體外人胃腸模擬系統的研究進展

張卿

（集美大學食品與生物工程學院，福建廈門361021）

體外人胃腸模擬系統的研究進展

張卿

（集美大學食品與生物工程學院，福建廈門361021）

人胃腸道系統對機體的營養與健康發揮重要作用，在對胃腸道功能作用的研究中一直面臨倫理道德的挑戰。體外胃腸道模擬系統的出現，極大地促進了胃腸道功能作用的研究。基于此，系統地介紹體外人胃腸道模擬系統的發展歷程，對體外五相胃腸模擬系統的主要特點和優勢進行分析，提出體外人胃腸模擬系統未來發展的挑戰。

體外模擬系統；人胃腸道；研究進展

體外胃腸模擬系統是一種基于生理學模擬生物體進行的生物學研究，常被用于替代生物活體實驗研究，體外胃腸模擬系統作為一個創新的技術平臺，最大的優點是簡單、快速、安全，且不受倫理限制。目前體外模擬系統主要分為三類：體外單相模擬、半連續穩態胃腸模擬、連續動態胃腸模擬［1］。

目前已報道的體外模擬系統用于研究人體胃腸道的不同功能，包括藥物殘留的安全性評價［2］，污染物的吸附與代謝［3］，食物的營養動力學［4］，營養物質生物利用率的評估［5］，胃腸道菌群的共代謝作用，胃腸道菌群對人體營養與健康的影響等。因此，體外胃腸模擬系統作為一種簡單、高效的食品營養與安全評價平臺，技術上日趨成熟，方法上不斷創新，已成為國際研究熱點之一。

1 體外胃腸模擬系統的發展現狀

1.1 體外單相模擬系統

早期體外單相模擬就是單純模擬胃部或小腸部理化條件的靜態模擬，是一個將食物或其他樣品暴露于模擬相的過程。通過調節pH、添加含胃蛋白酶的人工模擬胃液、通入厭氧氣體等一個或多個方面模擬胃部的理化條件，研究主要集中于食物的消化模擬或微生物的初級篩選。

最初營養安全學研究食物中重金屬離子及有機污染物對人體的生物有效性，即采用體外單相模擬胃部的理化條件，利用化學浸提法測定重金屬離子或有機污染物在人體中的暴露風險評估及生物有效性測定［6］。利用體外單相模擬系統對抗性淀粉在小腸消化道中的理化消化進行模擬，研究發現甜豆、大麥、玉米片、大米和米粉5種食物中的抗性淀粉在經過15h的體外模擬消化后，在性質和數量上與體內消化結果最為接近，證明體外單相模擬系統對測定小腸對淀粉的消化吸收具有很好的評估作用［7］。

最近，已開發一個復雜的消化裝置——胃部模擬器，該裝置能模擬胃壁的不斷蠕動及收縮的力量、幅度和頻率，通過對水稻和蘋果樣品的模擬消化，使該裝置的可行性得到了驗證，其能夠很好地模擬胃部的流體力學和剪切分割力，從而參與食物的物理消化［8］。

1.2 半連續穩態胃腸模擬系統

半連續穩態胃腸模擬系統通過分別模擬口腔（可選）、胃、腸的微生態環境來模擬人的消化途徑，是一個逐器官模擬的過程。該模擬系統通過添加淀粉酶、黏液素和無機鹽等模擬口腔的消化，通過添加胃蛋白酶、有機酸等模擬胃部的消化，通過添加膽汁、胰酶等模擬小腸的消化，是一個基于人體生理學條件構建的穩態胃腸模擬系統。

研究者利用半連續穩態胃腸模擬系統研究果蔬等食物中重金屬離子、有機污染物等化學性安全因子，對其進行風險評估和生物有效性測定［9］。半連續穩態胃腸模擬系統是基于人體生理學機能的模擬，沒有考慮到胃腸道微生物菌群的作用，且研究發現胃腸道微生物菌群具有轉化利用重金屬離子及有機污染物的作用［10］。因此，半連續穩態胃腸模擬系統在分析化學性食品安全因子的安全性評估方面具有重要作用。

