Механизм взаимодействия организма животного с микробиотой желудочно-кишечного тракта (обзор)

Микробиота желудочно-кишечного тракта млекопитающих получила название «забытый орган», ее изучение стало основой развиваемой в последние годы теории о роли микробиоты в процессах эволюции. Каждый вид млекопитающих содержит кишечную микробиоту, изменчивость которой ассоциирована с процессами адаптации и диверсификации животных, способствуя возможностям изменения типа кормления, фенотипической пластичности, работе врожденного и адаптивного иммунитета. Микробиота служит важной мишенью действия факторов окружающей среды и селективным агентом, формирующим адаптивную эволюцию рациона млекопитающих, фенотипическую пластичность и морфологию кишечника.

Состав микробиоты меняется в зависимости от возраста и вида животного, это происходит из-за отклонений в рационе кормления и патологиях, приводящих к снижению функции иммунной системы. Эти факторы могут оказывать потенциальное влияние на возникновение метаболических заболеваний, таких как хронический панкреатит, постхолецистэктомический синдром, дисахаридазная недостаточность, гепатит, цирроз печени и др. Тип, качество, компоненты и источник кормов, потребляемых животными, будут влиять на состав функции и взаимодействия в экосистеме микробиома.

Различные типы стрессов, как физических, так и химических, модулируют состав и общую биомассу кишечной микробиоты независимо от времени действия стресса. Эти эффекты могут быть опосредованы через параллельные нейроэндокринные выходные эфферентные системы (то есть вегетативную нервную систему и гормональную), передачу сигналов между хозяином и кишечной микробиотой и косвенно из-за изменения в кишечной среде. Кроме того, мозг, отвечающий за психологический стресс, играет важную роль в модуляции таких функций кишечника, как подвижность, секреция кислоты, бикарбонатов и слизи, переваривание кишечной жидкости и иммунный ответ, что важно для поддержания слизистого слоя и биопленки, где отдельные группы бактерий растут во множестве различных микрообитаний и метаболических ниш, связанных со слизистой оболочкой.

Основной продукт метаболизма бактерий — короткоцепочечные жирные кислоты, такие как масляная, пропионовая и уксусная, которые способны стимулировать симпатическую нервную систему, высвобождение серотонина и влиять на биологический процесс в организме. В этом контексте интересно, что поведение животных взаимосвязано с кормлением и микробиотой. Мыши обычно используются в качестве биологической модели при изучении микрофлоры кишечника. Они помогают обеспечить оценку лабораторных экспериментов, направленных на изучение нарушений работы иммунной системы, с использованием современного оборудования. Более тщательное наблюдение за составом микробиоты необходимо для выявления и оценки потенциальных причинно-следственных связей и возможного механизма взаимодействия между микроорганизмами кишечника сельскохозяйственных животных.

Цель работы — провести анализ публикаций научных исследований по изучению путей взаимодействия хозяина с микробиотой желудочно-кишечного тракта животных и факторов, влияющих на биоразнообразие микробиоты.

Материалы и методы исследования

Поиск и анализ литературы проводился с использованием интернет-ресурсов: РИНЦ — https://www.elibrary.ru, ScienceDirect — https://www.sciencedirect.com, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov. Предпочтение было отдано источникам с 2017 по 2022 год.

Для обзора отбирались материалы, подготовленные отечественными и зарубежными учеными в области кормления животных, и использовались теоретические методы исследования (анализ, классификация и обобщение).

Результаты и обсуждение

Все ткани и органы многоклеточного организма колонизированы сосуществующим с ним микробным сообществом, состав которого включает бактерии, вирусы, грибы, дрожжи, археи и простейших. Разнообразие микроорганизмов в пределах той или иной физиологической системы макроорганизма определяется как видовой состав микробного сообщества — микробиоты. Преобладающий по количеству вид микроорганизмов называют доминирующим, и каждый орган или система в макроорганизме имеет свой собственный характерный состав микробных ассоциаций.

Определения «микробиота» и «микробиом» часто взаимозаменяемы, между этими двумя терминами существуют определенные различия. Микробиота описывает живые микроорганизмы, встречающиеся в определенной среде, такие как микробиота полости рта и кишечника. Микробиомом называется совокупность геномов всех микроорганизмов в окружающей среде, которая включает не только сообщество микроорганизмов, но и микробные структурные элементы, метаболиты и условия окружающей среды. В этом отношении микробиом охватывает более широкий спектр, чем микробиота.

Эти исследования ориентированы прежде всего в разрешении вопросов, связанных с нормализацией гомеостаза, поддержания обмена веществ на уровне, соответствующем здоровому организму, путем воздействия на микробный мир. В связи этим представляется важным решение задач по продлению продуктивного долголетия сельскохозяйственных животных путем воздействия в первую очередь на микробиоту пищеварительной системы.

