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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Tema A1 Diseño Mecánico: Simulador digestivo
“Prototipo físico para la simulación del sistema digestivo”
Reyna-Lino Nancya, Damian-Zamacona Juan Ricardoa, Córdova-Aguilar María Soledada, Ascanio-
Gasca Gabriela
aInstituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior S/N, C.P. 04510, Universitaria, México,
Ciudad de México.
*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: [email protected]
R E S U M E N
Los sistemas de digestión simulada se emplean ampliamente en muchos campos de las ciencias de alimentos, la nutrición,
así como en la industria farmacéutica. Esto se debe a que la investigación en seres vivos es costosa, además de requerir
recursos y lo discutible que pueden ser los resultados desde el punto de vista ético. Por tal motivo, el Grupo de Ingeniería
de Proceso del ICAT-UNAM desarrolló un prototipo físico para la simulación del sistema digestivo, cuya configuración
permite simular el proceso de digestión humana, desde el estómago hasta el intestino delgado. El sistema consta
básicamente de cuatro módulos: 1) estómago, 2) duodeno, 3) yeyuno e 4) íleon, con los cual es posible emular el proceso
digestivo de un alimento a su paso por el estómago e intestino delgado y así tener un mejor conocimiento de la posible
asimilación de nutrientes. El sistema permite registrar distintos parámetros tales como el tiempo de tránsito gástrico y a
lo largo del intestino delgado, valores de pH y control de temperatura en los módulos.
Palabras Clave: Sistema digestivo, Prototipo físico, sistema in vitro
A B S T R A C T
Simulated digestion systems are widely used in many fields of food science, nutrition, as well as in the pharmaceutical
industry. This is because research on living beings is often expensive requiring many resources and is ethically debatable.
For that reason, the Process Engineering Group of ICAT-UNAM developed a physical prototype for the simulation of the
digestive system, whose configuration allows simulating the human digestive process from the stomach until the small
intestine. The system consists basically of four modules, namely:1) stomach, 2) duodenum, 3) jejunum and, 4) ileum, so
that the digestive process of a food can be emulated from the stomach to the small intestine with the aim get insight about
possible assimilation of nutrients. The system allows registering several parameters such as the transit time along the
stomach and the small intestine, pH values and temperature control in the modules.
Keywords: digestive system, physical prototype, in vitro system.
ISSN 2448-5551 DM 191 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
1. Introducción
El aparato digestivo es un conjunto de órganos, con glándulas asociadas que se encarga de recibir, descomponer y absorber los alimentos y los líquidos. Las diversas partes del sistema están especializadas para realizar las diferentes funciones como ingestión, digestión, absorción y excreción [1].
Los sistemas de digestión in vitro se emplean ampliamente en muchos campos de las ciencias de alimentos, la nutrición, así como en la industria farmacéutica, lo cual es debido a que la investigación en seres vivos a menudo es costosa, exige muchos recursos y es éticamente discutible. Estos modelos son ampliamente utilizados para estudiar los cambios estructurales, la digestibilidad y la liberación de componentes de alimentos bajo condiciones gastrointestinales simuladas [2]. Como consecuencia de esto existen varios protocolos de digestión para modelos de digestión dinámicos. Cabe mencionar que, en nutrición, un protocolo es una rutina a seguir para analizar el proceso digestivo de un alimento. Este tipo de prototipos buscan ser empleados por instituciones educativas y del sector salud.
De acuerdo al Centro tecnológico AINIA [3], el uso de modelos de digestión in vitro tiene algunas ventajas, tales como:
Conclusiones precisas y evidencias científico-técnicas
sobre la efectividad de productos. Ayuda útil para la selección de compuestos, además de
facilitar el diseño de nuevas formulaciones y técnicas que aumenten la efectividad de los principios activos.
Rapidez en la obtención de los resultados. Ahorro de costos frente a métodos in vivo (con humanos
y/o animales). Mayor reproducibilidad que en los ensayos in vivo,
porque se controlan en mayor medida las variables externas que pueden intervenir. La digestión in vitro se fundamenta en los conocimientos
actuales de la fisiología humana sobre el funcionamiento del aparato digestivo. Estos conocimientos son extrapolados a las condiciones del laboratorio, proporcionando los protocolos pertinentes para llevar a cabo los ensayos de digestión [4].
Los modelos in vivo pueden llevarse a cabo en humanos o animales [5], pero para estas pruebas deben tenerse en cuenta que existen diversos factores individuales que afectan el comportamiento del sistema digestivo (edad, sexo, estado anímico, etc.), por lo que el número de individuos de estudios debe aumentar para poder ser extrapolables a una población determinada. Sin embargo, la incapacidad de reproducir ciertos eventos de la digestión in
vivo, así como los múltiples modelos de digestión in vitro que actualmente existen y los artículos de investigación que
se desarrollan con base en estos modelos, deja claro que en el mundo de la investigación debe seguir avanzando, innovando en tecnologías y optimizando modelos de digestión in vitro con la intención de satisfacer la necesidad de que las pruebas sean lo más fieles posibles a las in vivo.
