体外消化模型的研究进展

陈 责，贾 慧

（上海交通大学食品科学与工程系，上海200240）

体外消化模型的研究进展

陈 责，贾 慧

（上海交通大学食品科学与工程系，上海200240）

体外消化模型是用于研究食物在消化过程中的结构变化、消化吸收率及成分释放的系统，现已被广泛应用于健康和营养方面的研究中。其作为食品和药品分析中常用的工具，被用于分析食品及药品结构变化，以及生物利用度和消化率。相比于体内消化试验，具有成本低、试验周期短、结果可重复性强等优点。从模拟对象和发展历程等方面对已有的体外消化模型进行了归类和总结，分别介绍了静态模型、动态模型和细胞培养模型3类常用模型。静态模型只能简单模拟消化过程，动态模型可以同时模拟胃肠道中化学作用和物理作用，另外细胞培养模型通常被制药工业用于评价潜在药物吸收机制的手段。最后，结合微型化和程序自动化2个方面分析了体外消化模型的未来发展趋势。

体外消化模型；静态模型；动态模型；细胞培养模型；胃肠道消化

0 引言

人体消化道是一条起自口腔延续咽、食道、胃、小肠、大肠到肛门的较长肌性管道，包含口腔、食管、胃、小肠（包括十二指肠、空肠、回肠）和大肠（盲肠、结肠、直肠）等部分，与消化腺一起组成体内完整的消化系统。消化道内每个消化器官的消化条件都不一样。由于体内消化试验存在费用高、周期长、结果重现性差、伦理谴责等问题[1]，因此开发出一个体外模型用于模拟体内消化的过程和条件是非常必要的。这样的模型应该能够体现消化过程中的一些细节，并且能够与体内数据进行验证。理想的体外模型，应具有灵活性、准确性和可重复性的优点。

体内消化系统条件见图1。

图1 体内消化系统条件

1 体外消化模拟

消化过程的第1步开始于口腔中咀嚼食物。在口腔中，食物在牙齿和唾液的作用下被嚼碎及软化，然后经过食管到达胃部，这个过程中有部分碳水化合物被唾液酶分解。体外消化试验中，食物样品如果不经过咀嚼模拟过程，而是直接使用简单机械剪切方式处理，食物样品会变成食团，这种食团内部凝聚力较强，在胃中不易分散、崩解，以至于较难消化。但是液体食物或那些单一食品分离成分（如纯化蛋白）由于本身的粒度较小，仅仅需要添加唾液淀粉酶，不需要经过咀嚼这一过程。蛋白质水解过程的研究中，样品在胃和小肠消化阶段中，酶对于pH值和表面活性剂要求都不同。体外消化模拟研究时，要考虑的一个重要因素就是胃肠液中酶、胆汁盐和其他表面活性剂的浓度。

过去20年，相关研究者设计了多种体外消化模型来模拟体外消化过程，从单个反应容器到多个反应容器的静态模型和动态模型。

1.1 静态模型

静态模型是目前使用最广泛的消化系统。静态模型不能模拟体内发生的物理过程（如剪切、混合、水合等作用），且消化过程中消化产物不会被吸收[2]。这类模型主要用于简单的食品和分离或纯化的营养物质消化研究。对于局部消化，静态模型较有用，但是静态模型不太适合于总体的消化研究。

最常见的静态模型是将锥形瓶或者烧杯放置在一个恒温振荡水浴槽中，水浴槽内振荡频率为60～250 r/min，水浴温度37℃，接近人体温度[3]。

体外消化静态模型见图2。

图2 体外消化静态模型

大部分静态模型比较粗糙。研究者只是简单地将消化样品均质化，用盐酸降低pH值后添加胃酶，于37℃下搅拌或振荡一段时间，简单模拟消化样品在胃内消化过程后再添加碳酸钠或者氢氧化钠中和，加入胰酶和胆汁盐，于37℃下搅拌，再模拟肠内消化过程。这个消化模拟过程无法完全模拟体内消化过程中的动态变化。就胃的pH值而言，静态模型不能够反映消化期间pH值的动态变化。空腹时胃的pH平均值为1.5～2.0，消化食物时pH值变为3～7[4-6]。根据研究目的，一般将模拟成人消化模型的胃pH值设定为1.07～2.50[7-8]。

静态模型的优点是操作简单、低成本和易于清洗，目前常被用于评估食品中蛋白质潜在的过敏源风险[9]和新型食品的过敏风险。相比那些非致敏性蛋白质，致敏性蛋白质不易被胃蛋白酶消化，如花生、大豆和牛奶中的蛋白质[10]。这类蛋白质在消化过程中要么未被消化，要么需要经过1 h才被降解至小分子肽。所有的非过敏源蛋白质在15 s内，即可被消化降解至小分子多肽（＜3 000 Da）。

