במבחנה עיכול תחליבים בטיפה אחת באמצעות החלפה רב-פאזית של נוזלי מערכת העיכול המדומים
Summary
איזון יריעת פני השטח של התליון המיושם עם החלפה מרובת תת-פאזות, המכונה OCTOPUS, מאפשר לחקות את תנאי העיכול על ידי החלפת תת-פאזה רציפה של התמיסה המקורית בתפזורת עם נוזלים מדומים במערכת העיכול. העיכול המדומה במבחנה מנוטר על ידי רישום באתרו של המתח הבין-פאזי של השכבה הבין-מרחבית המעוכלת.
Abstract
תחליבים משמשים כיום כדי לתמצת ולספק חומרים מזינים ותרופות כדי להתמודד עם מצבים שונים במערכת העיכול כגון השמנת יתר, העשרת חומרים מזינים, אלרגיות למזון ומחלות עיכול. היכולת של תחליב לספק את הפונקציונליות הרצויה, כלומר, להגיע לאתר מסוים במערכת העיכול, לעכב / מעכב ליפוליזה, או להקל על העיכול, בסופו של דבר תלוי ברגישות שלו לפירוק אנזימטי במערכת העיכול. בתחליבי שמן במים, טיפות השומנים מוקפות בשכבות בין-אישיות, שבהן המתחלבים מייצבים את התחליב ומגנים על התרכובת העטופה. השגת יכולת עיכול מותאמת אישית של תחליבים תלויה בהרכב הראשוני שלהם, אך דורשת גם מעקב אחר האבולוציה של אותן שכבות בין-פאזיות מכיוון שהן נתונות לשלבים שונים של עיכול במערכת העיכול. איזון סרט שטח של טיפת תליון המיושם עם החלפה מרובת תת-פאזות מאפשר לדמות את העיכול במבחנה של תחליבים בטיפה מימית אחת השקועה בשמן על ידי יישום מודל עיכול סטטי מותאם אישית. המעבר דרך מערכת העיכול מחוקה על ידי החלפת תת-פאזה של תמיסת התפזורת המקורית של הטיפות עם מדיה מלאכותית, המחקה את התנאים הפיזיולוגיים של כל תא/שלב במערכת העיכול. האבולוציה הדינמית של המתח הבין-תאי נרשמת באתרה לאורך כל העיכול המדומה של מערכת העיכול. התכונות המכניות של ממשקים מעוכלים, כגון גמישות מורחבת בין-פאזית וצמיגות, נמדדות לאחר כל שלב עיכול (דרך הפה, הקיבה, המעי הדק). ניתן לכוונן את ההרכב של כל מדיה במערכת העיכול כדי להסביר את המאפיינים של תנאי העיכול, כולל פתולוגיות במערכת העיכול ומדיה העיכול של התינוק. המנגנונים הבין-פאזיים הספציפיים המשפיעים על פרוטאוליזה וליפוליזה מזוהים, ומספקים כלים לווסת את העיכול על ידי הנדסה בין-פאזית של תחליבים. ניתן לתמרן את התוצאות המתקבלות לתכנון מטריצות מזון חדשניות עם פונקציות מותאמות אישית כגון אלרגניות נמוכה, צריכת אנרגיה מבוקרת וירידה בעיכול.