1.3 連續動態胃腸模擬系統

在所有離體胃腸道模型中最接近于人體胃腸道微生態環境的是連續流動培養系統，但由于該模型接入的是健康人的糞便菌群，并且是連續流動的過程，能夠更加真實地模擬人體胃腸道微生態環境，并且考慮到了腸道不同菌群的相互作用。目前，最常用的體外連續動態胃腸模擬系統主要有TIM（TNO Intestinal Model）三級連續模擬系統和SHIME（Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem）五相連續模擬系統。

三相連續模擬系統是對大腸部位微生物在不同營養條件和環境條件下生理學和生態學研究的重要工具［11］。利用三相連續模擬系統在空間、時間、營養及理化特點，對結腸近端、末端的微生物組進行模擬，通過對模擬系統內微生物種群豐度和數量及次級代謝產物進行測定，以研究不同碳源和氮源及其在不同部位的滯留時間對結腸微生物種群的影響［12］。利用體外三相連續模擬系統，通過模擬結腸近端、橫結腸和結腸末端的生物與理化條件，接種兒童糞便中的微生物組，在試驗過程中分別添加代表肥胖兒童攝入的高能量膳食、代表正常體重兒童攝入的普通膳食以及代表厭食兒童攝入的低能量膳食，并測定不同部位的微生物次級代謝產物和菌群組成，以研究食物中大量的單糖、碳水化合物、蛋白質及膳食纖維對兒童結腸微生物異化作用的影響。研究表明，胃腸道中的新陳代謝途徑十分豐富，膳食中營養素水平對兒童結腸微生物的新陳代謝具有調控作用［13］。

SHIME五相胃腸全模擬系統在微生物數量、種群豐度及次級代謝產物功能發揮方面能夠更加穩定且真實地模擬人胃腸道微生態環境。利用SHIME五相連續模擬系統，模擬人胃腸道的生物與理化條件，監測和分析不同模擬相中微生物的數量、群落結構和次級代謝產物在整個模擬過程中的變化。結果表明，SHIME模擬系統內，微生物數量、種群豐度和次級代謝產物在培養10d左右達到人胃腸道真實環境的各項指標并維持穩定，通過實時檢測與分析，結果表明SHIME能夠延長并維持該穩定期至70d［14］。利用SHIME體外人胃腸道模擬系統，模擬人胃腸道各項生物與理化條件，分別添加塊狀和粉末狀的砷，研究胃腸道微生物對砷的生物利用率，結果發現小腸微生物對砷的生物利用率是2%～20%，大腸微生物對砷的生物利用率是40%～70%，且胃腸道微生物對塊狀砷的生物利用率大于粉末狀砷［10］。

體外連續動態胃腸模擬系統是胃腸道及其微生物菌群研究中的一項重要研究手段，已成為哺乳動物胃腸道模型的典型代表模擬系統。

2 體外五相胃腸全模擬系統的主要特點及優勢

人胃腸道全模擬系統基于多級連續模擬體系而建立，具有結構合理、簡單易操作的優點，研究人員不僅可以控制全模擬系統的pH值、溫度、厭氧、營養和消化酶等理化條件，更為主要的是可以真實地模擬被稱作人體“超級器官”的胃腸道微生物菌群。

2.1 五相胃腸全模擬系統的可操作性

相比于傳統的動物實驗，五相胃腸全模擬系統不僅節約成本，而且具有重復性強、可全程監控與檢測、影響因素單一易控制等優勢。

研究表明，結腸近端擬桿菌門、蛋白菌門、厚壁菌門、放線菌門微生物對pH耐受性差異顯著［15］，該研究利用連續流動胃腸模擬系統對胃腸理化條件進行模擬，控制結腸部位在不同pH條件下并維持其恒定，研究中的模擬系統影響因素單一易控制、可重復，相較傳統動物實驗節約了大量研究成本。Marteau等［16］利用四相連續胃腸模擬體系模擬胃、十二指腸、空腸、回腸的理化條件，根據研究需要有效調控胃腸道分泌物中膽鹽濃度，對各模擬部位在特定的不同生理時間點進行取樣并分析，以研究膽鹽濃度對乳桿菌存活率的影響。

