C HANGES IN THE IN VITRO DIGESTION MODEL AS RESULT OF FOOD

Samenvatting

Met behulp van een “in vitro digestiemodel”, een methode waarmee op een vereenvoudigde wijze het digestieproces nagebootst wordt, kan op een relatief goedkope en snelle manier een schatting van de orale biobeschikbaarheid van een stof verkregen worden. Een in vitro digestiemodel kan daarom een hulpmiddel zijn bij risicobeoordeling van orale inname van contaminanten. De orale biobeschikbaarheid van contaminanten kan opmerkelijk verschillen als de contaminant op een nuchtere maag of met voeding ingenomen wordt ten gevolge van fysiologische veranderingen in het maagdarmkanaal. Contaminanten worden vaak onder wisselende condities ingeslikt, wat gevolgen kan hebben voor de toxiciteit van de

contaminant. Het digestiemodel dat in ons laboratorium is ontwikkeld, is gebaseerd op de fysiologische condities van een kind onder nuchtere omstandigheden. We willen dit

digestiemodel nu toepasbaar maken om de bioaccessibility van contaminanten in voeding te bestuderen. Aangezien bij de risicoschatting van contaminanten in voeding vooral naar levenslange blootstelling (chronische toxiciteit) wordt gekeken is de doelgroep niet een kind maar een volwassene. Hierdoor zal het huidige digestiemodel aangepast moeten worden om de fysiologische processen in het maagdarmkanaal van volwassenen na het eten van voeding te simuleren.

Veranderingen in de orale biobeschikbaarheid van stoffen door voeding kan het gevolg zijn van fysische en chemische interaktie tussen de stof en specifieke voedselcomponenten maar is meestal het gevolg van veranderingen in de secretie van de maagdarmsappen en/of verandering in de verblijtijftijd in het maagdarmkanaal. Aangezien de absorptie van stoffen met name plaatsvindt in de dunne darm, moet de stof al vrijgekomen zijn uit zijn matrix in de dunne darm. Daarom beperken we ons tot de fysiologische veranderingen in het traject van mond tot en met dunne darm. Dit document is bedoeld als werkdocument om op grond van literatuurgegevens tot een voorstel voor aanpassingen van het digestiemodel te komen om de fysiologische processen in het maagdarmkanaal onder invloed van voeding te simuleren. De secretie van speeksel, maagsap, gal en pancreassap in respectievelijk de mond, maag en duodenum, wordt gestimuleerd door voedsel consumptie. Zowel de hoeveelheid

geproduceerd als ook de samenstelling van de sappen verandert door voedsel consumptie. Vaak wordt juist die hoeveelheid sap geproduceerd die nodig is voor de vertering van de voeding. Andere belangrijke veranderingen zijn de verhoging van de maag pH door het eten van voeding van pH 1.5 (nuchter) tot pH 3-7 (+voeding) en de verblijftijd van de voeding in de maag. Daarentegen verandert de pH en de verblijftijd in de dunne darm nauwelijks in aanwezigheid van voeding. De veranderingen in secretie van de maagdarmsappen en de verblijftijden zijn in detail bediscusieerd in hoofdstukken 3 tot en met 6. Gebaseerd op deze literatuur gegevens is een voorstel gemaakt hoe het digestiemodel aan te passen voor voeding. Dit is in de onderstaande tabel weergegeven.

RIVM report 320102002 - 61 -

Voorstel voor aanpassingen voor het in vitro digestiemodel ten gevolge van voedsel inname.

Digestie fase Verandering in samenstelling Volume verhouding

Incubatie tijd

Voeding Standaard warme maaltijd:

eiwit/koolhydraat/vet=1/2/1 (w/w/w) 1.5 nvt Speeksel Amylase 2x↑, Na+_{↑, Cl}-_↑, HCO3-↑, mucin 2x↓, pH 7-7.4 1 0-5 minuten Maag Pepsine 2-3x↑ pH 5 (3-7) →(60-120 min)→ pH 2 2 2uur: <300 kcal 4-7 uur: 450-700 kcal 6-20 uur: >900 kcal Gal Standaard maaltijd: 8 mM

Vetrijke maaltijd: 15 mM

1 Pancreas Enzymen 2-3x↑, bicarbonate↑ 2

1 Introduction

Implementation of comprehensive methods capable of predicting human oral absorption in risk assessment of orally ingested toxicants, would provide information that could speed up and contribute to a more rational and optimised health risk assessment. Recently, we have developed in our Laboratory of Exposure Assessment and Environmental Epidemiology an “in vitro digestion model”, which mimics in a simplified manner the digestion processes in the gastrointestinal tract. In this way the release of a compound from its matrix in the gastrointestinal tract can be studied. Only the fraction of the compound that is released (bioaccessibility) is available for absorption in the small intestine. This in vitro digestion model may provide an important tool for (ad hoc) health risk assessment practice since a rapid indication of the bioaccessibility of a compound can be obtained with model. This digestion model has been developed for one specific purpose: to simulate the ingestion and digestion of contaminated soil by children (project M711701/01/FF). This model is based on the physiology of a child under fasted conditions [34]. We now like to apply the digestion model for examining the bioaccessibility of toxic compounds that have been ingested with a meal in adults. Therefore, the digestion model may need to undergo some changes to mimic the physiological processes in the gastrointestinal tract of human adults after eating a meal.

The presence of food within the gastrointestinal tract can markedly alter the oral bioavailability of compounds via changes in the rate and/or extent of absorption, presystemic metabolism, and systemic clearance of the compound. These changes can lead to variations in toxicity profiles because contaminants are often ingested under conditions of varying food and fluid intake. Physical and chemical interactions may occur between compounds and specific food components but altered postprandial absorption is generally a function of the changes associated with conversion from the fasted to the fed state. Changes due to i) secretion of gastric acid and bile and pancreatic fluids, ii) modification of gastric and intestinal motility patterns, and iii) alterations in visceral blood and lymph flow have the most significant impact on absorption.

In this paper, we have reviewed the physiological changes that occur in the postprandial gastrointestinal tract of adults. Absorption of compounds occurs mainly in the small intestine and as release from its matrix is a prerequisite to intestinal absorption, the compound should be bioaccessible in the small intestine. Therefore, we have confined us to the tract mouth to small intestine and not included the large intestine. This information will provide us a framework to adjust the early-developed in vitro digestion model for examining the effects of food on the bioaccessibility of compounds in adults.

RIVM report 320102002 - 63 -