1.2 动态模型

静态模型的主要缺点是无法模拟人体胃肠道中发生的动态消化过程，如胃排空、蠕动运动以及消化中胃部pH值变化、酶和消化液分泌等动态变化。

研究食物的消化过程时，不能只考虑消化道中的化学作用，胃肠道中的物理作用同样扮演着关键的角色。静态模型只是一种简单模拟消化过程的模型，需要另一种可以同时模拟胃肠道中化学作用和物理作用的消化模型。

为了克服静态模型在消化中的缺点，研究者开发了好几种动态模型。动态模型的优势是不仅能模拟胃肠道中物理处理过程，而且可以显示不同消化时间下发生的其他变化。通过动态模型，可以观察食物样品在消化过程中不同时间下的物理形态，如黏度、破碎粒度，也可以观测到胶体的产生、扩散，以及不同消化阶段的营养区分等。

1.2.1 单室动态模型

IFR动态胃模型（IFR dynamic gastric model，DGM）是目前使用较多的模拟胃内部消化的单室动态模型。DGM由2个连续的隔室组成，可以处理食品样品，甚至能准确模拟消化过程中胃内部化学成分释放及胃排空等复杂的变化。在开发DGM的初期，研究者利用回波平面磁共振成像技术（EPI）实时测绘人体志愿者胃肠道内食物消化过程及定位。通过这些测绘，得到志愿者体内消化过程中胃肠道内的水化、混合、剪切、运输和传递等数据[11-15]，然后将这些数据设计到DGM模型中，因此胃肠道内的水化、混合、剪切、运输和传递等都可以在DGM模型内模拟出来。

DGM设计了2个阶段。第1阶段主要模拟食品样品在胃中的剪切、混合等物理过程；然后食物样品经过特异性胃排空到第2阶段的胃窦中（胃部下方），此部分是胃消化过程中的关键“加工站”，负责混合膳食的剪切。整个模型都是由计算机监控操作。

DGM的缺点是无法准确模拟消化过程中胃部的动态蠕动。人体胃模拟器（The human gastric simula-tor，HGS）由一个乳胶材料的单室组成，单室被机械制动系统包围，可以更加有效地模拟消化过程中胃蠕动的振幅、强度和频率[16]。

DGM和HGS虽然非常适合胃部体外消化研究，但是对于整个消化系统研究而言，只能提供部分的试验参考。在体内消化系统中，胃、小肠和结肠分为单独的部分，每个部分在消化过程中都有特定的功能，如大分子的降解和营养物质的吸收以及未消化物质的发酵等。为了准确地研究完整的消化过程，特别是食物样品在各个消化器官中的详细过程，研究者相继设计开发出了双室和多室动态系统。

1.2.2 双室和多室动态模型

TNO胃肠道模型1（TNO gastro-intestinal model 1，TIM1）是目前最接近体内胃肠道消化系统的体外双室动态模型，共分为5个区间，分别代表消化道的5个不同组成部分（胃、十二指肠、空肠、回肠和结肠）。每个区间均使用柔性膜来模拟对应消化场所，柔性膜外用2个保温玻璃来控制消化所需的温度和压力，整个消化模型由电脑控制[17]。TIM1系统能够模拟体内消化的大部分参数，如人体温度、胃内pH值变化、胃液和胰液自动分泌、胃排空、胃和肠的消化时间，通过透析系统模拟小肠蠕动及其营养物质吸收[21]。

TIM1结构[11]见图3。

图3 TIM1结构

TIM1的价格较昂贵，且整个系统的清洁和操作都较复杂[12]。2014年研究者设计了一个更简单的TIM1模型[18]，由2个腔室组成，分别用于模拟胃和小肠，每个腔室外围水浴温度为39℃。分别用几个不同的泵控制摄取食物、消化酶、胆汁盐和其他消化液的流动，整个系统由计算机监控和控制。这个动态模型显示关于体内蛋白质水解与体外模型具有高度相关性，但是没有涉及到脂肪分解。

TNO胃肠道模型2（TNOgastro-intestinal model 2，TIM2）在TIM1的基础上开发而来，增加了模拟微生物的功能[13]。TIM1和TIM2常用于模拟人体不同生命阶段的消化情况，如婴儿、成年人和老年人阶段[14]。TIM1主要用于研究幼儿体外消化模拟系统中口服药物的剂量，Blanquet认为TIM1可以作为一种非常有效的手段用于观察幼儿（或成人）胃肠道内药物的变化和有效性。

肠道微生物模拟系统（Simulated human intestinal microbial ecosystem，SHIME）是一个模拟从胃到结肠完全消化过程的封闭系统，常用于研究食物成分与人体体内常驻微生物群的相互作用[15]。

