一种集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型

摘要

本发明提供了一种集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型由12个系统集成为一体化的体外仿真消化模型，包括胃消化模拟系统、小肠消化模拟系统、小肠吸收模拟系统、大肠分解模拟系统、中央智能控制系统、pH控制系统、温度控制系统、搅拌速率控制系统、输送系统、中央净化系统、自动清洗消毒系统和厌氧系统。通过各个系统协同作用，该体外替代模型不仅体外模拟了胃肠道消化吸收过程，还同时模拟了肠道微生物群落的发酵分解过程。该模型适用于精准地量化食品基质中营养素或污染物在体内的代谢过程、毒性作用，获得营养素或污染物的生物可及性、生物有效性、代谢归趋及与微生物互作等相关数据，实现精准化风险评估。

权利要求

1.一种集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，包括：胃消化模拟系统，包括一球形聚四氟乙烯反应器，其消化液入口与胃液储存瓶通过硅胶管连接；

小肠消化模拟系统，包括一圆柱形聚四氟乙烯反应器，其气体入口与所述胃消化模拟系统的气体出口通过硅胶管连接，其消化液入口与所述胃消化模拟系统的消化液出口通过硅胶管连接；其小肠液入口与小肠液储存瓶通过硅胶管连接；

小肠吸收模拟系统，其为由1种人结肠腺癌细胞、1种杯状细胞和1种人体肝前体细胞共培养于Transwell小型模拟仿真消化装置的模拟体系；消化液通过小肠消化模拟系统的采样口经聚醚砜滤膜过滤转移至Transwell小型模拟仿真消化装置的上室模拟吸收代谢过程；

大肠分解模拟系统，包括三个通过硅胶管连接的圆柱形聚四氟乙烯反应器；所述大肠分解模拟系统的气体入口与所述小肠消化模拟系统的气体出口通过硅胶管连接；所述大肠分解模拟系统的消化液入口与所述小肠消化模拟系统的消化液出口通过硅胶管连接；

中央智能控制系统，包括一触摸屏智能控制器，其与其余各系统均通过通讯线连接；

pH控制系统，包括pH电极、pH控制器、酸液瓶、碱液瓶、酸液蠕动泵和碱液蠕动泵各五个；所述pH电极与pH控制器通过通讯线连接；所述pH控制器与中央智能控制器通过通讯线连接，以实时传输各模拟系统的pH值至中央智能控制器，控制酸液和碱液蠕动泵开启酸液和碱液的转移；所述酸液瓶和碱液瓶通过硅胶管分别与所述胃消化模拟系统、小肠消化模拟系统和大肠分解模拟系统的酸液和碱液入口连接；

温度控制系统，与所述中央智能控制系统通过通讯线连接，其包括一活动上盖、一环形水浴皿、一水浴泵、多个加热器和一温度传感器；所述多个加热器与温度传感器通过通讯线连接，水浴实时温度由温度传感器通过通讯线反馈至中央智能控制系统形成记录，并控制加热器的开启或关闭；

搅拌速率控制系统，包括五个磁力搅拌装置，它们与所述中央智能控制系统通过通讯线连接；

输送系统，包括八个蠕动泵，它们均与中央智能控制器通过通讯线连接；

中央净化系统，包括一密封罩、三组除臭装置、一抽风装置和一电动开关组成；所述电动开关两端分别通过通讯线连接与所述中央智能控制系统和所述抽风装置连接；所述抽风装置通过ABS塑料管与所述密封罩和除臭装置连接；

自动清洗消毒系统，包括三个清洗消毒瓶和三个输送泵，三个清洗消毒瓶分别与三个输送泵通过硅胶管连接，所述三个输送泵均与所述胃消化模拟系统通过硅胶管连接，所述三个输送泵均与中央智能控制系统通过通讯线连接；

厌氧系统，与所述胃消化模拟系统通过硅胶管连接，其包括一氮气发生装置、一电动开关和一废气瓶；电动开关与所述中央智能控制系统通过通讯线连接；所述氮气发生装置与所述胃消化模拟系统的气体入口通过硅胶管连接。

2.根据权利要求1所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，所述小肠吸收模拟系统为使用DMEM培养基和William's E培养基共培养人结肠腺癌细胞Caco‑2、杯状细胞HT29‑MTX和人体肝前体细胞HepaRG于Transwell小型模拟仿真消化装置中所形成的模拟系统。

3.根据权利要求2所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，所述小肠吸收模拟系统按照以下步骤构建：

(1)细胞培养：Caco‑2细胞、HT29‑MTX细胞在DMEM培养基中培养，加入培养液，在37℃、

5％CO2和90％湿度的环境下培养；在细胞生长到80％时，用0.25％的胰酶‑EDTA将其消化传代，传代比1:2～1:4；HepRG细胞在William's E培养基中培养，加入培养液，在37℃、5％CO2和90％湿度条件下培养，DMEM培养基和William's E培养基每2～3天更换一次；细胞每2周

