Эндотоксины в кормах и их совместное действие с микотоксинами

Эндотоксины – компоненты клеточной мембраны грамотрицательных бактерий. Они состоят из липидного «якоря», называемого липидом А, и цепочки из повторяющегося полисахаридного звена, поэтому их относят к группе липополисахаридов (ЛПС). Эндотоксины повышают отрицательный заряд мембраны бактериальной клетки, обеспечивая стабильность всей мембранной структуры. В результате они создают надежный барьер, который эффективно отталкивает мелкие и гидрофобные молекулы. Данный механизм лежит в основе естественной устойчивости к различным противомикробным средствам. Общая структура эндотоксинов у грамотрицательных видов бактерий в целом сходна, но вариации в составе полисахаридов (например, специфических О-цепей, или О-антигенов) создают разнообразный набор, различающийся между бактериальными штаммами. О-антиген играет решающую роль в идентификации определенных штаммов кишечных бактерий, в т.ч. E. coli (например, E. coli O157), где «О» указывает на О-антиген.

Эндотоксины играют важную роль в заболеваниях человека и животных, особенно в иммунных и воспалительных реакциях. Их биологическая активность связана с липидными и полисахаридными компонентами ЛПС. Липид А связан с токсичностью, полисахариды — с иммуногенностью. Липид А – мощный модулятор биологической реакции, стимулирующий иммунную систему млекопитающих. Он связывает молекулу эндотоксина в наружной мембране бактериальных клеток, а свое биологическое действие оказывает, когда эндотоксин высвобождается из них. Это может произойти в результате естественного отслоения во время роста бактерий или при лизисе бактериальных клеток в результате аутолиза, атаки комплемента (система комплемента — комплекс защитных белков, постоянно присутствующих в крови, это каскадная система протеолитических ферментов — п.п.), фагоцитоза или действия некоторых антибиотиков. 

Крайне важно понимать, что эндотоксины исключительно термостабильны и не могут быть удалены с помощью стандартных методов автоклавирования или тепловой инактивации. Кроме того, в отличие от бактерий, эндотоксины не подвержены действию антибиотиков и могут оказывать токсическое действие даже в отсутствие жизнеспособных бактерий. 

В чем разница между эндотоксинами и экзотоксинами? Эндотоксины сами по себе не так опасны, как экзотоксины. Экзотоксины представляют собой белки, которые продуцируют некоторые штаммы как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Обычно они нацелены на определенные клетки, на которые оказывают токсическое действие, вызывая изменение метаболизма и гибель клеток. Например, в случае энтеротоксигенной E. coli (ETEC) микробы вырабатывает термостабильный энтеротоксин (STa), который прикрепляется к рецепторам энтероцитов в кишечнике, вызывая нарушение транспорта ионов и воды, что приводит к тяжелой диарее. Эндотоксины же высвобождаются при лизисе бактерий и не имеют специфических клеток-мишеней. 

Токсичность, связанная с эндотоксинами, является результатом иммунного ответа хозяина. Иммунная система обнаруживает их как сигналы грамотрицательной бактериальной инфекции, запуская врожденный воспалительный иммунный ответ. Даже минимальное количество эндотоксинов (<1 мкг) в кровотоке, обычно стерильном, может вызвать выраженную воспалительную реакцию. Иммунные клетки, такие как макрофаги и моноциты, имеют поверхностные рецепторы, известные как Toll-подобные рецепторы 4 (TLR4), которые распознают эндотоксины. Присоединение эндотоксина к TLR4 запускает серию клеточных сигналов, которые приводят к экспрессии генов и синтезу белков, вызывающих воспалительную реакцию. Эндотоксины также активируют систему комплемента и запускают систему свертывания крови. Эндотоксины в кормах могут активировать иммунную систему хозяина, что приводит к воспалительной реакции, потенциально способной повредить ткани и органы и в конечном итоге привести к гибели животного. Излишне сильную воспалительную реакцию необходимо регулировать и «отключать», чтобы предотвратить нанесение вреда хозяину. Этот баланс достигается за счет продукции противовоспалительных медиаторов, таких как антагонисты рецепторов интерлейкина 10 и интерлейкина 1, а также белков, которые связываются с эндотоксинами, например, липополисахарид-связывающего белка (LBP). Кроме того, иммунные клетки, такие как макрофаги и нейтрофилы, могут способствовать элиминации эндотоксинов, производя ферменты, разрушающие часть липида А молекулы эндотоксина. Печень также играет важную роль в этом процессе. В случае значительного поступления эндотоксинов в кровоток или замедления их клиренса воспалительная реакция может усиливаться, вызывая «цитокиновый шторм», подавляющий регуляторные возможности противовоспалительных механизмов. Это может привести к повреждению тканей и органов. Такое состояние способно в итоге вызвать гибель животного. Соответственно, наличие эндотоксинов в кровотоке может привести к летальному исходу, и необходимо принять меры для минимизации их поступления в организм. 

