体外仿生胃肠道模型是模拟人或动物的胃肠道及其生理环境的装置，近年来被广泛应用于模拟食物营养成分的消化和吸收过程、功能性食品的功效性评估、口服药物制剂的体内溶出度预测、婴幼儿奶粉配方优化等领域。

常言道：“民以食为天”。吃饭看似是一件很平常的事，但其中却蕴含着许多知识和学问。近年来由于膳食的不平衡和营养过剩导致的肥胖症、高脂血症、糖尿病和心血管疾病等现代“富贵病”的发病率居高不下。以糖尿病为例，目前我国糖尿病患者总数居全球首位，预计到2045年将达到1.98亿，平均每10个人中将至少有1个人是糖尿病患者。因此，从食品工程的角度来看，未来食品产业发展的重点是既要满足人们对于食品色、香、味、形的良好感官需求，更要满足人们在食品的消化与吸收中对营养与健康的需求。

食品在体内的加工过程（即消化与吸收）是决定食品的营养和功效的关键。因此，研究食品在胃肠道内的消化与吸收过程对深入理解膳食与健康之间的关系、指导新型功能（健康）食品的设计和开发具有重要的意义。同样，深入研究固体口服药物制剂在体内胃肠道的消化、溶出、释放和吸收过程也十分重要，因为这是评价其临床疗效的关键，也是仿制药和创新药研发链中必不可少的环节。

如何研究食品和口服药物制剂在体内的消化和吸收过程呢？一般情况下，在人或动物体内进行试验最为理想。然而，由于胃肠道的结构与功能复杂，生物个体间的差异大，导致动物或人体试验在技术上的可行性、结果的可重复性、经济和时间成本、伦理等方面受到了极大的限制。此外，通过体内试验只能得到笼统的结果，在理解食品和药物在胃肠道中详细的消化和吸收过程和机理时，也具有很大的局限性。

胃肠道消化和吸收的一般过程

胃肠道（包括口腔、食管、胃、小肠和大肠）是营养物质和药物消化、转运、吸收、代谢和排泄的场所。

与组成和结构较为单一的口服药物制剂相比，食物在胃肠道内的消化和吸收过程相对复杂得多。食物中的营养素除了水、无机盐和某些维生素可以直接被肠道上皮细胞吸收之外，碳水化合物、蛋白质和脂肪等组分必须在消化道内被分解成结构简单的小分子物质之后，才能被人体吸收。例如，固体食物被人体摄入后，首先需要经过口腔牙齿的机械咀嚼，将块状食物切割、压碎和研磨成较小的颗粒，再经过舌头的搅拌和唾液的润滑作用形成可被吞咽的食团，最后通过食道的蠕动输送到胃继续进行消化。

胃的近端（头区，主要包括胃底和胃体）具有储存未消化食物的功能，并负责液体食物的排空；胃的远端（尾区，由胃窦和幽门构成）相当于研磨机和混合器，在蠕动的胃壁机械摩擦挤压以及胃酸和胃蛋白酶的共同作用下，将大颗粒研磨成小颗粒。此外，幽门窦处的幽门括约肌的收缩和舒张对固体食物颗粒的胃排空过程形成“筛分效应”，即低黏度的液体和粒径小于1~2毫米的固体小颗粒会从幽门排空至十二指肠，而对于粒径大于2 毫米的固体颗粒和高黏度的食物成分则保留在胃腔。

消化是机体通过消化管的运动和消化腺分泌物的酶解作用，将大块的、分子结构复杂的食物，分解为能被吸收的、分子结构简单的小分子化学物质的过程。消化作用有利于营养物质通过消化管黏膜上皮细胞进入血液和淋巴，即营养物质的吸收过程，从而为机体的生命活动提供能量。

小肠是消化和吸收的主要场所。酸性食物从胃进入十二指肠后，首先被小肠细胞分泌的碳酸氢盐中和至中性，随后在胰液、胆汁和小肠液的化学性水解和小肠运动的物理混合作用下完成最终的消化过程。不同营养物质的吸收过程大同小异。淀粉和蛋白质分别分解成单糖（葡萄糖）和氨基酸或小分子肽之后，以主动转运的方式被小肠（主要是空肠）上皮细胞吸收进入血液循环；脂肪的吸收过程更为复杂，它首先要被胆汁中的胆酸盐、卵磷脂等乳化成极细的微滴，然后在脂肪酶的作用下将甘油三酯分解为甘油与脂肪酸，而脂肪酸再一次与胆酸盐、胆固醇结合成水溶性的微胶粒才能被小肠长皮细胞吸收进入血液循环。不能被小肠消化和吸收的食物残渣进入大肠，在结肠微生物群的作用下进一步发酵和降解，其中的一部分水分、电解质被大肠黏膜吸收后形成粪便。

