WO2019203632A1 - Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano - Google Patents

Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano Download PDF

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WO2019203632A1
WO2019203632A1 PCT/MX2018/000113 MX2018000113W WO2019203632A1 WO 2019203632 A1 WO2019203632 A1 WO 2019203632A1 MX 2018000113 W MX2018000113 W MX 2018000113W WO 2019203632 A1 WO2019203632 A1 WO 2019203632A1
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fluid transfer
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Marisela GONZÁLEZ ÁVILA
Silvestre De Jesús CHÁVEZ BAUTISTA
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Centro De Investigación Y Asistencia En Tecnología Y Diseño Del Estado De Jalisco A.C.
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    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
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    • G—PHYSICS
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    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine

Definitions

  • the present invention is developed in the field of mechanics and electrical, having as main objective, the automation of processes; in which a system for the simulation of the human digestive tract is described and claimed, which is possible to adapt and scale according to the simulation needs of different populations. Additionally, it is a small team that facilitates its mobility.
  • the function of the digestive system is the transformation of complex food molecules into simple substances and easily usable by the body.
  • the digestive tract is about eleven meters long. In the mouth, digestion begins properly. The teeth crush food and the secretions of the salivary glands moisturize them and begin their chemical decomposition. Then, in swallowing, the food bolus reaches the stomach, whose mucosa secretes gastric juice. (Ganong, W. 1991. Gastrointestinal Function. New Yorkr.McGraw).
  • the essential function of the stomach is to reduce food to a semi-fluid mass of uniform consistency called chyme, which then passes into the duodenum.
  • the stomach also acts as a temporary food reservoir (Ganong, 1991).
  • the stomach has a glandular mucosa that secretes high concentrations of hydrochloric acid (HCI), with pH (2.0-2.5) that denatures proteins, facilitates the hydrolysis process and acts as a bactericide: the gastric mucosa that forms a gel that acts as a protector At low pH levels, HCO-3 neutralizes acidity, various hormones and gastric lipases.
  • HCI hydrochloric acid
  • pH 2.0-2.5
  • the small intestine begins in the pylorus and ends in the leocecal valve, it has numerous intestinal villi that increase the intestinal absorption surface of nutrients. After food is combined with stomach acid, they descend into the duodenum, where they mix with bile from the gallbladder and digestive juices of the pancreas, the absorption of vitamins, minerals and other nutrients begins in the small intestine (Steiner , A, and Middleton, S. (2001). Human Physiology.
  • the large intestine has as its main function the formation of feces and houses a large bacterial variety that forms the microbiota, which among other functions degrades the cellulose of plant-based foods. It is divided into several parts: blind (where the small intestine flows), colon (ascending, transverse and descending) and rectum / anus, final part of the digestive tract through which food waste is eliminated in the form of feces. (Steiner & Middleton, 2001)
  • the intestine of humans has a microbial ecosystem of great diversity, there are at least 400-500 species of bacteria present in the human fecal biota, with concentrations of up to 10 11 microorganisms per gram of feces (Vitapole, D. (2002) The world of microbes International Congress of Biotechnology and Microbiology
  • the gastrointestinal tract harbors a complex grouping of microorganisms;
  • the microbiota is made up of about 1200 different species of bacteria, most of them benign where the highest concentrations are located in the colon (Olvera, 2015).
  • the microbiota begins immediately after birth, becoming more complex with increasing age, it is essential for intestinal development and homeostasis, in addition, plays an important role in strengthening the immune system (Barroso et al., 2015).
  • Murine and Mucosal Homeostasis 2015 PLoS One. Jun 17; 10 (6) have indicated that the native microbiota of animal models is not comparable with that of humans. Therefore, researchers have simulated the human digestive tract in vitro and ex vivo. Thus the knowledge of the physiology of the human digestive tract is important, in order to carry out the simulation.
  • pH profiles and microbiota composition may vary.
  • Microbiota and substrates are incubated in reactors for a certain period.
  • Dynamic systems include interactions between emptying
  • Mcfarlane Mcfarlane GT, Hay S, Gibson GR. 1989.
  • Reactor 1 corresponds to the duodenum and jejunum ; Reactor 2, Ileon;
  • Reactor 3 ascending colon; Reactor 4, transverse colon; Reactor 5, descending colon.
  • the five reactors are stirred with magnetic stirrers.
  • Each reactor has eight ports: introduce or obtain culture medium, sample from the liquid phase or gas phase, pH electrode, pH control (acid or base), for discharges from the gas zone.
  • the transfer of fluids between the reactors is carried out with pumps.
  • Ex vivo digestion systems have been used to describe metabolic processes that occurred in the different compartments that constitute it; thus they have been used to quantify the metabolites generated by the metabolic action of the microbiota present in the digestive tract.
  • Said simulator executes the process of the invention application MX / a / 2012/005418, which performs a digestive evaluation process with solid foods, liquids, isolated ingredients, food supplements, additives, drugs and / or excipients, preserving the physiological parameters necessary to create the conditions closest to the reality within the body. This it allows the data obtained from the system to be equivalent to the results that can be obtained in real people; No need to perform invasive tests.
  • the invention application MX / a / 2015/014433 refers to an automated system for the simulation of the human digestive tract, which also executes the aforementioned process.
  • the aforementioned invention has an interface that must be managed by specialists in the field, in addition to operating it requires a greater investment in training, computer equipment and various processes for the execution of the programs.
