In vitro Digestión de emulsiones en una sola gota a través del intercambio multifásico de fluidos gastrointestinales simulados

Comprender cómo se digiere la grasa, lo que implica la digestión en emulsión, es importante para diseñar racionalmente productos con funcionalidad personalizada¹. El sustrato para la digestión de grasas es una emulsión ya que la grasa se emulsiona al consumirla por acción mecánica y mezclándola con biosurfactantes en la boca y el estómago. Además, la mayor parte de la grasa consumida por los humanos ya está emulsionada (como los productos lácteos), y en el caso de los bebés o algunas personas mayores, esta es la única forma de consumo. Por lo tanto, el diseño de productos a base de emulsión con perfiles de digestión específicos es muy importante en nutrición¹. Además, las emulsiones pueden encapsular y administrar nutrientes, medicamentos o bioactivos lipofílicos² para abordar diferentes afecciones gastrointestinales como la obesidad³, la fortificación de nutrientes, las alergias alimentarias y las enfermedades digestivas. En las emulsiones de aceite en agua, las gotas de lípidos están rodeadas por capas interfaciales de emulsionantes como proteínas, surfactantes, polímeros, partículas y mezclas⁴. El papel de los emulsionantes es doble: estabilizar la emulsión⁵ y proteger/transportar el compuesto encapsulado a un sitio específico. Lograr una digestibilidad adaptada de las emulsiones depende de su composición inicial, pero también requiere monitorear la evolución continua de esta interfaz durante el tránsito a través del tracto gastrointestinal (Figura 1).

Figura 1: Aplicación de la ingeniería interfacial de emulsiones para abordar algunas de las principales afecciones gastrointestinales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La digestión de lípidos es, en última instancia, un proceso interfacial porque requiere la adsorción de lipasas (gástricas o pancreáticas) en la interfaz aceite-agua de gotitas de lípidos emulsionadas a través de la capa interfacial para alcanzar e hidrolizar los triglicéridos contenidos en el aceite en ácidos grasos libres y monoacilglicéridos⁶. Esto se esquematiza en la Figura 2. La lipasa gástrica compite con la pepsina y los fosfolípidos en el estómago por la interfaz aceite-agua (Figura 2, digestión gástrica). Luego, la lipasa/colipasa pancreática compite con tripsina/quimotripsina, fosfolípidos, sales biliares y productos digestivos en el intestino delgado. Las proteasas pueden alterar la cobertura interfacial, impidiendo o favoreciendo la adsorción de lipasa, mientras que las sales biliares son altamente activas en superficie y desplazan la mayor parte del emulsionante restante para promover la adsorción de lipasa (Figura 2, digestión intestinal). Eventualmente, la velocidad y el alcance de la lipólisis dependen de las propiedades interfaciales de la emulsión inicial / gástrica digerida, como el grosor, las conexiones intermoleculares / intramoleculares y las interacciones electrostáticas y estéricas. En consecuencia, el monitoreo de la evolución de la capa interfacial a medida que se digiere ofrece una plataforma experimental para identificar los mecanismos interfaciales y los eventos que afectan la adsorción de la lipasa y, por lo tanto, la digestión de los lípidos.

Figura 2: Diagrama esquemático que ilustra el papel de las interfaces en la digestión de lípidos gastrointestinales. La hidrólisis de pepsina altera la composición interfacial en la fase gástrica, mientras que la lipasa gástrica hidroliza los triglicéridos. En el intestino delgado, la tripsina/quimotripsina hidroliza aún más la película interfacial, mientras que la lipólisis procede por la adsorción de BS/lipasas, la hidrólisis de triglicéridos y la desorción de productos lipolíticos por solubilización en las micelas/complejo BS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El equipo de caída colgante de la Universidad de Granada (UGR) se implementa con una tecnología patentada, el doble capilar coaxial, que permite el intercambio subfásico de la solución a granel⁷. El capilar, que sostiene la gota colgante, consiste en una disposición de dos capilares coaxiales que están conectados independientemente a cada canal de un microinyector doble. Cada microinyector puede funcionar de forma independiente, lo que permite el intercambio del contenido caído por flujo^{pasante 7}. En consecuencia, el intercambio de subfases consiste en la inyección simultánea de la nueva solución con el capilar interno y la extracción de la solución a granel con el capilar externo utilizando el mismo caudal. Este proceso permite el reemplazo de la solución a granel sin perturbar el área interfacial o el volumen de la gota. Este procedimiento se actualizó posteriormente a un intercambio multifásico, que permite hasta ocho intercambios secuenciales de subfase de la solución masiva de gotas⁸. Esto permite la simulación del proceso digestivo en una sola gota acuosa suspendida en medios lipídicos mediante el intercambio secuencial de la solución a granel con medios artificiales que imitan los diferentes compartimentos (boca, estómago, intestino delgado). Toda la configuración se representa en la Figura 3, incluidos los detalles de los componentes. Las jeringas en el microinyector están conectadas a las ocho válvulas vías, cada una conectada a un tubo de microcentrífuga que contiene el líquido digestivo artificial con los componentes descritos en la Figura 2.

