تتحكم نفاذية الجهاز المعوي في امتصاص العناصر الغذائية وكذلك في نقل مواد خارج الخلية غير المرغوبة مثل البكتيريا وغرائب الأحياء (xenobiotics)، بالإضافة إلى المواد غير المهضومة. بالتالي، تلعب صحة الأمعاء دورًا أساسيًا في إمراضية مختلف الإضطرابات المعويّة.
تقع نفاذية الأمعاء تحت سيطرة مجهريات البقعة، والإفرازات الهضمية، والحواجز المادية (موسين، والظِّهارَة المعوية والمواصل المحكمة)، وكذلك المواد الكيميائية مثل السيتوكينات.
التغيّر في مجهريات البقعة المعويّة
تحت الظروف العادية، تلعب العلاقة التكافلية بين مجهريات البقعة المعويّة والمضيف دوراً حاسماً في تحديد صحة الأمعاء. ولكن، يمكن لوقوع إضطرابٍ في مجهريات البقعة المعويّة أن يؤدي إلى نشوء علاقة غير متوازنة بين المضيف والجراثيم، وهو ما يُعرف بـ “إختلال التوازن البكتيري” (dysbiosis).
- هناك عناصر عدّة، مثل العوامل المضادة للتغذية الموجودة في الأعلاف، والمعادن الثقيلة، والمواد السامة، والسموم البكتيرية، ومبيدات الحشرات، والمضادات الحيوية، لها القدرة على إخلال توازن مجهريات البقعة المعويّة.
- يمكن لهذه التأثيرات أن تتسبّب بالتهابات موضعية، أو عدوى شاملة النطاق، أو حتى حالة تسمّم.
- بالإضافة إلى ذلك، تقوم الظهارة المعوية بتشكيل مواصل محكمة، تعمل كحاجز حيوي يتحكّم بالعبور الخارجي للخلايا للمواد المختلفة عبر الظهارة المعوية، بما في ذلك من أيونات، ومواد مذابة، وماء.
- كذلك، تقوم الظهارة المعوية بوظيفة حاجزٍ ضد بكتيريا خارج الخلية، والمستضدّات، وغرائب الأحياء.
الحاجز المعوي التالف
يُعدّ تلف وظيفة الحاجز المعوي، المعروف عموماً بـ “تسرّب الأمعاء” (leaky gut) حالةً تُتلف فيها بطانة الأمعاء الدقيقة، ما يؤدي إلى تسلّل المحتويات اللمعيّة مثل البكتيريا والمكونات المرتبطة بها، بما فيها السموم، لتنتقل بين الخلايا الظهارية.
- تؤدي هذه الحالات بالنتيجة إلى تلف الخلايا و/أو إلتهاب الأمعاء، ويميّزها وجود مستويات زائدة من السموم الداخلية المشتقة من البكتيريا في الدم.
- تستهلك هذه العملية الإلتهابية كميات عناصر غذائية ضخمة، وبالنتيجة، تخلق آثاراً سلبية على الإستجابات الأيضية، ولا سيما على الإستجابات الأيضية-المناعية والإفرازية منها.
- وبالنتيجة، ينخفض أداء الحيوان بشدّة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت ملاحظات ميدانية أُجريت في أوروبا أنّ صناعة الدواجن قد واجهت مشكلات عديدة عقب حظر محفزات النمو المضادة للكائنات الحية (AGPs)، بما فيها من آثار سلبية على الأداء، والنواحي الخاصة بالرعاية الحيوانية، وقضايا صحية عامة.
وإستجابةً لحظر الـ AGPs، تم تطوير عدّة بدائل للمضادات الحيوية، مثل مواد البروبيوتيك، والبريبَيوتك، ومواد النباتية المنشأ، وإختبارها وتقييمها وإستخدامها بنحو متزايد في إنتاج الدجاج والديوك الرومية.
في هذه المراجعة، نقوم بمناقشة دور هذه البدائل في الحفاظ على وظيفة الأمعاء من خلال تعديل مجهريّات البقعة المعويّة، والآثار ذات الصلة التي تعود بالنفع على صحة الدواجن وجودتها.