Introduction
הבנת אופן העיכול של שומן, הכוללת עיכול תחליבים, חשובה לתכנון רציונלי של מוצרים עם פונקציונליות מותאמת אישית1. המצע לעיכול שומן הוא תחליב שכן השומן מתחלב עם הצריכה על ידי פעולה מכנית וערבוב עם חומרים פעילי שטח ביולוגיים בפה ובקיבה. כמו כן, רוב השומן הנצרך על ידי בני אדם כבר מתחלב (כגון מוצרי חלב), ובמקרה של תינוקות או כמה קשישים, זוהי צורת הצריכה היחידה. לפיכך, העיצוב של מוצרים מבוססי תחליב עם פרופילי עיכול ספציפיים חשוב מאוד בתזונה1. יתר על כן, תחליבים יכולים לעטוף ולספק חומרים מזינים, תרופות או פעילות ביולוגית ליפופילית2 כדי להתמודד עם מצבים שונים במערכת העיכול כגון השמנת יתר3, חיזוק חומרים מזינים, אלרגיות למזון ומחלות עיכול. בתחליבי שמן במים, טיפות השומנים מוקפות בשכבות בין-פאזיות של מתחלבים כגון חלבונים, חומרים פעילי שטח, פולימרים, חלקיקים ותערובות4. תפקידם של מתחלבים הוא כפול: לייצב את האמולסיה5 ולהגן/להעביר את התרכובת העטופה לאתר מסוים. השגת יכולת עיכול מותאמת אישית של אמולסיות תלויה בהרכב הראשוני שלהם, אך דורשת גם מעקב אחר האבולוציה המתמשכת של ממשק זה במהלך המעבר דרך מערכת העיכול (איור 1).
איור 1: יישום הנדסה בין-פאזית של תחליבים כדי להתמודד עם כמה מהמצבים העיקריים במערכת העיכול. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
עיכול שומנים הוא בסופו של דבר תהליך בין-פאזי מכיוון שהוא דורש ספיחה של ליפאזות (קיבה או לבלב) על ממשק מי השמן של טיפות שומנים מתחלבות דרך השכבה הבין-פאזית כדי להגיע ולהידרוליזה של הטריגליצרידים הכלולים בשמן לחומצות שומן חופשיות ומונואצילגליצרידים6. זה מתואר באיור 2. ליפאז קיבה מתחרה עם פפסין ופוספוליפידים בקיבה על ממשק שמן-מים (איור 2, עיכול קיבה). לאחר מכן, ליפאז/קוליפאז בלבלב מתחרים בטריפסין/כימוטריפסין, פוספוליפידים, מלחי מרה ומוצרי עיכול במעי הדק. פרוטאזות יכולות לשנות את הכיסוי הבין-מרחבי, למנוע או להעדיף ספיחת ליפאז, בעוד שמלחי מרה פעילים מאוד על פני השטח ודוחקים את רוב המתחלב שנותר כדי לקדם ספיחת ליפאז (איור 2, עיכול מעיים). בסופו של דבר, הקצב וההיקף של ליפוליזה תלויים בתכונות הבין-פאזיות של התחליב המעוכל הראשוני/קיבה, כגון עובי, קשרים בין-מולקולריים ואינטראקציות אלקטרוסטטיות וסטריות. בהתאם לכך, מעקב אחר האבולוציה של השכבה הבין-פאזית בזמן שהיא מתעכלת מציע פלטפורמה ניסיונית לזיהוי מנגנונים ואירועים בין-פאזיים המשפיעים על ספיחת ליפאז, ומכאן על עיכול השומנים.
איור 2: דיאגרמה סכמטית הממחישה את תפקידם של ממשקים בעיכול שומנים במערכת העיכול. הידרוליזה של פפסין משנה את ההרכב הבין-פאזי בשלב הקיבה, בעוד שליפאז קיבה מבצע הידרוליזה של טריגליצרידים. במעי הדק, טריפסין/כימוטריפסין מבצעים הידרוליזה נוספת של הסרט הבין-מרחבי, בעוד שליפוליזה ממשיכה על ידי ספיחה של BS/ליפאזות, הידרוליזה של טריגליצרידים, וספיגה של מוצרים ליפוליטיים על ידי סולוביזציה במיקלות/קומפלקס BS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
ציוד הטלת התליון באוניברסיטת גרנדה (UGR) מיושם בטכנולוגיה מוגנת בפטנט, הנימים הכפולים הקואקסיאליים, המאפשרת החלפה תת-פאזית של הפתרון בתפזורת7. הנימי, המחזיק את טיפת התליון, מורכב מסידור של שני נימים קואקסיאליים המחוברים באופן עצמאי לכל ערוץ של מיקרו-אינז’קטור כפול. כל מיקרו-אינז’קטור יכול לפעול באופן עצמאי, מה שמאפשר להחליף את התוכן שנשמט על ידי זרימהדרך 7. לפיכך, חילופי subphase מורכב הזרקה בו זמנית של הפתרון החדש עם נימי הפנימי ואת מיצוי של תמיסה בתפזורת עם נימי החיצוני באמצעות אותו קצב זרימה. תהליך זה מאפשר החלפת התמיסה בתפזורת ללא הפרעה לאזור הבין-תאי או לנפח הטיפות. הליך זה שודרג מאוחר יותר להחלפה מרובת תת-פאזות, המאפשרת עד שמונה החלפות תת-פאזיות רצופות של פתרון תפזורת הטיפות8. זה מאפשר סימולציה של תהליך העיכול בטיפה מימית אחת המרחפת במדיה ליפידית על ידי החלפה רציפה של התמיסה בתפזורת עם מדיה מלאכותית המחקה את התאים השונים (פה, קיבה, מעי דק). המערך כולו מיוצג באיור 3, כולל פרטי הרכיבים. המזרקים במיקרו-אינז’קטור מחוברים לשמונת שסתומי ה-vias, שכל אחד מהם מתחבר לצינור מיקרו-צנטריפוגה המכיל את נוזל העיכול המלאכותי עם רכיבים המתוארים באיור 2.
