XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение.

Желудочно-кишечный тракт животных – это сложная система с синергетической и рекурсивной связями. Моделирование процессов данной системы – это трудоемкий процесс, требующий совмещения как ветеринарных, так и технических наук.

Проведение исследовательских работ по моделирования ЖКТ сельскохозяйственных животных значительно упростит разработку различных добавок и препаратов, позволит неинвазивно, искусственно проводить проверку и тестирование разработанных образцов. Системы искусственного ЖКТ значительно повышают производительность исследований и позволяют их ускорить за счет распараллеливания процессов.

Модели желудочно-кишечного тракта животных имеют различные методики управления, поддержания и формирования параметров жидкостей. Вопрос создания искусственной системы ЖКТ человека подробно рассматривался в работах зарубежных ученых Kitty Verhoeckx, Paul Cotter, Iván López-Expósito, Charlotte Kleiveland, Tor Lea, Alan Mackie и других [1]. Но о системах моделирования ЖКТ сельскохозяйственных животных пока мало исследований и большая их часть закрыта для широкого круга людей различными сельскохозяйственными компаниями.

Основные виды in-vitro моделей ЖКТ.

TIM-модель.

Желудочно-кишечный тракт представляет собой трубчатый орган с различными отделениями (зоб, желудок, тонкая кишка, толстая кишка) для каждой стадии пищеварения [1,2]. Во время постепенного прохождения пищи через отсеки различные фракции пищи подвергаются воздействию изменяющихся условий из-за постепенной секреции пищеварительных жидкостей и поглощения воды и питательных веществ. ТIМ намеревается смоделировать динамические условия в просвете желудочно-кишечного тракта. Он предназначен для сочетания управляемости и воспроизводимости модельной системы с физиологическими параметрами, такими как смешивание, перемещение пищи и т.д. Схематичное представление данной модели описано на рисунке 1 [1,3].

Рисунок 1 – Схематический рисунок модели толстой кишки TNO in vitro (TIM-2). [1,3,5]

Некоторые особенности TIM уникальны по сравнению с другими моделями. Прежде всего, перистальтические движения гибкой мембраны обеспечивают лучшее перемешивание и перемещение компонентов по всей модели, чем это было бы достигнуто при перемешивании (в ферментере) или встряхивании (на качалке или иным способом). В серийных инкубациях или менее сложных моделях микробиота обычно прививается с гораздо меньшей плотностью (в 100 и более раз) и медленно растет до физиологической плотности. Основным минусом является сложность реализации данной системы, относительно сложная структура исключает модульность и накладывает определенные требования к ходу эксперимента. [1,4]

SHIME-модель.

Симулятор микробной экосистемы кишечника человека (SHIME) - это многокамерный динамический симулятор кишечника человека, разработанный в 1993 году. Эта разработка многокомпонентных имитаторов (частей) кишечника человека была первой попыткой имитировать условия толстой кишки. Данную модель можно применять при исследованиях любого ЖКТ из-за ее гибкости и модульности. Главным недостатком данной модели является механическая система перемешивания химуса [1,3,4].

Рисунок 2 – Схематичное представление SHIME-модели

Основное внимание в системе SHIME уделяется моделированию микробного сообщества толстой кишки. Из-за недоступности области толстой кишки человека или животного для взятия репрезентативного микробного инокулята фекальная микробиота выбирается в качестве инокулята в отсеки толстой кишки реактора SHIME. Другие особенности SHIME включают постепенное опорожнение желудочного дайджеста в кишечное отделение, возможность запуска динамического профиля рН в желудочном отделении и возможность установки диализного блока позади кишечного отделения, чтобы можно было проводить эксперименты с реальными пищевыми матрицами или пищевыми компонентами, которые должны пройти предварительное переваривание и удаление сахарных мономеров или аминокислот и пептидов до того, как химус будет перенесен в кишечное отделение. Структурное описание SHIME-модели представлено на рисунке 2 [1].

Рисунок 4 – Общий вид биореактора с системой управления

Исследования. Для проведения собственных исследований была использована рассмотренная ранее SHIME-модель. Поддержание параметров происходит с помощью разработанной автоматизированной системы управления. В созданном биореакторе происходит управление температурой с точностью до 0.0625 С (диапазон для ЖКТ курицы 40 – 42,5 С) и pH с точностью до 0.1 pH (диапазон для ЖКТ курицы 1.5 – 2 pH). Также предусмотрено насыщение реактора азотом, что требуется для оптимизации среды в биореакторе. Общий вид разработанной модели представлен на рисунке 4. [1,6]

Таким образом, мы рассмотрели два основных in vitro метода моделирования желудочно-кишечного тракта животных. Данные исследования в данный момент применяются в лаборатории «Центр агробиотехнологии» в ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет».

Благодарности и признательности.

Исследования выполнялись при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России в рамках Мегагранта «Ветеринарные пробиотические препараты направленного модулирования здоровья животных» (Соглашение № 075-15-2019-1880) под общим руководством профессора Чикиндаса М.Л., (Rutgers, The State University of New Jersey, USA).

Списокиспользованнойлитературы:

1. Van de Wiele T., Van den Abbeele P., Ossieur W., Possemiers S., Marzorati M. (2015) The Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME®). In: Verhoeckx K. et al. (eds) The Impact of Food Bioactives on Health. Springer, Cham

2. Giuliani, Camilla and Marzorati, Massimo and Innocenti, Marzia and Vilchez-Vargas, Ramiro and Vital, Marius and Pieper, Dietmar H. and Van de Wiele, Tom and Mulinacci, Nadia "Dietary supplement based on stilbenes: a focus on gut microbial metabolism by the in vitro simulator M-SHIME®", Food Funct. 2016, p 4564-4575, URL: http://dx.doi.org/10.1039/C6FO00784HE.

3. N. Karthikeyan, A. Jayaraja. Application of First Order differential Equations to Heat Transfer Analysis in solid // International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), Volume 5, Issue 8, P. 5-8.

4. Modeling Thermal Liquid Systems // Matlab documentation. The MathWorks, Inc. URL: https://www.mathworks.com/help/physmod/simscape/ug/thermal-liquid-modelingworkflow.html

5. Koen Venema. The TNO In Vitro Model of the Colon (TIM-2), K. Verhoeckx et al. (eds.), The Impact of Food Bio-Actives on Gut Health, URL: https://doi.org/10.1007/978-3-319-16104-4

6. V. A. Chistyakov, A. D. Lukyanov, Donskoy D.Yu. S. V. Chapek, O. I. Katin Modeling and analysis of energy efficiency of methods for maintaining temperature conditions in microbioreactors IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 900 (2020) 012015 DOI:10.1088/1757-899X/900/1/012015

Код для цитирования: Скопировать