模型是用于研究食物在消化過程中的結(jié)構(gòu)變化、消化吸收率及成分釋放的系統(tǒng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于健康和營養(yǎng)方面的研究中。其作為食品和藥品分析中常用的工具，被用于分析食品及藥品結(jié)構(gòu)變化，以及生物利用度和消化率。相比于體內(nèi)消化試驗，具有成本低、試驗周期短、結(jié)果可重復性強等優(yōu)點。從模擬對象和發(fā)展歷程等方面對已有的體外消化模型進行了歸類和總結(jié)，分別介紹了靜態(tài)模型、動態(tài)模型和細胞培養(yǎng)模型3類常用模型。靜態(tài)模型只能簡單模擬消化過程，動態(tài)模型可以同時模擬胃腸道中化學作用和物理作用，另外細胞培養(yǎng)模型通常被制藥工業(yè)用于評價潛在藥物吸收機制的手段。最后，結(jié)合微型化和程序自動化2個方面分析了體外消化模型的未來發(fā)展趨勢。

體外消化模型；靜態(tài)模型；動態(tài)模型；細胞培養(yǎng)模型；胃腸道消化

0 引言

人體消化道是一條起自口腔延續(xù)咽、食道、胃、小腸、大腸到肛門的較長肌性管道，包含口腔、食管、胃、小腸（包括十二指腸、空腸、回腸）和大腸（盲腸、結(jié)腸、直腸）等部分，與消化腺一起組成體內(nèi)完整的消化系統(tǒng)。消化道內(nèi)每個消化器官的消化條件都不一樣。由于體內(nèi)消化試驗存在費用高、周期長、結(jié)果重現(xiàn)性差、倫理譴責等問題[1]，因此開發(fā)出一個體外模型用于模擬體內(nèi)消化的過程和條件是非常必要的。這樣的模型應(yīng)該能夠體現(xiàn)消化過程中的一些細節(jié)，并且能夠與體內(nèi)數(shù)據(jù)進行驗證。理想的體外模型，應(yīng)具有靈活性、準確性和可重復性的優(yōu)點。

體內(nèi)消化系統(tǒng)條件見圖1。

圖1 體內(nèi)消化系統(tǒng)條件

1 體外消化模擬

消化過程的第1步開始于口腔中咀嚼食物。在口腔中，食物在牙齒和唾液的作用下被嚼碎及軟化，然后經(jīng)過食管到達胃部，這個過程中有部分碳水化合物被唾液酶分解。體外消化試驗中，食物樣品如果不經(jīng)過咀嚼模擬過程，而是直接使用簡單機械剪切方式處理，食物樣品會變成食團，這種食團內(nèi)部凝聚力較強，在胃中不易分散、崩解，以至于較難消化。但是液體食物或那些單一食品分離成分（如純化蛋白）由于本身的粒度較小，僅僅需要添加唾液淀粉酶，不需要經(jīng)過咀嚼這一過程。蛋白質(zhì)水解過程的研究中，樣品在胃和小腸消化階段中，酶對于pH值和表面活性劑要求都不同。體外消化模擬研究時，要考慮的一個重要因素就是胃腸液中酶、膽汁鹽和其他表面活性劑的濃度。

過去20年，相關(guān)研究者設(shè)計了多種體外消化模型來模擬體外消化過程，從單個反應(yīng)容器到多個反應(yīng)容器的靜態(tài)模型和動態(tài)模型。

1.1 靜態(tài)模型

靜態(tài)模型是目前使用最廣泛的消化系統(tǒng)。靜態(tài)模型不能模擬體內(nèi)發(fā)生的物理過程（如剪切、混合、水合等作用），且消化過程中消化產(chǎn)物不會被吸收[2]。這類模型主要用于簡單的食品和分離或純化的營養(yǎng)物質(zhì)消化研究。對于局部消化，靜態(tài)模型較有用，但是靜態(tài)模型不太適合于總體的消化研究。

最常見的靜態(tài)模型是將錐形瓶或者燒杯放置在一個恒溫振蕩水浴槽中，水浴槽內(nèi)振蕩頻率為60～250 r/min，水浴溫度37℃，接近人體溫度[3]。

體外消化靜態(tài)模型見圖2。

圖2 體外消化靜態(tài)模型

大部分靜態(tài)模型比較粗糙。研究者只是簡單地將消化樣品均質(zhì)化，用鹽酸降低pH值后添加胃酶，于37℃下攪拌或振蕩一段時間，簡單模擬消化樣品在胃內(nèi)消化過程后再添加碳酸鈉或者氫氧化鈉中和，加入胰酶和膽汁鹽，于37℃下攪拌，再模擬腸內(nèi)消化過程。這個消化模擬過程無法完全模擬體內(nèi)消化過程中的動態(tài)變化。就胃的pH值而言，靜態(tài)模型不能夠反映消化期間pH值的動態(tài)變化?？崭箷r胃的pH平均值為1.5～2.0，消化食物時pH值變?yōu)?～7[4-6]。根據(jù)研究目的，一般將模擬成人消化模型的胃pH值設(shè)定為1.07～2.50[7-8]。