مجهريات البقعة المعويّة في الدواجن
تعدّ الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في جهاز الحيوانات الهضمي مثالاً رئيسياً على البكتيريا المفيدة. وفعلاً، يعدّ الجهاز الهضمي موطناً لمجتمع جرثومي وفير ومتنوع ذو وظائف أساسية يقدّمها للحيوانات المضيفة له.
التأثير على نمو الأمعاء ووظيفتها
على الرغم من أن الأمعاء تكون عرضةً لمكونات مجهريات البقعة منذ وقت الولادة أو الفقس، ليس معروفاً سوى القليل عن تأثيرها على النمو الصحي للأمعاء ووظيفتها.
- إنّ كثافة إستيطان الكائنات الدقيقة الحية للجهاز الهضمي تزيد عن تلك في أي عضو آخر من الجسم.
- لقد طوّرت الحيوانات، على مدار ملايين السنين من التطور، القدرة على إستضافة مجموعات جرثوميّة متعايشة معقّدة ونشيطة.
- بالنتيجة، هناك حاجة إلى فهم مفصّل لمساهمات هذه المجتمعات الجرثوميّة الفِطريّة لنمو المضيف وفيسيولوجيا الكائنات البالغة لأجل تحقيق فهم شامل لعلم أحياء الفقاريات.
- إن لكل من نوع الحيوان، والسلالة، والعمر، والتغذية، والبيئة، وأشكال التربية، وكثافة الإسكان، والإجهاد، والعلاج تأثير على تركيبة مجهريات البقعة المعويّة الحساسة. يوضح الرسم 1 العوامل التي تؤثر على تركيبة مجهريات البقعة في الأمعاء.
إنّ معظم أنواع الكائنات الدقيقة التي تشكّل مجهريات البقعة المعويّة لا يمكن إستنباتها بعد القيام بإزالتها من مكامنها، كما هو الحال مع معظم النظم الإيكولوجية المعقّدة.
يمكن لعملية إستيطان أمعاء الطيور أن تبدأ بالفعل أثناء تكوين الجنين وبعدها التقدّم نحو تكوين مجتمع جرثومي معقّد ونشيط.
- استنادًا إلى المبادئ التي تم وضعها على مدار تاريخ الحيوانات، يبدو من المرجّح أن تكون التفاعلات الواسعة والإندماجية الموجودة ما بين الجراثيم نفسها وبينها وبين المضيف هي الحاكمة في عملية إنشاء مجهريات البقعة.
عند القيام بمقارنة القوارض الخالية من الجراثيم، التي تم تربيتها دون تعرّضها لكائنات دقيقة حية، بتلك التي شيّدت لنفسها نبيتاً جرثومياً منذ الولادة، أو بتلك التي تعرّضت للإستيطان من قبل مكوّنات مجهريات البقعة أثناء أو عقب مرحلة النمو التالي للولادة، تم تحديد مجموعة متنوعة من الوظائف الخاصة بالمضيف التي وقعت تحت تأثير المجتمعات الميكروبية الفِطرية.
فعلى سبيل المثال، تقوم مجهريات البقعة بـ :
- توجيه عملية تكوين الأنسجة اللمفاوية المرتبطة بالأمعاء.
- المساهمة في تنشئة / تثقيف / تدريب الجهاز المناعي.
- التأثير على سلامة الحاجز المخاطي المعوي.
- تعديل التكاثر والتمييز لسلالات الخلايا الظهارية.
- تنظيم عملية تكوين الأوعية الدموية الجديدة (angiogenesis).
- تعديل نشاط الجهاز العصبي المعوي.
- تنفيذ دورٍ حاسمٍ في إستخراج العناصر الغذائية المُستهلكة ومعالجتها.
الرسم 1. العوامل التي تؤثر على تركيبة مجهريّات البقعة المعويّة، مع تعديل وفقًا لـ Carrasco والآخرون (تم إنشاء الرسم باستخدام BioRender.com، وتم الوصول إليه في تأريخ 15 ديسمبر/كانون الأول عام 2021).