  • the present invention corresponds to a compact system that has a simple, user-friendly interface, easy to be handled by a person with average knowledge in the subject.
  • the present invention has more accessible components, which facilitate its assembly, in addition to reducing construction costs and improving spatial distribution, which makes it a friendly and easy-to-handle equipment.
  • Another important difference of the present invention with respect to the aforementioned system is that it does not require containers of particular design, which makes it versatile. Due to its compact size, it reduces costs related to the input of reagents, enzymes, products to be evaluated, quantity of samples to be processed, operating times of the personnel in charge and electrical supplies.
  • the present invention has signal acquisition cards, which makes communication between the actuators and the control system easier, which results in fast and efficient information processing.
  • Another difference in the present invention is the use of an individual heating system, which allows optimum control in the individual conditions in each section of the simulator, unlike the cited invention.
  • the present invention corresponds to a compact system for the simulation of the human digestive tract comprising a simulation module of the stomach (101), a simulation module of the small intestine (102), a simulation module of the ascending colon (103), a transverse colon simulation module (104), a descending colon simulation module (105), a waste container (106), five fluid transfer systems, five pH monitoring systems, five systems stirring, five user interface systems, five heating systems, where the simulation modules are connected to each other through fluid transfer systems.
  • Each simulation module has a fluid transfer system, a pH monitoring system, a stirring system, a user interface system and a heating system.
  • the simulation modules comprise a reactor (110), pH sensors (211), a pH monitoring system (201), a stirring system (301), a user interface system (401), a monitoring system fluid transfer (601), a heating system (701) and a general control system (501).
  • the pH monitoring systems of each module comprise a pH sensor (211), a signal acquisition and processing card (221), a pH sensor cable (231), wherein the pH sensor (211) is it connects through the pH sensor cable (231) to the signal acquisition and processing card (221) and through the general control system (501) of the module processes and sends the signal.
  • the stirring system of each module comprises a speed control system
  • the speed control system sends and receives data to the general control system (501).
  • the user interface system of each module comprises a keypad (411) and a screen (421).
  • the fluid transfer system (601) of each module comprises a peristaltic pump (611) connected to a pumping control system (621).
  • the heating system (701) of each module comprises control electronics (711) connected to a heat generating device (731), to the module control system (501) and to a temperature sensor (721).
  • the present invention corresponds to a system that simulates the human digestive tract, which reduces the volume of work on a 1: 4 scale, which is reflected in the reduction of the operating cost; as well as the ease of transport, installation and flexibility in the processes to be evaluated allowing to simulate the digestion of an individual or a population group.
  • Reduction of work volumes is achieved that include inputs that are reflected in the amount of food, enzymes and solutions necessary to achieve the desired conditions and in the amount of stabilized intestinal microbiota. As well as a lower consumption of electrical energy.
  • Another objective of the invention is to have a better distribution of bioreactors, which saves space and facilitates their manipulation for sampling and operation in general.
  • Another objective is to innovate the control system, which makes it more user friendly, by reducing the variables to be controlled, reducing the number of buttons for interaction and simulator control.
  • Another innovation is to separate the heating system for each module (Stomach,
  • Another objective of the invention is to facilitate the monitoring of the temperature and pH variables since the acquisition card allows quick and easy access, has noise isolation, is easy to replace and assemble and the signal processing times are reduced.
  • Another innovation is the pH system, by using components that allow rapid assembly, ease of sterilization, measurement and monitoring.
  • One of the main objectives of the present invention was to reduce the sizes without affecting the results of operation of the system since it is required to facilitate transportation, installation, as well as fast and safe electrical connection.
  • Figure 1. Isometric view of the compact system for the simulation of the human digestive tract.
  • Figure 2. General diagram of the compact system for the simulation of the human digestive tract.
  • FIG. General diagram of the Stomach, Small Intestine, Ascending Colon, Transverse Colon and Descending Colon modules.
  • Figure 4. Top view of the compact system for the simulation of the human digestive tract.
  • Figure 5. Perspective photograph of the compact system for the simulation of the human digestive tract.
  • Figure 8. Diagram of the agitation system.
  • Figure 10. Diagram of the user interface system.
  • Figure 13. Diagram of the fluid transfer system.
  • FIG. 14 Schematic of the fluid transfer system.
  • Figure 15. Diagram of the heating system.
  • the present invention is related to a compact system to simulate the human digestive tract which is presented in an isometric view in Figure 1 and in diagram in Figure 2.
  • Figure 2 shows the process flow through the existing connections between The different modules of the system.
  • the Stomach module (101), is connected to the Slim Intestine module (102) through a first Fluid Transfer system (601), the Slim Intestine module (102) is connected to the Ascending Colon module (103) by means of A second Noise Transfer system (602), the Ascending Colon module (103) is connected to the Transverse Colon module (104) in the same way using a third Fluid Transfer system (603), the Transverse Colon module (104) is connects to the Descending Colon module (105) using a fourth Fluid Transfer system (604), finally the Descending Colon module (105) is connected to a Waste container (106) by means of a last system of
  • the simulation modules Stomach (101), small intestine (102), ascending colon (103), transverse colon (104) and descending colon (105) are configured as shown in Figure 3, as a diagram, and that It is described in the following way: they comprise a reactor (110) made of sterilizable, hermetic, pressure and corrosion resistant material in whose cover the assembly of pH sensors (211) and holes for the supply and extraction of the content is adapted, a pH Monitoring system (201); a Stirring system (301), which allows to create an enveloping movement for the homogenization of the reactor contents, which is governed by a Speed Control system (341) that receives data from a User Interface system
  • the pH Monitoring system (201) of each module, Figures 6 and 7, comprises a pH sensor (211) connected through a pH sensor cable (231) to a card signal acquisition and processing (221). Communication with the general control system (501) is done through the signal acquisition and processing card
  • the pH sensor sends the signal to the acquisition card, the General System of
  • the agitation system (301) of each module, Figures 8 and 9, comprises a Speed Control system (341) that receives and sends data to the general control system (501) and is fed through an Interface system with the User (401).