靜態(tài)模型的優(yōu)點是操作簡單、低成本和易于清洗，目前常被用于評估食品中蛋白質(zhì)潛在的過敏源風險[9]和新型食品的過敏風險。相比那些非致敏性蛋白質(zhì)，致敏性蛋白質(zhì)不易被胃蛋白酶消化，如花生、大豆和牛奶中的蛋白質(zhì)[10]。這類蛋白質(zhì)在消化過程中要么未被消化，要么需要經(jīng)過1 h才被降解至小分子肽。所有的非過敏源蛋白質(zhì)在15 s內(nèi)，即可被消化降解至小分子多肽（＜3 000 Da）。

1.2 動態(tài)模型

靜態(tài)模型的主要缺點是無法模擬人體胃腸道中發(fā)生的動態(tài)消化過程，如胃排空、蠕動運動以及消化中胃部pH值變化、酶和消化液分泌等動態(tài)變化。

研究食物的消化過程時，不能只考慮消化道中的化學作用，胃腸道中的物理作用同樣扮演著關(guān)鍵的角色。靜態(tài)模型只是一種簡單模擬消化過程的模型，需要另一種可以同時模擬胃腸道中化學作用和物理作用的消化模型。

為了克服靜態(tài)模型在消化中的缺點，研究者開發(fā)了好幾種動態(tài)模型。動態(tài)模型的優(yōu)勢是不僅能模擬胃腸道中物理處理過程，而且可以顯示不同消化時間下發(fā)生的其他變化。通過動態(tài)模型，可以觀察食物樣品在消化過程中不同時間下的物理形態(tài)，如黏度、破碎粒度，也可以觀測到膠體的產(chǎn)生、擴散，以及不同消化階段的營養(yǎng)區(qū)分等。

1.2.1 單室動態(tài)模型

IFR動態(tài)胃模型（IFR dynamic gastric model，DGM）是目前使用較多的模擬胃內(nèi)部消化的單室動態(tài)模型。DGM由2個連續(xù)的隔室組成，可以處理食品樣品，甚至能準確模擬消化過程中胃內(nèi)部化學成分釋放及胃排空等復雜的變化。在開發(fā)DGM的初期，研究者利用回波平面磁共振成像技術(shù)（EPI）實時測繪人體志愿者胃腸道內(nèi)食物消化過程及定位。通過這些測繪，得到志愿者體內(nèi)消化過程中胃腸道內(nèi)的水化、混合、剪切、運輸和傳遞等數(shù)據(jù)[11-15]，然后將這些數(shù)據(jù)設(shè)計到DGM模型中，因此胃腸道內(nèi)的水化、混合、剪切、運輸和傳遞等都可以在DGM模型內(nèi)模擬出來。

DGM設(shè)計了2個階段。第1階段主要模擬食品樣品在胃中的剪切、混合等物理過程；然后食物樣品經(jīng)過特異性胃排空到第2階段的胃竇中（胃部下方），此部分是胃消化過程中的關(guān)鍵“加工站”，負責混合膳食的剪切。整個模型都是由計算機監(jiān)控操作。

DGM的缺點是無法準確模擬消化過程中胃部的動態(tài)蠕動。人體胃模擬器（The human gastric simula-tor，HGS）由一個乳膠材料的單室組成，單室被機械制動系統(tǒng)包圍，可以更加有效地模擬消化過程中胃蠕動的振幅、強度和頻率[16]。

DGM和HGS雖然非常適合胃部體外消化研究，但是對于整個消化系統(tǒng)研究而言，只能提供部分的試驗參考。在體內(nèi)消化系統(tǒng)中，胃、小腸和結(jié)腸分為單獨的部分，每個部分在消化過程中都有特定的功能，如大分子的降解和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及未消化物質(zhì)的發(fā)酵等。為了準確地研究完整的消化過程，特別是食物樣品在各個消化器官中的詳細過程，研究者相繼設(shè)計開發(fā)出了雙室和多室動態(tài)系統(tǒng)。