بجانب ذلك، تستطيع مجهريات البقعة إستقلاب كل من البروتينات، والمواد الناتجة عن تحليلها، والمواد المحتوية على الكبريت، والبروتينات السكرية الداخلية والخارجية المنشأ.
- حتى أن بعض البكتيريا تتغذى على منتجات التخمير البكتيرية أو المواد الوسيطة بما في ذلك H2 واللاكتات والسكسينات والفورمات والإيثانول وتحولها إلى منتجات نهائية تفرز مرة أخرى إلى تجويف الأمعاء، مثل الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFA)، وهي عملية لها تأثير مباشر على فسيولوجيا الأمعاء.
ينتمي أكثر من 90 % من جميع أنواع الجراثيم المعوية في البشر والحيوانات إلى الشُعَب البكتيرويدية، والفيرميكوتس، والبكتيريا الشعاعية، والبعض الآخر إلى البكتيريا المغزلية، والبكتيريا البروتينية، والبكتيريا الثعلبية، والبكتيريا الزرقاء.
في الدجاج، تعتبر الشعيرات البكتيرويدية و Firmicutes هي الممثلات الأكثر انتشارًا في الأمعاء. في الإنسان والعديد من الحيوانات، النسبة بين Firmicutes و Bacteroidetes هي علامة مرتبطة بالصحة/الأيض.
- تحلل أنواع Firmicutes السكريات المتعددة وتنتج الزبدات.
- تؤدي أنواع بكتيريوتيد إلى تدهور الكربوهيدرات المعقدة وتوليف البروبيونات بشكل أساسي.
- الآليات التي تمارس بها البكتيريا التأثيرات على الجهاز الهضمي غير معروفة إلى حد كبير، ولكن التلاعب بهذه المحفزات يعتبر وسيلة واعدة للوصول إلى الصحة والأداء الأمثل.
الأغذية العلاجيّة
من المفترض أيضًا أن المبادئ الجزيئية التي تساعد في تعديل والحفاظ على الأداء الفسيولوجي الطبيعي لمجهريات البقعة المعويّة مشتقة بشكل أساسي من الطعام ومكملاته، مثل الأغذية العلاجيّة.
يمكن أن تشمل الأغذية العلاجيّة كل شيء:
- العناصر الغذائية المعزولة (الفيتامينات والمعادن والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية )؛
- الأعشاب الجيّدة (البوليفينول والأعشاب والتوابل )؛
- المكملات الغذائية (البروبيوتيك، البريبايوتك، السينبيوتيك، الأحماض العضوية، مضادات الأكسدة، الإنزيمات )؛ و
- الأطعمة المعدلة وراثيًا.
تساعد هذه المغذيات أيضًا على الوقاية من الأمراض المعدية للمضيف.
بالإضافة إلى ذلك، ظهر عددٌ كبير من البكتيريا المقاومة لأكثر من مضادّ حيوي مما جعل هذه الأزمة عالمية. سيكون هناك حاجة إلى الأغذية العلاجيّة لتقليل استخدام المضادات الحيوية.
لطالما استُخدِمت بكتيريا حمض اللبنيك كمكملات غذائية منذ عصور ما قبل المسيحية عندما كان البشر يشربون الحليب المخمر.
- لم يتم تحليل هذا الموضوع علميًا حتى القرن الماضي، عندما اكتشف إيلي ميتشنيكوف (1845–1916)، الذي يعمل في معهد باستور في باريس، وجود صلة بين طول عمر الإنسان وأهمية الحفاظ على مزيج صحي من الجراثيم المفيدة والممرضة في الأمعاء.
- اكتشف ميتشنيكوف وزملاؤه “العصية البلغارية”، على الأرجح العصية اللبنية البلغارية، التي تم استخدامها في تجارب لاحقة.
- اليوم، يُعرف هذا الكائن الدقيق باسم Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus، وهي واحدة من البكتيريا التي تستخدم لتخمير الحليب وصنع اللبن. بعد وفاة ميتشنيكوف في عام 1916، تحوّل التركيز على العمل في هذا المجال إلى الولايات المتحدة.