2.2 五相胃腸全模擬系統對環境因素的控制

研究表明，第二代無溢出腸道模型（TIM-2）和人腸道微生物生態系統模擬體系（SHIME）等體外人胃腸道模擬系統中，微生物種群的群落組成與接種時排泄物中微生物種群的群落組成存在差異，可見如何提高微生物生態系統的穩定性是體外人胃腸道模擬系統的長期挑戰［17］。目前，在體外人胃腸道模擬系統的研究中，研究者通過調控模擬系統內部各項對人胃腸道微生物生態系統產生影響的因素，以提高人胃腸道微生物生態環境的穩定性［18］。

2.3 五相胃腸全模擬系統的完全性

人胃腸道模擬系統的發展從簡單的非攪拌不控制pH的短暫模擬，到動態多相連續模擬系統，其真實性和完全性得到很大提升。

早期的單相模擬實驗，僅是對單一消化部位的理化模擬，不包括胃腸道微生物的發酵作用［7］。人胃腸道微生物組在人體中發揮重要作用，如何更真實、完全地模擬人胃腸道微生態環境成為人胃腸道模擬系統的關鍵問題。研究表明，三相連續模擬系統能夠對大腸部位微生物在不同營養條件和環境條件下生理學和生態學研究的重要工具。該研究利用三相連續模擬系統在空間、時間、營養及理化特點，對結腸近端、末端的微生物組進行模擬，通過對模擬系統內微生物種群豐度和數量及次級代謝產物進行測定，以研究不同碳源和氮源及其在不同部位的滯留時間對結腸微生物種群的影響［12］。

SHIME五相連續模擬系統在微生物數量、種群豐度及次級代謝產物功能發揮方面能夠更加穩定且真實地模擬人胃腸道微生態環境。利用SHIME五相連續模擬系統，模擬人胃腸道的生物與理化條件，監測和分析不同模擬相中微生物的數量、群落結構和次級代謝產物在整個模擬過程中的變化，不僅能夠對人消化系統不同部位和不同生理時間進行真實模擬，而且能夠更為完全地模擬胃腸道的理化條件和微生態環境［14］。

3 展望

隨著我國國民生活水平的不斷提高，人們對食品營養與安全問題也日益關注，但國內相關研究開展不是很多，其中一個關鍵原因在于缺少能夠被國際相關組織認同的評價模型。因此，迫切需要建立一種能夠模擬人胃腸道環境，而且操作方便、穩定性好的離體模型。

目前，體外胃腸模擬系統仍存在諸多不足與限制，如重復性和生物穩定性方面，選擇接種液與接種方式的不同，對結果就會呈現很大的影響。例如，糞便經不同溫度不同時間儲存后，接種到體外胃腸模擬系統中，其結果呈現顯著性差異［19］；已有研究表明不同濃度的接種液對體外胃腸模擬系統的模擬結果有較大的影響［18］。如機體的神經刺激和免疫調節方面仍然是所有體外模擬系統的一個限制。而病態胃腸道的模擬則將是未來體外人胃腸道模擬系統的一個重大挑戰，如克羅恩病、潰瘍性腸炎等。

[1]Intawongse M, Dean J R. In-vitro testing for assessing oralbioaccessibility of trace metals in soil and food samples[J].Trac Trends in Analytical Chemistry,2006,25(9):876-886.

[2]Aoki S, Ando H, Tatsuishi K, et al. Determination of the mechanical impact force in the in vitro dissolution test and evaluation of the correlation between in vivo and in vitro release [J].International Journalof Pharmaceutics,1993,95(1-3):67-75.

[3]Hoebler C, Lecannu G, Belleville C, et al. Development of an in vitro system simulating bucco-gastric digestion to assess the physical and chemical changes of food [J].International Journal of Food Sciences & Nutrition,2002,53(5):389-402.

[4]Oomen AG, Rompelberg CJM, Bruil MA, et al. Development of an In Vitro Digestion Model for Estimating the Bioaccessibility of Soil Contaminants[J].Archives of Environmental Contamination & Toxicology,2003,44(3):281-287.