Por otro lado, existen diversos modelos de digestión
dinámica, diferenciados principalmente por el principio de operación, el número y tipo de fases que los constituyen y por la composición de los fluidos simulados. Entre dichos sistemas se encuentran los siguientes:
SHIME
El término SHIME es el acrónimo de Simulator of
Human Intestinal Microbial Ecosystem. Este simulador fue desarrollado en el año 1993 en Bélgica (Molly, 1993). Se trata del primer simulador in vitro multietapa que apareció en la literatura científica. Inicialmente se componía de cinco reactores multicámara controlados por computadora que simulaban las condiciones del duodeno/yeyuno, íleon, intestino ciego/colon ascendente, colon transverso y colon descendente, donde se estudiaban las interacciones de la población microbiana en el colon.
Posteriormente Patrick de Boever (de Boever, 2001) añadió un sexto reactor, como se observa en la Figura 1, con objeto de simular el tránsito estomacal [6].
Figura 1. Modelo SHIME
TIM
El Modelo Gastrointestinal TNO (TIM) es un modelo dinámico multicompartimental que se desarrolló a principios de la década de 1990 en respuesta a la demanda industrial para estudiar productos alimenticios en condiciones fisiológicamente más relevantes en comparación con los modelos de digestión contemporáneos (Minekus et al., 1995 ). Durante los últimos años, el TIM ha sido desarrollado desde una configuración de laboratorio experimental hasta una plataforma de sistemas de gabinetes que se utilizan con éxito para una amplia gama de estudios. TIM tiene la intención de simular las condiciones dinámicas en la luz del tracto gastrointestinal [7]. En la Figura 2 se muestra la configuración más utilizada de la plataforma TIM. Comprende cuatro compartimentos, que representan el estómago, el duodeno, el yeyuno y el íleon.
ISSN 2448-5551 DM 192 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
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Figura 2. Imagen y esquema TIM 1
Es importante mencionar que estos equipos son de difícil adquisición desde el punto de vista económico, además de requerir instalación por parte del personal técnico de la compañía, así como su entrenamiento para el uso del equipo e interpretación de los resultados. Por tal motivo, el Grupo de Ingeniería de Proceso del ICAT-UNAM desarrolló un prototipo físico para la simulación del sistema digestivo el cual será descrito en este trabajo.
2. Materiales y métodos
En el presente trabajo, se presenta la descripción general del sistema para simular el proceso de la digestión humana, desde el estómago hasta el intestino delgado, como se muestra en la Figura 3. El sistema consiste básicamente de cuatro módulos: 1) estómago, 2) duodeno, 3) yeyuno e 4) íleon.
Figura 3. Arreglo general del sistema de simulación digestiva
En esta sección se presenta una breve descripción de los requerimientos del sistema mecánico, electrónico y los elementos de control que constituyen el prototipo físico para la simulación del sistema digestivo.
2.1. Sistema mecánico
El sistema mecánico debe estar constituido por cuatro tanques de almacenamiento para el estómago, el duodeno, el yeyuno y el íleon. Con el fin de controlar la temperatura del proceso, se requiere que los tanques cuenten con una camisa a través de la cual circule agua entre 35°C y 38°C. Asimismo, es recomendable que los tanques sean cilíndricos y de fondo cónico con el fin de evitar o minimizar flujo estancado. Por cuestiones higiénicas y de visualización, el material de los tanques será vidrio pyrex transparente de un espesor de 3 mm, lo cual permitirá favorecer la transferencia de calor y así tener un mejor control de la temperatura. Es importante mencionar que los tanques serán agitados con mezcladores helicoidales girando de manera alternada en el sentido horario y antihorario, lo cual permitirá emular el movimiento peristáltico que se produce, tanto en el estómago, como en el intestino delgado.
2.2. Sistema electrónico
El sistema electrónico permitirá llevar a cabo la operación de los actuadores, así como la adquisición de datos de los instrumentos. Para ello se requiere una tarjeta de control y adquisición de datos con módulos de entradas y salidas analógicas y digitales, la cual se emplea en aplicaciones avanzadas de control y monitoreo. Durante todo el proceso es necesario registrar algunos parámetros tales como la temperatura y el pH en los tanques. El suministro de fluidos en cada uno de los módulos debe hacerse de manera controlada, para lo cual se requieren bombas que sean capaces de proveer flujos volumétricos del orden de microlitros por minuto. Como se mencionó con anterioridad, cada uno de los tanques dispondrá de un agitador helicoidal operando en sentido horario y antihorario. Para ello, los agitadores se acoplarán a motores de pasos.
