SHIME: simulatore dell’ecosistema microbico intestinale umano

SHIME® è l’acronimo di Simulatore dell’Ecosistema Microbico Intestinale Umano e marchio registrato dal 2010 congiuntamente da ProDigest e dall’Università di Ghent, Belgio. Lo SHIME è uno dei pochi modelli intestinali che mimano l’intero tratto gastrointestinale, incorporando stomaco, intestino tenue e diverse regioni del colon.

Caratteristiche generali dello SHIME®

Lo SHIME® è costituito da una successione di cinque compartimenti che simulano il tratto digestivo superiore (stomaco, piccolo intestino) e inferiore (colon ascendente, trasverso e discendente). L’intero reattore SHIME opera a 37 °C. Nello specifico, esso contiene recipienti di vetro a doppia parete connessi tramite pompe peristaltiche (Figura 1).

I primi due reattori dello SHIME seguono un principio di riempimento e svuotamento, introducendo tre volte al giorno un mezzo nutritivo definito nei compartimenti gastrici e liquidi pancreatici e biliari nei compartimenti dell’intestino tenue, riproducendo i tre pasti giornalieri. Dopo la digestione nei compartimenti gastrico e intestinale, la miscela viene inviata al colon ascendente per l’inizio della digestione nel colon. I compartimenti del colon sono mescolati continuamente, e i tempi di ritenzione possono essere regolati variando i flussi nei compartimenti superiori e cambiandone il volume.

Grazie all’ausilio di un sistema SHIME completamente controllato dal computer, è possibile stabilire profili specifici di pH durante la digestione gastrica e intestinale. La digestione gastrica e intestinale si svolge con un controllo del pH, dove il pH dell’intestino tenue è generalmente mantenuto a livelli leggermente acidi o neutri. Allo stesso modo, si regola il pH dei compartimenti del colon a specifici intervalli nelle diverse regioni (5.6-5.9 nel colon ascendente, 6.1-6.4 nel colon trasverso, 6.6-6.9 nel colon discendente). Inoltre, il sistema agisce con continua agitazione tramite l’uso di magneti, e gli operatori mantengono le condizioni di anaerobiosi attraverso il ricambio quotidiano con azoto o una miscela di azoto e anidride carbonica.

Inoculo fecale e funzionamento dello SHIME®

A causa dell’inaccessibilità della regione del colon umano per ottenere un inoculo microbico rappresentativo, si seleziona il microbiota fecale, proveniente da un singolo individuo, come inoculo per i compartimenti del colon dello SHIME. Questo microbiota fecale è notevolmente diverso da quello del colon in vivo, sia nella composizione che nell’attività metabolica. Tuttavia, considerando il colon come un sistema di flusso a pistone, il microbiota fecale rappresenta essenzialmente una versione modificata del microbiota del colon, risultante dai cambiamenti durante il passaggio dal colon prossimale al retto.

Un tipico esperimento SHIME consiste in quattro fasi (Figura 2):

1. Stabilizzazione (2 settimane): Per consentire l’adattamento della comunità microbica alle condizioni ambientali nei compartimenti del colon.
2. Basale (2 settimane): Il reattore funziona sotto condizioni standard e vengono misurati i parametri di base.
3. Trattamento (2-4 settimane): Viene testato l’effetto di un trattamento specifico sulla comunità microbica gastrointestinale.
4. Washout (2 settimane): Per determinare quanto a lungo i cambiamenti indotti dal trattamento possano essere ancora misurati in assenza della sostanza stessa.

Questo approccio è cruciale per ottenere risultati riproducibili quando si confrontano diversi prodotti, come ad esempio nuovi probiotici, prebiotici, componenti farmacologici o nuovi estratti vegetali, al fine di valutarne l’effetto sulla comunità microbica intestinale.

Applicazioni strumentali

Poiché lo SHIME è un sistema altamente standardizzato e molti parametri digestivi sono controllati dall’operatore, ciò si traduce anche in risultati altamente riproducibili. Questa riproducibilità risulta particolarmente richiesta quando è necessario confrontare nuovi prodotti in vitro, prima di passare ad analisi in vivo.

Questo approccio è stato principalmente utilizzato per indagare sull’attività e la stabilità di probiotici e prebiotici durante il trasferimento gastrointestinale, la conversione microbica di componenti alimentari bioattivi, il metabolismo di componenti farmaceutici, l’efficacia di sistemi di rilascio mirato al colon e la conversione e (in)attivazione biologica di contaminanti alimentari e/o ambientali ingeriti.

Vantaggi e limiti dello strumento

Lo strumento offre numerosi vantaggi, tra cui la capacità di modellare l’intero tratto gastrointestinale e l’inoculo del microbiota da diversi gruppi target, come adulti e neonati, individui sani e malati, e animali. Consente inoltre la conduzione di ricerche specifiche sulle diverse regioni del colon, mantenendo nel tempo la stabilità del microbioma e permettendo il monitoraggio dell’adattamento microbico. Nel setup M-SHIME, viene introdotta la presenza di microcosmi ricoperti di mucina nei reattori, simulando così la colonizzazione microbica mucosale e consentendo la distinzione tra microbioma mucosale e luminale. Nei setup TWIN-SHIME, è possibile eseguire controlli e trattamenti in modo parallelo. Infine, la simulazione del microbioma limitata a una sola regione del colon permette la valutazione simultanea di otto soggetti differenti.

Tra le limitazioni dello strumento, si evidenzia l’assenza di peristalsi; la miscelazione avviene attraverso agitatori, contribuendo a una limitazione nella riproduzione delle condizioni reali. Inoltre, la mancanza di cellule dell’ospite costituisce un altro elemento che riduce la fedeltà alla realtà. In ogni caso, lo SHIME è l’unico strumento in grado di fornire approfondimenti scientificamente validati sul potenziale comportamento di nuovi prodotti durante il transito nel tratto gastrointestinale.

Fonti:

• Polo, A., Cappello, C., Carafa, I., Da Ros, A., Baccilieri, F., Di Cagno, R., & Gobbetti, M. (2022). A novel functional herbal tea containing probiotic Bacillus coagulans GanedenBC30: An in vitro study using the Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME). Journal of Functional Foods, 88, 104873.
• Van de Wiele, T., Van den Abbeele, P., Ossieur, W., Possemiers, S., & Marzorati, M. (2015). The simulator of the human intestinal microbial ecosystem (SHIME®). The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models, 305-317.

Crediti immagini:

• Immagine in evidenza: Voropaiev, Maxim, and Deborah Nock. “Onset of acid-neutralizing action of a calcium/magnesium carbonate-based antacid using an artificial stomach model: an in vitro evaluation.” BMC gastroenterology 21.1 (2021): 1-6.
• Figura 1: Van de Wiele, T., Van den Abbeele, P., Ossieur, W., Possemiers, S., & Marzorati, M. (2015). The simulator of the human intestinal microbial ecosystem (SHIME®). The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models, 305-317.
• Figura 2: Polo, A., Cappello, C., Carafa, I., Da Ros, A., Baccilieri, F., Di Cagno, R., & Gobbetti, M. (2022). A novel functional herbal tea containing probiotic Bacillus coagulans GanedenBC30: An in vitro study using the Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem (SHIME). Journal of Functional Foods, 88, 104873.