體外人胃腸模擬系統(tǒng)的研究進(jìn)展

張卿

（集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021）

體外人胃腸模擬系統(tǒng)的研究進(jìn)展

張卿

（集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021）

人胃腸道系統(tǒng)對(duì)機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)與健康發(fā)揮重要作用，在對(duì)胃腸道功能作用的研究中一直面臨倫理道德的挑戰(zhàn)。體外胃腸道模擬系統(tǒng)的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了胃腸道功能作用的研究。基于此，系統(tǒng)地介紹體外人胃腸道模擬系統(tǒng)的發(fā)展歷程，對(duì)體外五相胃腸模擬系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，提出體外人胃腸模擬系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

體外模擬系統(tǒng)；人胃腸道；研究進(jìn)展

體外胃腸模擬系統(tǒng)是一種基于生理學(xué)模擬生物體進(jìn)行的生物學(xué)研究，常被用于替代生物活體實(shí)驗(yàn)研究，體外胃腸模擬系統(tǒng)作為一個(gè)創(chuàng)新的技術(shù)平臺(tái)，最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速、安全，且不受倫理限制。目前體外模擬系統(tǒng)主要分為三類：體外單相模擬、半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬、連續(xù)動(dòng)態(tài)胃腸模擬［1］。

目前已報(bào)道的體外模擬系統(tǒng)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(píng)價(jià)［2］，污染物的吸附與代謝［3］，食物的營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)［4］，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物利用率的評(píng)估［5］，胃腸道菌群的共代謝作用，胃腸道菌群對(duì)人體營(yíng)養(yǎng)與健康的影響等。因此，體外胃腸模擬系統(tǒng)作為一種簡(jiǎn)單、高效的食品營(yíng)養(yǎng)與安全評(píng)價(jià)平臺(tái)，技術(shù)上日趨成熟，方法上不斷創(chuàng)新，已成為國(guó)際研究熱點(diǎn)之一。

1 體外胃腸模擬系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 體外單相模擬系統(tǒng)

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(tài)模擬，是一個(gè)將食物或其他樣品暴露于模擬相的過(guò)程。通過(guò)調(diào)節(jié)pH、添加含胃蛋白酶的人工模擬胃液、通入?yún)捬鯕怏w等一個(gè)或多個(gè)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(jí)篩選。

最初營(yíng)養(yǎng)安全學(xué)研究食物中重金屬離子及有機(jī)污染物對(duì)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(xué)浸提法測(cè)定重金屬離子或有機(jī)污染物在人體中的暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及生物有效性測(cè)定［6］。利用體外單相模擬系統(tǒng)對(duì)抗性淀粉在小腸消化道中的理化消化進(jìn)行模擬，研究發(fā)現(xiàn)甜豆、大麥、玉米片、大米和米粉5種食物中的抗性淀粉在經(jīng)過(guò)15h的體外模擬消化后，在性質(zhì)和數(shù)量上與體內(nèi)消化結(jié)果最為接近，證明體外單相模擬系統(tǒng)對(duì)測(cè)定小腸對(duì)淀粉的消化吸收具有很好的評(píng)估作用［7］。

最近，已開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的消化裝置——胃部模擬器，該裝置能模擬胃壁的不斷蠕動(dòng)及收縮的力量、幅度和頻率，通過(guò)對(duì)水稻和蘋(píng)果樣品的模擬消化，使該裝置的可行性得到了驗(yàn)證，其能夠很好地模擬胃部的流體力學(xué)和剪切分割力，從而參與食物的物理消化［8］。

1.2 半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)通過(guò)分別模擬口腔（可選）、胃、腸的微生態(tài)環(huán)境來(lái)模擬人的消化途徑，是一個(gè)逐器官模擬的過(guò)程。該模擬系統(tǒng)通過(guò)添加淀粉酶、黏液素和無(wú)機(jī)鹽等模擬口腔的消化，通過(guò)添加胃蛋白酶、有機(jī)酸等模擬胃部的消化，通過(guò)添加膽汁、胰酶等模擬小腸的消化，是一個(gè)基于人體生理學(xué)條件構(gòu)建的穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)。

研究者利用半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)研究果蔬等食物中重金屬離子、有機(jī)污染物等化學(xué)性安全因子，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和生物有效性測(cè)定［9］。半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)是基于人體生理學(xué)機(jī)能的模擬，沒(méi)有考慮到胃腸道微生物菌群的作用，且研究發(fā)現(xiàn)胃腸道微生物菌群具有轉(zhuǎn)化利用重金屬離子及有機(jī)污染物的作用［10］。因此，半連續(xù)穩(wěn)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)在分析化學(xué)性食品安全因子的安全性評(píng)估方面具有重要作用。