2.3. Elementos de control
Las variables de control y monitoreo que intervienen en el simulador son:
La temperatura de cada depósito que contiene el agua que circula para cada módulo.
La temperatura y medición de pH en los cuatro módulos cuyas variables serán monitoreadas en tiempo real.
ISSN 2448-5551 DM 193 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
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Por otro lado, el sistema de control del prototipo se controlará la velocidad y sentido de giro de los motores a pasos, resistencia eléctrica de inmersión empleada para regular la temperatura del proceso, la cual operará en modo encendido-apagado (on-off). También se controlará el cierre y apertura de las válvulas electromecánicas que permitirán que el fluido de trabajo pase de un módulo a otro, así como para la toma de muestras entre módulos. Las micro bombas peristálticas encargadas de dosificar fluidos como ácido, pancreatina, bilis, entre otros, operarán en el modo encendido-apagado. Finalmente, los motores a pasos conectados a los agitadores helicoidales, operarán con velocidad regulada en ambos sentidos de rotación.
El sistema de control se llevará a cabo a través la comunicación de una interfaz desarrollada en LabVIEW® de NI y el controlador cRIO-9074.
3. Resultados
En esta sección se describen cada uno de los cuatro módulos antes mencionados que componen el prototipo del simulador digestivo.
3.1. Módulo 1. Estómago
La Figura 4 muestra el módulo del estómago, el cual consta de un tanque cilíndrico con doble pared de vidrio y fondo cónico. Para controlar la temperatura al interior del tanque, se hace circular agua en la camisa de enfriamiento que permite mantener la temperatura del alimento bajo estudio a 37 ± 0.1 °C.
Figura 4. Módulo 1: Estómago
El bolo alimenticio artificial de trabajo se suministra desde un tanque de almacenamiento hasta el estómago por medio de una bomba con flujo constante. De manera simultánea, se dosifican los jugos gástricos (enzimas gástricas, agua gástrica y ácido clorhídrico) por medio de micro bombas de dosificación.
El tanque está equipado con un sensor de pH y un sensor de temperatura. El sensor de pH permite regular la acción de las micro bombas y la dosificación de los jugos gástricos, mientras que el segundo sensor ayuda a regular la temperatura de operación del fluido de trabajo.
Como se mencionó con anterioridad, el flujo peristáltico es emulado con un agitador helicoidal concéntrico al tanque, el cual puede rotar en sentido horario para generar un flujo ascendente y en sentido anti horario para generar un flujo descendente. Ambos movimientos permiten el mezclado de los jugos gástricos con el bolo alimenticio artificial de trabajo.
Una válvula a la salida del estómago, colocada en el fondo del tanque, permite obtener una muestra del fluido de trabajo o, en su caso, alimentar con un flujo controlado el siguiente módulo del sistema, es decir al duodeno.
A través de un sistema de control, la dosificación de jugos gástricos, el control de la temperatura al interior del tanque y los sentidos de rotación del agitador helicoidal son regulados.
3.2. Módulos 2, 3 y 4. Duodeno, Yeyuno e Íleon
Los módulos correspondientes al intestino delgado, constan de tres tanques cilíndricos con una capacidad equivalente a un tercio de la capacidad del tanque del estómago. En la figura 5 se muestra la configuración de cada uno de los módulos que componen el intestino delgado.
Figura 5. Módulo 2: Duodeno
Los tres tanques son semejantes al tanque del estómago, de fondo cónico y de doble pared de vidrio donde circula el agua para el control de temperatura a 37 ± 0.1 °C al interior de los tanques. En cada tanque se coloca un agitador helicoidal concéntrico que puede invertir su sentido de giro para generar un flujo de mezclado equivalente al flujo real dentro del intestino delgado. Cada uno de los tanques está equipado con sensores de temperatura y de pH.
ISSN 2448-5551 DM 194 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
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A cada tanque se le dosifica la cantidad deseada de la pancreatina, bilis, electrolitos y bicarbonato de sodio por medio de micro bombas de dosificación y válvulas de direccionamiento de flujo, lo que permite una dosificación independiente en cada tanque. En la parte inferior de los tanques, se colocan las válvulas que regulan la salida del fluido de trabajo y que permiten mantener un flujo constante de alimentación al siguiente modulo del sistema. Para el caso del íleon, la salida es para drenar el sistema y poder tomar una muestra del fluido.
El prototipo físico del sistema digestivo fue construido
junto con las configuraciones de sus componentes electrónicos como se observa en la Figura 6.
