Design of a 3D in vitro gastric model with in situ analysis for the assessment of food digestibility and nanomaterials behaviour

Abstract

The regular consumer is becoming more concern regarding their nutritional habits and, as such, novel healthier food products with additional functional properties must be developed to give response to the increase from the food market demand. However, while developing innovative food products through, for instance, the addition of nanosystems for the controlled delivery of bioactive compounds, it is important to understand their behaviour under digestion conditions by assessing their toxicity (i.e., the release of toxins during the digestion process), hydrolysis kinetics, nutrient absorption, etc. Ideally, in vivo trials should be used for this purpose since they represent as more accurately the GI conditions. However, due to all the ethical constrains, cost and complexity associated to their application, in vitro digestion models have been widely used as an alternative since they are faster, cheaper and less labour-intensive, with no ethical constrains. This way, several in vitro digestion models have been created to try to simulate the conditions of the human GI tract which have been widely used by the scientific community to study the digestion of food products, micro/nanosystems and drug dissolution. However, despite the development of a few anatomical accurate digestion models with dynamic behaviour over the past few years, there is still room for improvement. Therefore, the present study aims at the development of a modular dynamic in vitro RGM with in situ analysis, using UV-VIS-NIR spectrometry. This model is capable of replicating, as close as possible, the physicochemical conditions along the human stomach regarding its peristaltic contractions, as well as anatomical and physiological characteristics. The present model will allow to monitor in real-time the digestion process of food products, controlled release systems, bioactive compounds and drugs, thus being an important research, development and control tool for the food and pharmaceutical industries.

A preocupação por parte do consumidor final com os seus hábitos nutricionais provocou a necessidade de desenvolver novos produtos alimentares mais saudáveis, com novas propriedades funcionais para responder ao aumento da procura por parte do mercado alimentar. No entanto, com o desenvolvimento de produtos alimentícios inovadores através de, por exemplo, a adição de nanossistemas para a libertação controlada de compostos bioativos, tornou-se importante entender o seu comportamento em condições de digestão de modo a avaliar a sua toxicidade (i.e., a libertação de toxinas durante o processo de digestão), cinética de hidrólise, absorção de nutrientes, etc. Idealmente, tais estudos deveriam ser realizados in vivo. No entanto, devido a todas as restrições éticas, custo e complexidade associados à sua aplicação, os modelos de digestão in vitro têm sido amplamente utilizados como alternativa por serem mais rápidos, baratos e mais simples, não apresentando restrições éticas. Desta forma, vários modelos in vitro foram criados para tentar simular as condições do trato GI humano, os quais têm sido amplamente utilizados pela comunidade científica para estudar a digestão de produtos alimentares, micro/nanossistemas e dissolução de fármacos. No entanto, apesar do desenvolvimento de alguns modelos de digestão anatomicamente precisos com comportamento dinâmico ao longo dos últimos anos, ainda há espaço para novos desenvolvimentos. Como tal, o presente estudo visa o desenvolvimento de um RGM modular dinâmico in vitro com análise in situ, utilizando espectrometria UV-VIS-NIR. Este modelo é capaz de replicar, o mais próximo possível, as condições físico-químicas do estômago humano, mais especificamente no que diz respeito às suas contrações peristálticas, bem como características anatómicas e fisiológicas. O presente modelo permitirá monitorizar em tempo-real o processo de digestão de produtos alimentares, sistemas de liberação controlada, compostos bioativos e fármacos, sendo assim uma importante ferramenta de investigação, desenvolvimento e controlo para as indústrias alimentar e farmacêutica.