  • the speed control system is connected to a direct current motor (CD) (311), connected in turn to a shaking implement (321) and this is connected to an agitator (331). With this system an enveloping movement is created for the homogenization of the reactor contents.
  • the user interface system (401) of each module, Figures 10, 1 1 and 12 comprises a keypad (411) for entering the parameters to be used in the system, and at least one output device such as a display of liquid crystal (LCD) (421) that allows the visualization of the simulation status, as well as the pH and temperature levels.
  • the Fluid Transfer System (601) of each module, Figures 13 and 14, comprises a pump that can be peristaltic (611) connected to a pumping control system
  • the Heating system (701) of the modules, Figures 15 and 16 comprises control electronics (711) to which a heat generating device (731) is connected.
  • the control electronics are connected to the Control System of the module (501), to which a digital temperature sensor (721) is connected.
  • the sensor sends a continuous signal to the Control System (501), it performs the signal process, activates or deactivates the control electronics to turn the heat generator on or off, to maintain the temperature reference indicated in the programming of the Control System (501).
  • a waste container (106), in which the final biomass is deposited, the result of each completed digestion process.
  • This container is made of sterilizable, hermetic, pressure and corrosion resistant material to which a lid for the assembly of devices for the supply and extraction of the content is adapted.
  • the compact human digestive tract simulation system works by executing the following serial steps: turn on and calibrate pH sensors (211) - »monitor systems
  • Monitor activated agitation control -> end of residence time -> transfer of content to the waste container (106) - »ends simulation process of a food administration
  • Each module has its own control systems and sensors, the only signal through which they connect is the one that indicates that the residence time in one module has ended to make the transfer to the other module and being independent they may be working Transfers at the same time.

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Abstract

La presente invención está relacionada con un sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano, donde se simulan condiciones fisiológicas para la digestión del humano, se pueden controlar las condiciones de operación de cada uno de los reactores de manera independiente (estómago, intestino delgado, colon ascendente, colon transverso, colon descendente), monitoreo y control de temperatura, monitoreo de pH, así como el establecimiento de una interfaz con el usuario para el control de operación y calibración del sistema, logrando un sistema de simulación lo más semejante a la fisiología humana.

Description

SISTEMA COMPACTO PARA LA SIMULACIÓN DEL TRACTO DIGESTIVO HUMANO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se desarrolla en el campo de la mecánica y eléctrica, teniendo como objetivo principal, la automatización de procesos; en la cual se describe y reclama un sistema para la simulación del tracto digestivo humano, el cual es posible adaptar y escalar acorde a las necesidades de simulación de diferentes poblaciones. Adicionalmente se trata de un equipo reducido de tamaño que facilita la movilidad del mismo.
ANTECEDENTES
La función del aparato digestivo es la transformación de las moléculas complejas de los alimentos en sustancias simples y fácilmente utilizables por el organismo.
Estos compuestos nutritivos simples son absorbidos por las vellosidades intestinales, que tapizan el intestino delgado. Así pues, pasan a la sangre y nutren todas y cada una de las células del organismo.
Desde la boca hasta el ano, el tubo digestivo mide unos once metros de longitud. En la boca ya empieza propiamente la digestión. Los dientes trituran los alimentos y las secreciones de las glándulas salivales los humedecen e inician su descomposición química. Luego, en la deglución, el bolo alimenticio llega al estómago, cuya mucosa secreta el jugo gástrico. (Ganong, W. 1991. Función Gastrointestinal. New Yorkr.McGraw).
Estómaao
La función esencial del estómago es reducir los alimentos a una masa semifluida de consistencia uniforme denominada quimo, que pasa luego al duodeno. El estómago también actúa como reservorio transitorio de alimentos (Ganong, 1991).
El estómago tiene una mucosa glandular que secreta altas concentraciones de ácido clorhídrico (HCI), con pH (2.0- 2.5) que desnaturaliza proteínas, facilita el proceso de hidrólisis y actúa como un bactericida: la mucosa gástrica que forma un gel que actúa como protector a los bajo niveles de pH, HCO-3 neutraliza la acidez, diversas hormonas y lipasas gástricas. Intestino delgado
El intestino delgado se inicia en el píloro y termina en la válvula ¡leocecal, presenta numerosas vellosidades intestinales que aumentan la superficie de absorción intestinal de los nutrientes. Después de que los alimentos se combinan con el ácido estomacal, descienden al duodeno, donde se mezclan con la bilis proveniente de la vesícula biliar y los jugos digestivos del páncreas, la absorción de vitaminas, minerales y otros nutrientes comienza en el intestino delgado (Steiner, A, y Middleton, S. (2001). Fisiología Humana.
