Государственное задание. Ученые ДГТУ разрабатывают модель искусственной пищеварительной системы

Команда исследователей Донского государственного технического университета приступила к реализации государственного проекта по созданию модели искусственного свиного желудочно-кишечного тракта. Это устройство будет полезно для разнообразных исследований в агропромышленном секторе и других областях.

Одними из возможных заказчиков научных разработок, выполняемых с использованием такой установки, являются производители кормов для сельскохозяйственных животных. Им крайне важно определить, какими должны быть характеристики их продукции, чтобы обеспечить полноценное усвоение животными и оптимальное воздействие на микрофлору кишечника, а это, в свою очередь, поможет достигнуть необходимых показателей эффективность и безопасности.

О процессе разработки устройства рассказал один из авторов проекта, доцент кафедры «Приборостроение и биомедицинская инженерия» ДГТУ Максим Ханукаев.

– Почему искусственный желудочно-кишечный тракт называют биореактором?

– Каждый отдел ЖКТ – желудок, двенадцатиперстная кишка, кишечник определяется некоторым объемом, в котором обитает микробиота животного. Далее в этом объеме создаются условия, схожие с оригинальной средой, как в пищеварительном тракте свиньи. По сути, это не просто цепочка биореакторов, а сложная система, включающая ряд технических решений для имитации физиологических параметров ЖКТ. Ключевой особенностью системы является способность в автоматическом режиме поддерживать заданные параметры (температура, рН, частота перемешивания и прочие). Благодаря этому микроорганизмы, обитающие в реакционной среде, активно участвуют в метаболических процессах, начинают размножаться и выделять продукты жизнедеятельности.

Разрабатываемая система имеет ряд ключевых преимуществ в сравнении с большинством существующих моделей искусственного ЖКТ, которые, помимо того, что имитируют пищеварительный тракт человека, являются статическими, что не позволяет полноценно воспроизвести физиологические процессы пищеварения. В отличие от этого в разрабатываемой системе будут смоделированы процессы перистальтики, механического воздействия дыхания, трансмембранного переноса и ряд других.

– То есть это будет не вполне биореактор?

– Это будет сложная система, состоящая из ряда модулей, каждый из которых по принципу действия похож на биореактор, но обладает значительно большими возможностями по поддержанию необходимых параметров реакционной среды. При этом все модули будут объединены сложной системой управления, регулирующей их специфическое взаимодействие и объединяющей в единое устройство.

– Как ваша уникальная разработка будет функционировать?

– На финальной стадии реализации проекта мы планируем расширить установку до 5-7 отделов. Это позволит сымитировать практически полностью естественную пищеварительную систему свиньи. Основной задачей будет добиться естественного течения всех пищеварительных процессов, в том числе транспортировки химуса через соответствующие отделы в условиях максимально приближенных к физиологическим параметрам ЖКТ свиньи.

Ряд трудностей мы видим при реализации процессов перистальтики и транспорта в отделах, имитирующих кишечник. В традиционных системах обычно делают переход из желудка сразу в тонкую кишку. Но это не физиологично, потому что между этими отделами находится двенадцатиперстная кишка. И тут интересный момент. Среда в желудке очень кислая за счет соляной кислоты, концентрация которой примерно в два раза больше, чем в автомобильном аккумуляторе. Живой организм выдерживает такую среду за счет того, что внутренняя поверхность желудка выделяет нейтрализующую слизистую субстанцию. Но в кишечнике такой субстанции уже нет. Так вот, катастрофы удается избежать потому, что между желудком и двенадцатиперстной кишкой стоит сфинктер, который еще называют «привратником», закрывающим проход в двенадцатиперстную кишку для кислоты и открывающим его для пищи. А потом поджелудочная железа выделяет ферменты и щелочь, чтобы сразу снизить высокую кислотность пищевого комка. Эта схема в нашей модели ЖКТ должна очень четко функционировать.

– На какой срок рассчитано государственное задание?

– Госзадание получено летом 2024 года и рассчитано на три года. Главной целью является разработка установки для широкого спектра исследований. За оставшееся время мы должны опубликовать несколько патентов, посвященных, в том числе, решению задач, о которых я сказал выше.

Игорь Голота, управление информационной политики ДГТУ
Фото на обложке: ДГТУ