SHIME原理[16]见图4。

图4 SHIME原理

SHIME是一个由电脑控制，6个容器组成的消化系统。6个容器分别模拟消化道中胃、十二指肠和空肠、回肠、近端结肠、横结肠和末端结肠，在末端结肠后面放置1个废水收集系统。容器1和2中的样品是每4 h添加1次，同时容器3，4和5中的原料都是连续地由上一个容器内泵入，整个系统保持在37℃的厌氧条件下运行。另外，每个容器中的pH值都是由电脑严格控制，分别与对应的体内消化器官内pH值一致。

1.3 细胞培养模型

细胞培养模型，通常衍生自胎儿啮齿动物的肠上皮细胞或癌性肿瘤细胞。胎儿啮齿动物的肠上皮细胞可以在较长时间内保留其形态和功能特性，这对于成年啮齿动物的肠上皮细胞来说是比较难以实现的。癌细胞表达的转运蛋白许多与肠上皮细胞表达的相同，并且与其他细胞系相比，癌细胞具有快速分化的优点。细胞培养模型通常被制药工业用于评价潜在药物吸收机制的手段，营养学家和细胞生物学家使用该模型来评估营养物质的细胞转运和新型化合物对疾病（如炎症性肠道疾病）的影响。

Caco-2细胞是最常用的细胞系，衍生自人结肠腺癌细胞。Caco-2细胞能够产生大量生理上的水解酶、脂肪酶和刷状缘酶，来模拟人体内小肠环境[19]。Caco-2细胞培养模型，已被广泛用于检测食品和生物制剂中生物活性成分的吸收。

细胞培养模型中，除了常用的Caco-2细胞外，还有肠上皮细胞（Intestinal epithelial cell 18 cells，IEC-18）和Madin Darby犬肾细胞系（Madin darby canine kidney cells，MDCK）。

体内消化器官内存在许多细胞系。每个细胞系在分化速率、分子渗透性和转运蛋白表达方面都不同。使用不同的细胞系取决于模拟的消化器官和测试底物的性质。

细胞培养模型可以作为评价碳水化合物和纤维成分渗透性的重要模型，它主要是显示营养物的渗透性，而不是反映真实的体内吸收情况。细胞系的生长和维持是非常繁琐及昂贵的，试验过程中很容易造成细胞系的污染。由于大多数细胞来源于非人体组织或癌细胞，与体内的真实情况存在生理差异，导致不能准确地模拟体内环境。此外，细胞培养模型不能反映测试底物如何影响整个器官或者系统。

体外消化模型不能充分模拟体内发生的完整消化过程，特别是消化过程中激素分泌、反馈机制、黏膜细胞活性和完整的蠕动运动等均无法体现。另外，对体外消化模拟结果产生显著影响的几个因素是样品特性、酶的活性、pH值、离子组成、施加机械应力和消化时间，而这些因素中有部分不能完全在体外条件下模拟出来[20]。因此，体外完全模拟体内消化运动仍然是一个挑战，需要更先进的科学和技术对体外消化模型进行改进和验证。

芯片实验室（Lab-on-chips）是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单元集成或者基本集成在一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物和化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术[21]。Manaresi等人[18]报道了一种棋盘状的微通道结构，在这个微阵列结构中，相应节点的细胞能通过其空间位置而被检测，理论上可以设置并检测10 000个细胞，而不破坏细胞的生存能力。将芯片实验室技术应用在体外模型的建立中，可以提高体外模拟试验的反应、分析速率，减少样本和试剂的消耗，排除人为干扰，在微环境条件下完成体外消化模拟。体外消化模型，可以向着微型化和集成化的方向发展。

2 结语

目前在使用的体外消化模型中，静态模型主要用于简单的食品和分离或纯化营养物质的消化研究；动态模型中DGM主要用于研究食物材料在胃内部消化发生的物理过程及化学过程，是目前最先进的单室体外动态消化模型。TIM1系统能够反映体内消化的大部分参数，如人体温度、胃内pH值变化、胃和胰腺自动分泌、胃排空、胃和肠的消化时间，通过透析系统模拟小肠蠕动及其营养物质吸收。TIM2是在TIM1基础上增加模拟肠道微生物的功能。但是

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体外消化模型已经广泛被应用于健康和营养方面的研究中，是食品和药品分析中常用的工具。可以利用体外消化方法分析食品及药品结构变化、生物利用度和消化率，然而在体外模型和体内研究中关于结果对比有一些差异，这与体内外差异性有关。迫切需要更多在体内外相关性方面的研究，以便体外模型更逼真，研究出可以直观筛选食品生物利用率和消化率的体外模型。

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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

国家高技术研究发展计划（863计划）。

陈责（1987—），男，硕士，研究方向为功能性食品。