Home

TNO's in-vitro-modellen van het maagdarmkanaal, werktuigen voor een gezonde voeding

Gedurende de afgelopen 10 jaar heeft TNO machinale modellen ontwikkeld die het maagdarmkanaal nabootsen. De modellen bootsen in hoge mate de opeenvolgende dynamische processen in de maag en dunne darm, en de dikke darm na. Deze modellen zijn unieke werktuigen om de afbraak en beschikbaarheid voor opname van voeding(scomponenten) in het maagdarmkanaal te meten.

De modellen hebben de bijnaam TIM gekregen (voor TNO's in-vitro-model van het maagdarmkanaal). Er zijn afzonderlijke modellen voor de maag en dunne darm (TIM-1; afbeelding 1) en de dikke darm (TIM-2; afbeelding 2). Onderzoek in de modellen richt zich op zogenaamde functionele voedingen. Dit zijn voedingen die naast de normale voedingswaarde ook nog een extra gezondheidsbevorderende eigenschap hebben, bijvoorbeeld door een verhoogde vitaminen- of calciumconcentratie, of door de aanwezigheid van gezondheidsbevorderende micro-organismen.

Afb. 1. TIM-1, TNO's in-vitro-model van†de
maag en dunne darm.
Afb. 2. TIM-2, TNO's in-vitro-model van†de
dikke darm.

De TIM-modellen

TNO's in-vitro-modellen bestaan uit glazen compartimenten met daar binnen in een flexibele membraan (in vitro is Latijn voor 'in glas'). Tussen de glaswand en de flexibele membraan zit water dat op lichaamstemperatuur van een mens (37 įC) of bijvoorbeeld een hond of varken (39 įC) wordt gehouden. Door de druk op het water op de voeren wordt de flexibele membraan samengedrukt (peristaltische beweging), wat voor een goede menging van de inhoud en transport van de voeding door het model zorgt. De modellen zijn computergestuurd waardoor de temperatuur en de zuurgraad (pH) op de verschillende plaatsen in het model nauwkeurig bijgehouden wordt. Ook regelt de computer de secretie van digestievloeistoffen, zoals gal en pancreas-enzymen op verschillende plekken in het model. Tussen de verschillende compartimenten zit een kleppensysteem dat af en toe open gaat om een deel van de inhoud van bijv. het maagcompartiment over te laten gaan in het duodenum-compartiment (het eerste stuk van de dunne darm). Dit zorgt er voor dat het voedsel op dezelfde manier door het model voortbewogen wordt als dat in werkelijkheid ook in het lichaam gebeurt. Er zijn specifieke computerprotocollen die het maagdarmkanaal simuleren van baby's, volwassenen en ouderen, en tevens voor de hond, biggen en kalveren. Hierin worden de gemiddelde fysiologische omstandigheden gesimuleerd. Zo is bijvoorbeeld het verloop van de zuurgraad en passagetijd in het maagdarmkanaal van een baby heel anders dan die†bij een volwassene (zie afbeelding 3A). Bij een baby daalt de pH in de maag niet zoveel als bij een volwassene, en is de passagetijd (bij een zelfde type voeding) veel langer. Overigens zijn zowel het verloop van de zuurgraad als de passagetijd van de voeding door het maagdarmkanaal afhankelijk van het type voeding; bij een vloeibare voeding zakt de pH in de maag veel sneller dan bij een vaste voeding, en een vloeibare voeding passeert het maagdarmkanaal veel sneller (zie afbeelding 3B). Dit heeft grote effecten op de vertering van voedingscomponenten (zie ook onder). Met de TIM-modellen kunnen deze effecten onderzocht worden zonder dat hierbij proefpersonen of dierexperimenten aan te pas hoeven te komen. Aan de modellen zijn dialyse-eenheden (een soort kunstnier) gekoppeld. Deze dialyse-eenheden bootsen de opname van de voeding door het lichaam na. Deze zijn noodzakelijk om het voedsel compleet te verteren.

Afb. 3. Voorbeeld van passage-snelheid door maag en dunne darm, en zuurtegraad in de maag bij A) een baby en een volwassene bij een inname van een vloeibare voeding; B) bij verschillende typen voeding voor een volwassene
Afb. 3. Voorbeeld van passagesnelheid door maag en dunne darm, en zuurgraad
in de maag bij A) een baby en een volwassene bij een inname van een vloeibare
voeding; B) bij verschillende typen voeding voor een volwassene

