ระบบจำลองย่อยอาหาร เพื่อช่วยร่างกายนำ “สารอาหาร” ไปใช้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

เพื่อทดสอบประสิทธิภาพการย่อยอาหาร การปลดปล่อยสารสำคัญในอาหารและยา กลไกการออกฤทธิ์ รวมถึงความปลอดภัยของอาหารและกลุ่มสารให้ประโยชน์เชิงหน้าที่ (Functional Ingredients) ทีมวิจัย สวทช. พัฒนาศักยภาพการวิจัยและสร้างองค์ความรู้ด้านเทคโนโลยีระบบจำลองการย่อยอาหาร โดยจำลองสภาวะการย่อยอาหารในกระเพาะอาหาร ลำไส้เล็ก และลำไส้ใหญ่ อีกทั้งยังพัฒนาเซลล์ผนังลำไส้จำลองเพื่อศึกษาความสามารถในการดูดซึมสารอาหารและการนำสารอาหารนั้นไปใช้ประโยชน์

เทคโนโลยีระบบจำลองการย่อยอาหาร

เพื่อที่จะสร้างความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับระบบการย่อยและการดูดซึมอาหารเพิ่มขึ้น ทีมวิจัย สวทช. ได้ใช้ระบบจำลองการย่อยอาหาร (Simulated Gut Model) แบบ TNO Intestinal Models หรือ TIM Model เป็นเครื่องมือในการวิจัยและพัฒนา

เครื่อง TIM เป็นแบบจำลองพลวัต (Dynamic Model) ที่เลียนแบบระบบทางเดินอาหาร ประกอบด้วยกระเพาะอาหาร ลำไส้เล็ก และลำไส้ใหญ่ การทำงานของเครื่องจะใช้ซอฟต์แวร์ในการควบคุมพารามิเตอร์ต่าง ๆ ให้มีสภาวะใกล้เคียงกับที่เกิดขึ้นในระบบทางเดินอาหาร เช่น อุณหภูมิ การปลดปล่อยกรดหรือเอมไซม์ต่าง ๆ และการเก็บตัวอย่างอาหารที่ผ่านการย่อยแล้ว (Dialysate) ตามช่วงเวลาต่าง ๆ เพื่อนำไปวิเคราะห์ผลการย่อยต่อไป

ดร.ชัยวุฒิ กมลพิลาส นักวิจัยอาวุโส ทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหาร ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) กล่าวว่า การจำลองการย่อยอาหารโดยทั่วไปนั้นมักทดสอบโดยใช้โมเดลแบบสถิต (Static Model) หากนึกภาพง่าย ๆ คือ การย่อยในแต่ละส่วนของระบบทางเดินอาหารในหลอดทดลอง โดยจำลองสภาวะของเหลวต่าง ๆ ที่อยู่ในอวัยวะที่เกี่ยวกับกระบวนการย่อยส่วนต่าง ๆ แล้วจึงนำสิ่งที่ย่อยเสร็จแล้วไปย่อยหรือศึกษาต่อในส่วนถัดไป ซึ่งจะไม่เหมือนกับระบบย่อยอาหารในร่างกายจริง

ในขณะที่แบบจำลอง TIM Model เป็นแบบพลวัต คือมีการเคลื่อนที่ต่อเนื่องตลอดเวลา อะไรที่ถูกย่อยระดับหนึ่งแล้ว ก็พร้อมที่จะถูกส่งต่อไปยังส่วนถัดไปตามลำดับของอวัยวะในระบบทางเดินอาหารเมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสม ดังนั้น ผลทดสอบที่ได้จึงมีความใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากกว่าโมเดลแบบสถิต

โดยทีมวิจัยเอ็มเทคสนใจการย่อยส่วนบนคือกระเพาะอาหารและลำไส้เล็ก ศึกษาความสามารถในการย่อยอาหาร (Digestibility) เพื่อดูว่าอาหารที่วิจัยและพัฒนาขึ้นถูกย่อยได้ง่ายหรือยาก และศึกษาประสิทธิภาพในการเปลี่ยนองค์ประกอบของอาหารจากโมเลกุลใหญ่เป็นโมเลกุลเล็กลงและพร้อมที่จะถูกดูดซึม (Bioaccessibility) เป็นอย่างไร เช่น โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ไขมันเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ ร่างกายไม่สามารถดูดซึมไปใช้ได้ ดังนั้น โปรตีนต้องถูกย่อยให้เป็นโมเลกุลที่เล็กที่สุดคือ กรดอะมิโน ส่วนคาร์โบไฮเดรตคือ กลูโคส และไขมัน คือกรดไขมัน