Figura 3: Vista general del OCTOPUS con todos los componentes. La cámara CCD, el microscopio, el microposicionador, la célula termoestabilizada y el doble capilar se conectaron independientemente a un microinyector doble con dos jeringas conectadas a ocho válvulas vías. Cada jeringa se conecta con capilar, cuatro tubos de microcentrífuga con muestra y una descarga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 4A muestra cómo cada uno de los fluidos digestivos artificiales se inyecta en la gota colgante por intercambio de subfases a través del doble capilar. Cada compuesto digestivo detallado en la Figura 2 se puede aplicar simultáneamente/secuencialmente, simulando el paso a través del tracto gastrointestinal. Los fluidos digestivos artificiales contienen diferentes enzimas y biosurfactantes, que alteran la tensión interfacial del emulsionante inicial, como se esquematiza en la Figura 4B. El software DINATEN (ver Tabla de materiales), también desarrollado en la UGR, registra la evolución de la tensión interfacial en tiempo real a medida que se digiere in vitro la capa interfacial inicial. Además, después de cada fase digestiva, la elasticidad dilatacional de la capa interfacial se calcula imponiendo oscilaciones periódicas de volumen / área interfacial sobre la capa interfacial estabilizada y registrando la respuesta de la tensión interfacial. El período/frecuencia y la amplitud de la oscilación pueden variarse, y el procesamiento de imágenes con el software CONTACTO proporciona los parámetros reológicos dilatacionales⁸.

Figura 4: Ejemplos de perfiles de digestión . (A) La capa emulsionante inicial se somete a medios digestivos artificiales colocados en la microcentrífuga mediante el intercambio secuencial de subfase de las diferentes soluciones en la gota colgante. (B) La evolución general de la tensión interfacial (eje y) del emulsionante inicial en función del tiempo (eje x) a medida que es digerido in vitro por las diversas enzimas/biosurfactantes en los medios artificiales. Un intercambio final de subfases con líquido intestinal simple mide la desorción de lípidos digeridos por solubilización en micelas mixtas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Este estudio presenta el protocolo general diseñado para medir la digestión in vitro de capas interfaciales con equipo de gota colgante⁹. La capa interfacial inicial se somete secuencialmente a condiciones que imitan el paso a través del tracto gastrointestinal, como se muestra en la Figura 2. Estos diferentes medios digestivos se inyectan en la gota colgante mediante el intercambio de subfases de las diferentes soluciones contenidas en los tubos de microcentrífuga (Figura 4A). La composición de estos medios puede ser personalizada dependiendo de las condiciones gastrointestinales que serán evaluadas, a saber, proteólisis/lipólisis gástrica/intestinal, permitiendo medir efectos acumulativos y sinergias¹⁰. Las condiciones experimentales utilizadas para imitar el proceso de digestión en cada compartimento siguen el protocolo de consenso internacional publicado por INFOGEST que detalla el pH y las cantidades de electrolitos y enzimas¹¹. El dispositivo experimental basado en gota colgante permite registrar la tensión interfacial in situ durante todo el proceso de digestión simulado. La reología dilatacional de la capa interfacial se calcula al final de cada paso digestivo. De esta manera, cada emulsionante ofrece un perfil de digestión que ilustra las propiedades de las interfaces digeridas, como se muestra en la Figura 4B. Esto permite extraer conclusiones sobre su susceptibilidad o resistencia a las diferentes etapas del proceso digestivo. En general, los medios digestivos artificiales contienen pH ácido/básico, electrolitos, proteasas (gástricas e intestinales), lipasas (gástricas e intestinales), sales biliares y fosfolípidos, que se disuelven en sus respectivos fluidos digestivos (gástricos o intestinales). La figura 4B muestra un perfil genérico de la evolución de la tensión interfacial de un emulsionante, primero sometida a la acción de la proteasa, seguida de las lipasas. En general, la proteólisis de la capa interfacial promueve un aumento de la tensión interfacial debido a la desorción de péptidos hidrolizados^9,12, mientras que la lipólisis resulta en una reducción muy pronunciada de la tensión interfacial debido a la adsorción de sales biliares y lipasas ¹³. Un intercambio final de subfases con líquido intestinal agota la solución a granel de material no adsorbido / digerido y promueve la desorción de compuestos solubles y la solubilización de lípidos digeridos en micelas mixtas. Esto se cuantifica por el aumento de la tensión interfacial registrado (Figura 4B).

En resumen, el diseño experimental implementado en la gota colgante para simular la digestión in vitro en una sola gota permite medir los efectos acumulativos y las sinergias a medida que el proceso de digestión se aplica secuencialmente a la capa interfacial inicial¹⁰. La composición de cada medio digestivo puede ajustarse fácilmente para tener en cuenta las particularidades de las condiciones digestivas, incluidas las patologías gastrointestinales o los medios digestivos infantiles¹⁴. Luego, la identificación de los mecanismos interfaciales que afectan la proteólisis y la lipólisis se puede utilizar para modular la digestión mediante la ingeniería interfacial de emulsiones. Los resultados obtenidos se pueden aplicar en el diseño de matrices de nuevos alimentos con funcionalidades personalizadas como baja alergenicidad, ingesta de energía controlada y disminución de la digestibilidad 15,16,17,18,19.