体外人胃肠模拟系统在食物消化行为研究中的应用进展

李玉珍，肖怀秋，*，姜明姣，赵谋明

（1.湖南化工职业技术学院制药与生物工程学院，湖南株洲412000；2.湖南中威制药有限公司，湖南株洲412000；3.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640）

体外人胃肠模拟系统在食物消化行为研究中的应用进展

李玉珍1，肖怀秋1，3*，姜明姣2，赵谋明3

（1.湖南化工职业技术学院制药与生物工程学院，湖南株洲412000；2.湖南中威制药有限公司，湖南株洲412000；3.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640）

人体胃肠道在食物消化和营养物质的吸收过程中具有非常重要且关键的作用，在对人体胃肠道功能进行研究过程中常存在伦理问题，而体外人胃肠模拟系统可有效解决该问题，对促进胃肠道功能的研究和食物消化行为的研究也起着非常重要的作用。该文对体外人胃肠模拟系统的研究现状、研究局限性等进行了综述，并对体外人胃肠模拟系统的应用研究进行展望，提出一些发展建议和意见，以期促进体外人胃肠模拟系统在食物消化行为研究方面的工作。

人胃肠模拟系统；食物消化；人工模拟

体外人胃肠模拟系统（in vitrohuman gastrointestinal simulation system，ivHGSS）是一种基于人体胃肠道生理机能进行模拟食物消化行为的生物研究系统，常用于生物活体的替代试验研究，具有操作简单、便捷、安全、快速，且不受医学研究的伦理桎棝[1-3]。目前体外胃肠模拟系统主要分为单相静态胃肠模拟系统[4]、半连续稳态胃肠模拟系统[5]和连续动态胃肠模拟系统[6]三大类，在食物重金属残留安全性评价、食物胃肠代谢动力学、营养物质生物利用度量化评估等方面有广泛研究[7-9]。体外人胃肠模拟系统成为食物消化行为研究的重要研究平台，也逐渐引起研究人员的重视[10-11]。本文对体外人胃肠模拟系统的应用研究现状和研究局限性等进行了综述，并对其应用研究进行展望，同时，提出一些发展性建议，以期促进体外人胃肠模拟系统在食物消化行为研究方面的工作。

1 ivHGSS在食物消化研究中的现状

1.1 单相静态胃肠模拟系统

单相静态胃肠模拟系统（single-phasestaticgastrointestinalsimulation system，ssGSS）是通过模拟单纯的人体胃肠道生理条件，将食物暴露于所构建模拟相中，以研究食物消化行为的模拟系统[4]。常通过调节模拟相pH、添加含胃（胰）蛋白酶的人工模拟胃肠液、构筑好（或厌）氧胃肠生理条件等来研究食物消化行为。利用单相静态胃肠模拟系统，KAFAOGLU B等[12]系统研究了坚果和种子中的9种金属元素的生物利用度，经过胃肠模拟消化，金属更易被机体吸收利用；杜芬等[13]研究了鳕鱼皮胶原蛋白源金属螯合肽（Ala-Gly-Pro-Ala-Gly-Pro-Arg）在体外人模拟胃肠系统中的消化耐受性，研究发现，在体外模拟胃肠消化过程中其多肽链氨基酸组成不变，空间构象发生改变，但钙铁配位螯合差异不显著，体外模拟胃肠消化耐受性高；秦晓佩等[14]以菜籽饼粕为原料，模拟胃、肠（十二指肠和小肠）消化行为，研究菜籽饼粕蛋白的胃肠消化行为，研究发现，抗氧化肽产生集中于模拟胃肠消化的十二指肠阶段，该阶段产物中游离氨基酸比原料中多出5种，各种游离氨基酸含量也明显增加；周存山等[15]采用二酶三阶段体单相静态胃肠模拟系统研究绿鳍马面鲀鱼皮蛋白体外消化行为及相关表征，研究发现，模拟胃肠消化液富含抗氧化氨基酸，其中抗氧化肽集中在模拟胃肠消化的十二指肠阶段；MUIR J G等[16]研究了抗性淀粉在肠道中的消化行为，并系统研究了大米淀粉、米粉、大麦淀粉、玉米片和甜豆3种食物中抗性淀粉在构建的肠道模拟系统的酶促消化形为，研究结果表明，在抗性淀粉的消化理化性质与数量与体内消化结果较为接近，构建的人肠道模拟系统可以较好的用于淀粉消化行为的分析并用于食物消化评估。单相静态胃肠模拟系统作为早期人体外胃肠模拟单相静态系统就是单纯模拟人体消化道胃部或肠道生态环境，通过调节模拟系统pH和酶解环境，将食物置于该模拟系统进行消化行为的研究，主要用于食物的消化模拟和微生物的初步筛选，研究系统组成简单，可操作性强，但所模拟的消化环境的仿真性不强，而且未考虑胃部和肠部的消化微生态和胃肠蠕动对食物消化的影响，试验结果受到所构建的胃肠模拟系统影响较大[17]。