4 2

传代一次，传代密度为2.7×10细胞/cm；

(2)共培养模型建立：将Caco‑2细胞和HT29‑MTX细胞按照100:0、90:10、80:20、70:30、

60:40、50:50的接种浓度比例分别接种到6孔Transwell上，用完全培养基调整最终种板时4

的细胞浓度为5×10个/mL左右，上室加入悬液总量为1.5mL，下室加入完全培养基2.5mL，放置于5％的CO2细胞培养箱中37℃培养，每2d更换完全培养基，按常规培养至21d，每个比例做3孔平行；在此期间，监测跨膜电阻值和AKP酶活力，于21d后进行荧光黄渗透率实验和形态学的观察，以确定最佳的培养比例；

(3)构建小肠吸收模拟系统：首先将Transwell嵌套小室在6孔培养板中倒置，然后将另一个没有碳酸聚酯膜的Transwell嵌套支架紧贴着第一个嵌套小室，避免培养基和细胞的4

泄露；之后将约5×10个的HepaRG细胞重悬于100μL培养基中，接种在翻转的嵌套小室的底面上，用相应的完全培养基培养3～4h，直到细胞粘附；接着将在底面上带有HepaRG细胞的嵌套小室翻转，正置于6孔板中；然后将Caco‑2细胞和HT29‑MTX细胞按照步骤(2)所筛选的4

最佳比例接种在Transwell嵌套的上侧，使其最终的细胞浓度为5×10个/mL；往上室加入

1.5mL，下室加入2.5mL完全培养基继续培养，稳定后即完成小肠吸收模拟系统的构建。

4.根据权利要求3所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，Caco‑2细胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺和20％胎牛血清；HT29‑MTX细胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺和10％胎牛血清；HepRG细胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺、10％胎牛血清和5μg/mL的胰岛素和50μM氢化可的松半琥酯。

5.根据权利要求1所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，所述大肠分解模拟系统由三个分别模拟升结肠、横结肠、降结肠的圆柱形聚四氟乙烯反应器通过硅胶管连接而成。

6.根据权利要求1所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，所述大肠分解模拟系统通过接种健康人群粪便于SHIME培养基中进行24h厌氧培养构建肠道微生物生态。

7.根据权利要求1所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，每组除臭装置包括一氯化钙除湿装置和一活性炭吸附装置。

8.根据权利要求1所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，所述自动清洗消毒系统为CIP原位清洗系统。

9.根据权利要求1所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，还包括功能台架，所述胃消化模拟系统、小肠消化模拟系统、小肠吸收模拟系统、大肠分解模拟系统、中央智能控制系统、pH控制系统、温度控制系统、搅拌速率控制系统、输送系统、中央净化系统、自动清洗消毒系统和厌氧系统集成于该功能台架中。

10.根据权利要求9所述的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其特征在于，所述功能台架为三层结构，从下往上依次为台架底板、台架护板、支撑架板；所述功能台架底部还设有减震脚垫。

说明书

一种集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型

技术领域

[0001] 本发明属于食品安全、体外替代毒理学、微生物学、营养学、有机化学等技术领域，尤其涉及一种集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型。

背景技术

[0002] 食物通过口腔进入人体胃肠道后，与食品基质相结合的营养素或污染物在胃肠道的消化作用下释放至胃肠液中，并通过消化道吸收，最终经过血液或淋巴组织等人体内循
环达到靶器官而形成健康效应，这一系列过程是消化液分泌、酶反应、胃肠动力、肠道微生
物群落等的复杂过程。然而，营养素或污染物与食品基质的结合形态，结构、物理化学性质
等因素均会影响其通过胃肠壁转运进入血液循环到达靶器官的比例，如高脂溶性的化学污
染物质因其无法在消化道内形成分子溶液并不能经胃肠完全吸收。但是，目前在评价食品
中营养素或污染物的健康效应时，并未将影响胃肠道消化吸收的相关因素纳入考量范围，
从而可能造成高估或低估相关的人体健康效应。

[0003] 为了更加精准地量化和评价营养素或污染物在体内的吸收代谢过程、毒性作用以及分解转化归趋对人体健康的影响，研究者尝试模拟人体的消化吸收过程构建体外胃肠道
模型，如较为广泛应用的生理原理提取模型(the Physiologically Based Extraction 
Test，PBET)、荷兰公共卫生与环境国家研究院建立的RIVM模型(National Institute of 
Public Health and the Environment)、德国标准化学会认可的DIN模型(Deutsches 
Institut für Normung)、欧洲生物可及性研究小组开发的欧洲标准法(UBM模型，Unified 
BARGE Method)和INFOGEST模型等体外消化模型。虽然这些模型均能较好地模拟胃肠道消
化的生理、生化等过程，但是未能真实反应结肠反应器内微生物的不同特性，以及营养素或
污染物在人体肠道菌群作用下的代谢情况。因此，婴儿人体肠道微生物生态系统模拟器
(Simulator of Human Intestinal Microbial Ecosystem of Infants，SHIME)、荷兰应用
科学研究院营养与食品研究所研发的TIM模型(TNO gastrointestinal model)等体外替代
模型引入了肠道微生物以模拟人体结肠部分的吸收代谢情况。尽管模型已较完整地模拟了
整个消化道的消化情形，但是与体内条件相比，模型未能模拟消化道的吸收机制、免疫机制
及微生物代谢机制等。