Как выявляют эндотоксины? В процессе эволюции реакция на эндотоксины сохранялась, что давало животным преимущество в выживании. Реакция на эндотоксины появилась еще у древних морских обитателей, таких как мечехвосты (Limulus polyphemus), обитающих на Земле миллионы лет (Levin and Bang, 1968). Изучение иммунного ответа мечехвоста проложило путь к созданию чрезвычайно чувствительного теста для обнаружения бактериальных эндотоксинов. В этом тесте используются клетки крови (амебоциты) этих организмов, он известен как тест Limulus Amebocyte Lysate (LAL). В этом процессе эндотоксины грамотрицательных бактерий связывают и активируют фактор С в амебоцитах Limulus, инициируя ряд ферментативных реакций, завершающихся образованием кровяного сгустка (коагулина). Добавление хромогенного субстрата позволяет реакции давать окрашенный конечный продукт. LAL-тест – это стандартная процедура в фармацевтической промышленности, гарантирующая, что медикаменты и медицинские устройства, например, катетеры и другие инвазивные инструменты, не загрязнены эндотоксинами. Это строгое тестирование имеет важное значение, поскольку непреднамеренное введение эндотоксинов в организм может вызвать потенциально фатальные иммунные реакции (Abate et al., 2020). Исследователи из Molendotech Limited создали модифицированный LAL-тест, пригодный для анализа проб окружающей среды и определения уровня эндотоксинов, подход используется в оценке бактериального или фекального загрязнения воды, продуктов питания и кормов для животных. 

Как эндотоксины могут попасть в кровь? Кишечник является объемным резервуаром грамотрицательных бактерий, следовательно, содержит и большое количество эндотоксинов, которые могут попадать в кровоток в результате кишечной абсорбции. У организма есть защитный механизм для предотвращения попадания чрезмерного уровня эндотоксинов в кровоток. Тем не менее, повреждения кишечника, рацион с избытком жиров, медикаментозное лечение, инфекции или незрелость (например, у новорожденных) могут способствовать транслокации эндотоксинов через мембрану в системный кровоток. Нарушение функции кишечного барьера у животных вызывает озабоченность, а стресс свиней или подострый (субклинический) ацидоз рубца (SARA) у КРС могут способствовать попаданию эндотоксинов в кровоток, что приводит к патологическим последствиям.

Выявлено, что низкие дозы эндотоксинов вызывают симптомы подострого ацидоза, включая воспаление, снижение pH рубца и изменения в микрофлоре (Jing et al., 2014). Поэтому вдыхание или проглатывание эндотоксинов может спровоцировать тяжелое заболевание у молодняка. Грамотрицательные бактерии, особенно кишечная палочка, широко используются в рекомбинантной технологии для производства кормовых добавок, в первую очередь аминокислот и витаминов. Если эндотоксины бактерий попадают в добавки, это может представлять опасность как для животных, так и для работников, а также для потребителей. Документально подтверждено, например, что у рабочих, вдыхавших эндотоксины из пыли птичников, проявляются клинические симптомы, включающие снижение функции легких (Health Council of the Netherlands, 2010). 

Хотя сельскохозяйственные животные постоянно подвергаются воздействию эндотоксинов из окружающей среды, рационы с повышенным их уровнем несут угрозу. Даже небольшие дозы, которым удается преодолеть кишечный барьер, могут привести к серьезным заболеваниям (Mani et al., 2013). Следовательно, следует ограничить включение кормовых средств, содержащих эндотоксины, в рационы животных с нарушениями барьерной функции ЖКТ (Wallace et al., 2016). Помимо этого, животные будут реагировать на вдыхаемые эндотоксины, содержащиеся в кормах и пыли, так же, как и люди. Проведено несколько исследований воздействия вдыхаемых эндотоксинов на животных, но пределы безопасных концентраций пока еще не определены. 

Могут ли микотоксины влиять на реакцию на эндотоксины? Микотоксины – это токсины, продуцируемые плесневыми грибками, которые развиваются при возделывании культур или на кормах во время хранения. Они могут вызывать ряд неблагоприятных последствий для здоровья и представлять серьезную угрозу для людей и скота. В кормах чаще всего встречаются афлатоксины, зеараленон, токсин Т2, дезоксиниваленол и охратоксин А. Загрязнение кормов и микотоксинами, и эндотоксинами приводит к одновременному попаданию этих веществ в ЖКТ. Исследования показали, что это оказывает синергетическое неблагоприятное воздействие на здоровье животных, вызывая в дальнейшем негативные экономические последствия. 

Как упоминалось ранее, неповрежденный кишечный барьер имеет решающее значение для недопущения поступления эндотоксинов в кровоток и предотвращения воспалительных последствий. Кроме того, хорошо функционирующие иммунная система и печень играют решающую роль в регулировании уровня эндотоксинов в кровотоке. Микотоксины повреждают эпителий кишечника, позволяя кишечному содержимому, включая эндотоксины, попадать в кровь. Кроме того, микотоксины влияют на функционирование иммунных клеток и вызывают повреждение печени, что приводит к усилению воспалительных реакций и ослаблению механизмов выведения эндотоксинов. Таким образом, микотоксины, присутствующие в кормах для животных, действуют синергически с эндотоксинами, вызывая тяжелые последствия для здоровья животных, потребляющих загрязненные корма. Молодняк особенно уязвим, в первую очередь на этапе отъема (Wallace et al., 2016). Микотоксины воздействуют на иммунные клетки и печень, препятствуя выработке ферментов детоксикации эндотоксинов и других противовоспалительных веществ. 

Чтобы смягчить воздействие на организм животных эндотоксинов и микотоксинов, содержащихся  в кормах, применяют средства, которые могут связывать и удалять эти вещества (Boyacioglu, 2019). Пробы кормов желательно регулярно анализировать на наличие грамотрицательных бактерий и эндотоксинов. Существуют тесты на различные микотоксины, но они, как правило, более сложны. Тем не менее, уже есть многообещающие разработки, и вскоре скрининг на грибковое загрязнение должен стать более доступным с появлением новых тестов.