Biblioteca Digital de Chile).
Intestino grueso
El intestino grueso tiene como función principal la formación de las heces y alberga una gran variedad bacteriana que conforma la microbiota, que entre otras funciones degrada la celulosa de los alimentos de origen vegetal. Se divide en varias partes: ciego (dónde desemboca el intestino delgado), colon (ascendente, transversal y descendente) y recto/ano, parte final del tubo digestivo por la que se eliminan los residuos alimentarios en forma de heces. (Steiner & Middleton, 2001 )
Microbiota Intestinal
El intestino de los seres humanos posee un ecosistema microbiano de una gran diversidad, existen al menos 400-500 especies de bacterias presentes en la biota fecal humana, con concentraciones de hasta 1011 microorganismos por gramo de heces (Vitapole, D. (2002). El mundo de los microbios. Congreso Internacional de Biotecnología y Microbiología
Aplicada).
El tracto gastrointestinal (TGI) alberga una compleja agrupación de microorganismos; la microbiota se conforma cerca de 1200 especies distintas de bacterias, la mayoría de ellas benignas donde las concentraciones mayores se localizan en el colon (Olvera, 2015). La microbiota inicia inmediatamente después del nacimiento, volviéndose más compleja con el aumento de la edad, es esencial para el desarrollo intestinal y la homeostasis, además, juega un papel importante en el fortalecimiento del sistema inmune (Barroso y cois., 2015).
Los cambios en la microbiota intestinal se deben a consecuencia de la variabilidad en la dieta, condiciones patológicas, terapia con antibióticos, inmunosupresión, consumo de prebióticos, etc. (Dernen y Hylckama-Vlieg, 2015).
Hacer evaluaciones de digestibilidad de alimentos funcionales, fármacos, determinar efecto pre y probiótico en pacientes se complica debido a la poca disponibilidad y compromiso que llegan a tener con el tratamiento, o porque las intervenciones suelen ser invasivas, resultando un problema bioético. También se usan modelos animales para estudiar la interacción de estos elementos, sin embargo, aunque dan un acercamiento a los procesos fisiológicos de los humanos, recientes Investigaciones realizadas por Ritchie Le y cois., en
2015, (Ritchie LE, Taddeo SS, Weeks BR, Lima F, Bloomfield SA, Azcarate-Peril MA, Zwart
SR, Smith SM, Tumer ND. Impacto de Factores Ambientales sobre la Microbiota del Colon
Murino y la Homeostasis Mucosa. 2015 PLoS One. Jun 17; 10(6) han señalado que la microbiota nativa de los modelos animales, no es comparable con la de los humanos. Por lo tanto, investigadores han simulado el tracto digestivo humano in vitro y ex vivo. Así el conocimiento de la fisiología del tracto digestivo humano resulta importante, para poder llevar a cabo la simulación.
El interés por estudiar el comportamiento de las bacterias existentes en el aparato digestivo ha llevado a especialistas a diseñar diversas formas de simular cada una de sus regiones, cada autor ha diseñado su propio simulador del tracto digestivo teniendo en consideración o no el ecosistema intestinal microbiano, tratando de asemejarse lo más posible a las condiciones existentes en esta parte del cuerpo.
Sin embargo, en los modelos in vitro utilizados hasta ahora no se ha encontrado un proceso que simule de manera fisiológica el proceso de la digestión en forma artificial, por lo que los resultados encontrados en el estado del arte no satisfacen las necesidades de la industria de los alimentos, toda vez que los resultados no son confiables en el sentido de lograr una simulación "real". Los modelos in vitm pueden ser usados como una herramienta para estudiar interacciones microbiológicas. Sin embargo, es muy importante que incluyan los parámetros suficientes
para obtener la información que se requiere, en un sistema tan simple como sea posible.
Cuando se usa un modelo in vitro del tracto digestivo, es necesario contar con información
de los parámetros más relevantes in vivo como la bioquímica en el tracto gastrointestinal,
tiempos de residencia, rangos de secreción y composición de los jugos digestivos y biliares,
perfiles de pH y composición de microbiota, entre otros. Estos parámetros pueden variar
entre especies, en individuos adultos y jóvenes y en personas con padecimientos
metabólicos.
Existen varios tipos de modelos. Los modelos en Batch son sistemas simples donde la
microbiota y los sustratos son incubados en reactores por un periodo determinado. Los
modelos en continuo son sistemas donde el cultivo es regularmente alimentado. Muchos
de estos reactores pueden ser conectados para simular diferentes partes del sistema
gastrointestinal. Los sistemas dinámicos incluyen las interacciones entre al vaciado
gástrico, pH estomacal, secreción, absorción de agua, remoción de productos de la
digestión o metabolitos de los microorganismos, tránsito del alimento a través de las
diferentes secciones del tracto digestivo.
Como antecedente, en 1993 Molly (Molly, K., Vande, M., &Verstraete,W. 1993. Desarrollo
de un reactor multi-cámara de 5 pasos, como Simulador del Ecosistema Microbiótico
i Intestinal Humano. Microbiología y Biotecnología Aplicada, 254-258) antecedido por los
trabajos de Miller y Woiin (Mac Miller TL, Wolin MJ. 1981. Fermentación por la Comunidad
Microbiana Humana del Intestino Grueso en un Sistema de Cultivo in vitro Semi-Continuo
42:400-407-417); Veilleux y Rouland (Veilleux B, Rowland IR .1981. Simulación del
Ecosistema Intestinal de una rata mediante un Sistema de Cultivo Continuo de dos Fases.
