Воспаление кишечника и окислительный стресс у моногастричных животных

В настоящее время выражение «здоровье кишечника» очень часто используется при рассмотрении вопросов кормления моногастричных животных – причем и на научном, и на коммерческом, и на маркетинговом уровнях. Можно подумать, что это просто «модный» термин, однако состояние кишечника действительно играет ключевую роль в продуктивности.

Кишечный эпителий – ткань с огромной площадью поверхности, которая должна иметь эффективную барьерную функцию, снижающую воздействие негативных факторов среды и патогенных микробов, в то же время обеспечивая всасывание питательных веществ и выведение отходов жизнедеятельности. ЖКТ населен многовидовым микробиомом, который является не только дополнительным барьером против колонизации пищеварительной системы патогенами, но также регулирует иммунитет и синтезирует ряд питательных веществ для организма-хозяина. Также существует значимое энтеральное звено нервной системы, клетки кишечника производят некоторые гормоны и медиаторы, необходимых для регуляции многих физиологических процессов. При любом дисбалансе между этими звеньями и функциями кишечника может развиваться воспаление как специальный защитный механизм. Воспаление выступает основой клинических или субклинических расстройств ЖКТ.

С другой стороны, в последние годы в лексиконе специалистов по кормлению и ветеринарии закрепился еще один термин, который становится все популярнее благодаря многочисленным публикациям, – так называемый «окислительный (или оксидативный) стресс». Кислород необходим для жизни животных, поскольку он действует как конечный акцептор четырех электронов при митохондриальном дыхании. Однако при частичном восстановлении кислорода образуются активные формы (АФК), содержащие как минимум один неспаренный электрон. В целом АФК очень реакционноспособны и легко захватывают электроны от других молекул, находящихся вокруг них, в т.ч. ДНК, липидов и белков, изменяя их структуру и вызывая серьезные повреждения на метаболическом и тканевом уровнях. В норме в организме животных существует баланс между АФК и системой эндогенной антиоксидантной защиты. Однако небольшие изменения в обмене веществ или иммунном ответе могут нарушить это хрупкое равновесие, вызывая окислительный стресс. Таким образом, состояние окислительного стресса характеризуется избытком АФК и/или недостаточной защитой со стороны эндогенной антиоксидантной системы.

В свиноводческих и птицеводческих хозяйствах животные постоянно подвергаются воздействию многочисленных патогенных и условно-патогенных агентов через воздух, воду и корма, а также при контакте с другими животными, что приводит к активации врожденной иммунной системы кишечника. Воспаление кишечника является реакцией на эти агенты и вызываемые ими изменения тканевого гомеостаза. Отправной точкой воспаления кишечника являются многочисленные рецепторы, называемые PRR (образраспознающие рецепторы), расположенные в эпителии кишечника и в собственной пластинке его слизистой оболочки. Они обнаруживают и распознают молекулы, связанные с микробными патогенами, а также другие немикробные сигналы опасности, возникающие в результате повреждения эпителия, а далее активируется сеть иммунологических и физиологических процессов для поддержания гомеостаза. Активация врожденной иммунной системы приводит к размножению ряда иммунных клеток и синтезу специальных веществ.

Воспаление кишечника – адаптивная реакция, которая приспосабливается к типу триггера, вызвавшего его. Даже в условиях равновесия и здоровья кишечник постоянно подвергается воздействию множества внешних антигенных стимулов из кормов, а также внутренних стимулов – определенных структурных компонентов (липополисахариды и пептидогликаны) комменсальной микрофлоры или ее метаболитов. Взаимодействие между рецепторами PRR кишечника и этими стимулами поддерживает несильную постоянную активацию врожденной иммунной системы, не вызывая заболевания, что известно как «физиологическое воспаление». Этот тип слабовыраженного воспаления описан как у птицы (Kogut et al., 2018), так и у свиней (Splichalova et al., 2018) и представляет собой контролируемую реакцию, основанную на балансе между защитными функциями и толерантностью системы врожденного иммунитета по отношению к микробиоте кишечника.

При остром инфекционном процессе в кишечнике или поражении некоторых тканей повышается концентрация специфических веществ патогенных микробов и/или факторов их вирулентности, а также остатков поврежденной ткани, нарушается баланс иммунной системы. Физиологическое воспаление переходит в более тяжелое — «патологическое», или «классическое воспаление».

Однако важно отметить, что и в отсутствии инфекции может развиваться хроническое воспаление в ответ на определенные химические, физические и метаболические стимулы — «стерильное воспаление» (Rubartelli et al., 2013; Kogut et al., 2018; Splichalova et al., 2018). Некоторые ингредиенты рационов могут содержать компоненты, провоцирующие стерильное воспаление. Так, соевый шрот содержит ряд антипитательных факторов, которые могут вызывать воспаление эпителия кишечника, среди них следует выделить β-конглицинин (7S-глобулин) (Chen et al., 2011; Peng et al., 2018). β-конглицинин повышает уровень провоспалительных цитокинов в кишечнике животных (Peng et al., 2018), из-за его действия отмечают прямое повреждение кишечного эпителия, угнетение роста клеток, нарушения цитоскелета и апоптоз (Chen et al., 2011). Хронические стерильные воспаления могут вызывать проламины, присутствующие в глютене злаков (кукурузы, пшеницы), которые изменяют экспрессию белков плотных контактов между энтероцитами, повышая проницаемость кишечника (de Punder and Pruimboom, 2015). Помимо этого, триггерами стерильного воспаления кормового происхождения являются подвергшиеся прогорканию жиры — значимый источник АФК. Поэтому качество жиров и масел, добавляемых в корма, а также качество кормов животного происхождения (обычно богатых липидами) в целом (например, рыбной муки) может играть существенную роль в генезе воспаления стерильного типа (Kogut et al., 2018; Mavromichalis, 2019). В конечном счете, стерильное воспаление кишечника, вызванное кормлением, может быть столь же опасным, как и патологическое, вызванное микробными инфекциями, поскольку конечный результат сходен: потеря аппетита, снижение выхода продукции, диарея или даже падеж из-за вторичных осложнений от условно-патогенных микроорганизмов.

