Симулятор кишечной микрофлоры человека (SHIME)

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Симулятор кишечной микрофлоры человека (SHIME) — это сложная функциональная симуляционная модель in vitro пищеварительной системы человека. Она позволяет заселить различные отделы кишечника соответствующей микрофлорой на длительный срок. Более того, она имитирует различные сегменты желудочно-кишечного тракта и толстой кишки. И эти смоделированные системы позволяют получить подробную информацию о видах ферментации и их расположении на протяжении всего кишечника. Система позволяет лучше дать реальную оценку воздействия пищи или питательных веществ на пре- и пробиотики, спустя 2-3 недели их продолжительного употребления. Проводимые с подобной длительностью, исследования симулируют повторное переваривание данных продуктов. SHIME применяют для симуляции различных видов желудочно-кишечного тракта, как детского, так и взрослого и пожилого, а также его нетипичных состояний, таких как инфекционные заболевания, вызванные патогенной микрофлорой[1][2].

Торговая марка

«SHIME» — это аббревиатура от «Simulator of Human Intestinal Microbial Ecosystem», и с 2010 года это название было совместно зарегистрировано ProDigest и Гентским университетом[1].

Область применения

  • Эффект пробиотика выбранных микроорганизмов
  • Эффект пребиотика выбранной пищи или питательных веществ
  • Изменение в кишечной микрофлоре из-за вида питания
  • Изменение в кишечной микрофлоре из-за лечения антибиотиками
  • Биодоступность микро- и макронутриентов
  • Движение нутриентов / фитохимический метаболизм кишечной микрофлоры

Технические характеристики

SHIME состоит из ряда пяти реакторов, которые симулируют различные отделы желудочно-кишечного тракта человека. Первые два реактора работают по принципу наполнения - опорожнения, симулируя разные этапы приема пищи и ее переваривания. С помощью насосов, симулирующих перистальтику, поступает определенное количество пищи SHIME( по 140 мл три раза в день) и симуляции панкреатического сока с желчью (по 60 мл 3 раза в день), соответственно в желудок (V1) и в отдел тонкой кишки (V2). Соответственно, спустя определенный промежуток времени, реакторы опорожняют.

Оставшиеся три отдела симулируют толстую кишку. Эти реакторы имеют определенный объем загрузки пищи, которую, под контролем pH, постоянно перемешивают. С помощью посева фекальной микробиоты, эти реакторы симулируют восходящий (V3), поперечный (V4) и нисходящий (V5) отделы ободочной кишки.

Состояние среды в каждом секторе системы постоянно находится под контролем компьютера. TWINSHIME версия способна предложить возможность параллельного проведения двух исследований (обычно вмешательства и контроля).

Дополнительные характеристики

SHIME может быть преобразован в M-SHIME при помощи добавления к трем отделам толстой кишки, покрытых муцином, микрокосм. Бактерии, находящиеся на слизистой слое, будут населять микрокосмы и создавать слизистую оболочку в реакторе. Перемещение половины микрокосм каждые три дня симулирует перемещение слизистого слоя в кишечнике, позволяя моделировать его слизистую оболочку. В дальнейшем, находящиеся на полученных микрокосмах, бактерии удаляют, что позволяет составить характеристику колонии.

Преимущества, недостатки и ограничения системы

Преимущества

  • Представляет собой полностью смоделированный желудочно-кишечный тракт.
  • Проводит посев микрофлоры различных целевых групп: взрослых и детей, здоровых и больных. Например, больных колитом[3] и животных (свиньи, собаки).
  • Особые исследования отделов толстой кишки[1].
  • Обладает стабильной микрофлорой в длительных временных промежутках, что позволяет контролировать адаптацию микрофлоры.
  • Исследование механизмов контроля со множеством параметров.
  • Различие между слизистой и просветной микрофлоры в настройках M-SHIME[4].
  • Параллельный контроль и обслуживание в настройках TWIN-SHIME.
  • В настройках SHIME индивидуальные различия исследуют как уникальные свойства, принадлежащие каждой микрофлоре в отдельности. При ограничении процесса симуляции микрофлоры только в отделе толстой кишки  может быть получена симуляция восьми различных ее видов.

