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Publicação
Development of an automated microfluidics-based device for simulating human gastrointestinal digestion
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Resumo(s)
Understanding the fate of bioactive compounds under digestive conditions is critical for early-stage drug development. In vitro digestion methods offer an alternative to human and animal studies to reduce costs and complexity and avoid ethical concerns. Current in vitro digestion methods can be generally divided into the designations of static and dynamic models. While static models are typically simplified and lack the ability to fully reproduce the complexity of human digestion, dynamic models make use of large and complex equipment and require relatively large amounts of sample and reagents, making them unsuitable to study the digestion of valuable compounds, such as nano-delivery systems. In this work, a microfluidic-based method was developed to bridge the current gap between dynamic and static digestion models. The device was semi-automated and miniaturized to allow reducing sample and reagent usage, operator inputs, and downsize lab occupation. Di-gestion-chips were fabricated following a layer-by-layer approach from micro-milled and laser cut poly methyl methacrylate (PMMA) layers. Temperature and pH sensors were integrated to monitor key digestion parame-ters and worked in direct feedback with resistors for heating and syringe pumps injecting HCl or NaOH for real-time pH adjustments. Using this device, gastric and intestinal digestions were successfully replicated and validated using a casein reporter molecule against the gold standard static digestion protocol defined within the INFOGEST Cost action. In addition, the peristaltic pump developed within this work will allow to include important features of digestion such as gastric emptying, thus increasing the physiological relevance of the model. Overall, this work achieved a semi-automated and miniaturized device for human digestive simula-tions. The device was validated against gold standard protocols and showed the potential to be used in labor-atory settings for in vitro testing of compounds aiming for oral administration using reduced volumes and with minimal operator input.
Compreender o trajeto de componentes bio ativos quando submetidos às condições do sistema digestivo humano é crítico para o desenvolvimento inicial de medicamentos administrados por via oral. Os métodos de digestão in vitro oferecem uma alternativa aos testes feitos em animais e humanos reduzindo assim o custo e a complexidade dos mesmos, bem como evitando questões éticas. Atualmente, os sistemas de digestão são divididos em dois grandes grupos, os modelos estáticos e os dinâmicos. Os primeiros são bastante simplifica-dos e não são capazes de reproduzir com grande precisão o sistema de digestão humano. Os modelos dinâmi-cos, por outro lado, são capazes de o fazer mas requerem equipamento de elevadas dimensões e complexidade que utilizam grandes quantidades de amostras e reagentes o que é bastante prejudicial quando estas são de produção difícil tal como nano-componentes. Neste trabalho, foi desenvolvido um sistema microfluídico que faz a ponte entre os sistemas de digestão dinâmicos e estáticos atuais. O dispositivo é semi automatizado e de reduzidas dimensões sendo, assim, capaz de reduzir a quantidade de amostra e reagente necessários, o input de utilizadores, e a ocupação de espaço laboratorial. Os despositivos de digestão foram fabricados utilizando o método layer-by-layer, sendo as camadas utilizadas constituidas por polimetilmetacrilato (PMMA). Os sen-sores de temperatura e pH foram integrados para monitorizar estes parametros cruciais da digestão e funcio-naram para um controlo de feedback com aquecimento por resistência bem como controlo da injeção de HCl e NaOH feito por syringe pumps. Este dispositivo, quando comparado ao protocolo INFOGEST replica, com sucesso, os fases digestivas gástrica e intestinal utilizando uma molécula de teste de caseína. Além disso, a pump peristáltica desenvolvida e testada é também capaz de replicar funções importantes como o gastric em-ptying, aumentando, assim, a relevância fisiológica do modelo. No geral, este trabalho conseguiu produzir uma simulação de digestão humana semi automatizada e miniaturizada que foi validada utilizando modelos stan-dard de digestão estática. O modelo desmonstrou, assim, a capacidade de reproduzir digestões in vitro em laboratório para o teste de compostos para administração oral reduzindo os volumes utilizados e não reque-rendo grande input pelo utilizador.
Compreender o trajeto de componentes bio ativos quando submetidos às condições do sistema digestivo humano é crítico para o desenvolvimento inicial de medicamentos administrados por via oral. Os métodos de digestão in vitro oferecem uma alternativa aos testes feitos em animais e humanos reduzindo assim o custo e a complexidade dos mesmos, bem como evitando questões éticas. Atualmente, os sistemas de digestão são divididos em dois grandes grupos, os modelos estáticos e os dinâmicos. Os primeiros são bastante simplifica-dos e não são capazes de reproduzir com grande precisão o sistema de digestão humano. Os modelos dinâmi-cos, por outro lado, são capazes de o fazer mas requerem equipamento de elevadas dimensões e complexidade que utilizam grandes quantidades de amostras e reagentes o que é bastante prejudicial quando estas são de produção difícil tal como nano-componentes. Neste trabalho, foi desenvolvido um sistema microfluídico que faz a ponte entre os sistemas de digestão dinâmicos e estáticos atuais. O dispositivo é semi automatizado e de reduzidas dimensões sendo, assim, capaz de reduzir a quantidade de amostra e reagente necessários, o input de utilizadores, e a ocupação de espaço laboratorial. Os despositivos de digestão foram fabricados utilizando o método layer-by-layer, sendo as camadas utilizadas constituidas por polimetilmetacrilato (PMMA). Os sen-sores de temperatura e pH foram integrados para monitorizar estes parametros cruciais da digestão e funcio-naram para um controlo de feedback com aquecimento por resistência bem como controlo da injeção de HCl e NaOH feito por syringe pumps. Este dispositivo, quando comparado ao protocolo INFOGEST replica, com sucesso, os fases digestivas gástrica e intestinal utilizando uma molécula de teste de caseína. Além disso, a pump peristáltica desenvolvida e testada é também capaz de replicar funções importantes como o gastric em-ptying, aumentando, assim, a relevância fisiológica do modelo. No geral, este trabalho conseguiu produzir uma simulação de digestão humana semi automatizada e miniaturizada que foi validada utilizando modelos stan-dard de digestão estática. O modelo desmonstrou, assim, a capacidade de reproduzir digestões in vitro em laboratório para o teste de compostos para administração oral reduzindo os volumes utilizados e não reque-rendo grande input pelo utilizador.
Descrição
Palavras-chave
In vitro digestion models Semi-dynamic digestion Microfluidics Sensors automation