[0004] 基于上述模型的原理，我国部分科研机构也着手构建体外模拟系统和相应的方法学研究。例如发明专利CN102533543B公开了一种能模拟人体肠道环境用于肠道微生物培养
的装置；公开号为CN101665758B的发明专利公开了一种基于SHIME模型原理的针对亚洲人
群生活习惯改进的人体胃肠道消化系统；公开号为CN103740589B的发明专利公开了一种模
拟人体胃肠道消化和肠道微生态的仿生系统及基于该系统的模拟试验方法；公开号为
CN108318625B的发明专利公开了一种人体肠道模型可视化仿生消化系统。上述发明专利为
模拟人体肠道微生物以及模拟人体胃肠道消化和肠道微生态建立了相关的体外消化模型，
但是同样也未能实现模拟消化道的吸收机制、免疫机制及微生物代谢机制等方面的模拟。

发明内容

[0005] 针对现有的人体胃肠道消化体外模拟系统的局限性，本发明的目的是提供一种集成一体化的可模拟消化机制、吸收机制、免疫机制以及肠道微生态的人体胃肠道消化吸收
体外替代模型，用于真实地模拟食品中营养素或污染物在人体胃肠道的消化吸收过程，为
食品安全风险评估提供数据支撑。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其包括：

[0007] 胃消化模拟系统，包括一球形聚四氟乙烯反应器，其消化液入口与胃液储存瓶通过硅胶管连接；

[0008] 小肠消化模拟系统，包括一圆柱形聚四氟乙烯反应器，其气体入口与所述胃消化模拟系统的气体出口通过硅胶管连接，其消化液入口与所述胃消化模拟系统的消化液出口
通过硅胶管连接；其小肠液入口与小肠液储存瓶通过硅胶管连接；

[0009] 小肠吸收模拟系统，其为由1种人结肠腺癌细胞、1种杯状细胞和1种人体肝前体细胞共培养于Transwell小型模拟仿真消化装置的模拟体系；消化液通过小肠消化模拟系统
的采样口经聚醚砜滤膜过滤转移至Transwell小型模拟仿真消化装置的上室模拟吸收代谢
过程；

[0010] 大肠分解模拟系统，包括三个通过硅胶管连接的圆柱形聚四氟乙烯反应器；所述大肠分解模拟系统的气体入口与所述小肠消化模拟系统的气体出口通过硅胶管连接；所述
大肠分解模拟系统的消化液入口与所述小肠消化模拟系统的消化液出口通过硅胶管连接；

[0011] 中央智能控制系统，包括一触摸屏智能控制器，其与其余各系统均通过通讯线连接；

[0012] pH控制系统，包括pH电极、pH控制器、酸液瓶、碱液瓶、酸液蠕动泵和碱液蠕动泵各五个；所述pH电极与pH控制器通过通讯线连接；所述pH控制器与中央智能控制器通过通讯
线连接，以实时传输各模拟系统的pH值至中央智能控制器，控制酸液和碱液蠕动泵开启酸
液和碱液的转移；所述酸液瓶和碱液瓶通过硅胶管分别与所述胃消化模拟系统、小肠消化
模拟系统和大肠分解模拟系统的酸液和碱液入口连接；

[0013] 温度控制系统，与所述中央智能控制系统通过通讯线连接，其包括一活动上盖、一环形水浴皿、一水浴泵、多个加热器和一温度传感器；所述多个加热器与温度传感器通过通
讯线连接，水浴实时温度由温度传感器通过通讯线反馈至中央智能控制系统形成记录，并
控制加热器的开启或关闭；

[0014] 搅拌速率控制系统，包括五个磁力搅拌装置，它们与所述中央智能控制系统通过通讯线连接；

[0015] 输送系统，包括八个蠕动泵，它们均与中央智能控制器通过通讯线连接；

[0016] 中央净化系统，包括一密封罩、三组除臭装置、一抽风装置和一电动开关组成；所述电动开关两端分别通过通讯线连接与所述中央智能控制系统和所述抽风装置连接；所述
抽风装置通过ABS塑料管与所述密封罩和除臭装置连接；

[0017] 自动清洗消毒系统，包括三个清洗消毒瓶和三个输送泵，三个清洗消毒瓶分别与三个输送泵通过硅胶管连接，所述三个输送泵均与所述胃消化模拟系统通过硅胶管连接，
所述三个输送泵均与中央智能控制系统通过通讯线连接；

[0018] 厌氧系统，与所述胃消化模拟系统通过硅胶管连接，其包括一氮气发生装置、一电动开关和一废气瓶；电动开关与所述中央智能控制系统通过通讯线连接；所述氮气发生装
置与所述胃消化模拟系统的气体入口通过硅胶管连接。

