体外人胃肠模拟系统的研究进展

张卿

（集美大学食品与生物工程学院，福建厦门361021）

体外人胃肠模拟系统的研究进展

张卿

（集美大学食品与生物工程学院，福建厦门361021）

人胃肠道系统对机体的营养与健康发挥重要作用，在对胃肠道功能作用的研究中一直面临伦理道德的挑战。体外胃肠道模拟系统的出现，极大地促进了胃肠道功能作用的研究。基于此，系统地介绍体外人胃肠道模拟系统的发展历程，对体外五相胃肠模拟系统的主要特点和优势进行分析，提出体外人胃肠模拟系统未来发展的挑战。

体外模拟系统；人胃肠道；研究进展

体外胃肠模拟系统是一种基于生理学模拟生物体进行的生物学研究，常被用于替代生物活体实验研究，体外胃肠模拟系统作为一个创新的技术平台，最大的优点是简单、快速、安全，且不受伦理限制。目前体外模拟系统主要分为三类：体外单相模拟、半连续稳态胃肠模拟、连续动态胃肠模拟［1］。

目前已报道的体外模拟系统用于研究人体胃肠道的不同功能，包括药物残留的安全性评价［2］，污染物的吸附与代谢［3］，食物的营养动力学［4］，营养物质生物利用率的评估［5］，胃肠道菌群的共代谢作用，胃肠道菌群对人体营养与健康的影响等。因此，体外胃肠模拟系统作为一种简单、高效的食品营养与安全评价平台，技术上日趋成熟，方法上不断创新，已成为国际研究热点之一。

1 体外胃肠模拟系统的发展现状

1.1 体外单相模拟系统

早期体外单相模拟就是单纯模拟胃部或小肠部理化条件的静态模拟，是一个将食物或其他样品暴露于模拟相的过程。通过调节pH、添加含胃蛋白酶的人工模拟胃液、通入厌氧气体等一个或多个方面模拟胃部的理化条件，研究主要集中于食物的消化模拟或微生物的初级筛选。

最初营养安全学研究食物中重金属离子及有机污染物对人体的生物有效性，即采用体外单相模拟胃部的理化条件，利用化学浸提法测定重金属离子或有机污染物在人体中的暴露风险评估及生物有效性测定［6］。利用体外单相模拟系统对抗性淀粉在小肠消化道中的理化消化进行模拟，研究发现甜豆、大麦、玉米片、大米和米粉5种食物中的抗性淀粉在经过15h的体外模拟消化后，在性质和数量上与体内消化结果最为接近，证明体外单相模拟系统对测定小肠对淀粉的消化吸收具有很好的评估作用［7］。

最近，已开发一个复杂的消化装置——胃部模拟器，该装置能模拟胃壁的不断蠕动及收缩的力量、幅度和频率，通过对水稻和苹果样品的模拟消化，使该装置的可行性得到了验证，其能够很好地模拟胃部的流体力学和剪切分割力，从而参与食物的物理消化［8］。

1.2 半连续稳态胃肠模拟系统

半连续稳态胃肠模拟系统通过分别模拟口腔（可选）、胃、肠的微生态环境来模拟人的消化途径，是一个逐器官模拟的过程。该模拟系统通过添加淀粉酶、黏液素和无机盐等模拟口腔的消化，通过添加胃蛋白酶、有机酸等模拟胃部的消化，通过添加胆汁、胰酶等模拟小肠的消化，是一个基于人体生理学条件构建的稳态胃肠模拟系统。

研究者利用半连续稳态胃肠模拟系统研究果蔬等食物中重金属离子、有机污染物等化学性安全因子，对其进行风险评估和生物有效性测定［9］。半连续稳态胃肠模拟系统是基于人体生理学机能的模拟，没有考虑到胃肠道微生物菌群的作用，且研究发现胃肠道微生物菌群具有转化利用重金属离子及有机污染物的作用［10］。因此，半连续稳态胃肠模拟系统在分析化学性食品安全因子的安全性评估方面具有重要作用。

1.3 连续动态胃肠模拟系统

在所有离体胃肠道模型中最接近于人体胃肠道微生态环境的是连续流动培养系统，但由于该模型接入的是健康人的粪便菌群，并且是连续流动的过程，能够更加真实地模拟人体胃肠道微生态环境，并且考虑到了肠道不同菌群的相互作用。目前，最常用的体外连续动态胃肠模拟系统主要有TIM（TNO Intestinal Model）三级连续模拟系统和SHIME（Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem）五相连续模拟系统。

三相连续模拟系统是对大肠部位微生物在不同营养条件和环境条件下生理学和生态学研究的重要工具［11］。利用三相连续模拟系统在空间、时间、营养及理化特点，对结肠近端、末端的微生物组进行模拟，通过对模拟系统内微生物种群丰度和数量及次级代谢产物进行测定，以研究不同碳源和氮源及其在不同部位的滞留时间对结肠微生物种群的影响［12］。利用体外三相连续模拟系统，通过模拟结肠近端、横结肠和结肠末端的生物与理化条件，接种儿童粪便中的微生物组，在试验过程中分别添加代表肥胖儿童摄入的高能量膳食、代表正常体重儿童摄入的普通膳食以及代表厌食儿童摄入的低能量膳食，并测定不同部位的微生物次级代谢产物和菌群组成，以研究食物中大量的单糖、碳水化合物、蛋白质及膳食纤维对儿童结肠微生物异化作用的影响。研究表明，胃肠道中的新陈代谢途径十分丰富，膳食中营养素水平对儿童结肠微生物的新陈代谢具有调控作用［13］。

