На днях я съездила посмотреть на одно интересное устройство — искусственный кишечник. Итак, что это такое?
Переваривание пищи — более сложный процесс, чем может показаться на первый взгляд. Это не просто прилечь после сытного обеда. Желудочно-кишечный тракт представляет собой трубкообразный орган с различными отделами: рот, желудок, тонкая кишка и толстая кишка, нужными для каждого этапа пищеварения. Во время постепенного прохождения пищи через эти отделы, пища подвергается изменениям из-за разных условий в них. В перевариваемую массу постепенно выделяются пищеварительные жидкости, а вода и питательные вещества всасываются. К тому же почти во всех отделах живут разные микроорганизмы, так как условия в отделах разные.
Как учёным изучать столь сложный процесс, ведь эксперименты над людьми проводить нельзя? На животных — самый простой ответ. Но животные хоть и похожи на нас, но не полностью, а чем точнее модель для исследования, тем точнее результаты. Поэтому учёные изобрели ТИМ (TIM) от английского The TNO Gastro-Intestinal Model — Желудочно-кишечная модель, в которой можно почти полностью воспроизвести условия пищеварения человека. Он сочетает в себе физиологические параметры, такие как перемешивание, проход пищи, определённую кислотность для каждого отдела кишечника и времени, реалистичное выделение и состав пищеварительных жидкостей, а также удаление переваренных соединений и воды. Эти параметры объединяются в протокол, который служит вводными данными для компьютерного моделирования определенных условий пищеварения. Разработаны особенные модели для нескольких видов животных: человека, собаки, свиньи и телёнка, а также для разных возрастных групп: младенцев, взрослых и пожилых людей.
Существует две модели ТИМа. ТИМ1 — это подражание всего ЖКТ. А модель, которая особенно интересна микробиологам, — ТИМ2, она представляет собой определённую часть ЖКТ — толстую кишку, самую бескислородную часть.
ТИМ1 представляет из себя четыре отсека, представляющих желудок, двенадцатиперстную кишку, тощую кишку и подвздошную кишку. Отделы соединены насосами с перистальтическими клапанами, которые перекачивают химус из одного отсека в другой. Химусом зовут густую полужидкую массу частично переваренной пищи и пищеварительных соков, микробов, клеток и т.д. Перемешивание в отсеках достигается путём чередования давления на их гибкие стенки. Перед введением пищи в ТИМ её перетирают с помощью кухонного комбайна и смешивают с искусственной слюной, содержащей электролиты и α-амилазу — фермент, расщепляющий сахара, воспроизводя приключения пищи во рту. В отсеке-желудке содержатся электролиты, пепсин и грибковая липаза (F-AP 15), которая выполняет роль желудочной липазы — фермента, расщепляющего жиры.
Во время искусственного переваривания пищи кислотность контролируется с помощью соляной кислоты, следуя заранее заданной кривой или с переменной скоростью во времени. Выделения двенадцатиперстной кишки состоят из электролитов, желчи и панкреатина; тут кислотность управляется бикарбонатом натрия. Продукты пищеварения удаляются двумя различными системами. Водорастворимые продукты удаляются путём диализа через пленкодыр, отсекающий молекулы массой около 10 кДа. Пленкодыр соединён с тощей и подвздошной кишками. Жирорастворимые продукты пищеварения не могут быть эффективно удалены этими пленкодырами, поскольку они самообразуются в шарики, которые слишком велики, чтобы пройти через пленкодыр. Поэтому они удаляются через пленкодыр с дырками размером в 50 нм, который пропускает шарики, но задерживает капельки жира. Проход пищи контролируется путём диктовки опорожнения желудка и подвздошной кишки в соответствии с формулой, описанной Элашоффом в 1982 году.
Где же применяют учёные это устройство?
С помощью ТИМа можно выявлять кандидатов в лекарственные препараты на ранних стадиях разработки и продвигать высокопотенциальные составы до клинических испытаний. Изображая реальный ЖКТ человека, можно измерить биодоступность для всасывания испытываемого лекарства через стенку кишечника во время пищеварения с помощью диализного пленкодыра. Также можно исследовать, как лекарство ведёт себя, если принять его натощак или с пищей. В ТИМ можно добавить лекарство с пищей или пустить его через систему без.
Если лекарство нацелено на детей, то проводить эксперименты на детях невозможно ни по этическим, ни по клиническим соображениям, но ТИМ может подражать детскому ЖКТ, в котором можно проводить подобные исследования. Также можно проверять лекарство в сочетании с соответствующими возрасту продуктами питания, компания, производящая ТИМ, предоставляет протоколы для возрастных групп: новорождённые (0-1 месяц), груднички (1-6 месяцев), дети (6-24 месяца). На ТИМе тоже можно проверять новые формулы детского питания.
В ТИМ можно добавлять фекальную массу или же смесь из бактерий, чтобы смотреть, как потенциальное лекарство будет вести себя в ЖКТ. А также можно посмотреть, сможет ли новая формула пробиотика дожить до кишечника, пройдя через кислотный желудок. Можно создать ЖКТ как здорового, так и больного человека или же микробиоту, изменённую диетой. Искусственный ЖКТ может лучше дать понять, как происходят высвобождение, растворение и насколько стабильно лекарство. Так как собирать образцы в ТИМе можно так часто, как хочется, то можно следить во времени, как жидкости ЖКТ ферментируют лекарство и новую пищу.
Также можно изучить влияние непереваренных и переваренных питательных веществ на микробиоту кишечника. На ТИМе можно изучать влияние пребиотиков и пробиотиков на микробиоту ЖКТ. Также можно смотреть, как хорошо микробы могут выживать в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта, что позволит разработать новые продукты или рецептуры. Если устройство такое замечательное, то почему им не пользуются все, кому не лень? Как мне рассказали, одно использование может стоить до 1 500 000 рублей!
Источники:
Verhoeckx, Kitty, et al. "The impact of food bioactives on health: in vitro and ex vivo models." (2015): 338.
thetimcompanyточкаcom/
Ставя палец вверх и подписываясь, Вы помогаете мне продвигать настоящую науку.
Предыдущая статья: Каждый гражданин имеет право на экосистемные услуги. Где их получить?