[0019] 相比于现有技术，本发明将模拟人体胃肠道消化吸收的多个系统进行了一体化集成，并实现了由中央智能控制系统全自动控制人体胃肠道消化吸收的全过程，具有低成本、
高效进行体外模拟胃肠道消化吸收的特点。其中，小肠吸收模拟系统可实现模拟小肠的吸
收机制、免疫机制，更为接近小肠对相关物质的真实吸收过程，更优于现有的肠道模拟模型
中的模式。大肠分解模拟系统可实现微生物代谢产物、肠道微生物群落和肠道微生物‑宿主
互作等方面的实时检测，获得营养素和污染物在肠道微生物生态系统中的分解代谢归趋以
及与肠道微生物群落、宿主的互作机制。该模型具有良好的稳定性和可重复性，满足标准化
的科研和应用，其适用于模拟食品基质中的营养素和污染物在人体肠道消化、吸收及在肠
道微生物生态系统中的分解代谢归趋，精准地量化食品基质中的营养素或污染物在体内代
谢过程、毒性作用，获得营养素或污染物的生物可及性、生物有效性等相关数据。

[0020] 进一步地，所述小肠吸收模拟系统为使用DMEM培养基和William's E培养基共培养人结肠腺癌细胞Caco‑2、杯状细胞HT29‑MTX和人体肝前体细胞HepaRG于Transwell小型
模拟仿真消化装置中所形成的模拟系统。通过将Caco‑2细胞、HT29‑MTX细胞和HepaRG细胞
共培养于Transwell小型模拟仿真消化装置中，可实现模拟小肠的吸收机制、免疫机制，更
为接近小肠对相关物质的真实吸收过程，更优于现有的肠道模拟模型中的模式。

[0021] 进一步地，所述小肠吸收模拟系统按照以下步骤构建：

[0022] (1)细胞培养：Caco‑2细胞、HT29‑MTX细胞在DMEM培养基中培养，加入培养液，在37℃、5％CO2和90％湿度的环境下培养；在细胞生长到80％时，用0.25％的胰酶‑EDTA将其消
化传代，传代比1:2～1:4；HepRG细胞在William's E培养基中培养，加入培养液，在37℃、
5％CO2和90％湿度条件下培养，DMEM培养基和William's E培养基每2～3天更换一次；细胞
4 2
每2周传代一次，传代密度为2.7×10细胞/cm；

[0023] (2)共培养模型建立：将Caco‑2细胞和HT29‑MTX细胞按照100:0、90:10、80:20、70:30、60:40、50:50的接种浓度比例分别接种到6孔Transwell上，用完全培养基调整最终种板
4
时的细胞浓度为5×10 个/mL左右，上室加入悬液总量为1.5mL，下室加入完全培养基
2.5mL，放置于5％的CO2细胞培养箱中37℃培养，每2d更换完全培养基，按常规培养至21d，
每个比例做3孔平行；在此期间，监测跨膜电阻值和AKP酶活力，于21d后进行荧光黄渗透率
实验和形态学的观察，以确定最佳的培养比例；

[0024] (3)构建小肠吸收模拟系统：首先将Transwell嵌套小室在6孔培养板中倒置，然后将另一个没有碳酸聚酯膜的Transwell嵌套支架紧贴着第一个嵌套小室，避免培养基和细
4
胞的泄露；之后将约5×10个的HepaRG细胞重悬于100μL培养基中，接种在翻转的嵌套小室
的底面上，用相应的完全培养基培养3～4h，直到细胞粘附；接着将在底面上带有HepaRG细
胞的嵌套小室翻转，正置于6孔板中；然后将Caco‑2细胞和HT29‑MTX细胞按照步骤(2)所筛
4
选的最佳比例接种在Transwell嵌套的上侧，使其最终的细胞浓度为5×10 个/mL；往上室
加入1.5mL，下室加入2.5mL完全培养基继续培养，稳定后即完成小肠吸收模拟系统的构建。

[0025] 进一步地，在小肠吸收模拟系统构建步骤中，Caco‑2细胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺和20％胎牛血清；HT29‑MTX细胞的培
养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺和10％胎牛血
清；HepRG细胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰
胺、10％胎牛血清和5μg/mL的胰岛素和50μM氢化可的松半琥酯。

[0026] 进一步地，所述大肠分解模拟系统由三个分别模拟升结肠、横结肠、降结肠的圆柱形聚四氟乙烯反应器通过硅胶管连接而成。

[0027] 进一步地，所述大肠分解模拟系统通过接种健康人群粪便于SHIME培养基中进行24h厌氧培养构建肠道微生物生态。

[0028] 进一步地，每组除臭装置包括一氯化钙除湿装置和一活性炭吸附装置。通过除臭装置，所述净化系统可以吸附人体胃肠道消化吸收体外替代模型运行期间因肠道微生物发
酵所产生的异味。

[0029] 进一步地，所述自动清洗消毒系统为CIP原位清洗系统。CIP原位清洗系统可实现在不拆开或移动人体胃肠道消化吸收体外替代模型的情况下，通过中央智能控制器实现体
外替代模型的消毒及清洗，有效去除脂肪和蛋白以及微生物等的残留，保证下批次模拟实
验的准确性。

[0030] 进一步地，所述集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型还包括功能台架，所述胃消化模拟系统、小肠消化模拟系统、小肠吸收模拟系统、大肠分解模拟系统、中央
智能控制系统、pH控制系统、温度控制系统、搅拌速率控制系统、输送系统、中央净化系统、
自动清洗消毒系统和厌氧系统集成于该功能台架中。通过功能台架可以将所有系统集成为
一体化的模型。