1.2.2 雙室和多室動態(tài)模型

TNO胃腸道模型1（TNO gastro-intestinal model 1，TIM1）是目前最接近體內(nèi)胃腸道消化系統(tǒng)的體外雙室動態(tài)模型，共分為5個區(qū)間，分別代表消化道的5個不同組成部分（胃、十二指腸、空腸、回腸和結(jié)腸）。每個區(qū)間均使用柔性膜來模擬對應(yīng)消化場所，柔性膜外用2個保溫玻璃來控制消化所需的溫度和壓力，整個消化模型由電腦控制[17]。TIM1系統(tǒng)能夠模擬體內(nèi)消化的大部分參數(shù)，如人體溫度、胃內(nèi)pH值變化、胃液和胰液自動分泌、胃排空、胃和腸的消化時間，通過透析系統(tǒng)模擬小腸蠕動及其營養(yǎng)物質(zhì)吸收[21]。

TIM1結(jié)構(gòu)[11]見圖3。

圖3 TIM1結(jié)構(gòu)

TIM1的價格較昂貴，且整個系統(tǒng)的清潔和操作都較復雜[12]。2014年研究者設(shè)計了一個更簡單的TIM1模型[18]，由2個腔室組成，分別用于模擬胃和小腸，每個腔室外圍水浴溫度為39℃。分別用幾個不同的泵控制攝取食物、消化酶、膽汁鹽和其他消化液的流動，整個系統(tǒng)由計算機監(jiān)控和控制。這個動態(tài)模型顯示關(guān)于體內(nèi)蛋白質(zhì)水解與體外模型具有高度相關(guān)性，但是沒有涉及到脂肪分解。

TNO胃腸道模型2（TNOgastro-intestinal model 2，TIM2）在TIM1的基礎(chǔ)上開發(fā)而來，增加了模擬微生物的功能[13]。TIM1和TIM2常用于模擬人體不同生命階段的消化情況，如嬰兒、成年人和老年人階段[14]。TIM1主要用于研究幼兒體外消化模擬系統(tǒng)中口服藥物的劑量，Blanquet認為TIM1可以作為一種非常有效的手段用于觀察幼兒（或成人）胃腸道內(nèi)藥物的變化和有效性。

腸道微生物模擬系統(tǒng)（Simulated human intestinal microbial ecosystem，SHIME）是一個模擬從胃到結(jié)腸完全消化過程的封閉系統(tǒng)，常用于研究食物成分與人體體內(nèi)常駐微生物群的相互作用[15]。

SHIME原理[16]見圖4。

圖4 SHIME原理

SHIME是一個由電腦控制，6個容器組成的消化系統(tǒng)。6個容器分別模擬消化道中胃、十二指腸和空腸、回腸、近端結(jié)腸、橫結(jié)腸和末端結(jié)腸，在末端結(jié)腸后面放置1個廢水收集系統(tǒng)。容器1和2中的樣品是每4 h添加1次，同時容器3，4和5中的原料都是連續(xù)地由上一個容器內(nèi)泵入，整個系統(tǒng)保持在37℃的厭氧條件下運行。另外，每個容器中的pH值都是由電腦嚴格控制，分別與對應(yīng)的體內(nèi)消化器官內(nèi)pH值一致。

1.3 細胞培養(yǎng)模型

細胞培養(yǎng)模型，通常衍生自胎兒嚙齒動物的腸上皮細胞或癌性腫瘤細胞。胎兒嚙齒動物的腸上皮細胞可以在較長時間內(nèi)保留其形態(tài)和功能特性，這對于成年嚙齒動物的腸上皮細胞來說是比較難以實現(xiàn)的。癌細胞表達的轉(zhuǎn)運蛋白許多與腸上皮細胞表達的相同，并且與其他細胞系相比，癌細胞具有快速分化的優(yōu)點。細胞培養(yǎng)模型通常被制藥工業(yè)用于評價潛在藥物吸收機制的手段，營養(yǎng)學家和細胞生物學家使用該模型來評估營養(yǎng)物質(zhì)的細胞轉(zhuǎn)運和新型化合物對疾?。ㄈ缪装Y性腸道疾病）的影響。

Caco-2細胞是最常用的細胞系，衍生自人結(jié)腸腺癌細胞。Caco-2細胞能夠產(chǎn)生大量生理上的水解酶、脂肪酶和刷狀緣酶，來模擬人體內(nèi)小腸環(huán)境[19]。Caco-2細胞培養(yǎng)模型，已被廣泛用于檢測食品和生物制劑中生物活性成分的吸收。

細胞培養(yǎng)模型中，除了常用的Caco-2細胞外，還有腸上皮細胞（Intestinal epithelial cell 18 cells，IEC-18）和Madin Darby犬腎細胞系（Madin darby canine kidney cells，MDCK）。

體內(nèi)消化器官內(nèi)存在許多細胞系。每個細胞系在分化速率、分子滲透性和轉(zhuǎn)運蛋白表達方面都不同。使用不同的細胞系取決于模擬的消化器官和測試底物的性質(zhì)。