- في أواخر أربعينيات القرن الماضي، تم اكتشاف أن المضادات الحيوية المضافة إلى علف حيوانات المزرعة ساعدت في نموها. دفعت الحاجة إلى فهم الآليات الكامنة وراء هذا التأثير إلى مزيد من البحث في تكوين مجهريّات البقعة المعوية وكيف يمكن أن تؤثر على صحة الحيوان المضيف.
ساعد التقدم في علم الجراثيم وتوافر الحيوانات الخالية من الجراثيم على تقييم تأثير شاغلي الأمعاء الذين تم تحديدهم حديثًا على المضيف.
- بناءً على هذه الدراسات، أصبح من الواضح أن العصية اللبنية الحمضية لم تكن العصية اللبنية الوحيدة في الأمعاء، وتم فحص مجموعة متنوعة من الأنواع الأخرى وتم تضمينها في النهاية في تركيبات البروبيوتيك.
- يتم تلخيص الممثلين الرئيسيين في لمجهريّات البقعة المعوية للدجاج في الرسم 2. إن فهم كيفية نضج الأمعاء وتطورها في الدجاج وكيف تفيد مكملات العلف أداء الأمعاء سيزيد من كفاءة العلف ونموه وصحته العامة.
الحاجز المعوي والتقاطعات الضيقة
الخلايا المعوية هي حجر الزاوية في الطبقة الأحادية المخاطية المعوية التي تحمي المضيف من البيئة الخارجية. يوضح الرسم 3 مخططًا للحاجز الظهاري المعوي وبعض التفاعلات مع مجهريات البقعة المعوية.
- ترتبط الخلايا المعوية بما يسمى بالتقاطعات الضيقة (TJs)، والتي تشكل حزامًا مستمرًا من التلامسات الحميمة التي تتشكل أثناء عملية تجميع الأغشية العابرة المتكاملة (الإطباق، والكلودين، وجزيئات الالتصاق الوصلي (JAMs)، والثلاثي الخلايا) والأغشية الطرفية (المنطقة الإطباقية -1 (ZO -1)، و ZO -2، و ZO -3).
- تتواجد بروتينات TJ بين الخلايا المعوية المتجاورة، مما يغلق الحيز جنيب القوقعة وينظم نفاذية الحاجز المعوي.
- لذلك، تمنع هذه البروتينات انتقال الكائنات الحية الدقيقة والسموم والمستضدات الأخرى من التجويف المعوي إلى الدورة الدموية الجهازية.
يتم التحكم في تكوين ووظيفة التقاطعات الضيقة من خلال مسارات نقل الإشارة داخل الخلايا:
- إشارات كيناز البروتين C (PKC) و A (PKA) و G (PKG)،
- فوسفاتاز- رو، سلسلة الميوسين الخفيفة (MLC) كيناز (MLCK)، إشارات MAPK، و
- مسار PI3K/AKT.
يمكن أن يحدث اضطراب التقاطعات الضيقة بسبب العوامل البكتيرية في الخطوات التالية:
- ديد السكاريد الشحمي البكتيري (LPS) ينشط الخلايا الظهارية المعوية والبلاعم ؛
- تفرز هذه الخلايا السيتوكينات المسببة للالتهابات مثل IL -1 ß ؛ و
- ينشط IL -1 ß هذه الخلايا ويطلق إشارات داخل الخلايا، مثل كيناز P38 MAP، والذي ينشط لاحقًا MLCK. أخيرًا، تؤدي هذه العمليات إلى زيادة في نفاذية الأمعاء.
وأخيرًا، تؤدي هذه العمليات إلى زيادة نفاذية الأمعاء. وبالتالي، تتطور متلازمة الأمعاء المتسربة كاستجابة لمسببات الأمراض، والحرمان من التغذية، والإجهاد.
الرسم 3. الحاجز الظهاري المعوي وتفاعل الكائنات الحية الدقيقة المعوية.