เครื่อง TIM ที่ใช้ศึกษาการย่อยส่วนบนนั้นมี 2 รุ่น คือ TIM-1 ซึ่งเป็นรุ่นแรก และ tiny-TIMsg แต่ที่ สวทช. มีเครื่อง tiny-TIMsg ความแตกต่างระหว่าง TIM-1 และ tiny-TIMsg คือ ตัวเครื่อง TIM-1 ประกอบด้วยกระเพาะอาหารที่มีรูปร่างเป็นท่อตรง และลำไส้เล็กที่แยกเป็นลำไส้เล็กทั้ง 3 ส่วนดังกล่าวข้างต้น ทำให้เครื่องมือมีขนาดใหญ่ อีกทั้งการออกแบบกระเพาะที่เป็นท่อตรงจะส่งผลต่อการย่อยอาหาร ทำให้ลักษณะการย่อยของอาหารแตกต่างจากกระเพาะจริง ส่วนเครื่อง tiny-TIMsg มีการพัฒนาส่วนกระเพาะให้มีรูปร่างและลักษณะการบีบรัดเสมือนกระเพาะจริงมากขึ้น แต่ปรับส่วนของลำไส้เล็กให้เหลือเพียง 1 ส่วน ซึ่งยังให้ผลทดสอบที่ใกล้เคียงกับระบบ TIM-1 ที่มีลำไส้เล็กทั้ง 3 ส่วน ทำให้เครื่องมีขนาดเล็กลงและสามารถวางบนโต๊ะได้

ส่วนการศึกษาในลำไส้ใหญ่ โดยใช้เครื่อง TIM-2 ดร.ชัยวุฒิกล่าวว่า งานวิจัยส่วนนี้จะรับผิดชอบหลัก โดย ดร.มณชยา และคณะ จากทีมวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพทางอาหาร ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (ไบโอเทค) ที่มีความเชี่ยวชาญด้านจุลชีววิทยา (Microbiology) นอกจากนี้ยังได้ร่วมกับทีมวิจัยวัสดุศาสตร์อาหาร เอ็มเทค พัฒนาสารเพคติกโอลิโกแซ็กคาไรด์ (pectic-oligosaccharides หรือ POS) ซึ่งเป็นพรีไบโอติกที่เตรียมจากสารเพคติน (pectin) โดยทำให้โครงสร้างเพคตินมีขนาดเล็กลง

เบื้องต้นได้มีการทดสอบกับจุลินทรีย์สายพันธุ์เดี่ยว (Single Stain) ในหลอดทดลอง พบว่า POS เป็นสารพรีไบโอติกที่ส่งเสริมการเจริญของจุลินทรีย์ที่ผลิตกรดไขมันสายสั้นที่น่าสนใจ ซึ่งทีมวิจัยกำลังขยายผลการวิจัยโดยจะทดสอบกับจุลินทรีย์ที่อยู่รวมกันเป็นกลุ่ม (Colony) โดยใช้เครื่อง TIM-2 เพื่อวิเคราะห์ประสิทธิภาพของการเป็นสารพรีไบโอติกของ POS ต่อไป นอกจาก POS แล้ว ทีมวิจัยยังมีแผนที่จะศึกษาสารพรีไบโอติกกลุ่มอื่น ๆ อีกด้วย เช่น ไซโลโอลิโกแซ็กคาไรด์ (xylo-oligosaccharides) หรือสตาร์ชทนย่อย (Resistant Starch)

การทำงานเครื่อง tiny-TIMsg และ TIM-2 ดร.ชัยวุฒิ อธิบายว่า เครื่องทั้ง 2 โมเดลสามารถจำลองสภาวะเหมือนจริงได้ โดยปรับ pH ตามเวลาที่กำหนด, เวลาในการย่อย, การหลั่งและองค์ประกอบของกรดหรือเอนไซม์ต่าง ๆ (Digestive Fluids) ที่เสมือนจริง, การผสมและการบีบตัวของกระเพาะและลำไส้ใหญ่, การควบคุมอุณหภูมิและระดับออกซิเจน เนื่องจากลำไส้ใหญ่เป็นสภาวะไร้ออกซิเจน และการระบายของสารพร้อมใช้ทางชีวภาพที่ได้จากการย่อยสิ่งทดสอบออกจากลำไส้เล็ก เนื่องจากบริเวณลำไส้เล็กจะมีตัวกรองที่สามารถกรองอนุภาคขนาดเล็กกว่า 5 ไมโครเมตร

ดังนั้นสารที่ผ่านตัวกรองได้จะมีขนาดเล็กมากและพร้อมที่จะถูกดูดซึมต่อ ซึ่งจะนำไปวิเคราะห์สารที่สนใจ เช่น ถ้าสนใจโปรตีน ก็จะสามารถนำสารที่ผ่านตัวกรองแต่ละช่วงระยะเวลาของการย่อยมาวิเคราะห์ว่ามีกรดอะมิโนชนิดใดบ้าง และครบตามที่ร่างกายต้องการหรือไม่