J Gen Microbiol123: 103-1 15); Gibson (Gibson GR, Cummings JH, Macfarlane GT. 1988.
Uso de un Sistema de Cultivo continuo de tres fases para el estudio del efecto de la mucina
en la Reducción Disimilatoria de Sulfato y Metanogénesis en la Microbiota Humana Intestinal de Diferentes Poblaciones.) y Mcfarlane (Mcfarlane GT, Hay S, Gibson GR. 1989.
Influencia de la mucina en la glucosidasa, proteasa y arilamidasa de la microbiota intestinal
Humana, cultivada en un Sistema de tres etapas continuas. J Appl Bacteriol 66: 407-417), disertó un sistema de cinco etapas denominado Simulador del Ecosistema Microbio Intestinal Humano (SHIME por sus siglas en inglés), consta de ocho contenedores de los cuales cinco son reactores: Reactor 1 corresponde al duodeno y yeyuno; Reactor 2, Ileon;
Reactor 3, colon ascendente; Reactor 4, colon transverso; Reactor 5, colon descendente.
Los cinco reactores son agitados con agitadores magnéticos. Cada reactor tiene ocho puertos: introducir u obtener medio de cultivo, muestrear de la fase liquida o fase gaseosa, electrodo de pH, control de pH (ácido o base), para descargas de la zona de gas. La transferencia de fluidos entre los reactores es realizada con bombas.
En 2000, De Boever (De Boever, P., Deplancke, B., & Verstraete, W.2000. Fermentación mediante microbiota cultivada en un Simulador del Ecosistema Microbiano Intestinal
Humano, Optimizado con Suplemento de Polvo de Soya. Métodos en Nutrición , 2599- 2606) hizo una adaptación del sistema donde ahora el reactor 1 corresponde al estómago y el reactor 2 corresponde al intestino delgado. Los reactores 3, 4 y 5 continúan en la simulación del colon.
En 2004, Posseimers (Possemiers S, Verthé K, Uyttendaele S, Verstraete W. 2004. Cuantificación de la estabilidad de Comunidad microbiológica mediante PCR-DGGE en un Simulador del Ecosistema Microbiológico Intestinal Humando) Ecol. 1 ,49(3):495-507), hace una siguiente adaptación al sistema incorporando la alimentación del sistema en tres tiempos durante el día, a razón de 250 mL/día, volumen fijo. Por lo que la administración al sistema se realiza en un sólo volumen fijo, sin variaciones en tiempos y cantidades.
Con el objetivo de estudiar la composición de la microbiota intestinal y la actividad metabólica en diferentes secciones del tracto gastrointestinal, se requerirían de muchas muestras de Individuos sanos que éticamente es Imposible de obtener, pueden usarse modelos animales pero las diferencias anatómicas y fisiológicas dificultan trasladar los resultados a la aplicación en humanos. Las técnicas de estudio in vitro y ex vivo ofrecen ventajas por tener la posibilidad de acceso a muestras vivas, hipotéticamente controladas y que replican procesos fisiológicos humanos.
Los sistemas de digestión ex vivo, han sido utilizados para describir procesos metabólicos ocurridos en los diferentes compartimentos que lo constituyen; así se han utilizado para cuantificar los metabolitos generados por la acción metabólica de la microbiota presente en el tracto digestivo.
El inicio de los modelos completos de digestión ex vivo fue con la simulación del intestino delgado en dos secciones y al intestino grueso en tres. Sin embargo, este modelo se ha ido modificando. En este sentido existen tres modelos de simulación que tienen entre ellos diferencias estructurales y funcionales: 1. SHIME, donde se simulan diferentes secciones de tracto digestivo (Duodeno + Yeyuno; íleon, colon ascendente, transverso y descendente). 2. EnteroMix, donde se consideran cuatro contenedores que mimetizan diferentes secciones del colon, (Ascendente, transverso, descendente y distal). 3 TIM-1 y ΊΊM-2 que son modelos gastrointestinales desarrollados por la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada (TNO). En ios cuales TΊM-1 simula ai estómago e intestino delgado, TIM-2 simula al colon, sin embargo, a pesar de que llega a simular parámetros fisiológicos, no están interconectados entre sí, y su principal objetivo no es trabajar con microbiota intestinal.
Hasta ahora el simulador más completo y actual, se encuentra en el Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco A.C: (CIATEJ). El cuál se compone de seis biorreactores: Estómago, Intestino Delgado, Colon Ascendente, Colon
Transverso, Colon Descendente y Residuos. Dicho simulador ejecuta el proceso de la solicitud de invención MX/a/2012/005418, el cual realiza un proceso de evaluación digestiva con alimentos sólidos, líquidos, ingredientes aislados, suplementos alimenticios, aditivos, fármacos y/o excipientes, conservando los parámetros fisiológicos necesarios para crear las condiciones más cercanas a la realidad que hay dentro del cuerpo. Esto permite que los datos obtenidos del sistema sean equivalentes a los resultados que se pueden obtener en personas reales; sin necesidad de realizar análisis invasivos.