細胞培養(yǎng)模型可以作為評價碳水化合物和纖維成分滲透性的重要模型，它主要是顯示營養(yǎng)物的滲透性，而不是反映真實的體內(nèi)吸收情況。細胞系的生長和維持是非常繁瑣及昂貴的，試驗過程中很容易造成細胞系的污染。由于大多數(shù)細胞來源于非人體組織或癌細胞，與體內(nèi)的真實情況存在生理差異，導致不能準確地模擬體內(nèi)環(huán)境。此外，細胞培養(yǎng)模型不能反映測試底物如何影響整個器官或者系統(tǒng)。

體外消化模型不能充分模擬體內(nèi)發(fā)生的完整消化過程，特別是消化過程中激素分泌、反饋機制、黏膜細胞活性和完整的蠕動運動等均無法體現(xiàn)。另外，對體外消化模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響的幾個因素是樣品特性、酶的活性、pH值、離子組成、施加機械應(yīng)力和消化時間，而這些因素中有部分不能完全在體外條件下模擬出來[20]。因此，體外完全模擬體內(nèi)消化運動仍然是一個挑戰(zhàn)，需要更先進的科學和技術(shù)對體外消化模型進行改進和驗證。

芯片實驗室（Lab-on-chips）是指把生物和化學等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應(yīng)、分離檢測等基本操作單元集成或者基本集成在一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物和化學反應(yīng)過程，并對其產(chǎn)物進行分析的一種技術(shù)[21]。Manaresi等人[18]報道了一種棋盤狀的微通道結(jié)構(gòu)，在這個微陣列結(jié)構(gòu)中，相應(yīng)節(jié)點的細胞能通過其空間位置而被檢測，理論上可以設(shè)置并檢測10 000個細胞，而不破壞細胞的生存能力。將芯片實驗室技術(shù)應(yīng)用在體外模型的建立中，可以提高體外模擬試驗的反應(yīng)、分析速率，減少樣本和試劑的消耗，排除人為干擾，在微環(huán)境條件下完成體外消化模擬。體外消化模型，可以向著微型化和集成化的方向發(fā)展。

2 結(jié)語

目前在使用的體外消化模型中，靜態(tài)模型主要用于簡單的食品和分離或純化營養(yǎng)物質(zhì)的消化研究；動態(tài)模型中DGM主要用于研究食物材料在胃內(nèi)部消化發(fā)生的物理過程及化學過程，是目前最先進的單室體外動態(tài)消化模型。TIM1系統(tǒng)能夠反映體內(nèi)消化的大部分參數(shù)，如人體溫度、胃內(nèi)pH值變化、胃和胰腺自動分泌、胃排空、胃和腸的消化時間，通過透析系統(tǒng)模擬小腸蠕動及其營養(yǎng)物質(zhì)吸收。TIM2是在TIM1基礎(chǔ)上增加模擬腸道微生物的功能。但是

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體外消化模型已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于健康和營養(yǎng)方面的研究中，是食品和藥品分析中常用的工具。可以利用體外消化方法分析食品及藥品結(jié)構(gòu)變化、生物利用度和消化率，然而在體外模型和體內(nèi)研究中關(guān)于結(jié)果對比有一些差異，這與體內(nèi)外差異性有關(guān)。迫切需要更多在體內(nèi)外相關(guān)性方面的研究，以便體外模型更逼真，研究出可以直觀篩選食品生物利用率和消化率的體外模型。

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The Advances of Digestion Simulation in Vitro

CHEN Ze，JIA Hui
（Department of Food Science and Engineering，Shanghai JiaoTong University，Shanghai 200240，China）

In vitro digestion model is a system for studying the structural change，digestion and absorption rate and the release of constituents of food during digestion，and has been widely used in health and nutrition research.It is a commonly used tool in the analysis of food and pharmaceuticals，and the changes in food and drug structure，bioavailability and digestibility. Compared with digestion experiment in vivo，in vitro digestion models are low cost，short test period and strongly repeatability. In this paper，the existing in vitro digestion models are classified and summarized from the aspects of simulation object and development course，and three common models are static model，dynamic model and cell model.The static model only can be used to simulate the digestion process，while the dynamic model can simulate both the chemical action and the physical action in the gastrointestinal tract.In addition，the cell culture model is usually used by the pharmaceutical industry to evaluate the potential drug absorption mechanism.Finally，the future development trend of in vitro digestion model was analyzed in combination with miniaturization and program automation.

in vitro digestion models；static models；dynamic models；cell culture models；the gastro-intestinal tract

R151

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.019

1671-9646（2017）05a-0061-04

2016-11-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）。

陳責（1987—），男，碩士，研究方向為功能性食品。