איור 3: מבט כללי על התמנון עם כל הרכיבים. מצלמת ה-CCD, המיקרוסקופ, המיקרו-מייצב, התא התרמו-יציב והנימים הכפולים מחוברים באופן עצמאי למיקרו-מזרק כפול עם שני מזרקים המחוברים לשמונה שסתומי ויאס. כל מזרק מתחבר עם נימי, ארבעה צינורות microcentrifuge עם דגימה פריקה אחת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4A מראה כיצד כל אחד מנוזלי העיכול המלאכותיים מוזרק לתוך טיפת התליון על ידי חילוף תת-פאזי דרך הנימים הכפולים. כל תרכובת עיכול המפורטת באיור 2 ניתנת ליישום בו-זמנית/ברצף, תוך הדמיה של המעבר דרך מערכת העיכול. נוזלי העיכול המלאכותיים מכילים אנזימים שונים וחומרים פעילי שטח ביולוגיים, שמשנים את המתח הבין-תאי של המתחלב הראשוני, כפי שמתואר באיור 4B. התוכנה DINATEN (ראה טבלת חומרים), שפותחה גם היא ב- UGR, מתעדת את האבולוציה של המתח הבין-פאזי בזמן אמת כאשר השכבה הבין-פאזית הראשונית מתעכלת במבחנה. כמו כן, לאחר כל שלב עיכול, מחושבת האלסטיות הרחיבה של השכבה הבין-פאזית על ידי הטלת תנודות מחזוריות של נפח/אזור בין-פאזי על השכבה הבין-פאזית המיוצבת ורישום התגובה של המתח הבין-מרחבי. התקופה/תדר והמשרעת של התנודה יכולים להיות מגוונים, ועיבוד תמונה עם התוכנה CONTACTO מספק את הפרמטרים הריאולוגיים המרחיבים8.