المؤشرات الحيوية المتعلقة بصحة الأمعاء للحيوانات
تؤثر التفاعلات بين وظيفة الحاجز الظهاري والالتهاب المعوي والبيئة الميكروبية على صحة الأمعاء. لذلك، فإن اكتشاف مؤشرات حيوية موثوقة وواسعة الانتشار لقياس الالتهاب المعوي ووظيفة الحاجز هو مجال بحث مستمر مهم. ويرد في الجدول 1 ملخص لبعض المؤشرات الحيوية المعروفة المتعلقة بصحة الأمعاء.
- لدراسة صحة الأمعاء، من المهم أيضًا تطوير نماذج التهاب الأمعاء مع ظروف تحدي مختلفة (العوامل المضادة للتغذية، ومسببات الأمراض، والسموم، والمحفزات البيئية).
يمكن أن يرتبط الالتهاب أيضًا بالإجهاد التأكسدي والتغيرات في التعبير عن الجينات المتعلقة بالإجهاد التأكسدي، مما يشير إلى أن الإجهاد التأكسدي قد يكون له دور حاسم في الوظيفة المعوية الفسيولوجية.
إحدى التقنيات الكمية المستخدمة لتقييم سلامة بروتينات الوصلات الضيقة في الطبقات الأحادية للخلية الظهارية هي قياس المقاومة الكهربائية عبر الظهارة (TEER). التنفس الميتوكوندري مطلوب للحفاظ على TEER، مما يعني أن الأكسدة تلعب دورًا حاسمًا في استقرار الوصلة الضيقة لخلية Caco -2.
وفقًا لـ Janssen – Duijghuijsen et al.، أدى انخفاض إنتاج ATP للميتوكوندريا إلى انخفاض نفاذية الأمعاء وزيادة في التعبير الجيني للكلودين والكلودين-1، ولكن انخفاض في التعبير الجيني للكلودين-2 والكلودين-7.
- وبالتالي، تم إنشاء اتصال مباشر بين وظيفة الميتوكوندريا وحالة الطاقة الخلوية وسلامة الأمعاء.
المؤشرات الحيوية للإجهاد التأكسدي
في الكثير من الأحيان، يتم قياس الإجهاد التأكسدي من خلال فحص نواتج الأيض المتكونة أثناء أو بعد عملية الأكسدة.
- الإنزيم المضاد للأكسدة الذي يزيل السموم من المنتجات الثانوية الأيضية الضارة والذي يقاس عادة كمؤشر حيوي هو ديسموتاز الأكسيد الفائق (SOD).
- تشمل المؤشرات الحيوية الأخرى التي يمكن استخدامها لقياس النشاط المضاد للأكسدة المواد المتفاعلة مع حمض الثيوباربيتوريك (TBARS)، وهي مستقلبات تتشكل أثناء الأكسدة ؛ السعة الكلية لمضادات الأكسدة ؛ ومقايسة جريس، التي تستخدم تحلل النتريت والنترات لتحديد تركيز أكسيد النيتريك داخل الخلية.
الجدول 1. المؤشرات الحيوية المحتملة لتقييم صحة الأمعاء. مقتبس من Chen et al و Baxter et al.
المؤشرات الحيوية لصحة الأمعاء
يمكن أيضًا أن تكون المؤشرات الحيوية لتقييم صحة الأمعاء مرتبطة بمراقبة وظيفة الأمعاء.
- السترولين هو منتج ثانوي يحتوي على النيتروجين لاستقلاب الجلوتامين الذي يمكن تحويله إلى أرجينين وينتج بشكل رئيسي عن طريق الخلايا المعوية في الأمعاء الدقيقة.
- ارتبطت مستويات السترولين في البلازما بالامتصاص المعوي للعلامات مثل المانيتول في الخنازير المفطومة مسبقًا، مما يشير إلى أنه يمكن استخدام السترولين لمراقبة وظيفة الأمعاء.
- كيناز خارج الخلية المنظم بالإشارة (ERK) هو مؤشر حيوي آخر يمكن اعتباره خيارًا لأنه يعمل كمسار إشارة حاسم لانتشار الظهارة المعوية وشفاء الأنسجة.
- وبالتالي، يمكن أن يعكس نشاط ERK في المصل اضطرابًا معويًا ناتجًا عن ضغوط.