[5]Kong F, Singh RP. Disintegration of solid foods in human stomach[J]. Journalof Food Science,2008,73(5):67-80.

[6]Miller DD, Schricker BR, Rasmussen RR, et al. An in vitro method for estimation of iron availability from meals[J].American Journal of Clinical Nutrition,1981,34(10):2248-2256.

[7]Muir JG, O'dea K. Validation of an in vitro assay for predicting the amount of starch that escapes digestion in the small intestine of humans[J].The American journal of clinical nutrition,1993,57(4):540-546.

[8]K ong F,Singh RP. A Human Gastric Simulator (HGS) to Study Food Digestion in Human Stomach[J].Journalof Food Science,2010,75(9):627-635.

[9]Intawongse M, Dean JR. Use of the physiologically-based extraction test to assess the oral bioaccessibility of metals in vegetable plants grown in contaminated soil[J].Environmental Pollution,2008,152(1):60-72.

[10]Laird BD, Van De Wiele TR, Corriveau MC, et al. Gastrointestinal microbes increase arsenic bioaccessibility of ingested mine tailings using the simulator of the human intestinal microbial ecosystem[J]. Environmental Science & Technology,2007,41(15):5542-5547.

[11]Gibson GR, Cummings JH, Macfarlane GT. Use of a three-stage continuous culture system to study the effect of mucin on dissimilatory sulfate reduction and methanogenesis by mixed populations of human gut bacteria[J].Applied & Environmental Microbiology, 1988,54(11):2750-2755.

[12]Macfarlane GS, Gibson GR. Validation of a Three-Stage Compound Continuous Culture System for Investigating the Effect of Retention Time on the Ecology and Metabolism of Bacteria in the Human Colon[J].Microbial Ecology,1998,35(2):180-187.

[13]Payne AN, Chassard C, Banz Y, et al. The composition and metabolic activity of child gut microbiota demonstrate differential adaptation to varied nutrient loads in an in vitro model of colonic fermentation[J]. FEMS Microbiology Ecology,2012,80(3):608-623.

[14]Possemiers S, Verthe K, Uyttendaele S, et al. PCR-DGGE-based quantification of stability of the microbial community in a simulator of the human intestinal microbial ecosystem[J].FEMS Microbiology Ecology,2004,49(3):495-507.

[15]Duncan SH, Louis P, Thomson JM, et al. The role of pH in determining the species composition of the human colonic microbiota[J]. Environmental Microbiology,2009,11(8):2112-2122.

[16]Marteau P, Minekus M, Havenaar R, et al. Survival of lactic acid bacteria in a dynamic model of the stomach and small intestine: validation and the effects of bile[J].Journal of Dairy Science,1997,80(6):1031-1037.

[17]Payne AN, Zihler A, Chassard C, et al. Advances and perspectives in in vitro human gut fermentation modeling[J].Trends in Biotechnology,2012,30(1):17-25.

[18]Kim BS, Kim JN, Cerniglia CE. In Vitro Culture Conditions for Maintaining a Complex Population of Human Gastrointestinal Tract Microbiota[J].Biomed Research International,2011,2011(3):485-495.

[19]Ott SJ, Musfeldt M, Timmis KN, et al. In vitro alterations of intestinal bacterial microbiota in fecal samples during storage[J].Diagnostic Microbiology & Infectious Disease,2004,50(4):237-245.

Research progress of human gastrointestinal simulation system in vitro

Zhang Qing
(College of Food and Biological Engineering, Jimei University, Fujian Xiamen 361021)

The human gastrointestinal system plays an important role in the nutrition and health of the body. In the study of the function of the gastrointestinal tract, it has been faced with the challenge of ethics and morality. The appearance of the simulation system of the gastrointestinal tract in vitro has greatly promoted the function of the gastrointestinal tract. Based on this, in vitro gastrointestinal simulation system development process was systematically introduced, the main features and advantages of the five phase gastrointestinal simulation system were analyzed, and put forward the challenge of in vitro gastrointestinal simulation system development in the future.

In vitro simulation system; Human gastrointestinal tract; Research progress

R114

A

2096-0387（2016）04-0065-04

張卿（1990-），男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向：食品科學。