איור 4: דוגמאות לפרופילי עיכול . (A) שכבת התחליב הראשונית נתונה למדיית עיכול מלאכותית הממוקמת במיקרוצנטריפוגה על ידי החלפת תת-פאזה רציפה של התמיסות השונות לתוך טיפת התליון. (B) האבולוציה הכללית של המתח הבין-פאזי (ציר y) של המתחלב הראשוני כפונקציה של הזמן (ציר x) כפי שהוא מתעכל במבחנה על ידי האנזימים/ביו-חומרים פעילי שטח שונים במדיה המלאכותית. חילוף תת-פאזי סופי עם נוזל מעיים רגיל מודד את הספיגה של שומנים מעוכלים על ידי סולוביזציה במיצלות מעורבות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
מחקר זה מציג את הפרוטוקול הכללי שנועד למדוד עיכול במבחנה של שכבות בין-מרחביות באמצעות ציוד לנפילת תליון9. השכבה הבין-פאזית הראשונית נתונה ברצף לתנאים המחקים את המעבר דרך מערכת העיכול, כפי שמתואר באיור 2. מדיות העיכול השונות האלה מוזרקות לתוך טיפת התליון על ידי החלפה תת-פאזית של התמיסות השונות הכלולות בצינורות המיקרוצנטריפוגה (איור 4A). ההרכב של מדיה זו יכול להיות מותאם אישית בהתאם לתנאי העיכול שיוערכו, כלומר, פרוטאוליזה קיבה / מעיים / ליפוליזה, המאפשר מדידת השפעות מצטברות ו sinergies10. תנאי הניסוי המשמשים לחיקוי תהליך העיכול בכל תא תואמים את פרוטוקול הקונצנזוס הבינלאומי שפורסם על ידי INFOGEST המפרט את ה- pH ואת כמויות האלקטרוליטים והאנזימים11. המכשיר הניסיוני המבוסס על נפילת תליון מאפשר הקלטה של המתח הבין-פאזי באתרו לאורך כל תהליך העיכול המדומה. הריאולוגיה המתרחבת של השכבה הבין-פאזית מחושבת בסוף כל שלב עיכול. בדרך זו, כל מתחלב מציע פרופיל עיכול הממחיש את התכונות של הממשקים המעוכלים, כפי שמתואר באיור 4B. זה מאפשר מיצוי של מסקנות לגבי רגישות או התנגדות לשלבים שונים של תהליך העיכול. באופן כללי, מדיית העיכול המלאכותית מכילה חומצה/pH בסיסית, אלקטרוליטים, פרוטאזות (קיבה ומעי), ליפאזות (קיבה ומעי), מלחי מרה ופוספוליפידים, המומסים בנוזלי העיכול שלהם (קיבה או מעיים). איור 4B מראה פרופיל גנרי של האבולוציה של המתח הבין-פאזי של המתחלב, תחילה נתון לפעולת פרוטאזות, ולאחר מכן ליפאזות. באופן כללי, פרוטאוליזה של השכבה הבין-פאזית מקדמת עלייה במתח הבין-פאזלי עקב ספיגה של פפטידים שעברו הידרוליזה9,12, בעוד שליפוליזה גורמת לירידה תלולה מאוד במתח הבין-פאזי עקב ספיחה של מלחי מרה וליפאזות 13. החלפה תת-פאזית סופית עם נוזל מעיים מדלדלת את התמיסה הגדולה של חומר לא מעוכל/מעוכל ומקדמת ספיגה של תרכובות מסיסות וסילוק שומנים מעוכלים במיקסים של מיצלות. ניתן לכמת זאת על-ידי העלייה במתח הבין-פאזי שנרשמה (איור 4B).
לסיכום, התכנון הניסיוני המיושם בטיפת התליון כדי לדמות עיכול במבחנה בטיפה בודדת מאפשר למדוד השפעות מצטברות וסינרגיות כאשר תהליך העיכול מוחל ברצף על שכבת הבינייםהראשונית 10. הרכב של כל מדיה העיכול ניתן לכוונן בקלות כדי להסביר את המאפיינים של תנאי העיכול, כולל פתולוגיות במערכת העיכול או מדיה העיכול התינוק14. לאחר מכן, ניתן להשתמש בזיהוי המנגנונים הבין-פאזיים המשפיעים על פרוטאוליזה וליפוליזה כדי לווסת את העיכול על ידי הנדסה בין-פאזית של תחליבים. ניתן ליישם את התוצאות המתקבלות בתכנון מטריצות מזון חדשניות עם פונקציות מותאמות אישית כגון אלרגניות נמוכה, צריכת אנרגיה מבוקרת וירידה בעיכול 15,16,17,18,19.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתאר פרוטוקול כללי למדידת עיכול במבחנה של שכבות בין-מרחביות באמצעות ציוד להטלת תליון. ניתן להתאים את הפרוטוקול לדרישות הספציפיות של הניסוי על ידי כוונון הרכב מאגרי העיכול, המבוססים על פרוטוקול INFOGEST11,20 הרמוני כדי להקל על ההשוואה לספרות. ניתן לה?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי פרויקטים RTI2018-101309-B-C21 ו- PID2020-631-116615RAI00, במימון MCIN/AEI/10.13039/501100011033 ועל ידי “ERDF דרך ליצור את אירופה”. עבודה זו נתמכה (חלקית) על ידי הקבוצה לפיזיקה ביוקולואידית וזורמים (ref. PAI-FQM115) של אוניברסיטת גרנדה (ספרד).