1.2 半连续稳态胃肠模拟系统

半连续稳态胃肠模拟系统（semi-continuoushomeostatic gastrointestinal simulation system，shGSS）是指在模拟系统中添加淀粉酶、黏液素、无机盐、胃蛋白酶、有机酸、胆汁、胰蛋白酶等逐级模拟口腔（可选模拟项）和胃肠道生理条件，构建基于人体生理条件下的稳态胃肠模拟系统[8]。INTAWONGSE M等[18]利用所构建的半连续稳态胃肠模拟系统研究果蔬中的重金属和有机污染物在模拟胃肠道的消化行为，并评估了其安全风险与生物利用风险。霍艳姣等[19]以鳕鱼鱼肉蛋白肽为研究对象，构建体外半连续稳态胃肠模拟系统胃和Caco-2细胞吸收模型，研究鳕鱼鱼肉蛋白肽在模拟条件下的消化行为和抗氧化活性及生物利用率，研究发现，鱼肉蛋白肽经胃肠消化吸收后，具有一定的抗氧化活性且生物利用度较高；LAIRD B D等[20]在模拟人体胃肠微生物菌群条件下，利用半连续稳态胃肠模拟系统研究了泰国4个受重金属离子污染的大米中重金属的胃肠消化行为，对比分析了大米全粉和粒径在38 μm以下两个样本的消化行为，研究发现，在小肠部位，有2%～20%重金属可被生物转化，在结肠部位有4%～70%可被生物转化，结肠微生物能增加受污染的金属的生物利用率。半连续稳态胃肠模拟系统可应用于分析食品安全因子及安全风险评估。半连续稳态胃肠模拟系统相比传统的单相静态胃肠模拟系统，考虑了胃肠微生物生态对胃肠模拟结果的影响，其仿真性有明显改善，但在模拟系统中仍未考虑到胃肠蠕动的影响。

1.3 连续动态胃肠模拟系统

连续动态胃肠模拟系统（continuous dynamic gastroin testinal simulation system，cdGSS）在模拟胃肠生理环境条件下将胃肠微生物生态对食品消化行为的影响考虑进来，在胃肠模拟过程中接种正常健康人的粪便菌群，并且是连续流动的，更加真实模拟人体胃肠微生态环境，是最接近人体胃肠道微生态环境的人工模拟系统[6]。体外连续人胃肠模拟系统成为了胃肠道及胃肠微生物生态研究的重要研究手段，特别是哺乳动物胃肠模拟系统是值得研究的重要食物消化模拟平台[21-23]。目前，最常用体外连续动态胃肠模拟系统有荷兰应用科学研究院（TNO）三相连续胃肠模拟系统和模拟人胃肠微态系统五相连续胃肠模拟系统。

1.3.1 三相连续胃肠模拟系统

三相连续模拟胃肠系统在时空、营养吸收及生理环境等方面对结肠近端、末端的微生物群组进行模拟，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分析，研究食物消化行为对结肠微生物种群的影响[6]。利用该系统，PAYNE A N等[24]通过模拟结肠近端、横结肠和结肠末端生理环境，接种儿童粪便微生物菌群，研究食物中糖、蛋白质及膳食纤维的消化对儿童结肠微生物异化作用的影响。研究发现，肠道微生物种群丰度、微生态对食物消化有显著影响。FERIA-GERVASIO D等[6]利用三相胃肠模拟系统研究厌氧条件下研究食物的代谢与胃肠微生物生态，研究认为，体外胃肠模拟系统可以作为胃肠道微生物结构与代谢的替代模型，可用于营养代谢动力学，益生菌等研究；MACFARLANE G T等[25]应用三相连续胃肠模拟系统在空间、时间、营养及理化特点，接种人体结肠微生物菌群对结肠近端（V1）、末端（V2和V3）的微生物组进行模拟，研究了在不同滞留时间条件下（21.7 h和66.7 h）结肠微生物种群对不同碳源和氮源物质在结肠部位的消化行为的影响。研究发现，大部分碳水化合物和短链脂肪酸在结肠近端（V1）可被生物降解，而异化的氨基酸则以形成长链脂肪酸和酚类化合物在结肠末端（V2和V3）被消化分解，芳香族氨基酸代谢受系统滞留时间显著影响（P＜0.01）。在模拟系统中，除双歧杆菌外，结肠近端、末端的微生物菌群未见显著差异（P＞0.05）。

1.3.2 五相连续胃肠模拟系统

五相连续胃肠模拟系统模拟人胃肠道的生理环境，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，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[2]。POSSEMIERS S等[26]研究发现，在SHIME胃肠模拟系统中，微生物数量、种群丰度和次级代谢产物在培养10 d左右达到人胃肠道真实环境的各项指标并维持稳定。LAIRD B D等[5]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，研究重金属砷在模拟胃肠道系统中的消化行为，研究发现，小肠和大肠微生物对砷的生物利用率分别为2%～20%和40%～70%。

连续动态胃肠模拟系统在模拟人体胃肠道对食物消化行为的应用研究中充分考虑了胃肠道微微生物生态系统对食物消化的影响，仿真性更高，与人体真实的胃肠道消化较为接近，可很好的用于食物消化的体外胃肠模拟研究[27-28]。