De modellen zijn gevalideerd (getoetst aan de werkelijkheid) door vergelijking met experimenten met proefpersonen of landbouw- en huisdieren met betrekking tot de vertering van nutriŽnten, de overleving van gezondheidsbevorderende micro-organismen (probiotica; zie ook kopje De microflora in the maagdarmkanaal), en de beschikbaarheid van bioactieve componenten uit de voeding, zoals antioxidanten uit thee, die een beschermende werking hebben op hart- en vaatziekten. Hieruit bleek dat de modellen de werkelijkheid in zeer hoge mate nabootsen. Nu worden de modellen gebruikt om een voorspellende waarde te geven voordat experimenten in proefpersonen of dieren (zogenaamde in-vivo-experimenten; in vivo is Latijn voor 'in leven') worden uitgevoerd. Hierdoor kan het aantal in-vivo-(dier)experimenten drastisch gereduceerd worden. Dit levert naast een verminderd aantal proefdierexperimenten ook een enorme kostenbesparing op.

Kenmerken van de TIM-modellen

Naast de gemiddelde fysiologische condities van proefpersonen, kunnen ook de individuele variaties (uitersten) gesimuleerd worden. Ook kunnen gemakkelijk afwijkende situaties, bijvoorbeeld een patiŽnt met weinig zuurproductie in de maag, reproduceerbaar nagebootst worden. Hierdoor is het mogelijk om een indruk te krijgen van de biologische spreiding van voedselvertering die voor kan komen in een populatie.

De verteerbaarheid van voeding en de beschikbaarheid voor absorptie door de darmwand van specieke functionele voedingscomponenten of medicijnen is afhankelijk van verschillende condities in het maagdarmkanaal. De meest belangrijke zijn:
-Aanwezigheid en type van voeding in het maagdarmkanaal. Zo wordt de opname door het lichaam van medicijnen sterk beÔnvloed door het feit of ze worden ingenomen met een glas water vůůr of nŠ het ontbijt. De aanwezigheid van een vast ontbijt zorgt voor een vertraging van de passage tijd van het voedsel door het maagdarmkanaal (zie afbeelding 3B), wat inhoudt dat een medicijn langzamer opgenomen wordt.
-Het niveau en de activiteit van de maag- en intestinale secretieproducten. Voornamelijk de zuurgraad (pH) van de maag is belangrijk voor afbraak van voedsel. De pH van de maag is afhankelijk van het type voeding. Zo verzuurt de maag sterk na een glas water, terwijl dit een veel langzamer proces is na een volledige maaltijd, omdat de bufferende capaciteit van een voeding veel groter is dan van een glas water.
-De peristaltische menging en snelheid van maag-lediging en passage van de voeding door de darm. Een glas water zal veel sneller door de maag stromen dan een vaste voeding. Ook in de dunne darm is de verblijftijd van een vaste voeding langer dan van een vloeibare maaltijd. Hierdoor is er meer tijd voor de digestie-enzymen om op het voedsel in te werken.
-De aanwezigheid van en interactie met remmende of stimulerende factoren. Met name in de voeding van landbouwdieren zitten veel factoren die een remmende werking hebben op de vertering van voedsel.

Concentraties van galzouten en elektrolyten en enzymatische activiteit (van bijv. digestie-enzymen en/of† microbiŽle enzymen) van intestinale componenten en de passage van voeding door het maagdarmkanaal zijn dynamische processen die niet in een statisch model (zoals een reageerbuis) nagebootst kunnen worden.

De microflora in het maagdarmkanaal

Weinig mensen beseffen dat ons maagdarmkanaal vol zit met micro-organismen (voornamelijk bacteriŽn, maar ook enkele schimmels). Het is zelfs zo dat het aantal micro-organismen in onze dikke darm (= 100 * 1 miljoen * 1 miljoen!!!) met een factor 10 het aantal cellen waaruit wij zelf bestaan overtreft. Het aantal micro-organismen in de maag en de dunne darm ligt enorm veel lager en deze twee organen zijn vergeleken met de dikke darm bijna steriel te noemen. De microflora (verzamelnaam voor alle micro-organismen bij elkaar) in de dikke darm bestaat uit een groot aantal verschillende soorten bacteriŽn, waarvan sommige een gezondheidsbevorderend effect hebben, terwijl andere (potentieel) pathogeen ofwel ziekteverwekkend kunnen zijn. Onder de gezondheidsbevorderende bacteriŽn worden o.a. BifidobacteriŽn en Lactobacillen geschaard. Clostridium difficile is een voorbeeld van een ziekteverwekkend micro-organisme, dat diarrhee veroorzaakt door productie van een toxine (giftige stof). Een voorbeeld van een pathogeen, die een levensbedreiging kan vormen voor - met name - kinderen, ouderen en/of zwangere vrouwen, is Salmonella of bepaalde stammen van Escherichia coli. Onder normale omstandigheden is de samenstelling van de microflora in balans, en worden we niet ziek. Echter door veranderingen in ons dieet, werksituatie (bijv. stress), of het milieu (reis naar verre landen), kan de balans verstoord raken en kunnen we last van de pathogene ofwel ziekteverwekkende microflora krijgen.