人体消化系统的结构及主要生理功能

体外仿生胃肠道模型

体外仿生胃肠道模型，是对人体或动物的消化道及其消化环境、消化道内的流体动态行为等进行模拟的装置。与体内试验相比，体外仿生胃肠道模型作为一种高效的食品（医药）配方（处方）和加工工艺筛选工具，不仅能部分甚至完全替代体内活体试验，减少动物牺牲的数量，避免伦理限制，而且可以缩短试验周期、节约成本、提高结果重复性。此外，体外仿生胃肠道模型可以在时间和空间的任意尺度上，实现对食物与药物的混合、崩解、释放、排空、转运、吸收等动态过程的监测。这对于深刻理解食品与药物在体内的加工过程极为重要。

目前，国内外学者已报道了多种体外仿生胃肠道模型，从结构和仿生程度上，这些模型可分为静态模型和动态模型两类。体外模型已被广泛应用于食品营养学、功能性活性组分代谢、药物释放动力学、益生菌及益生元、食品毒理学、动物营养及饲料等多个研究领域。

静态模型

静态模型是目前使用最广泛的体外仿生胃肠道模型，其结构简单、成本低廉、操作简便，主要用于研究单一食品组分（如分离的淀粉、蛋白质等）或简单食品在模拟消化环境中的消化率和营养活性成分的释放行为。

最常见的静态模型是由若干个试管、烧杯或锥形瓶等容器组成，用以模拟胃、小肠及大肠。在大部分的静态模型中，研究人员只是简单地将均匀分散的食物和模拟胃液充分混合后，置于37℃水浴中搅拌或振荡1~3小时以模拟胃的消化过程，然后用碱性缓冲液将其pH调至7左右，再与模拟肠液混合2~3小时以模拟小肠的消化过程。

不同的静态模型对于消化参数，如消化酶浓度、食物与消化酶的比例、pH等的选择各异，因而不利于不同试验的结果对比。因此，国际食品消化联盟于2014年提出了标准化的静态模型，自提出以来在世界范围内广泛引用。该模型以胃肠道相关生理学参数（离子强度、pH、酶浓度、消化时间等）为依据，提出了制备模拟唾液、胃液和小肠液的标准方法，并针对特定食物样品提供了详细的操作规程和提示。

标准化体外静态模型的制备流程

动态模型

静态模型虽然简单、廉价，但无法重现消化道的形态和蠕动收缩、pH的动态调节、消化液的连续分泌、流体动力学以及消化物的胃排空等动态过程。因此，建立具有胃和肠道生理形态特征、胃壁和肠壁可运动、消化液连续分泌和食物排空等更为复杂、更接近真实体内环境的动态体外仿生胃肠道模型是体外消化和吸收过程的研究重点与关键。

基于模型的结构和组成，动态模型可分为单腔室模型（只模拟胃）和多腔室模型（同时模拟胃和肠）。代表性的单腔室模型包括动态胃模型（dynamic gastric model, DGM）、人胃模拟器（human gastric simulator, HGS）等。多腔室模型结构更为复杂，包括TNO胃肠道模型（TNO gastro-intestinal model, TIM-1）、人工胃—十二指肠模型（artificial stomach-duodenum, ASD）、胃肠模拟器（gastrointestinal simulator, GIS）等。在这些模型中，TIM-1被认为是最接近人体胃肠道的体外模型，已实现商业化，目前已被广泛用于食品营养学、益生菌、生物医药、环境毒理学等多个领域。

通过对比分析发现，目前绝大部分体外仿生胃肠道模型不具备真实的胃或肠道的形态和生理结构特征（大小、胃内壁褶皱等），因此无法重现食物在受到胃的形态和结构及胃壁蠕动收缩作用而呈现的特殊分布和排空规律，从而导致体外仿生胃肠道模型中的食物的消化过程与实际体内消化过程有一定的差距。近年来，国内外学者相继开发了几种与人体胃部形状近似的体外胃肠道模型，包括体外机械胃系统（in vitro mechanical gastric system, IMGS）、胃仿真模型（gastric simulation model, GSM）等。目前已报道的大多数体外仿生胃肠道模型主要用于研究食品的消化和吸收特性，只有少数模型，如DGM、TIM-1、ASD和GIS等可应用于药物测试领域。