La solicitud de invención MX/a/2015/014433, se refiere a un sistema automatizado para la simulación del tracto digestivo humano, que también ejecuta el proceso antes mencionado. Sin embargo, difiere del presente desarrollo porque la invención citada cuenta con una interfaz que debe ser manejada por especialistas en la materia, además para operarlo requiere de una mayor inversión en capacitación, equipo de cómputo y varios procesos para la ejecución de los programas. Por su parte, la presente invención corresponde a un sistema compacto que cuenta con una Interfaz sencilla, amigable con el usuario, fácil para ser manejada por una persona con conocimientos medios en el tema.
La presente invención cuenta con componentes más accesibles, que facilitan su armado, además de reducir los costos de construcción y mejorar la distribución espacial, lo que lo hace un equipo amigable y de fácil manipulación. Otra importante diferencia de la presente invención respecto del sistema anteriormente citado es que no requiere de contenedores de diseño particular, lo que lo hace versátil. Por su tamaño compacto reduce costos relacionados al insumo de reactivos, enzimas, productos a evaluar, cantidad de muestras a procesar, tiempos de operación del personal a cargo y a los insumos eléctricos.
Es importante mencionar que la presente invención cuenta con tarjetas de adquisición de señales, que hace más fácil la comunicación entre los actuadores y el sistema de control, que se traduce en un procesamiento de información rápido y eficaz.
Otra diferencia en la presente invención, es el uso de un sistema de calefacción individual, lo que permite un control óptimo en las condiciones individuales en cada sección del simulador a diferencia de la invención citada.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención corresponde a un sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano que comprende un módulo de simulación del estómago (101), un módulo de simulación del Intestino delgado (102), un módulo de simulación del colon ascendente (103), un módulo de simulación del colon transverso (104), un módulo de simulación del colon descendente (105), un contenedor de residuos (106), cinco sistemas de transferencia de fluidos, cinco sistemas de monitoreo de pH, cinco sistemas de agitación, cinco sistemas de interfaz con el usuario, cinco sistemas de calefacción, en donde los módulos de simulación se encuentran conectados entre sí a través de sistemas de transferencia de fluidos. Cada módulo de simulación cuenta con un sistema de transferencia de fluidos, un sistema de monitoreo de pH, un sistema de agitación, un sistema de interfaz con el usuario y un sistema de calefacción.
Los módulos de simulación comprenden un reactor (110), sensores de pH (211), un sistema de monitoreo de pH (201), un sistema de agitación (301 ), un sistema de interfaz con el usuario (401 ), un sistema de transferencia de fluidos (601), un sistema de calefacción (701) y un sistema de control general (501).
Los sistemas de monitoreo de pH de cada módulo comprende un sensor de pH (211), una tarjeta de adquisición y procesamiento de señales (221), un cable de sensor de pH (231), en donde el sensor de pH (211) se conecta a través del cable de sensor de pH (231) a la tarjeta de adquisición y procesamiento de señales (221) y a través del sistema general de control (501) del módulo procesa y envía la señal.
El sistema de agitación de cada módulo comprende un sistema de control de velocidad
(341), un motor de corriente directa (311), un implemento para agitar (321), un agitador (331) en donde el sistema de control de velocidad (341) se conecta al motor de corriente directa y al implemento para agitar el cual a su vez está conectado al agitador (331); el sistema de control de velocidad envía y recibe datos al sistema de control general (501).
El sistema de interfaz con el usuario de cada módulo comprende una botonera (411) y una pantalla (421).
El sistema de transferencia de fluidos (601) de cada módulo comprende una bomba peristáltica (611) conectada a un sistema de control de bombeo (621). El sistema de calefacción (701) de cada módulo comprende electrónica de control (711) conectada a un dispositivo generador de calor (731), al sistema de control del módulo (501) y a un sensor de temperatura (721).
La presente invención corresponde a un sistema que simula el tracto digestivo humano, que reduce en escala 1 :4 los volúmenes de trabajo, lo que se ve reflejado en la reducción del costo de operación; asi como la facilidad de transporte, instalación y flexibilidad en los procesos a evaluar permitiendo simular la digestión de un individuo o un grupo poblacional.
Se logra la reducción de volúmenes de trabajo que Incluyen insumes que se refleja en cantidad de alimento, enzimas y soluciones necesarias para lograr las condiciones deseadas y en la cantidad de microbiota intestinal estabilizada. Así como un consumo menor de energía eléctrica.
Otro objetivo de la invención es contar con una mejor distribución de los biorreactores, lo que ahorra espacio y facilita la manipulación de los mismos para la toma de muestra y la operación en general.
Otro objetivo es innovar el sistema de control, que lo hace más amigable al usuario, al reducir las variables a controlar, reducción del número de botones para la interacción y control del simulador.
Otra innovación es separar el sistema de calefacción para cada módulo (Estómago,
Intestino Delgado, Colon Ascendente, Colon Transverso y Colon Descendente) del sistema. Esto permite un control uniforme de cada sección del simulador, evitando que haya diferencias de temperatura entre ellos.
Otro objetivo de la invención es facilitar el monitoreo de las variables de temperatura y pH ya que la tarjeta de adquisición permite un acceso rápido y fácil, tiene aislamiento al ruido, es de fácil reemplazo y montaje y los tiempos de procesamiento de señal son reducidos.
Otra innovación es el sistema de pH, al utilizar componentes que permiten un armado rápido, facilidad de esterilización, medición y monitoreo. Uno de los objetivos principales de la presente Invención, era reducir los tamaños sin afectar los resultados de operación del sistema ya que es requerido facilitar la transportación, instalación, además de conexión eléctrica rápida y segura.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Vista Isométrica del sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano.