1.3 連續(xù)動(dòng)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)

在所有離體胃腸道模型中最接近于人體胃腸道微生態(tài)環(huán)境的是連續(xù)流動(dòng)培養(yǎng)系統(tǒng)，但由于該模型接入的是健康人的糞便菌群，并且是連續(xù)流動(dòng)的過(guò)程，能夠更加真實(shí)地模擬人體胃腸道微生態(tài)環(huán)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(xù)動(dòng)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)主要有TIM（TNO Intestinal Model）三級(jí)連續(xù)模擬系統(tǒng)和SHIME（Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem）五相連續(xù)模擬系統(tǒng)。

三相連續(xù)模擬系統(tǒng)是對(duì)大腸部位微生物在不同營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件下生理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的重要工具［11］。利用三相連續(xù)模擬系統(tǒng)在空間、時(shí)間、營(yíng)養(yǎng)及理化特點(diǎn)，對(duì)結(jié)腸近端、末端的微生物組進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)模擬系統(tǒng)內(nèi)微生物種群豐度和數(shù)量及次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定，以研究不同碳源和氮源及其在不同部位的滯留時(shí)間對(duì)結(jié)腸微生物種群的影響［12］。利用體外三相連續(xù)模擬系統(tǒng)，通過(guò)模擬結(jié)腸近端、橫結(jié)腸和結(jié)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(yàn)過(guò)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(cè)定不同部位的微生物次級(jí)代謝產(chǎn)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(zhì)及膳食纖維對(duì)兒童結(jié)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(yíng)養(yǎng)素水平對(duì)兒童結(jié)腸微生物的新陳代謝具有調(diào)控作用［13］。

SHIME五相胃腸全模擬系統(tǒng)在微生物數(shù)量、種群豐度及次級(jí)代謝產(chǎn)物功能發(fā)揮方面能夠更加穩(wěn)定且真實(shí)地模擬人胃腸道微生態(tài)環(huán)境。利用SHIME五相連續(xù)模擬系統(tǒng)，模擬人胃腸道的生物與理化條件，監(jiān)測(cè)和分析不同模擬相中微生物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和次級(jí)代謝產(chǎn)物在整個(gè)模擬過(guò)程中的變化。結(jié)果表明，SHIME模擬系統(tǒng)內(nèi)，微生物數(shù)量、種群豐度和次級(jí)代謝產(chǎn)物在培養(yǎng)10d左右達(dá)到人胃腸道真實(shí)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)并維持穩(wěn)定，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析，結(jié)果表明SHIME能夠延長(zhǎng)并維持該穩(wěn)定期至70d［14］。利用SHIME體外人胃腸道模擬系統(tǒng)，模擬人胃腸道各項(xiàng)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(duì)砷的生物利用率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小腸微生物對(duì)砷的生物利用率是2%～20%，大腸微生物對(duì)砷的生物利用率是40%～70%，且胃腸道微生物對(duì)塊狀砷的生物利用率大于粉末狀砷［10］。

體外連續(xù)動(dòng)態(tài)胃腸模擬系統(tǒng)是胃腸道及其微生物菌群研究中的一項(xiàng)重要研究手段，已成為哺乳動(dòng)物胃腸道模型的典型代表模擬系統(tǒng)。

2 體外五相胃腸全模擬系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

人胃腸道全模擬系統(tǒng)基于多級(jí)連續(xù)模擬體系而建立，具有結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)點(diǎn)，研究人員不僅可以控制全模擬系統(tǒng)的pH值、溫度、厭氧、營(yíng)養(yǎng)和消化酶等理化條件，更為主要的是可以真實(shí)地模擬被稱作人體“超級(jí)器官”的胃腸道微生物菌群。

2.1 五相胃腸全模擬系統(tǒng)的可操作性

相比于傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，五相胃腸全模擬系統(tǒng)不僅節(jié)約成本，而且具有重復(fù)性強(qiáng)、可全程監(jiān)控與檢測(cè)、影響因素單一易控制等優(yōu)勢(shì)。