SHIME五相胃肠全模拟系统在微生物数量、种群丰度及次级代谢产物功能发挥方面能够更加稳定且真实地模拟人胃肠道微生态环境。利用SHIME五相连续模拟系统，模拟人胃肠道的生物与理化条件，监测和分析不同模拟相中微生物的数量、群落结构和次级代谢产物在整个模拟过程中的变化。结果表明，SHIME模拟系统内，微生物数量、种群丰度和次级代谢产物在培养10d左右达到人胃肠道真实环境的各项指标并维持稳定，通过实时检测与分析，结果表明SHIME能够延长并维持该稳定期至70d［14］。利用SHIME体外人胃肠道模拟系统，模拟人胃肠道各项生物与理化条件，分别添加块状和粉末状的砷，研究胃肠道微生物对砷的生物利用率，结果发现小肠微生物对砷的生物利用率是2%～20%，大肠微生物对砷的生物利用率是40%～70%，且胃肠道微生物对块状砷的生物利用率大于粉末状砷［10］。

体外连续动态胃肠模拟系统是胃肠道及其微生物菌群研究中的一项重要研究手段，已成为哺乳动物胃肠道模型的典型代表模拟系统。

2 体外五相胃肠全模拟系统的主要特点及优势

人胃肠道全模拟系统基于多级连续模拟体系而建立，具有结构合理、简单易操作的优点，研究人员不仅可以控制全模拟系统的pH值、温度、厌氧、营养和消化酶等理化条件，更为主要的是可以真实地模拟被称作人体“超级器官”的胃肠道微生物菌群。

2.1 五相胃肠全模拟系统的可操作性

相比于传统的动物实验，五相胃肠全模拟系统不仅节约成本，而且具有重复性强、可全程监控与检测、影响因素单一易控制等优势。

研究表明，结肠近端拟杆菌门、蛋白菌门、厚壁菌门、放线菌门微生物对pH耐受性差异显著［15］，该研究利用连续流动胃肠模拟系统对胃肠理化条件进行模拟，控制结肠部位在不同pH条件下并维持其恒定，研究中的模拟系统影响因素单一易控制、可重复，相较传统动物实验节约了大量研究成本。Marteau等［16］利用四相连续胃肠模拟体系模拟胃、十二指肠、空肠、回肠的理化条件，根据研究需要有效调控胃肠道分泌物中胆盐浓度，对各模拟部位在特定的不同生理时间点进行取样并分析，以研究胆盐浓度对乳杆菌存活率的影响。

2.2 五相胃肠全模拟系统对环境因素的控制

研究表明，第二代无溢出肠道模型（TIM-2）和人肠道微生物生态系统模拟体系（SHIME）等体外人胃肠道模拟系统中，微生物种群的群落组成与接种时排泄物中微生物种群的群落组成存在差异，可见如何提高微生物生态系统的稳定性是体外人胃肠道模拟系统的长期挑战［17］。目前，在体外人胃肠道模拟系统的研究中，研究者通过调控模拟系统内部各项对人胃肠道微生物生态系统产生影响的因素，以提高人胃肠道微生物生态环境的稳定性［18］。

2.3 五相胃肠全模拟系统的完全性

人胃肠道模拟系统的发展从简单的非搅拌不控制pH的短暂模拟，到动态多相连续模拟系统，其真实性和完全性得到很大提升。

早期的单相模拟实验，仅是对单一消化部位的理化模拟，不包括胃肠道微生物的发酵作用［7］。人胃肠道微生物组在人体中发挥重要作用，如何更真实、完全地模拟人胃肠道微生态环境成为人胃肠道模拟系统的关键问题。研究表明，三相连续模拟系统能够对大肠部位微生物在不同营养条件和环境条件下生理学和生态学研究的重要工具。该研究利用三相连续模拟系统在空间、时间、营养及理化特点，对结肠近端、末端的微生物组进行模拟，通过对模拟系统内微生物种群丰度和数量及次级代谢产物进行测定，以研究不同碳源和氮源及其在不同部位的滞留时间对结肠微生物种群的影响［12］。

SHIME五相连续模拟系统在微生物数量、种群丰度及次级代谢产物功能发挥方面能够更加稳定且真实地模拟人胃肠道微生态环境。利用SHIME五相连续模拟系统，模拟人胃肠道的生物与理化条件，监测和分析不同模拟相中微生物的数量、群落结构和次级代谢产物在整个模拟过程中的变化，不仅能够对人消化系统不同部位和不同生理时间进行真实模拟，而且能够更为完全地模拟胃肠道的理化条件和微生态环境［14］。

3 展望

随着我国国民生活水平的不断提高，人们对食品营养与安全问题也日益关注，但国内相关研究开展不是很多，其中一个关键原因在于缺少能够被国际相关组织认同的评价模型。因此，迫切需要建立一种能够模拟人胃肠道环境，而且操作方便、稳定性好的离体模型。

目前，体外胃肠模拟系统仍存在诸多不足与限制，如重复性和生物稳定性方面，选择接种液与接种方式的不同，对结果就会呈现很大的影响。例如，粪便经不同温度不同时间储存后，接种到体外胃肠模拟系统中，其结果呈现显著性差异［19］；已有研究表明不同浓度的接种液对体外胃肠模拟系统的模拟结果有较大的影响［18］。如机体的神经刺激和免疫调节方面仍然是所有体外模拟系统的一个限制。而病态胃肠道的模拟则将是未来体外人胃肠道模拟系统的一个重大挑战，如克罗恩病、溃疡性肠炎等。

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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

张卿（1990-），男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：食品科学。