Figura 2.- Diagrama general del sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano.
Figura 3.- Diagrama general de los módulos Estómago, Intestino Delgado, Colon Ascendente, Colon Transverso y Colon Descendente.
Figura 4.- Vista superior del sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano.
Figura 5.- Fotografía en perspectiva del sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano.
Figura 6.- Diagrama del sistema de pH.
Figura 7.- Esquemático del sistema de pH.
Figura 8.- Diagrama del sistema de agitación.
Figura 9.- Esquemático del sistema de agitación.
Figura 10.- Diagrama del sistema de interfaz de usuario.
Figura 11.- Esquemático de la botonera.
Figura 12.- Esquemático de la pantalla LCD.
Figura 13.- Diagrama del sistema de transferencia de fluidos.
Figura 14.- Esquemático del sistema de transferencia de fluidos.
Figura 15.- Diagrama del sistema de calefacción.
Figura 16.- Esquemático del sistema de calefacción.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención está relacionada con un sistema compacto para simular el tracto digestivo humano el cual se presenta en una vista isométrica en la Figura 1 y en diagrama en la Figura 2. La Figura 2 muestra el flujo del proceso a través de las conexiones existentes entre los diferentes módulos del sistema. El módulo Estómago (101), se conecta al módulo Intestino Delgado (102) a través de un primer sistema de Transferencia de Fluidos (601), el módulo Intestino Delgado (102) se conecta con el módulo Colon Ascendente (103) por medio de un segundo sistema de Transferencia de Ruidos (602), el módulo Colon Ascendente (103) se conecta al módulo Colon Transversal (104) del mismo modo utilizando un tercer sistema de Transferencia de Fluidos (603), el módulo Colon Transversal (104) se conecta al módulo Colon Descendente (105) utilizando un cuarto sistema de Transferencia de Fluidos (604), finalmente el módulo Colon Descendente (105) se conecta a un contenedor de Residuos (106) mediante un último sistema de
Transferencia de Fluidos (605).
Los módulos de simulación Estómago (101), intestino delgado (102), colon ascendente (103), colon transversal (104) y colon descendente (105) se encuentran configurados como se presenta en la Figura 3, a manera de diagrama, y que se describe de la siguiente manera: comprenden un reactor (110) fabricado de material esterilizable, hermético, resistente a la presión y corrosión en cuya tapa se adapta el montaje de sensores de pH (211) y orificios para el suministro y extracción del contenido, un sistema de Monitoreo de pH (201); un sistema de Agitación (301), que permite crear un movimiento envolvente para la homogenización del contenido del reactor, el cual es gobernado por un sistema de Control de Velocidad (341) que recibe los datos de un sistema de Interfaz con el Usuario
(401); un sistema de Transferencia de Fluidos (601); y un sistema de Calefacción (701) Individual. Todos los sistemas de cada módulo envían y reciben señales a través de un Sistema de Control General del módulo correspondiente (501).
El sistema de Monitoreo de pH (201) de cada módulo, Figuras 6 y 7, comprende un sensor de pH (211) conectado a través de un cable de sensor de pH (231) a una tarjeta de adquisición y procesamiento de señales (221). La comunicación con el sistema de control general (501) se realiza a través de la tarjeta de adquisición y procesamiento de señales
(221). El sensor de pH envía la señal a la tarjeta de adquisición, el Sistema General de
Control (501 ) recibe la señal, la procesa y envía la señal para ser visualizada por el usuario. El sistema de agitación (301) de cada módulo, Figuras 8 y 9, comprende un sistema de Control de Velocidad (341) que recibe y envía datos al sistema de control general (501) y es alimentado a través de un sistema de Interfaz con el Usuario (401). El sistema de control de velocidad se conecta a un motor de corriente directa (CD) (311), conectado a su vez a un implemento para agitar (321) y este se conecta a un agitador (331). Con este sistema se crea un movimiento envolvente para la homogenizaclón del contenido del reactor.
El sistema de interfaz con el usuario (401) de cada módulo, Figuras 10, 1 1 y 12 comprende una botonera (411) para el ingreso de los parámetros a utilizar en el sistema, y al menos un dispositivo de salida como una pantalla de cristal liquido (LCD) (421) que permite la visualización del estatus de la simulación, así como los niveles de pH y temperatura. El sistema de Transferencia de Fluidos (601) de cada módulo, Figuras 13 y 14, comprende una bomba que puede ser peristáltica (611) conectada a un sistema de control de bombeo
(621). Una vez que el sistema de Control establece que el tiempo de residencia ha sido completado, manda un mensaje al sistema de Interfaz e inicia el envío de señales a la electrónica de bombeo para realizar la transferencia del contenido de un reactor a otro. El sistema de Calefacción (701) de los módulos, Figuras 15 y 16, comprende electrónica de control (711) al cual se le conecta un dispositivo generador de calor (731). La electrónica de control va conectada al Sistema de Control del módulo (501), a este se le conecta a su vez un sensor de temperatura digital (721). El sensor envía una señal continua al Sistema de Control (501), este realiza el proceso de la señal, activa o desactiva la electrónica de control para encender o apagar el generador de calor, para mantener la referencia de temperatura que se indica en la programación del Sistema de Control (501). Al final del sistema se encuentra un contenedor de residuos (106), en el cual se deposita la biomasa final, resultado de cada proceso de digestión completado. Este contenedor es fabricado de material esterilizable, hermético, resistente a la presión y corrosión al que se adapta una tapa para el montaje de dispositivos para el suministro y extracción del contenido.