[0031] 进一步地，所述功能台架为三层结构，从下往上依次为台架底板、台架护板、支撑架板；所述功能台架底部还设有减震脚垫。该功能台架结构简单实用，可以方便地架设各模
拟系统，从而形成一个集成一体化的模型结构。

附图说明

[0032] 图1为本发明的集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型的示意图；

[0033] 图2为本发明的胃肠道消化模拟系统的示意图；

[0034] 图3为本发明的小肠吸收模拟系统的示意图；

[0035] 图4为本发明的大肠分解模拟系统的示意图；

[0036] 图5为本发明的温度控制系统的示意图；

[0037] 图6为本发明的中央净化系统的示意图；

[0038] 图7为本发明的自动清洗消毒系统的示意图；

[0039] 图8为本发明的厌氧系统的示意图；

[0040] 图9为本发明的功能台架的结构示意图；

[0041] 图10为本发明的模型与小鼠模型及传统体外消化吸收模型的有效性曲线图。

具体实施方式

[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。下述描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图
中相同的标号表示相同或相似的要素。显然，所描述的实施例是本发明公开的一部分实施
例，而不是全部的实施例，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相
一致的例子。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 除非另有定义，本发明使用的技术术语或科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不
表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类
似的词语意指出现在该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或物件及其
等同，而不排除其他元件或物件。“连接”或者“相接”等类似的词语并非限定于物理的或机
械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。单数形式的“一种”、“所
述”和“该”也可以包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。“和/或”是指包含一个
或多个相关联的列出项目的任何或所有可能的组合。

[0044] 以下结合附图对本发明实施例提供的集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型进行说明。

[0045] 如图1所示，本发明实施例提供的集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型由12个系统集成为一体化的体外仿真消化模型，包括胃消化模拟系统1、小肠消化模拟系
统2、小肠吸收模拟系统3、大肠分解模拟系统4、中央智能控制系统5、pH控制系统6、温度控
制系统7、搅拌速率控制系统8、输送系统9、中央净化系统10、自动清洗消毒系统11和厌氧系
统12。通过各个系统协同作用，该体外替代模型不仅体外模拟了胃肠道消化吸收过程，还同
时模拟了肠道微生物群落的发酵分解过程。

[0046] 请同时参阅图2，胃消化模拟系统1、小肠消化模拟系统2、pH控制系统6、输送系统9和厌氧系统12组成胃肠道消化模拟系统。其中，胃消化模拟系统1包括一球形聚四氟乙烯反
应器101，小肠消化模拟系统2包括一圆柱形聚四氟乙烯反应器201，pH控制系统包括pH电极
601‑605、pH控制器611‑615、酸液瓶621‑625、碱液瓶631‑635、酸液蠕动泵641‑645和碱液蠕
动泵651‑655各五个；输送系统9包括蠕动泵921～928；厌氧系统12包括氮气发生装置1201、
电动开关1202和废气瓶1203。

[0047] 具体的，胃消化模拟系统1中，球形聚四氟乙烯反应器101的气体入口102与厌氧系统12的氮气发生装置1201通过硅胶管连接；气体出口103与小肠消化模拟系统2的气体入口
202通过硅胶管连接；食物液入口104与食物液储存瓶901通过硅胶管连接；消化液入口105
与胃液储存瓶902通过硅胶管连接；消化液出口106与小肠消化模拟系统2的消化液入口204
通过硅胶管连接；酸液入口107与酸液蠕动泵641通过硅胶管连接，碱液入口108与碱液蠕动
泵651通过硅胶管连接；样品于采样口109进行采集。

[0048] 小肠消化模拟系统2中，圆柱形聚四氟乙烯反应器201的气体入口202与胃消化模拟系统1的气体出口103通过硅胶管连接；气体出口203与大肠分解模拟系统4的气体入口
402通过硅胶管连接；消化液入口204与胃消化模拟系统1的消化液出口106通过硅胶管连
接；小肠液入口205与小肠液储存瓶903通过硅胶管连接；消化液出口206与大肠分解模拟系
统4的消化液入口通过硅胶管连接；酸液入口207与酸液蠕动泵642通过硅胶管连接，碱液入
口208与碱液蠕动泵652通过硅胶管连接；样品于采样口209进行采集。

[0049] 请同时参阅图3，本实施例中，小肠吸收模拟系统3由Caco‑2细胞、HT29‑MTX细胞和HepaRG细胞共培养于Transwell小型模拟仿真消化装置301中构成。采自采样口209的样品
经聚醚砜(PES)滤膜过滤后转移至Transwell小型模拟仿真消化装置301。

[0050] 该小肠吸收模拟系统3按照以下步骤构建：

[0051] (1)细胞培养：Caco‑2细胞、HT29‑MTX细胞在DMEM培养基(高糖)中培养，加入培养液，在37℃、5％CO2和90％湿度的环境下培养；在细胞生长到80％时，用0.25％的胰酶‑EDTA
将其消化传代，传代比1:2～1:4；HepRG细胞在William's E培养基中培养，加入培养液，在
37℃、5％CO2和90％湿度条件下培养，DMEM培养基和William's E培养基每2～3天更换一
4 2
次；细胞每2周传代一次，传代密度为2.7×10细胞/cm ；其中，Caco‑2细胞的培养液为1％非
必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺和20％胎牛血清；HT29‑MTX细
胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷氨酰胺和10％胎
牛血清；HepRG细胞的培养液为1％非必须氨基酸、1％青霉素‑链霉素双抗液、2mmol/L L‑谷
氨酰胺、10％胎牛血清和5μg/mL的胰岛素和50μM氢化可的松半琥酯。