Желудочно-кишечный тракт считается органом, в котором содержится самая большая популяция иммунных клеток и микробов, численность которых превышает численность всех клеток хозяина. Существует мнение, что здоровый кишечник приводит к появлению здоровых жвачных животных с оптимальной производительностью. Рубец является самой разнообразной и сложной микробной экосистемой у животных. Это микробное сообщество, состоящее из симбиотических бактерий, архей, простейших, грибов и фагов, обеспечивает эволюционное преимущество для жвачных животных, которое позволяет им использовать лигноцеллюлозные материалы и небелковый азот для производства высококачественных продуктов питания. Жвачные животные способны переваривать широкий спектр кормов, снижая конкуренцию за пищевые продукты, пригодные для человека. Однако микробиологическая ферментация в рубце имеет некоторые недостатки: протеолиз, осуществляемый простейшими и определенными видами бактерий, может привести к низкой эффективности азотирования, а избыток аммиака в рубце, который не улавливается для синтеза собственного белка, поглощается и выводится в окружающую среду.

Важно отметить, исследования N.T Mueller et al. (2017 г.) показали, что изменчивость микробиоты рубца у разных животных меняется с течением времени. Конкретные кормовые добавки были объектом экспериментальных испытаний микробиома рубца. К ним относятся пробиотические бактерии, органические кислоты. В основном их применяли с целью противления воздействию высококалорийных рационов, типичных для молочных коров, на рН, состав микробиоты рубца и здоровье животных.

Исследования, в которых применялась гипотеза Коха, доказывала, что микроорганизмы являются возбудителями многих заболеваний, и помогла в изучении возможной причинно-следственной связи между микрофлорой кишечника и ожирением. Бактерии являются наиболее распространенными микроорганизмами и вносят основной вклад в переваривание растений в рубце, составляя около 95% микробиоты. Ферменты, которые кодируются и секретируются микроорганизмами, играют основную роль в деградации. Многочисленные гликозидгидролазы работают над разрушением сложной химической структуры биомассы растений, эти ферментативные функции фактически транслируются микробам, играющим определенную роль в экосистеме рубца. Липазы могут регулировать метаболизм жирных кислот в рубце, а контроль липолиза может играть жизненно важную роль в ограничении биогидрирования полиненасыщенных жирных кислот.

Ксиланаза и целлюлоза — наиболее популярные экзогенные фибролитические ферменты, используемые у жвачных животных для регуляции микробиоты рубца. Экзогенные ферменты могут улучшать перевариваемость, указывая на то, что при определенных обстоятельствах (например, при более слабом развитии рубца) количество фибринолитического фермента в рубце ограничено.

B. Liu et al. (2018 г.) установили, что для оценки микробиоты у жвачных животных первыми процедурами являются забор содержимого и извлечение метагеномной ДНК. Содержимое рубца может быть собрано с помощью руминальной канюли или методом желудочного зонда, в то время как образцы кала могут быть собраны ректальным захватом с использованием чистой перчатки. Анализ других сегментов, таких как двенадцатиперстная, тощая, подвздошная, слепая и толстая кишка, может быть собран у животных после умерщвления. Изучено, что состав и метаболизм кишечной микробиоты можно регулировать с помощью пребиотиков и клетчатки, так как они улучшают метаболические маркеры на экспериментальных моделях.

Всем известна информация, что наиболее распространенным методом воздействия на микробиоту остается использование биотиков — пробиотиков, пребиотиков (и их комбинаций), метабиотиков, позволяющих пополнять желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) полезными бактериями и их метаболитами, ежедневно получаемыми аналогичными видами животных в природных условиях. Опыт применения таких кормовых добавок и препаратов показывает, что наряду с улучшением продуктивных качеств сельскохозяйственных животных и птицы наблюдается увеличение периода их хозяйственного использования.

Обогащение организма пробиотиками в целом увеличивает продолжительность жизни животного. В контексте применения природоподобных веществ в целях регуляции микробиоты ЖКТ находят свое применение фитобиотики, помимо антибактериальных свойств (к патогенным возбудителям), увеличивающие численность полезных бактерий, что в совокупности позволяет нормализовать обмен веществ с лучшей реализацией генетического потенциала животного.

Микробный дисбаланс может явиться пусковым механизмом в развитии аллергических реакций, воспалительных процессов органов и систем, гиповитаминозов, гипомикроэлементов, нарушений, связанных с обменными процессами организма, аутоиммунных заболеваний. По мнению известных ученых, нормальная микрофлора является мишенью негативного влияния разных по своей природе факторов. В зависимости от интенсивности и характера воздействия формируются микроэкологические нарушения, степень выраженности и характер проявления которых могут быть различными. Многочисленные группы факторов (экзо- и эндогенной природы) способны изменить состав, видовое разнообразие аутомикрофлоры, способствовать появлению в определенном штамме микроорганизмов генов вирулентности и др.

Патогенез кишечной нормофлоры ведет к уменьшению всасывания питательных веществ, раздражению кишечных стенок, вызывающему усиленную перистальтику, диарею и снижение переваримости корма. На этом фоне у животных формируются дисбиотические состояния, снижаются естественная резистентность и продуктивность.