El sistema compacto de simulación de tracto digestivo humano funciona ejecutando los siguientes pasos en serie: encender y calibrar sensores de pH (211) -» monitorear sistemas
103, 104 y 105, control de agitación activo -» enviar señal de alimentación al módulo
Estómago (101) H» inicia tiempo de residencia en módulo Estómago (101) -> monitorear control de agitación activado -> fin del tiempo de residencia -> inicia transferencia de contenido del módulo Estómago (101) al módulo Intestino Delgado (102) -> inicia tiempo de residencia en módulo Intestino Delgado (102) -> monitorear control de agitación activado -» fin del tiempo de residencia -> inicia transferencia de contenido del módulo
Intestino Delgado (102) al módulo Colon Ascendente (103) -> inicia tiempo de residencia en módulo Colon Ascendente (103) -» monitorear control de agitación activado -> fin del tiempo de residencia -> inicia transferencia de contenido del módulo Colon Ascendente
(103) al módulo Colon Transverso (104) -> inicia tiempo de residencia en módulo Colon
Transverso (104) -> monitorear control de agitación activado -> fin del tiempo de residencia -> inicia transferencia de contenido del módulo Colon Transverso (104) al módulo Colon Descendente (105) -» inicia tiempo de residencia en módulo Colon Descendente (105) ->
Monitorear control de agitación activado -> fin del tiempo de residencia -> transferencia de contenido al contenedor de residuos (106) -» finaliza proceso de simulación de una administración de alimento
Cada módulo cuenta con sus propios sistemas de control y sensores, la única señal por medio de la cual se conectan es la que indica que ha terminado el tiempo de residencia en un módulo para realizar la transferencia al otro módulo y al ser independientes pueden estar funcionando las transferencias al mismo tiempo.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano que comprende: a. un módulo de simulación del estómago (101);
b. un módulo de simulación del intestino delgado (102);
c. un módulo de simulación del colon ascendente (103);
d. un módulo de simulación del colon transverso (104);
e. un módulo de simulación del colon descendente (105);
f. un contenedor de residuos (106);
g. cinco sistemas de transferencia de fluidos;
h. cinco sistemas de monitoreo de pH;
i. cinco sistemas de agitación;
j. cinco sistemas de interfaz con el usuario;
k. cinco sistemas de calefacción; en donde el módulo estómago (101) está conectado al módulo intestino delgado
(102) a través de un primer sistema de transferencia de fluidos (601); el módulo intestino delgado (102) está conectado con el módulo colon ascendente (103) por medio de un segundo sistema de transferencia de fluidos (602); el módulo colon ascendente (103) se conecta al módulo colon transversal (104) utilizando un tercer sistema de transferencia de fluidos (603); el módulo colon transversal
(104) se conecta al módulo colon descendente (105) utilizando un cuarto sistema de transferencia de fluidos (604); finalmente el módulo colon descendente (105) se conecta a un contenedor de residuos (106) mediante un último sistema de transferencia de fluidos (605); cada módulo de simulación cuenta con un sistema de transferencia de fluidos, un sistema de monitoreo de pH, un sistema de agitación, un sistema de interfaz con el usuario y un sistema de calefacción.
2. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano de acuerdo a reivindicación 1 caracterizado porque los módulos de simulación comprenden un reactor (110), sensores de pH (211), un sistema de monitoreo de pH (201), un sistema de agitación (301), un sistema de interfaz con el usuario (401), un sistema de transferencia de fluidos (601), un sistema de calefacción (701) y un sistema de control general (501).
3. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano de acuerdo a reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el sistema de monitoreo de pH de cada módulo comprende:
a. Un sensor de pH (211 );
b. Una tarjeta de adquisición y procesamiento de señales (221 );
c. Un cable de sensor de pH (231); en donde el sensor de pH (211) se conecta a través del cable de sensor de pH
(231) a la tarjeta de adquisición y procesamiento de señales (221) y a través del sistema general de control (501) del módulo procesa y envía la señal.
4. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano de acuerdo a reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el sistema de agitación de cada módulo comprende:
a. Un sistema de control de velocidad (341 );
b. Un motor de corriente directa (311);
c. Un implemento para agitar (321 );
d. Un agitador (331); en donde el sistema de control de velocidad (341) se conecta al motor de corriente directa y al implemento para agitar el cual a su vez está conectado al agitador (331 ); el sistema de control de velocidad envía y recibe datos al sistema de control general (501).
5. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano de acuerdo a
reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el sistema de interfaz con el usuario de
cada módulo comprende una botonera (411) y una pantalla (421).
6. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano de acuerdo a
reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el sistema de transferencia de fluidos
(601) de cada módulo comprende una bomba peristáltica (611) conectada a un
sistema de control de bombeo (621).
7. Sistema compacto para la simulación del tracto digestivo humano de acuerdo a
reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el sistema de calefacción (701) de cada
módulo comprende electrónica de control (711) conectada a un dispositivo
generador de calor (731), al sistema de control del módulo (501) y a un sensor de
temperatura (721).
i
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