[0052] (2)共培养模型建立：将Caco‑2细胞和HT29‑MTX细胞按照100:0、90:10、80:20、70:30、60:40、50:50的接种浓度比例分别接种到6孔Transwell上，用完全培养基调整最终种板
4
时的细胞浓度为5×10个/mL左右，上室(AP)加入悬液总量为1.5mL，下室(BL)加入完全培
养基2.5mL，放置于5％的CO2细胞培养箱中37℃培养，每2d更换完全培养基，按常规培养至
21d，每个比例做3孔平行；在此期间，监测跨膜电阻值和AKP酶活力，于21d后进行荧光黄渗
透率实验和形态学的观察，以确定最佳的培养比例；

[0053] (3)构建小肠吸收模拟系统：首先将Transwell嵌套小室在6孔培养板中倒置，然后将另一个没有碳酸聚酯膜的Transwell嵌套支架紧贴着第一个嵌套小室，避免培养基和细
4
胞的泄露；之后将约5×10个的HepaRG细胞重悬于100μL培养基中，接种在翻转的嵌套小室
的底面上，用相应的完全培养基培养3～4h，直到细胞粘附；接着将在底面上带有HepaRG细
胞的嵌套小室翻转，正置于6孔板中；然后将Caco‑2细胞和HT29‑MTX细胞按照步骤(2)所筛
4
选的最佳比例接种在Transwell嵌套的上侧，使其最终的细胞浓度为5×10 个/mL；往上室
加入1.5mL，下室加入2.5mL完全培养基继续培养，稳定后即完成小肠吸收模拟系统的构建。

[0054] 请同时参阅图4，大肠分解模拟系统4包括三个通过硅胶管连接的圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421。其中，圆柱形聚四氟乙烯反应器401的气体入口与小肠消化模拟系
统2的气体出口203通过硅胶管连接；气体出口与圆柱形聚四氟乙烯反应器411的气体入口
通过硅胶管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器411的气体出口与圆柱形聚四氟乙烯反应器421
的气体入口通过硅胶管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器421的气体出口与废气瓶1203通过
硅胶管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器401的消化液入口与小肠消化模拟系统2的消化液出
口206通过硅胶管连接；消化液出口与圆柱形聚四氟乙烯反应器411的消化液入口通过硅胶
管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器411的消化液出口与圆柱形聚四氟乙烯反应器421的消化
液入口通过硅胶管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器421的消化液出口与废液瓶904通过硅胶
管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421的酸液入口分别与酸液蠕动泵643、644和
645通过硅胶管连接；圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421的碱液入口407、417和427分
别与碱液蠕动泵653、654和655通过硅胶管连接；样品于采样口进行采集。大肠分解模拟系
统4构建肠道微生物生态，是通过接种健康人群粪便于SHIME培养基中进行24h厌氧培养实
现的。

[0055] 本发明的中央智能控制系统5为一触摸屏智能控制器，其与其余各系统均通过通讯线连接，各系统的开启和动作设定均于触摸智能控制器中实现。

[0056] 具体的，pH控制系统6中，各pH电极分别与各pH控制器通过通讯线连接；各pH控制器分别与中央智能控制系统5通过通讯线连接，从而实时传输胃消化模拟系统1、小肠消化
模拟系统2和大肠分解模拟系统4的pH值至中央智能控制系统5。各个酸液蠕动泵和碱液蠕
动泵与中央智能控制系统5通过通讯线连接，由其控制开启或关闭。各酸液瓶与各酸液蠕动
泵分别通过硅胶管连接，各碱液瓶与各碱液蠕动泵分别由硅胶管连接。

[0057] 请同时参阅图5，温度控制系统7包括活动上盖701、环形水浴702、加热器703～705、水浴泵706和温度传感器707。其中，加热器703～705分别与温度传感器707通过通讯线
连接，温度传感器707与中央智能控制系统5通过通讯线连接，水浴实时温度由温度传感器
707通过通讯线反馈至中央智能控制系统5形成记录，并控制加热器703～705的开启或关
闭。

[0058] 具体的，搅拌速率控制系统8包括五个磁力搅拌装置801～805。搅拌速率控制系统8与中央智能控制系统5通过通讯线连接，五个磁力搅拌装置801～805的转速通过中央智能
控制系统5设置，范围为0～300rpm。

[0059] 输送系统9与中央智能控制系统5通过通讯线连接，蠕动泵921～928的开启、关闭及输送速率由中央智能控制系统5控制，输送速率范围为0～500mL/min。蠕动泵921、922、
924和928分别与食物液储存瓶901、胃液储存瓶902、小肠液储存瓶903和废液瓶904通过硅
胶管连接；蠕动泵923、925、926和927分别与胃消化模拟系统1、小肠消化模拟系统2、大肠分
解模拟系统4通过硅胶管连接。