Дисбиоз кишечника — состояние, характеризующееся нарушением качественного и количественного состава кишечной микрофлоры в результате влияния многочисленных неблагоприятных экзогенных и эндогенных факторов. В результате снижения колонизационной резистентности в отношении патогенной и условно-патогенной флоры создаются условия для нарушения кишечного слизистого барьера и проникновения бактерий за пределы кишечной стенки.

Состав микробиоты отражает их физиологические свойства, на которые влияют химические, пищевые и иммунологические градиенты вдоль кишечника. В тонком кишечнике, как правило, высокий уровень кислот, кислорода и противомикробных препаратов, а также короткое время прохождения. Проводимые микробиомные исследования направлены на то, чтобы выявить недостающие детали в патофизиологических процессах и объяснить кажущиеся случайными вариации тяжести заболевания и фенотипических проявлений в связи, например, с такими факторами, как эколого-географические и кормовые. Благодаря достижениям в изучении микробных сообществ была получена важная информация, что бактериальный дисбиоз может приводить, в частности, к нарушениям в деятельности нервной системы.

Для защиты от повреждений и поддержания гомеостаза желудочно-кишечный тракт ограничивает воздействие иммунной системы хозяина на микробиоту путем создания многофакторного и динамичного кишечного барьера. Барьер включает в себя несколько интегрированных компонентов, включая физические (слои эпителия и слизи), биохимические (ферменты и антимикробные белки) и иммунологические (IgA и эпителиально-ассоциированные иммунные клетки) факторы. Продолжительность жизни отдельного микроба определяется тем, вносит ли он вклад в выполнение ряда важнейших функций, от которых зависит приспособленность организма-хозяина.

Обнаружено, что кишечные микробы могут быть адаптированы к определенному типу образа жизни из-за относительно меньшего количества биохимических ниш, доступных в кишечнике, по сравнению с другими средами, богатыми микробами. В кишечнике энергия, как правило, может быть получена посредством таких процессов, как ферментация и сульфатредукция пищевых углеводов и углеводов хозяина. Таким образом, организмы, которые могут выживать в кишечнике, ограничены своими фенотипическими признаками.

В течение последних лет методы, основанные на высокопроизводительном секвенировании, такие как метабаркодирование ДНК, открыли ряд новых вопросов в исследованиях кормления животных. Этот метод основан на извлечении ДНК из остатков переваренного корма в образце рациона (то есть содержимого желудка, срыгиваний или фекалий), ее амплификации универсальными праймерами, а затем секвенировании отдельных молекул ДНК, идентифицированных путем сопоставления их с эталонной базой данных последовательностей. Основное преимущество заключается в возможности определения количественной взаимосвязи между пропорциями считанных последовательностей и биомассой, съеденным кормом. Однако надежность этой взаимосвязи в значительной степени зависит от исследуемой системы, что требует оценки для конкретного случая.

Метабаркодирование особенно выгодно применять для анализа сложных рационов в кормлении животных, состоящих из множества таксономически разнообразных таксонов, поскольку метод требует небольшого предварительного знания об изучаемой системе. С качественной точки зрения способность метабаркодирования рациона обнаруживать даже сильно деградированную ДНК позволяет получить доступ к редким или неизвестным заболеваниям. В последующем данный метод поможет выявлять и корректировать нарушения у животных, связанные с микробиотой желудочно-кишечного тракта.

Выводы

Микробиота служит фактором, объединяющим все физиологические системы организма. Микробные сообщества меняются на уровне системы или даже органа, это приводит к возникновению патологических процессов. Микрофлора легко восстанавливается при изменении состава рациона, увеличении двигательной активности, улучшении среды обитания, использовании пробиотиков, пребиотиков, метабиотиков, ферментов. Значительные изменения в рационе кормления могут вызывать временные сдвиги в большом количестве микроорганизмов, поскольку кормление является основным источником энергии для животных и важнейшим методом поддержания здоровья и роста, состав рациона оказывает большое влияние на микробиоту желудочно-кишечного тракта. В настоящее время накопление данных о микробиомах животных сельскохозяйственных видов имеет как теоретическое, так и практическое значение. Это научное направление остается актуальным и перспективным, поскольку продуктивность и адаптивный потенциал ценных сельскохозяйственных видов и пород животных могут быть улучшены целенаправленным изменением качественного и количественного состава их микробных сообществ.

Об авторах

Виктория Владимировна Гречкина1, 2; кандидат биологических наук

Viktoria1985too@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-1159-0531

Елена Владимировна Шейда1, 3; кандидат биологических наук

elena-shejjda@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-2586-613

Ольга Вилориевна Кван1, 3; кандидат биологических наук

kwan111@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-0561-7002

1 Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук, ул. 9 Января, 29, Оренбург, 460000, Россия

2 Оренбургский государственный аграрный университет, ул. Челюскинцев, 18, Оренбург,  460014, Россия

3 Оренбургский государственный университет, пр. Победы, 13, Оренбург, 460018, Россия

УДК 636.5:559.28
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-381-4-54-58