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Il sistema digerente: fisiologia e funzioni
La digestione è un processo complesso che comprende una serie di eventi, quali la rottura dell’alimento, il rilascio e l’eventuale digestione dei nutrienti, il loro assorbimento o fermentazione a livello intestinale e l’espulsione delle feci mediante defecazione [1].
Il tratto gastro-intestinale (GIT) umano si estende dalla bocca all’ano includendo la cavità orale, l’esofago, lo stomaco, l’intestino tenue, l’intestino crasso e il canale anale (Fig. 1).
Le fasi della digestione sono essenzialmente tre: la fase orale, in cui gli enzimi α-amilasi e lipasi salivare idrolizzano rispettivamente l’amido e i lipidi; la fase gastrica dove il bolo subisce reazioni sia enzimatiche che meccaniche. In questa fase il bolo diventa chimo, il pH scende fino a 1.5 a seguito della secrezione dei succhi gastrici, favorendo l’attivazione di pepsina e lipasi gastrica. L’ultimo step del processo digestivo è la fase intestinale in cui l’alimento subisce un ulteriore degradazione dei suoi costituenti, permettendo alle cellule intestinali (enterociti) di assorbire acqua e nutrienti.
Studi di digeribilità: confronto tra modelli “in vivo” e “in vitro”
I modelli di digestione in vitro sono ampiamente utilizzati in campi come la nutrizione, la farmacologia e la chimica con lo scopo di studiare ciò che accade a determinate sostanze una volta introdotte nel TGI [2,5]. In particolare, i modelli di digestione in vitro sono usati per simulare il processo di digestione degli alimenti, con notevoli vantaggi rispetto alla sperimentazione umana in vivo che è spesso lenta, costosa ed eticamente discutibile.
I modelli in vitro possono essere suddivisi in due grandi categorie: statici e dinamici.
I modelli statici
Quelli statici sono sicuramente i modelli più diffusi e utilizzati rispetto a quelli dinamici in quanto più economici e meno complessi dal punto di vista del design e della fabbricazione.
Tuttavia, spesso non sono in grado di simulare in maniera accurata i complessi eventi che avvengono nel TGI umano. La maggior parte dei metodi statici considerano solo le prime fasi della digestione, trascurando invece ciò che accade a livello dell’intestino crasso e quindi l’importante attività svolta dal microbiota umano.
Inoltre, tali metodi prevedono che ciascuna fase della digestione sia emulata incubando il campione alimentare con fluidi digestivi simulati per un periodo di tempo prestabilito e a condizioni fisse di pH e temperatura [6] (Fig. 2). Fino a pochi anni fa, esisteva un’estrema variabilità tra le condizioni digestive adottate nei diversi laboratori (pH, tempo di incubazione, tipologia e concentrazione degli enzimi utilizzati, etc.).
Pertanto, nel 2014 l’Infogest network ha definito un metodo statico standardizzato, facilitando così la comparazione dei risultati tra più gruppi di ricerca.
Negli ultimi anni, invece, sono stati sviluppati diversi modelli di digestione in vitro di tipo dinamico con lo scopo di mimare al meglio la fisiologia del TGI umano [7].
I modelli dinamici
La digestione è un processo “dinamico” contraddistinto da una continua evoluzione delle condizioni chimico-fisiche (pH, composizione dei fluidi digestivi, concentrazione degli enzimi digestivi, etc.) incontrate in ciascun compartimento del sistema gastro-intestinale.
Oltre a tener conto di tali evoluzioni, i modelli dinamici tentano anche di riprodurre fedelmente le forze fisiche, (quali per esempio le contrazioni peristaltiche) responsabili della rottura e della movimentazione del cibo lungo il TGI [8].
Tra i principali modelli dinamici fino ad ora sviluppati, ritroviamo il modello gastro-intestinale (TIM) sviluppato dal TNO (Organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata) (Fig. 3), il modello gastrico dinamico (DGM) messo a punto dall’istituto di ricerca alimentare (Norwich – Regno Unito), il simulatore gastrico umano (HGS) sviluppato dall’università della California (Davis, California, USA), il sistema DIDGI dell’Istituto nazionale francese per la ricerca in agricoltura (INRA) e il simulatore gastro-intestinale (SIMGI) dell’istituto di investigazione in scienza dell’alimentazione (Madrid, Spagna).
In tutti i casi, si tratta di sistemi multi-compartimentali controllabili tramite computer.
Modelli di digestione in vitro: validi strumenti per lo sviluppo di nuovi prodotti alimentari
I modelli di digestione in vitro, con particolare riferimento a quelli di tipo dinamico, sono ampiamente utilizzati per lo studio e la comprensione della relazione esistente tra le proprietà degli alimenti e il loro comportamento durante la digestione umana.
Inoltre, grazie alla possibilità di monitorare e controllare continuamente i parametri digestivi precedentemente menzionati, i modelli dinamici possono essere utilizzati per simulare il sistema digerente di una grande varietà di individui, quali bambini, adulti, anziani e persone affette da patologie dell’apparato digerente. Ciò li rende dei validi strumenti per lo sviluppo di prodotti alimentari destinati a specifiche categorie di popolazione.
Conclusioni
L’organismo umano è una macchina estremamente complessa le cui funzioni sono difficili da simulare fedelmente. Tuttavia, la modellazione della digestione in vitro è un campo di ricerca che ha fatto numerosi passi avanti nel corso dell’ultimo decennio, mostrando grandi potenzialità per il futuro.
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- Shani-Levi C., Alvito P., Andrés A., Assunção R., Barberá R., Blanquet-Diot S., … Lesmes U. (2017). Extending in vitro digestion models to specific human populations: Perspectives, practical tools and bio-relevant information. Trends in Food Science & Technology, 60, 52-63.
- Guerra A., Etienne-Mesmin L., Livrelli V., Denis S., Blanquet-Diot S., Alric M. (2012). Relevance and challenges in modeling human gastric and small intestinal digestion. Trends in Biotechnology, 30, 591-600.
- Schwizer W., Steingoetter A., Fox M. (2006). Magnetic resonance imaging for the assessment of gastrointestinal function. Journal of Gastroenterology, 41(11), 1245–60.
- Verhoeckx K., Cotter P.D., López-Expósito I., Kleiveland C., Lea T., Mackie A., Requena T., Swiatecka D., Wichers H. (Eds.), The Impact of Food Bio-Actives on Gut Health: In Vitro and Ex Vivo Models, pp. 47-59. Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London.
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- Bornhorst G.M., Singh P.R. (2014). Gastric digestion in vivo and in vitro: how the structural aspects of food influence the digestion process. Annual Review of Food Science and Technology, 5, 111-132.
- Dupont D. and Mackie A.R. (2015). Static and Dynamic in Vitro Digestion Models to Study Proteins Stability in the Gastrointestinal Tract. Drug Discovery Today: Disease Models, 17-18, 23-27.
Veronica Gallo
Sono una dott.ssa in Scienze e Tecnologie Alimentari e attualmente sto frequentando l’ultimo anno del corso di dottorato di ricerca in “Food Science” presso il Dipartimento di Agraria dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II”. Il mio progetto di dottorato riguarda la messa a punto di un modello di digestione in vitro di tipo dinamico al fine di sviluppare alimenti funzionali destinati a specifiche categorie di consumatori.