Materials
| Alpha-chymotrypsin from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | C4129 | Enzyme |
| Beta-lactoglobulin | Sigma-Aldrich | L0130 | Emulsfier |
| Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | 9048-46-8 | Emulsfier |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | Electrolyte |
| Centrifuge | Kronton instruments | Centrikon T-124 | For separating oil and resins |
| Citrus pectin | Sigma-Aldrich | P9135 | Emulsfier |
| co-lipase FROM PORCINE PANCREAS | Sigma | C3028 | Enzyme |
| CONTACTO | University of Granada (UGR) | https://core.ugr.es/dinaten/, last access: 07/18/2022 | |
| DINATEN | University of Granada (UGR) | https://core.ugr.es/dinaten/, last access: 07/18/2022 | |
| Gastric lipase | Lipolytech | RGE15-1G | Enzyme |
| Human Serum Albumin | Sigma-Aldrich | 70024-90-7 | Emulsifier |
| INFOGEST | http://www.proteomics.ch/IVD/ | ||
| Lipase from porcine pancreas, type II | Sigma-Aldrich | L33126 | Enzyme |
| Magnesium metasilicate resins | Fluka | 1343-88-0 | Resins to purify oil |
| Micro 90 | International products | M-9051-04 | Cleaner |
| NaCl | Sigma | 7647-14-5 | Electrolyte |
| NaH2PO4 | Scharlau | 10049-21-5 | To prepare buffer |
| OCTOPUS | Producciones Científicas y Técnicas S.L. (Gójar, Spain) | Pendandt Drop Equipment implemented with multi subphase exchange | |
| Olive oil | Sigma-Aldrich | 1514 | oil |
| Pancreatic from porcine pancreas | Sigma | P7545-25 g | Enzyme |
| Pepsin | Sigma-Aldrich | P6887 | Enzyme |
| Pluronic F127 | Sigma | P2443 | Emulsifier |
| Pluronic F68 | Sigma | P1300 | Emulsfier |
| Sodium deoxycholate | Sigma | Bile salts | |
| Sodium glycodeoxycholate | Sigma | C9910 | Bile salts |
| Sodium taurocholate | Sigma | 86339 | Bile salts |
| Syringe Filter | Millex-DP | SLGP033R | Syringe Filter 0.22 µm pore size polyethersulfone |
| Trypsin | Sigma-Aldrich | T1426 | Enzyme |
References
- McClements, D. J. The biophysics of digestion: Lipids. Current Opinion in Food Science. 21, 1-6 (2018).
- McClements, D. J., Li, Y. Structured emulsion-based delivery systems: Controlling the digestion and release of lipophilic food components. Advances in Colloid and Interface Science. 159 (2), 213-228 (2010).
- Corstens, M. N., et al. Food-grade micro-encapsulation systems that may induce satiety via delayed lipolysis: A review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 57 (10), 2218-2244 (2017).
- Aguilera-Garrido, A., del Castillo-Santaella, T., Galisteo-González, F., Gálvez-Ruiz, M. J., Maldonado-Valderrama, J. Investigating the role of hyaluronic acid in improving curcumin bioaccessibility from nanoemulsions. Food Chemistry. 351, 129301 (2021).
- Rodríguez Patino, J. M., Carrera Sánchez, C., Rodríguez Niño, M. R. Implications of interfacial characteristics of food foaming agents in foam formulations. Advances in Colloid and Interface Science. 140 (2), 95-113 (2008).
- Wilde, P. J., Chu, B. S. Interfacial & colloidal aspects of lipid digestion. Advances in Colloid and Interface Science. 165 (1), 14-22 (2011).
