Das Grein Labor am Universitätsklinikum Bonn (UKB) nutzt den Parallelreaktor LAMBDA MINIFOR als In-vitro-Dickdarmsystem: Im Parallelreaktor simuliert das Forschungsteam mit Schwerpunk «Bakterielle Interferenz» einen Teil des Gastrointestinaltraktes, den Distalen Dickdarm, dabei werden die Simulationen gleichzeitig in einer Doppelbestimmung mit Kontrolle durchgeführt:
Batch-Fermenter als In-vitro-Darmmodell zur Simulation der Co-Fermentation von Nahrungsergänzungsmittel
Prof. Massalin Nakphaichit der Kasetsart-Universität (KU) benutzt einen LAMBDA MINIFOR 0.3L Fermenter als In-vitro-Darmmodell zur anaeroben Co-Fermentation von Triphala-Extrakten (T. bellirica, T. chebula und P. emblic) mit menschlicher Fäkalienaufschwemmung (1 % (v/v)). Nach der 24-stündigen anaeroben Fermentation ist genügend Analysematerial vorhanden, um Rückschlüsse auf das Mikrobiota und seine Stoffwechselveränderungen zu schliessen.
Abbildung 3: Graphische Zusammenfassung (Quelle: https://doi.org/10.1016/j.jtcme.2023.02.011) der Vorgehensweise zur Untersuchung der Einflüsse von Nahrungsergänzungsmittel auf das fäkale Mikrobiom: Kwandee, P., Somnuk, S., Wanikorn, B., Nakphaichit, M. & Tunsagool, P. (2023). Efficacy of Triphala extracts on the changes of obese fecal microbiome and metabolome in the human gut model. Journal of Traditional and Complementary Medicine, Volume 13, Issue 2, 2023, Pages 207-217, ISSN 2225-4110, doi: 10.1016/j.jtcme.2023.02.011 .
Was zeichnet das ideale in-vitro-System zur Simulation des Darmmikrobioms aus?
Um die Vorbereitung eines in-vitro-Systems zur Simulation des menschlichen Darmmikrobioms zu beschleunigen und die Kosten für Verdauungsenzyme zu senken, ist das geringstmöglich Arbeitsvolumen entscheidend und ein System, das bei Bedarf ein kostengünstiges Up-Scaling gewährleistet. Darüber hinaus sollte jeder Reaktor in der Lage sein, die Temperatur und den pH-Wert präzise und automatisch zu regulieren, anaerobe Bedingungen während der gesamten Simulationszeit aufrechtzuerhalten und hierzu das Redoxpotential zur Kontrolle aufzuzeichnen. Zudem sind ausgezeichnete Laborpumpen für das kontinuierliche mehrstufige SHIME Modell sehr wichtig.
Kleinstes Arbeitsvolumen ab 35 ml im skalierbaren Reaktorsystem
Nur wenige Reaktorsysteme zur künstlichen Magen-Darm-Simulierung bieten ein Mindestarbeitsvolumen von 35 ml: Der mit einem Doppelmantelgefäss ausgestattete LAMBDA MINIFOR 0.3L Reaktor bietet in jedem Kompartiment ein Arbeitsvolumen von ~35 ml bis 400 ml zur anaeroben Kultivierung des Mikrobioms. Damit ist sein Reaktorvolumen vergleichbar mit dem eines Mikrobioreaktors und gewährleistet zudem das Up-Scaling bis auf 6 Liter dank einfach austauschbaren Reaktorgefässen. Zudem sind alle Reaktorgefässe des LAMBDA MINIFOR sind aus Glas ohne Metalldeckel, wie es für Magen-Trakt-Simulationen erwünscht ist.
Zusätzliche Informationen zum idealen Reaktorgefäss finden Sie auf https://bioreactor.ch/reaktorgefaesse-volumen-austauschbar/.
Die Erhaltung der anaeroben Bedingungen
Sowohl im kontinuierlichen fünfstufigen SHIME Modell als auch im einfachen künstlichen Darm-Modell sind die anaeroben Bedingungen entscheidend für die Simulation des menschlichen Darmmikrobioms. LAMBDA MINIFOR Reaktorsysteme bieten hierzu nebst ausgezeichneten Dichtungen auch eigens dafür in der Reaktorkonsole eingebaute Massenflussregler, die zur Stickstoffdosierung bzw. zur Ausspülung von Restluft und Sauerstoff dienen. Die anaeroben Bedingungen der Fäkalienaufschwemmung und des mit Gas befüllten Kopfraums werden im LAMBDA MINIFOR Reaktor während der gesamten Versuchsdauer aufrecht erhalten.
Die Messung des Redoxpotentials
Bei der anaeroben Kultivierung der Darmbakterien im künstlichen Simulator, bei der keine pO2-Werte ermittelt werden, sind die Messungen der extrazellulären Redoxpotentiale in der Brühe wichtig. Für die Überwachung der anaeroben Darm-Simulationen im Reaktorsystem dient die Messung des Redoxpotentials mit Hilfe von LAMBDA REDOX. Die RedOx-Messung lässt auch Rückschlüsse auf Abbauraten zu.
Ideale Durchmischung der Aufschlämmung
Anstelle herkömmlicher Rührsysteme bietet LAMBDA MINIFOR einen Vibrationsmotor mit Mischplatten (https://bioreactor.ch/mischen-und-ruehren-vibromischer-mit-minifor-fish-tail-fuer-kraftvolles-und-sanftes-mischen-von-zellkulturen/)die die Fäkalienaufschlämmung der künstlichen Darm-Simulationen mit Auf- und Ab- Bewegungen ideal durchmischen. Die Durchmischung ist durch die Anzahl und Beschaffenheit der Rührplatten, sowie ihrer Mischfrequenz mit wenigen Handgriffen ans jeweilige Volumen und seiner Viskosität anpassbar.
Temperatur & pH-Regelung im Reaktorsystem
Das LAMBDA MINIFOR Reaktorsystem verfügt für jedes einzelne Kompartiment im mehrstufigen SHIME über eigene Parameterregler und Stellglieder, so auch
- zur Simulation der Körpertemperatur mit automatischem Temperaturregler mit eingebautem Heizelement,
- um die pH-Sollwerte der Aufschlämmungen während der anaeroben Kultivierung durch die vollautomatisch Zugabe von Korrekturflüssigkeiten aufrecht zu erhalten.
Echtzeitdiagramme zum direkten Vergleich der Simulationen im Doppelansatz
Sämtliche LAMBDA MINIFOR Reaktoren (auch als einzelne Kompartimente des SHIME Systems) lassen sich über ihre Schnittstelle an einen PC anschliessen, der mit Hilfe der SIAM-Automationssoftware sowohl die Parameterwerte, als auch die Gas- und Flüssigkeitsdurchsätze übersichtlich als Echtzeitdiagramme wiedergibt.
Für den direkten Vergleich paralleler Simulationen lassen sich die Versuchsparameter auch im Doppelansatz zusammen mit dem Kontrollsystem in einem Echtzeitdiagram dargestellt.
Weitere Informationen zu LAMBDA MINIFOR Reaktorsysteme und Peripheriegeräte LAMBDA REDOX und SIAM-Automationssoftware
Weitere Informationen zum LAMBDA MINIFOR und Zubehör für in-vitro-Systeme zur Simulation des Darmmikrobioms finden Sie unter www.lambda-instruments.com/de/.