2 ivHGSS在食物消化研究中的局限性

单相静态胃肠模拟系统在早期胃肠模拟食物消化行为方面发挥了重要作用，但该模拟手段仅对单一消化部位进行生理模拟，没有考虑胃肠道微生物菌群的协同和（或）拮抗作用，研究结果与人体真实胃肠环境存在一定差异；半连续稳态胃肠模拟系统虽然基于人体生理学机能进行胃肠道的模拟，仍然没有将胃肠道微生物菌群的消化生态考虑进来，研究结果虽然比单相静态胃肠模拟系统要真实，但与人体天然胃肠消化环境仍然存在一定的差距；而连续动态模拟系统，特别是第二代无溢出肠道模型和人肠道微生物生态系统模拟体系等将肠道微生物群落考虑到模拟系统中，研究结果与真实胃肠生理环境较为接近，但体外胃肠模拟系统仍存在许多局限性，如重复性与生物稳定性的局限、连续胃肠模拟系统中胃肠微生物群落对食物消化行为的影响认识的局限。如何提高微生物生态系统的稳定性成为体外人胃肠道模拟系统需亟待解决的关键问题[29]。如OTT S J等[30]研究发现，粪便在不同温度条件下储存不同时间再接种到体外胃肠模拟系统中，会造成结果的差异显著；机体神经刺激和免疫调节等对胃肠模拟结果也有一定影响；此外，目前所构建的体外人胃肠模拟系统对病态胃肠道（如患有克罗恩病、溃疡性肠炎等）等研究还存在较大差距。目前，在体外人胃肠道模拟系统的研究中，研究者试图通过调控模拟系统中对人胃肠道微生物生态系统产生影响的各项因素，以提高人胃肠道微生物生态环境的稳定性[31]。

3 展望

当前，国内外进行体外人胃肠系统模拟的基础与应用研究较少，且缺乏国际公认的量化评价模型，因此，构建能尽量真实地模拟人胃肠道环境，且操作方便、稳定性好的离体模拟系统将成为今后较长一段时间的研究重点。针对不同的体外人胃肠模拟系统，可以从以下几个方面进行系统完备性的创新研究：

（1）在单相静态胃肠模拟系统应用中，建议开发与模拟系统配套的“胃动力”辅助消化装置，用于模拟胃壁蠕动与收缩、以及胃壁蠕动和收缩的幅度及频率，同时，通过调控胃动力辅助消化装置来模拟胃内食物的流体力学与流体剪切作用力，从而实现真实的胃肠消化行为[4]。

（2）在应用半连续稳态胃肠模拟系统进行食物消化行为研究时，接种健康人群胃肠微生物种群，并优化接种时间、接种量等关键参数，将肠道微生物生态对消化行为的影响考虑进来[5]。

（3）连续动态胃肠模拟系统除可控制系统的温度、pH、溶氧水平、营养组分及消化酶类别等关键参数外，还可以考察胃肠道微生物菌群，特别是前述的SHIME胃肠模拟系统。POSSEMIERS S等[26]利用SHIME五相连续模拟系统对胃肠理化条件进行模拟，控制结肠部位pH并维持pH恒定以研究食物的消化行为，研究发现，SHIME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。

人胃肠道模拟系统从最初的静态短暂模拟到当前的动态多相连续模拟，系统的真实性、仿真性和安全性越来越高。然而，面对人体胃肠模拟系统研究中诸多许多亟待解决的难点，笔者相信，加强体外人胃肠模拟系统的基础与应用研究将会在食物代谢动力学、食品中药物残留安全性评价、营养物质生物利用率评估等方面发挥更大、更积极的贡献。

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Application progress ofin vitrohuman gastrointestinal simulation system in food digestion behavior study

LI Yuzhen1,XIAO Huaiqiu1,3*,JIANG Mingjiao2,ZHAO Mouming3
(1.School of Pharmaceutical and Bioengineering,Hunan Vocational Technical College of Chemical and Industrial Technology,Zhuzhou 412000,China;2.Hunan Zonwe Pharmaceutical Co.,Ltd.,Zhuzhou 412000,China;3.College of Light Industry and Food Science, South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Human gastrointestinal tract plays an important role in food digestion and nutrition absorption,and there are ethical issues in the human gastrointestinal tract functional research filed.The establishment ofin vitrohuman gastrointestinal simulation system(ivHGSS)can solve the issue and promote the researches on gastrointestinal function and food digest behavior.The research status and research limitations of ivHGSS were summarized,some development suggestions for ivHGSS research filed were put forward,to promote the application of ivHGSS in food digestion.

human gastrointestinal simulation system;food digestion;artificial stimulation

R114

0254-5071（2017）07-0153-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.07.033

2017-03-07

湖南省教育厅科研项目（16C0550）；湖南省高校科研项目（12C1049）；湖南化工职业技术学院科研项目（HNHY2015002）

李玉珍（1981-），女，讲师，硕士，主要从事蛋白质生物化学方面的教学与研究工作。

*通讯作者：肖怀秋（1981-），男，副教授，硕士，主要从事蛋白质结构改性、酶解机理及活性多肽金属配位螯合及功效活性等方面的研究工作。