- Cabrerizo-Vílchez, M. A., Wege, H. A., Holgado-Terriza, J. A., Neumann, A. W. Axisymmetric drop shape analysis as penetration Langmuir balance. Review of Scientific Instruments. 70 (5), 2438-2444 (1999).
- Maldonado-Valderrama, J., Muros-Cobos, J. L., Holgado-Terriza, J. A., Cabrerizo-Vílchez, M. A. Bile salts at the air-water interface: Adsorption and desorption. Colloids and surfaces B: Biointerfaces. 120, 176-183 (2014).
- Maldonado-Valderrama, J., Terriza, J. A. H., Torcello-Gómez, A., Cabrerizo-Vílchez, M. A. In vitro digestion of interfacial protein structures. Soft Matter. 9, 1043-1053 (2013).
- Maldonado-Valderrama, J. Probing in vitro digestion at oil-water interfaces. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 39, 51-60 (2019).
- Brodkorb, A., et al. INFOGEST static in vitro simulation of gastrointestinal food digestion. Nature Protocols. 14 (4), 991-1014 (2019).
- del Castillo-Santaella, T., Maldonado-Valderrama, J., Molina-Bolivar, J. A., Galisteo-Gonzalez, F. Effect of cross-linker glutaraldehyde on gastric digestion of emulsified albumin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 145, 899-905 (2016).
- Macierzanka, A., Torcello-Gómez, A., Jungnickel, C., Maldonado-Valderrama, J. Bile salts in digestion and transport of lipids. Advances in Colloid and Interface Science. 274, 102045 (2019).
- Maldonado-Valderrama, J., Torcello-Gómez, A., del Castillo-Santaella, T., Holgado-Terriza, J. A., Cabrerizo-Vílchez, M. A. Subphase exchange experiments with the pendant drop technique. Advances in Colloid and Interface Science. 222, 488-501 (2015).
- Bellesi, F. A., Ruiz-Henestrosa, V. M. P., Maldonado-Valderrama, J., Del Castillo Santaella, T., Pilosof, A. M. R. Comparative interfacial in vitro digestion of protein and polysaccharide oil/water films. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 161, 547-554 (2018).
- Del Castillo-Santaella, T., Sanmartín, E., Cabrerizo-Vílchez, M. A., Arboleya, J. C., Maldonado-Valderrama, J. Improved digestibility of β-lactoglobulin by pulsed light processing: A dilatational and shear study. Soft Matter. 10 (48), 9702-9714 (2014).
- Infantes-Garcia, M. R., et al. In vitro gastric lipid digestion of emulsions with mixed emulsifiers: Correlation between lipolysis kinetics and interfacial characteristics. Food Hydrocolloids. 128, 107576 (2022).
- del Castillo-Santaella, T., Cebrián, R., Maqueda, M., Gálvez-Ruiz, M. J., Maldonado-Valderrama, J. Assessing in vitro digestibility of food biopreservative AS-48. Food Chemistry. 246, 249-257 (2018).
- Torcello-Gómez, A., Maldonado-Valderrama, J., Jódar-Reyes, A. B., Cabrerizo-Vílchez, M. A., Martín-Rodríguez, A. Pluronic-covered oil-water interfaces under simulated duodenal conditions. Food Hydrocolloids. 34, 54-61 (2014).
- Minekus, M., et al. A standardised static in vitro digestion method suitable for food – an international consensus. Food & Function. 5 (6), 1113-1124 (2014).
- Wege, H. A., Holgado-Terriza, J. A., Cabrerizo-Vílchez, M. A. Development of a constant surface pressure penetration langmuir balance based on axisymmetric drop shape analysis. Journal of Colloid and Interface Science. 249 (2), 263-273 (2002).
- del Castillo-Santaella, T., et al. Hyaluronic acid and human/bovine serum albumin shelled nanocapsules: Interaction with mucins and in vitro digestibility of interfacial films. Food Chemistry. 383, 132330 (2022).
- Aguilera-Garrido, A., et al. Applications of serum albumins in delivery systems: Differences in interfacial behaviour and interacting abilities with polysaccharides. Advances in Colloid and Interface Science. 290 (5), 102365 (2021).