尽管动态体外仿生胃肠道模型的开发和应用已受到了广泛关注，但与真实的胃肠道系统相比仍存在较大的差距。比如，合适的胃排空速率是保证营养或活性物质在胃肠道内实现最佳释放和吸收的必要条件。而在诸多体外模型中，胃排空及消化物或溶解液在不同腔室之间的转运大多被动地由蠕动泵控制，排空或转运速率需要提前进行人为设定。而这种被动排空和转运方式与体内的主动、自然排空和转运行为有较大区别，可能会影响小肠后续的吸收和转运。因此，如何以自然的排空方式精确地模拟食物在体内的胃排空过程，是当前体外仿生胃肠道模型设计和开发过程中面临的挑战之一。

2004年，笔者提出了“仿生化工”和“准真实体外模拟消化与吸收系统”概念，即一个理想的体外仿生消化系统不仅需从器官运动及生化环境上实现仿生，还应当在形态上接近真实的消化道，才能重现与体内消化过程高度相似的体外过程。因此，在遵循形态解剖学仿生原理的基础上，笔者团队先后开发了一系列集胃肠道形态解剖学、生化环境、蠕动仿生于一体的体外动态仿生动物（大鼠）和人胃肠道消化系统。

体外动态仿生人胃肠道模型DHSI-Ⅳ

其中，第4代动态仿生人胃肠道系统（dynamic human stomach-intestine, DHSI-Ⅳ）较为完整地模拟了整个胃肠道，包括食管、胃、小肠和大肠硅胶模型及其相应的机电驱动装置。胃模型更以真实人胃标本为模具进行翻模并借助3D打印技术辅助制作而成，其大小、形状及内部褶皱细节与真实人胃一致。DHSI-Ⅳ不依赖外加动力装置（如蠕动泵），仅在滚轮系统产生的模拟胃蠕动及幽门阀的筛分作用下，模拟了米饭、牛肉、奶酪等食物在体外的胃排空过程，其获得的排空曲线与体内试验保持一致。目前，DHSI-Ⅳ已形成商业化产品，被广泛应用于预测食品消化过程中物理化学变化、营养物质的生物利用率、婴幼儿和老年人乳品营养功效评价、益生菌胃肠道存活率、口服药物胃肠道缓释研究等多个领域。

除了针对人的体外仿生胃肠道模型，笔者团队还开发了针对老鼠、猪、狗、猫的体外模型，应用于动物营养和饲料领域。此外，还设计和搭建了基于仿生学的柔性小肠反应器系统，证明其在处理高黏度物料时的独特优势。

展 望

近10年来，国内外学者开发并优化了多种体外仿生胃肠道模型，其中，静态体外模型结构简单、成本低廉、容易标准化，但过于简化了胃肠道的蠕动、转运和流体力学行为等；动态模型的结构复杂，能更准确地预测食品或口服药物在胃肠道内的结构变化和消化吸收特性。但到目前为止，还没能完全且真实地模拟胃肠道内极其复杂的消化吸收环境和动态特征，尤其是体内消化吸收过程所涉及的激素和神经控制、反馈机制、黏膜细胞活动等。因此，距离食品和药物研究的需求仍有一定差距。

今后可对体外仿生胃肠道动态模型进行如下设计和优化：一是集成消化、吸收及发酵系统，构建口腔、胃、小肠及大肠一体化的动态仿生胃肠道模型；二是耦合体外消化与计算机仿真吸收与代谢模型，建立体外与体内相关性，提高体外胃肠道模型的应用价值；三是植入高通量快速检测设备，对关键消化和吸收产物的结构和组成进行实时检测和分析，提高测试效率；四是开发新型的智能高分子材料，结合3D打印技术，制备标准化的、透明的、生物相容性强的仿生胃肠道器官模型；五是构建适合不同人群（如老年人、婴幼儿、糖尿病人等）的体外仿生胃肠道模型，为精准营养和个性化治疗提供指导。

搭建一套可以真实还原人胃肠道的形态、结构、运动、消化、吸收和代谢特征的体外动态胃肠道模型是一项“宏大的工程”，涉及生理、医学、生物、食品、机电、物理、材料等相关学科。既要尽可能全方位地模拟真实胃肠道的运动、解剖结构、生化环境、生物相关性等，也要权衡模型的简便易行性和经济性。因此，研究者应该根据具体目标，把握研究重点，并结合不同体外模型的特点和适用性，选择最适合的体外胃肠道模型。