Недостатки и ограничения

  • Обычно в настройках SHIME отсутствует функция диализа. Внедрение модулей диализа возможно после функции пищеварения в тонком кишечнике[5].
  • Отсутствие перистальтики компенсируют мешалки, находящиеся в аппарате-растворителе.
  • Обычно в SHIME отсутствуют клетки-хозяины. Поэтому решают проблему его совмещения с HMI  модулем, симулирующем эпителиальные или иммунные клетки[6][7].

Происхождение модели

Симулятор кишечной микрофлоры человека (SHIME) это сложный функциональный симулятор кишечника человека, разработанный в 1993[8]. Разработка сложных симуляторов кишечника человека и его частей происходит от наблюдения различий между фекальной микрофлоры и кишечной микрофлоры in vivo, зависящих от условий посева культур и их метаболической активности. Заселение фекальной микробиоты в одноступенчатый хемостат было первой попыткой воспроизвести условия, близкие к условиям толстой кишки, которая может быть применима для короткого промежутка времени при таких параметрах среды как pH, окислительно-восстановительный потенциал, поступающие питательные вещества и постоянное изменение динамики роста микроорганизмов. Для продления жизнедеятельности посева кишечной микрофлоры, разработаны ферментеры полунепрерывного действия , симулирующие периодическое поступление питательной среды и удаление продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Обычно для симуляции систем применяют только ферментер, хотя толстая кишка имеет множество отделов с различиями в всасывании питательных веществ, ферментативной активности, культурах микроорганизмов и условиях среды. Поэтому невозможно симулировать культуры микрофлоры толстой кишки только одним симулирующим ее отделом. Для этого разрабатывают несколько сложных реакторов, чтобы симулировать различные условия в просвете толстой кишки, благодаря которым SHIME стал одним из симуляторов кишечника последнего поколения.

Технически, SHIME является усовершенствованной моделью симулятора Университета Ридинга, представленного в 1989 и воспроизводит условия восходящей, поперечной и нисходящей ободочной кишки. SHIME отличается от модели Ридинга тем, что имеет в своем составе часть, симулирующую условия верхних отделов пищеварительного тракта, и представляет собой ряд из пяти составляющих, которые симулируют как верхние (желудок, тонкий кишечник), так и нижние (восходящая, поперечная и нисходящая ободочная кишка) отделы пищеварительного тракта.

Весь реактор SHIME работает при температуре  37 °C и  имеет в своем составе стеклянные сосуды с двойным покрытием, которые обеспечивают соединение с насосами, симулирующими перистальтику. Первые два реактора работают по принципу наполнение-опорожнение, с поступлением определенного количества питательной среды три раза в день, вместе с симуляцией панкреатического сока и желчи в отделы, представляющие собой желудок и тонкий кишечник. Среда состоит из углеводных и белковых составляющих с добавлением слизи, смеси витаминов и минералов. После обеспечения пищеварения в отделах, представляющих собой желудок и кишечник, пищевая смесь поступает по сосуду восходящей ободочной кишки, где начинается процесс кишечного пищеварения. Содержимое трех отделов, представляющих собой толстую кишку, непрерывно перемешивают и подвергают контролю pH. Модуляцию времени удерживания верхних отделов пищеварительного тракта проводят изменением скорости прохождения субстрата из отделов, симулирующих желудок и кишечник, в то же время модуляцию в отделе, симулирующем толстый кишечник, проводят изменением объема, находящегося в нем субстрата. Это зависит от целевой группы лиц, и время удерживания может варьироваться от 24 до 72 часов.