Окислительный стресс у животных могут вызвать разные факторы, например, высокая активность обмена веществ, типичная для интенсивных производственных систем, стресс (отъем поросят, жара и пр.), рацион. В этих ситуациях потребность в кислороде увеличивается, и, следовательно, процессы окисления активизируются. При окислительном стрессе клеточные макромолекулы, особенно ДНК, белки и липиды, являются естественными реципиентами АФК. Как описано Poulsen (2005), АФК могут взаимодействовать с ДНК, вызывая многочисленные модификации, которые могут приводить к мутациям, разрывам нитей ДНК и, в итоге, к гибели клеток. Окисление белков приводит к тому, что аномальные ферменты плохо работают, неспособны выполнять свои задачи, изменяются метаболические пути, в которых они участвуют. Липиды – важные составляющие клеточной мембраны. Ненасыщенные жирные кислоты особенно восприимчивыми к окислению, оно инициирует цепные реакции, нарушающие целостность клеток. В этом процессе экстракция АФК атома водорода приводит к образованию сопряженного диена, что делает липид более восприимчивым к дальнейшему окислению. Его последующая реакция с молекулярным кислородом приводит к образованию липидного пероксильного радикала, способного окислять соседнюю липидную молекулу и, таким образом, распространять окислительное повреждение (Lykkesfeldt and Svendsen, 2007). Механизмы клеточной защиты от окислительного стресса можно разделить минимум на три уровня в зависимости от задачи: нейтрализация окислителей, компенсация нанесенного ущерба или инкапсуляция неисправимых повреждений.

Воспалительные процессы всегда сопровождаются окислительным стрессом. При воспалении слизистой оболочки эпителиальные клетки кишечника, а также нейтрофилы (гетерофилы у птиц) и макрофаги продуцируют супероксид-АФК и оксид азота (активную форму азота, NOS, АФА) при активации окислительных ферментов НАДФН-оксидазы (NOX) и синтазы оксида азота (iNOS), соответственно, оба указанных фермента индуцируются провоспалительными цитокинами, секретируемыми в рамках воспалительного процесса (Tian et al., 2017). Любой тип воспаления в кишечнике вызывает высвобождение АФК и АФА и, следовательно, приводит к окислительному стрессу на уровне ЖКТ. С другой стороны, воспалительная реакция в кишечнике также приводит к образованию реактивных частиц, например, АФА, проявляющих противомикробные свойства. При попадании в просвет кишечника NO быстро превращается в нитраты. Росту E. coli может способствовать богатая нитратами среда воспаленного кишечника, поскольку вид обладает генами, необходимыми для функции восстанавливления нитратов. Кроме того, усиление притока крови к воспаленному участку кишки увеличивает концентрацию кислорода, что может привести к росту численности факультативных анаэробов. Среди этих организмов нужно отметить виды родов Streptococcus и Enterobacteriaceae (E. coli). Таким образом, ситуации воспаления и последующего окислительного стресса на уровне кишечника могут привести к увеличению популяций определенных патогенных бактерий и уменьшению популяций непатогенных. Изменение микробиома кишечника называется дисбиозом и приводит к нарушению микробного разнообразия ЖКТ. Такое нарушение, возникающее в результате любого типа воспаления, в том числе стерильного, может привести к развитию явного патологического воспаления у свиней и птицы (Lauridsen, 2018). А окислительный стресс, связанный с воспалением, может модифицировать фенотип эпителиальных клеток кишечника, что приводит к изменениям в экспрессии определенных генов. Например, в условиях окислительного стресса на уровне кишечника происходит усиление экспрессии некоторых провоспалительных веществ, например, интерлейкинов IL-8 и IL-1, TGF-β (трансформирующиего фактора роста бета), а также ослабление экспрессии окклюдина и муцина 2, веществ, ответственных за целостность кишечного эпителия (Ducatelle et al. 2018). Таким образом, окислительный стресс, вызванный стерильными и патологическими кишечными воспалениями, в этом взаимосвязанном «порочном круге» уже и сам усиливает их тяжесть, что приведит к хроническому воспалению.

Таким образом, любое воспаление в кишечнике, в т.ч. и стерильное, вызванное факторами кормления, приводит к окислительному стрессу. Окислительный стресс будет индуцировать экспрессию генов различных провоспалительных веществ, вызывая, в свою очередь, усиление воспаления. Следовательно, контроль поступления в организм с кормами антипитательных веществ, провоцирующих воспаление, а также окислителей, — главный метод минимизировать частоту заболеваний ЖКТ у моногастричных животных.