Toepassingen van het maagdarmmodel TIM-1

Iedereen kent ongetwijfeld de producten die tegenwoordig in de supermarkt verkrijgbaar zijn waarin levende bacteriŽn voorkomen, zoals Yakult, of Mona Vifit. Deze levende bacteriŽn (veelal BifidobacteriŽn en Lactobacillen) zijn gezondheidsbevorderende bacteriŽn, en worden probiotica genoemd. Hoewel de precieze werking niet bekend is, wordt er heel veel onderzoek gedaan naar deze gezondheidsbevorderende micro-organismen. Alhoewel de meeste bacteriŽn in de dikke darm voorkomen, wordt vermoed dat de gezondheidsbevorderende micro-organismen juist in de dunne darm ook een effect hebben. Een van de facetten van het onderzoek naar het werkingsmechanisme van deze micro-organismen betreft de overleving van deze bacteriŽn in het maagdarmkanaal, omdat over het algemeen wordt aangenomen dat alleen levende cellen van deze bacteriŽn functioneel zijn. Nu is het betrekkelijk moeilijk, maar niet onmogelijk, om monsters te krijgen uit de maag en dunne darm van proefpersonen. Echter, in TIM-1 is het veel simpeler om deze samples te verkrijgen. Er worden dan ook veelvuldig van dit soort experimenten met betrekking tot overleving gedaan in TIM-1.

Afb. 4. Overleving van verschillende Lactobacillus casei stammen in TIM-1
Afb. 4. Overleving van verschillende Lactobacillus casei stammen in TIM-1
Afbeelding 4 laat een voorbeeld zien van overleving van verschillende stammen van de soort Lactobacillus casei, die normaliter in de dikke darm gevonden wordt. Zoals uit de grafiek blijkt, zijn niet alle stammen even goed in het overleven van de maag (met name door het maagzuur) of de dunne darm (met name door de galzouten in de gal). Stam A, die zeer gevoelig is voor maagzuur, is totaal ongevoelig voor galzouten. Voor stam D geldt echter het omgekeerde. Zo is overleving voor iedere stam weer anders. Over het algemeen blijft zo'n 1-10% van de ingenomen aantal cellen in leven. Omdat echter de aantallen cellen die ingenomen worden enorm groot zijn (in de orde van grootte van ettelijke miljoenen!!; niet-gepasteuriseerde yoghurt bevat gewoonlijk zo'n 1-10 miljoen bacteriŽn per milliliter) blijven er dus nog een heleboel cellen leven!

Toepassing van het dikke-darmmodel TIM-2

Onze dikke darm (of colon) bevat enorme hoeveelheden bacteriŽn. In vergelijking met ons eigen lichaam bevat de dikke darm een factor 10 meer micro-organismen dan dat wij zelf uit cellen bestaan. Onze cellen zijn gewoon wat groter en bevatten veel meer water. Het colon herbergt in totaal zo'n 1014 bacteriŽn; dat is 100 * 1 miljoen * 1 miljoen!! Deze bacteriŽn, gezamenlijk de microflora genoemd, zijn verantwoordelijk voor zowel gezondheid als ziekte van het colon. De vele micro-organismen zijn grofweg onder te verdelen in gezondheidsbevorderende bacteriŽn en (potentieel) ziektebevorderende en pathogene bacteriŽn. Voedingscomponenten die door ons lichaam niet verteerd worden (bijv. cellulose) komen onveranderd in de dikke darm aan en worden daar door de aanwezige microflora afgebroken (gefermenteerd). Afhankelijk van de chemische structuur van deze onverteerbare voedingsbestanddelen worden er bij fermentatie door de microflora gezonde of giftige (toxische) afbraakproducten (metabolieten) geproduceerd. Veelal resulteert de fermentatie van koolhydraten (suikerpolymeren) in de productie van zogeheten korte-ketenvetzuren (een verzamelnaam voor azijnzuur, propionzuur en boterzuur). Dit zijn gezondheidsbevorderende metabolieten die door ons lichaam gebruikt worden en als bron van energie dienen. Fermentatie van eiwitten levert veelal toxische verbindingen op, die of rechtstreeks toxisch zijn voor de darmwand, of, na opname in het lichaam, elders problemen veroorzaken (bijv. in de lever of de hersenen). Bij de ontwikkeling van functionele voedingen (voedingen met naast voedzame eigenschappen nog andere gunstige effecten op het lichaam) voor de darm wordt derhalve vaak gekeken naar koolhydraten die de gezondheidsstatus van de dikke darm positief beinvloeden. Als deze suikerpolymeren dan ook nog selectief de gezondheidsbevorderende micro-organismen stimuleren en de pathogene en toxische bacteriŽn remmen, dan worden deze componenten prebiotica genoemd.