[0060] 请同时参阅图6，中央净化系统10包括密封罩1001、除臭装置1002～1004、抽风装置1005和电动开关1006。其中，中央净化系统10与中央智能控制系统5通过通讯线连接，同
时电动开关1006与抽风装置1005通过通讯线连接，抽风装置1005与密封罩1001、除臭装置
1002～1004通过ABS塑料管连接。通过设置除臭装置1002～1004可吸附人体胃肠道消化吸
收体外替代模型运行期间，因肠道微生物发酵所产生的异味。

[0061] 请同时参阅图7，自动清洗消毒系统11包括清洗消毒瓶1101～1103和输送泵1111～1113。其中，清洗消毒试剂瓶1101～1103分别与输送泵1111～1113通过硅胶管连接；输送
泵1111～1113分别与胃消化模拟系统1通过硅胶管连接；输送泵1111～1113与中央智能控
制系统5分别通过通讯线连接。优选的，该自动清洗消毒系统11为CIP原位清洗系统，其可在
不拆开或移动装置的情况下，通过中央智能控制系统5实现体外替代模型的消毒及清洗，有
效去除脂肪和蛋白以及微生物等的残留，保证下批次模拟实验准确性。

[0062] 请同时参阅图8，厌氧系统12包括氮气发生装置1201、电动开关1202和废气瓶1203组成。其中，电动开关1202与中央智能控制系统5通过通讯线连接，实现厌氧系统每日定时
开启和关闭；厌氧系统12与胃消化模拟系统1通过硅胶管连接，由于胃消化模拟系统1与小
肠消化模拟系统2和大肠分解模拟系统4通过硅胶管连通，因此这三个系统与厌氧系统12的
连通使其可以模拟类似胃肠道的无氧环境。

[0063] 为了将所有系统集成为一体化的模型，在一实施例中，本发明的集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型还包括功能台架，上述的各个系统均集成于该功能台架
中。如图9所示，该功能台架为三层结构，自下而上依次包括台架底板1310、台架护板1320和
支撑架板1330，它们相互平行设置，形成三层的台架结构，可放置各个模拟系统。功能台架
底部还设有多个减震脚垫1340，减震脚垫1340可带有转轮，方便功能台架的移动。

[0064] 下面，以呕吐毒素的消化吸收过程为例，对本发明提出的集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型的使用过程作进一步的详细说明。

[0065] 开启集成一体化的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，于中央智能控制系统5设置相关的体外消化吸收模型参数，其中环形水浴702温度为37℃、磁力搅拌装置的转速为
30rpm、胃消化模拟系统1的pH范围为1.6～2.2、小肠消化模拟系统2的pH范围为5.5～6.0、
大肠分解模拟系统4的圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421的pH范围分别为5.6～6.0、
6.0～6.4和6.4～6.9。

[0066] 取3～5名6个月未摄入抗生素的成人采集粪便，将50g粪便取样后混匀加入pH为7的磷酸盐缓冲溶液，并加入1g硫代乙酸钠作为还原剂，使用匀浆器将样品均质化，均质化后
将样品于3000rpm转速下离心5min，离心后分别于大肠分解模拟系统4中的三个圆柱形聚四
氟乙烯反应器401、411和421内接种肠道微生物菌液50mL、80mL、50mL，然后于三个反应器
401、411和421内分别加入SHIME培养基(1.0g/L阿拉伯半乳聚糖、2.0g/L果胶、3.0g/L淀粉、
1.0g/L木聚糖、0.5g/L半胱氨酸、0.4g/L葡萄糖、3.0g/L酵母提取物、4.0g/L黏蛋白以及
1.0g/L蛋白胨)500mL、800mL和500mL，37℃条件下30rpm搅拌24h，并每间隔8h通氮气10min。
稳定之后，通过分别加入0.05mol/L HCl或0.05mol/L NaOH控制三个反应器的pH值分别在
5.6～6.0、6.0～6.4和6.4～6.9。

[0067] 模型的人体肠道微生物接种后启动模型和中央净化系统，通过中央智能控制系统5设置各蠕动泵流速和工作时间，磁力搅拌器转速和工作顺序。设置完成后，蠕动泵开启将
食物液储存瓶中的SHIME培养基以流速20mL/min向胃消化模拟系统1转移200mL，以流速
10mL/min由向胃消化模拟系统1转移60mL胃液。完成转移后，开启磁力搅拌装置，转速为
30rpm。食物液于37℃消化2h。消化结束后，以流速25mL/min由胃消化模拟系统1向小肠消化
模拟系统2转移液体250mL，并以流速12mL/min由小肠液储存瓶903向小肠消化模拟系统2转
移小肠消化液(12.5g/L碳酸氢钠、6.0g/L胆汁盐以及0.9g/L胰酶)60mL。完成转移后，开启
磁力搅拌装置，转速为30rpm，于小肠消化模拟系统中37℃消化2h。消化结束后，以流速
25mL/min由小肠消化模拟系统2向大肠分解模拟系统4转移消化液，转移过程大肠分解模拟
系统4中的三个圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421中的液体体积保持为500mL、800mL
和500mL恒定，剩余的废液由蠕动泵从大肠分解模拟系统的第三个圆柱形聚四氟乙烯反应
器的消化液出口转移至废液瓶内。完成转移后，开启磁力搅拌装置，转速为30rpm，于大肠分
解模拟系统中37℃消化分解。每天的8:00、12:00和18:00分别按上述步骤运行模型，并每天
于大肠分解模拟系统的三个圆柱形聚四氟乙烯反应器的采样口采集样本10mL，使用微生物
平板技术方法和16S rRNA高通量测序检测菌群数量和结构，使用气相，液相测量肠道微生
物短链脂肪酸产量，获取基线数据。