研究表明，結(jié)腸近端擬桿菌門(mén)、蛋白菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、放線菌門(mén)微生物對(duì)pH耐受性差異顯著［15］，該研究利用連續(xù)流動(dòng)胃腸模擬系統(tǒng)對(duì)胃腸理化條件進(jìn)行模擬，控制結(jié)腸部位在不同pH條件下并維持其恒定，研究中的模擬系統(tǒng)影響因素單一易控制、可重復(fù)，相較傳統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)節(jié)約了大量研究成本。Marteau等［16］利用四相連續(xù)胃腸模擬體系模擬胃、十二指腸、空腸、回腸的理化條件，根據(jù)研究需要有效調(diào)控胃腸道分泌物中膽鹽濃度，對(duì)各模擬部位在特定的不同生理時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行取樣并分析，以研究膽鹽濃度對(duì)乳桿菌存活率的影響。

2.2 五相胃腸全模擬系統(tǒng)對(duì)環(huán)境因素的控制

研究表明，第二代無(wú)溢出腸道模型（TIM-2）和人腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬體系（SHIME）等體外人胃腸道模擬系統(tǒng)中，微生物種群的群落組成與接種時(shí)排泄物中微生物種群的群落組成存在差異，可見(jiàn)如何提高微生物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是體外人胃腸道模擬系統(tǒng)的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)［17］。目前，在體外人胃腸道模擬系統(tǒng)的研究中，研究者通過(guò)調(diào)控模擬系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)對(duì)人胃腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素，以提高人胃腸道微生物生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性［18］。

2.3 五相胃腸全模擬系統(tǒng)的完全性

人胃腸道模擬系統(tǒng)的發(fā)展從簡(jiǎn)單的非攪拌不控制pH的短暫模擬，到動(dòng)態(tài)多相連續(xù)模擬系統(tǒng)，其真實(shí)性和完全性得到很大提升。

早期的單相模擬實(shí)驗(yàn)，僅是對(duì)單一消化部位的理化模擬，不包括胃腸道微生物的發(fā)酵作用［7］。人胃腸道微生物組在人體中發(fā)揮重要作用，如何更真實(shí)、完全地模擬人胃腸道微生態(tài)環(huán)境成為人胃腸道模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。研究表明，三相連續(xù)模擬系統(tǒng)能夠?qū)Υ竽c部位微生物在不同營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件下生理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的重要工具。該研究利用三相連續(xù)模擬系統(tǒng)在空間、時(shí)間、營(yíng)養(yǎng)及理化特點(diǎn)，對(duì)結(jié)腸近端、末端的微生物組進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)模擬系統(tǒng)內(nèi)微生物種群豐度和數(shù)量及次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定，以研究不同碳源和氮源及其在不同部位的滯留時(shí)間對(duì)結(jié)腸微生物種群的影響［12］。

SHIME五相連續(xù)模擬系統(tǒng)在微生物數(shù)量、種群豐度及次級(jí)代謝產(chǎn)物功能發(fā)揮方面能夠更加穩(wěn)定且真實(shí)地模擬人胃腸道微生態(tài)環(huán)境。利用SHIME五相連續(xù)模擬系統(tǒng)，模擬人胃腸道的生物與理化條件，監(jiān)測(cè)和分析不同模擬相中微生物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和次級(jí)代謝產(chǎn)物在整個(gè)模擬過(guò)程中的變化，不僅能夠?qū)θ讼到y(tǒng)不同部位和不同生理時(shí)間進(jìn)行真實(shí)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(tài)環(huán)境［14］。

3 展望

隨著我國(guó)國(guó)民生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)與安全問(wèn)題也日益關(guān)注，但國(guó)內(nèi)相關(guān)研究開(kāi)展不是很多，其中一個(gè)關(guān)鍵原因在于缺少能夠被國(guó)際相關(guān)組織認(rèn)同的評(píng)價(jià)模型。因此，迫切需要建立一種能夠模擬人胃腸道環(huán)境，而且操作方便、穩(wěn)定性好的離體模型。

目前，體外胃腸模擬系統(tǒng)仍存在諸多不足與限制，如重復(fù)性和生物穩(wěn)定性方面，選擇接種液與接種方式的不同，對(duì)結(jié)果就會(huì)呈現(xiàn)很大的影響。例如，糞便經(jīng)不同溫度不同時(shí)間儲(chǔ)存后，接種到體外胃腸模擬系統(tǒng)中，其結(jié)果呈現(xiàn)顯著性差異［19］；已有研究表明不同濃度的接種液對(duì)體外胃腸模擬系統(tǒng)的模擬結(jié)果有較大的影響［18］。如機(jī)體的神經(jīng)刺激和免疫調(diào)節(jié)方面仍然是所有體外模擬系統(tǒng)的一個(gè)限制。而病態(tài)胃腸道的模擬則將是未來(lái)體外人胃腸道模擬系統(tǒng)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，如克羅恩病、潰瘍性腸炎等。

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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(yáng)人，碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)。