Nu is het enorm moeilijk om het effect van dit soort verbindingen in vivo te bestuderen. Het is vrijwel onmogelijk om alle door de microflora geproduceerde metabolieten te meten, omdat er heel moeilijk monsters uit de dikke darm genomen kunnen worden. Meestal wordt daarom alleen gekeken naar metabolieten in faeces (een net woord voor poep). Echter, de meeste metabolieten die in het begin van de dikke darm geproduceerd worden zijn allang in het bloed opgenomen tegen de tijd dat er een sample van de faeces genomen kan worden. Daarnaast heeft het ook weinig zin om een bloedmonster te nemen, omdat de metabolieten door het lichaam gebruikt worden als energiebron en dus verder afgebroken worden. Deze nadelen zijn afwezig in TIM-2. Alle geproduceerde metabolieten worden in dit model opgevangen en kunnen gemeten worden. Hierdoor ontstaat een nauwkeurig beeld over het effect van koolhydraten op de korte-keten-vetzuurproductie. Met name het korte-keten-vetzuur boterzuur wordt als belangrijk metaboliet gezien, omdat dit vetzuur door de darmwand gebruikt wordt als bron voor energie. Zou dit vetzuur afwezig zijn, dan sterven deze cellen af en raakt de barriŤre-functie van de darmwand gecompromitteerd, met allerlei negatieve gevolgen vandien.

Afb. 5. Ratio's van korte keten vetzuur productie in faeces van proefpersonen (A) en TIM-2 (B), op een controle voeding en na toevoeging van de test-koolhydraat.
Afb. 5. Ratio's van korte-keten-vetzuurproductie in faeces van proefpersonen (A) en TIM-2 (B), op een controle- voeding en na toevoeging van de test-koolhydraat

In een studie uitgevoerd in zowel proefpersonen als in TIM-2 hebben we het effect van een koolhydraat op korte-ketenvetzuurproductie bekeken. Bij proefpersonen is er in faeces gemeten, terwijl in TIM-2 alle geproduceerde metabolieten geanalyseerd zijn. Uit de gegevens bleek dat er bij de in-vivo-studie geen verschil in vetzuur productie waargenomen kon worden (zie afbeelding 5A), terwijl in TIM-2 juist een drastisch verschil waargenomen werd ( zie afbeelding 5B). Er bleek een enorme vermindering van boterzuurproductie te hebben plaatsgevonden in TIM-2. Gezien bovenstaande discussie over het gunstige effect van boterzuur, bleek dit geen gewenste situatie te zijn. Op dit moment wordt bekeken of een combinatie van verschillende koolhydraten een beter resultaat oplevert. Omdat deze effecten niet uit de in-vivo-studie gehaald konden worden, wordt TIM-2 als een uitstekend werktuig gezien om dit soort effecten waar te nemen.

Voordelen van TIM-studies

Uit het bovenstaande moge blijken dat er vele voordelen zijn aan het uitvoeren van experimenten in de TIM-modellen. Zo kan er mechanistisch onderzoek gedaan worden waar dat in proefpersonen niet mogelijk is. Daarnaast is het verzamelen van monsters uit het maagdarmkanaal van de mens moeilijk en bezwaarlijk. Verder kunnen in TIM zonder problemen toxische of radioactieve verbindingen getest worden. Tot nu toe worden hier vooral dierproeven voor gebruikt, maar dat levert ethische bezwaren op. TIM biedt dus de mogelijkheid om het aantal dierproeven te verminderen, terwijl er bovendien vaak meer gegevens uitkomen vanwege het feit dat alles in TIM gemeten kan worden.

De bovenstaande voorbeelden zijn op het gebied van en gezonde voeding. Daarnaast is TIM ook te gebruiken voor onderzoek naar medicijnen.
De TIM-modellen blijken uitstekende werktuigen om de effecten van functionele voeding en medicijnen te onderzoeken. Ondanks het feit dat TNO al 10 jaar aan deze modellen werkt, worden ze nog altijd aangepast en geoptimaliseerd, waardoor er continu verbetering plaats vindt op het gebied van efficiŽntie of nabootsing van fysiologische parameters.


Auteur: dr. Koen Venema


Relevante links op het internet

TNO - Gastrointestinal models (TIM) with high predictive power
TNO - Oral drug delivery

Klik op 'NIBI' (in de groene balk bovenaan) voor een overzicht van de beschikbare NIBI-artikelen