[0068] 模型连续运行两周至稳定后，将食物液储存瓶901中含25mg/L呕吐毒素的食物液以流速20mL/min向胃消化模拟系统1转移200mL，以流速10mL/min由向胃消化模拟系统1转
移60mL胃液。完成转移后，开启磁力搅拌装置，转速为30rpm。食物液于37℃消化2h。消化结
束后，以流速25mL/min由胃消化模拟系统向小肠消化模拟系统转移液体250mL，并以流速
12mL/min由小肠液储存瓶903向小肠消化模拟系统2转移小肠消化液60mL。完成转移后，开
启磁力搅拌装置，转速为30rpm，于小肠消化模拟系统2中37℃消化2h。消化结束后，于小肠
消化模拟系统2采样口转移10mL消化液至小肠吸收模拟系统2，并以流速25mL/min由小肠消
化模拟系统2向大肠分解模拟系统4转移消化液，转移过程大肠分解模拟系统4中的三个圆
柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421中的液体体积保持为500mL、800mL和500mL恒定，剩余
的废液由蠕动泵从大肠分解模拟系统4的第三个圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421的
消化液出口转移至废液瓶内。完成转移后，开启磁力搅拌装置，转速为30rpm，于大肠分解模
拟系统中37℃消化分解。每天的8:00、12:00和18:00分别按上述步骤运行模型，并每天于大
肠分解模拟系统4的三个圆柱形聚四氟乙烯反应器401、411和421的采样口采集样本10mL。

[0069] 于小肠消化模拟系统2采样口转移的10mL消化液过PES滤膜后，使用液相‑质谱测4
定呕吐毒素含量，并同时转移至最终细胞浓度为5×10个/mL的Caco‑2、HT29‑MTX和HepaRG
三重细胞共培养的小肠吸收模拟系统3，获得其生物可及性、生物有效性等相关数据，图10
为体外模型所得到的呕吐毒素生物有效性与动物模型之间的比较。从图中可以看出，本发
明的人体胃肠道消化吸收体外替代模型，其模拟的呕吐毒素生物有效性接近小鼠模型得到
的有效性，远远高于传统的体外消化吸收模型。

[0070] 于大肠分解模拟系统采样口采集的样本10mL，使用微生物平板技术方法和16S rRNA高通量测序检测菌群数量和结构，使用气相，液相、液相‑质谱测定肠道微生物代谢物
等含量和呕吐毒素代谢产物含量，代谢归趋及与微生物互作等相关数据。

[0071] 体外消化吸收实验完毕后，启动自动清洗消毒系统11清洗胃消化模拟系统1、小肠消化模拟系统2、大肠分解模拟系统4、食物液储存瓶901和废液瓶904，使用60℃热水洗涤3
～5min，使用2％NaOH溶液洗涤10～20min，使用60℃热水洗涤3～5min，使用2％HCl溶液洗
涤10～20min，使用60℃热水洗涤3～5min，使用0.05％次氯酸钠消毒液消毒5min，使用清水
洗涤20min。

[0072] 相比于现有技术，本发明将模拟人体胃肠道消化吸收的多个系统进行了一体化集成，并实现了由中央智能控制系统5全自动控制人体胃肠道消化吸收的全过程，具有低成
本、高效进行体外模拟胃肠道消化吸收的特点。其中，小肠吸收模拟系统3可实现模拟小肠
的吸收机制、免疫机制，更为接近小肠对相关物质的真实吸收过程，更优于现有的肠道模拟
模型中的模式。大肠分解模拟系统4可实现微生物代谢产物、肠道微生物群落和肠道微生
物‑宿主互作等方面的实时检测，获得营养素和污染物在肠道微生物生态系统中的分解代
谢归趋以及与肠道微生物群落、宿主的互作机制。该模型具有良好的稳定性和可重复性，满
足标准化的科研和应用，其适用于模拟食品基质中的营养素和污染物在人体肠道消化、吸
收及在肠道微生物生态系统中的分解代谢归趋，精准地量化食品基质中的营养素或污染物
在体内代谢过程、毒性作用，获得营养素或污染物的生物可及性、生物有效性等相关数据。

[0073] 需要说明的是，根据实际需求，可以结合本发明所提供的所有实施例中的两个或两个以上，以解决对应的两个或两个以上的技术问题；并且，以上实施方式中的各种技术特
征可以任意进行组合，只要特征之间的组合不存在冲突或矛盾即可，但是限于篇幅，未进行
一一描述。

[0074] 本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发
明也意图包含这些改动和变形。