Отдел системы SHIME, симулирующий желудок, работает при значении pH равной 2.0, поступление которую полностью контролирует компьютер, а также контролирует параметры pH в процессе желудочного и кишечного пищеварения. Отдел, симулирующий тонкий кишечник, обычно работает в нейтральной или слабокислой среде, в то же время pH отдела толстой кишки находится между 5.6 и 5.9 в восходящей ее части, 6.1-6.4 в поперечной и 6.6-6.9 в нисходящей части ободочной кишки. Перемешивание смеси, подвергающейся пищеварению в соответственных отделах, осуществляют с помощью магнитных мешалок. Всю систему SHIME содержат в анаэробной среде и ежедневно продувают пространство соответственных отделов газом N2 или смеси газов N2/CO2 в соотношении 90/10%.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 Tom Van de Wiele, Pieter Van den Abbeele, Wendy Ossieur, Sam Possemiers, Massimo Marzorati. The Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME®) // The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models / Kitty Verhoeckx, Paul Cotter, Iván López-Expósito, Charlotte Kleiveland, Tor Lea, Alan Mackie, Teresa Requena, Dominika Swiatecka, Harry Wichers. — Cham (CH): Springer, 2015. — ISBN 978-3-319-15791-7, 978-3-319-16104-4.
  2. ↑ Simulator of Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME®). [1]. Архивировано 26 ноября 2020 года.
  3. ↑ Joan Vermeiren, Pieter Van den Abbeele, Debby Laukens, Louise Kristine Vigsnæs, Martine De Vos. Decreased colonization of fecal Clostridium coccoides/Eubacterium rectale species from ulcerative colitis patients in an in vitro dynamic gut model with mucin environment // FEMS Microbiology Ecology. — 2012-03-01. — Т. 79, вып. 3. — С. 685–696. — ISSN 0168-6496. — doi:10.1111/j.1574-6941.2011.01252.x.
  4. ↑ Pieter Van den Abbeele, Clara Belzer, Margot Goossens, Michiel Kleerebezem, Willem M. De Vos. Butyrate-producing Clostridium cluster XIVa species specifically colonize mucins in an in vitro gut model (англ.) // The ISME Journal. — 2013-05. — Vol. 7, iss. 5. — P. 949–961. — ISSN 1751-7370. — doi:10.1038/ismej.2012.158. Архивировано 17 июня 2022 года.
  5. ↑ Siele Ceuppens, Mieke Uyttendaele, Katrien Drieskens, Marc Heyndrickx, Andreja Rajkovic. Survival and Germination of Bacillus cereus Spores without Outgrowth or Enterotoxin Production during In Vitro Simulation of Gastrointestinal Transit (англ.) // Applied and Environmental Microbiology. — 2012-11. — Vol. 78, iss. 21. — P. 7698–7705. — ISSN 1098-5336 0099-2240, 1098-5336. — doi:10.1128/AEM.02142-12. Архивировано 30 июня 2022 года.
  6. ↑ Sam Possemiers, Iris Pinheiro, An Verhelst, Pieter Van den Abbeele, Lois Maignien. A Dried Yeast Fermentate Selectively Modulates both the Luminal and Mucosal Gut Microbiota and Protects against Inflammation, As Studied in an Integrated in Vitro Approach (англ.) // Journal of Agricultural and Food Chemistry. — 2013-10-02. — Vol. 61, iss. 39. — P. 9380–9392. — ISSN 1520-5118 0021-8561, 1520-5118. — doi:10.1021/jf402137r. Архивировано 30 июня 2022 года.
  7. ↑ Massimo Marzorati, Barbara Vanhoecke, Tine De Ryck, Mehdi Sadaghian Sadabad, Iris Pinheiro. The HMI™ module: a new tool to study the Host-Microbiota Interaction in the human gastrointestinal tract in vitro // BMC Microbiology. — 2014-05-22. — Т. 14, вып. 1. — С. 133. — ISSN 1471-2180. — doi:10.1186/1471-2180-14-133.
  8. ↑ K. Molly, M. Vande Woestyne, W. Verstraete. Development of a 5-step multi-chamber reactor as a simulation of the human intestinal microbial ecosystem // Applied Microbiology and Biotechnology. — 1993-05. — Т. 39, вып. 2. — С. 254–258. — ISSN 0175-7598. — doi:10.1007/BF00228615. Архивировано 30 июня 2022 года.