การนำ “ระบบจำลองการย่อยอาหาร” ไปประยุกต์ใช้

เครื่อง tiny-TIMsg สามารถจำลองสภาวะ รวมถึงปรับพารามิเตอร์ต่าง ๆ ให้เสมือนกระเพาะและลำไส้เล็กของจริงได้ ดร.ชัยวุฒิ กล่าวว่า เครื่องนี้สามารถปรับสภาวะได้หลากหลาย เช่น ถ้าศึกษาการย่อยในคน ก็ปรับอุณหภูมิที่ 37ºC หรือถ้าต้องการศึกษาการย่อยของสัตว์กระเพาะเดี่ยว เช่น หมู สุนัข หรือแมว ก็สามารถปรับอุณหภูมิได้ตามอุณหภูมิของสัตว์เหล่านั้น สำหรับการศึกษาการย่อยในคนนั้น ยังสามารถศึกษาจำเพาะกลุ่มผู้บริโภคได้อีก เช่น เด็ก ผู้ใหญ่ หรือผู้สูงอายุ ซึ่งแต่ละช่วงวัยก็จะมีความแตกต่างกันในเรื่องของปริมาณอาหารที่รับประทาน ปริมาณน้ำย่อยหรือเอนไซม์ที่หลั่ง การบีบรัดของกระเพาะ เวลาที่ผ่านจากกระเพาะไปสู่ลำไส้, ชนิดของอาหาร เช่น เนื้อสัตว์ โปรตีนทางเลือก หรืออาหารเจ ซึ่งมีกลไกการย่อยที่แตกต่างกัน และสภาวะช่วงอดอาหารหรือรับประทานอาหาร เป็นต้น

เครื่อง tiny-TIMsg สามารถใช้ในการประเมินดัชนีไกลซีมิก (Glycemic Index, GI) การประเมินประสิทธิภาพในการเปลี่ยนองค์ประกอบของอาหารและยาจากโมเลกุลใหญ่เป็นโมเลกุลเล็กลงและพร้อมที่จะถูกดูดซึม การประเมินศักยภาพของผลิตภัณฑ์พรีไบโอติก การรอดชีวิตหรือการทนต่อการย่อยของผลิตภัณฑ์โพรไบโอติก การประเมินอันตรกิริยาระหว่างสิ่งทดสอบกับอาหาร เช่น สารอาหารบางอย่างในอาหารสามารถจับตัวกับน้ำดี ทำให้น้ำดีย่อยไขมันได้ไม่ดี

นอกจากตัวอย่างอาหารแล้ว ระบบนี้ยังใช้ศึกษาตัวอย่างยา เช่น ช่วงเวลาที่ยาจะปลดปล่อยสารสำคัญ, ประสิทธิภาพในการออกฤทธิ์ เช่น ยาบางชนิดหากรับประทานพร้อมกับน้ำส้ม หรือเครื่องดื่มที่มีแคลเซียม หรือน้ำที่ปรับความหนืดสำหรับผู้ที่มีปัญหาการกลืน ที่ใช้สารปรับความหนืดแบบมีประจุ อาจทำให้ยามีประสิทธิภาพลดลง เนื่องจากทั้งแคลเซียมและประจุอาจจะไปจับกับสารสำคัญในยา ทำให้การปลดปล่อยสารสำคัญเปลี่ยนไป

ส่วนเครื่อง TIM-2 สามารถใช้ในการประเมินศักยภาพของผลิตภัณฑ์พรีไบโอติก โพรไบโอติก ซินไบโอติก (Synbiotic) ต่อการเปลี่ยนแปลงของจุลินทรีย์ รวมถึงการประเมินการปล่อยยาและสารออกฤทธิ์ในลำไส้ใหญ่ และการเปลี่ยนรูปของยา หรือสารพิษจากปฏิสัมพันธ์กับจุลินทรีย์ในลำไส้

โดยทีมวิจัยสนใจที่จะศึกษาอิทธิพลของเมทริกซ์อาหาร (Food Matrix) ต่อการย่อยอาหารให้มากขึ้น เนื่องจากทำให้ทราบว่าควรปรับปรุงหรือพัฒนาอาหารให้มีเมทริกซ์อาหารแบบใดที่จะช่วยส่งเสริมการย่อย หรือทำให้ย่อยช้าลง เพื่อให้ผู้บริโภครู้สึกอิ่มนานขึ้น ช่วยให้บริโภคน้อยลง การพัฒนาเมทริกซ์อาหารเป็นแนวทางที่น่าสนใจอย่างหนึ่งในการป้องกันปัญหาโรคอ้วน ซึ่งเป็นปัญหาสุขภาพที่พบมากในประชากรโลก

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ ThaiPBS 

--------------------------
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

ข้อมูลอ้างอิง : ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)