Figura 6. Prototipo físico del sistema simulador de digestión
3.3. Sistema de control
El sistema de control cuenta con una tarjeta cRIO-9074® de NI con módulos de entradas/salidas analógicas y digitales. cRIO-9074 es un controlador integrado ideal para aplicaciones avanzadas de control y monitoreo. Los módulos de entradas y salidas analógicas son los modelos NI-9221® y NI-9263® respectivamente. Para las entradas y salidas digitales se cuentan con los modelos NI-9423® y NI-9472®.
La medición de temperatura y pH dentro de los tanques de los módulos se utiliza InLab Routine Pro®, el cual es un electrodo de pH con un sensor de temperatura (NTC 30kΩ).
Los motores a pasos STP-MTR-23079 cuentan con el drive para el control STP-DRV-6575, con lo cual es posible ajustar, no sólo la velocidad de los motores, sino también el sentido de giro y así emular el movimiento peristáltico del sistema digestivo. El sistema también cuenta con micro bombas peristálticas dosificadoras de 12v para suministrar los fluidos gástricos a los módulos correspondientes.
El módulo de control del sistema está constituido
principalmente por entradas y salidas, tanto digitales como analógicas como se puede ver en la Figura 7.
El sistema de control será desarrollado a través de una
interfaz gráfica de tal manera que envíe una serie de instrucciones al equipo (dosificación de jugos gástricos, la salida del fluido de trabajo, movimiento de los agitadores, etc.), ya sea con base en un protocolo previamente establecido de acuerdo con el experimento para llevar a cabo o enviar una serie de instrucciones al simulador digestivo para adaptar la prueba de acuerdo a las necesidades del usuario. La pantalla, funciona como panel de control y monitoreo (pH y temperatura) que permite al usuario interactuar con el sistema simulador.
Figura 7. Diagrama a bloques del sistema de control.
El control de temperatura en el estómago y las diferentes secciones se lleva a cabo mediante un circuito de agua como se puede observar en la Figura 8. Para ello, cada módulo tiene un depósito independiente en el que se coloca una resistencia de inmersión dentro de cada depósito. Estas resistencias operan en modo on-off que recibe una señal de la temperatura colocada en cada vaso (estómago o intestino delgado), de modo que la temperatura se controla a 37 ± 0.1 ° C. Un agitador en cada depósito permite homogeneizar la temperatura del agua en el depósito. El agua fluye desde los depósitos a los recipientes de vidrio de cada módulo y las salidas están conectadas a un contenedor general, en el cual una bomba peristáltica circula agua a los depósitos.
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Figura 8. Arreglo general de control
4. Conclusión
En el presente trabajo se describió un sistema de simulación del proceso digestivo desde el estómago hasta el intestino delgado. Para ello se dispone de cuatro módulos, de los cuales uno es para el estómago y tres para el duodeno, el yeyuno y el íleon. Cada módulo está formado por tanques cilíndricos de doble pared que permiten operar a temperatura constante haciendo circular agua por la camisa. Por otro lado, el movimiento peristáltico del fluido de trabajo se emula mediante un agitador helicoidal operando en ambos sentidos de rotación. A la fecha, el sistema mecánico ha sido desarrollado. Los instrumentos y componentes del sistema de control han sido seleccionados y adquiridos. El programa de control está actualmente en desarrollo y una vez concluido este, se podrán llevar a cabo pruebas, cuyos resultados serán validados con otros equipos similares tales como el TIM.
Agradecimientos
Se agradece el financiamiento para el desarrollo del proyecto por parte de Fresenius-Kabi Deutschland GmbH.
REFERENCIAS
[1] Elaine N. Marieb. Anatomía y Fisiología Humana (pp. 469-477). España: PEARSON EDUCACIÓN, S. A. (2008)
[2] Sun Jin Hur, Beong Ou Lim, Eric A. Decker, D. Julian McClements, Journal FOOD CHEMISTRY 125 (2011).
[3] Redacción AINIA, Food Digest: Beneficios de modelos “in vitro” que simulan la digestión gastro intestinal. España (2015).
[4] Lucas González, R. (2017). Digestión de alimentos: Tendencias en los modelos de digestión in vitro. Revista Doctorado UMH, 2(2), p.5
[5] Wada Y and Lonnerdal B. (2015) Effects of industrial heating processes of milk-based enteral formulas on site-specific protein modifications and their relationship to in vitro and in vivo protein digestibility. J Agric Food Chem
[6] Alander, M; De Smet, I.; Nollet, L; Verstraete, W; von Wright A.; MattilaSandholm, T. “The effect of probiotic strains on the microbiota of the simulator of the human intestinal microbial ecosystem (SHIME)”. International Journal of Food Microbiology, 46: 71– 79 (1999).
[7] Kitty Verhoeckx, Paul Cotter, Mans Minekus, The Impact of Food Bio-Actives on Gut Health. K. Verhoeckx et al. (eds.) (2015)
ISSN 2448-5551 DM 196 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