المؤشرات الحيوية المتعلقة بالنشاط المناعي
في حالة المؤشرات الحيوية المتعلقة بالنشاط المناعي التي يمكن أن تؤثر على صحة الأمعاء.
- يعد الغلوبولين المناعي الإفرازي أ (SIgA) مكونًا حاسمًا في الجهاز المناعي الخلطي والغلوبولين المناعي الرائد الذي يتفاعل مع مسببات الأمراض على سطح الغشاء المخاطي. وبالتالي، لديه علاقة وثيقة مع التوازن في البيئة المعوية.
- السيتوكين المؤيد للالتهابات مع خصائص التحفيز المناعي والمناعي هو إنترفيرون غاما (INF – γ).
- وقد ارتبط هذا السيتوكين بالاندماج الداخلي لبروتينات الوصلات الضيقة. وبالتالي، له تأثير عملي على نفاذية الأمعاء.
في نهاية المطاف، من المرجح أن توفر كل من الاستجابات المناعية الفطرية والتكيفية مؤشرات حيوية قابلة للتطبيق لتقييم صحة الأمعاء.
التحليل النسيجي الشكلي
التحليل النسيجي الشكلي هو نوع آخر من التقييم المتأثر بشكل وثيق بالتوازن الكافي للبيئة المعوية.
- ارتفاع الزغابات وعمق الخبايا ونسبة ارتفاع الزغابات إلى عمق الخبايا هي معايير يمكن استخدامها لحساب مساحة الامتصاص في الأقسام المختلفة من الأمعاء، وفي الوقت نفسه تكون مؤشراً على دوران الخلايا الظهارية في الحاجز المعوي.
المؤشرات الحيوية لنفاذية الأمعاء
الإزاحة البكتيرية والتعبير الجيني لـ TJ مثل claudins و occludins و (ZO -1) zonula occludens هي مؤشرات حيوية لنفاذية الأمعاء تستخدم لتقييم صحة الأمعاء.
وقد ارتبط الانتقال البكتيري بأمراض مثل التنخر الغضروفي مع التهاب العظم والنقي في مربي دجاج التسمين وأمّهات دجاج التسمين، مما يشير إلى هجرة مسببات الأمراض المعوية إلى الفقرات الصدرية.
وقد أظهرت الـTJ مثل الأكلودين أنها غير منظّمة في المرضى البشريين الذين يعانون من أمراض الأمعاء الالتهابية (مرض كرون)، وفي الدجاج تحت نماذج التحدي الصحي للأمعاء الغذائية، وبالتالي تكشف عن الدور الأساسي للـTJ مثل الأكلودين في الحفاظ على سلامة الحاجز المعوي.
تشمل مجموعة مختلفة من المؤشرات الحيوية المرشحة البروتينات المرتبطة بالأحماض الدهنية (FABP)، وهي عبارة عن مرافقين للدهون داخل الخلايا مسؤولين عن تنسيق استقلاب الدهون والمسارات الحساسة للدهون الحرجة في الخلايا الضامة والخلايا الشحمية.
- تمت دراسة FABP2 في البشر والدجاج، مما يدل على استجابة تنظيمية عندما يكون هناك إصابة في الحاجز المعوي.
هناك علامة حيوية أخرى معروفة تم استخدامها في الدواجن لتقييم نفاذية الأمعاء وهي قياس إيزوثيوسيانات الفلوريسين ديكستران (FITC – d) في المصل.
- أثناء الالتهاب المعوي، يسمح اضطراب بروتينات TJ لجزيء FITC – d بالانتشار في الدورة الدموية الجهازية، مما يسمح بقياس هذه العلامة الحيوية في ظل ظروف صعبة مختلفة، بما في ذلك 24 ساعة من الصيام في دجاج التسمين.
بعض المؤشرات الحيوية غير الغازية التي يتم دراستها حاليًا في عينات البراز من قبل مجموعات بحثية مختلفة هي الفيبرونكتين والكالبروتكتين والليبوكالين. أظهرت المؤشرات الحيوية هذه نتائج واعدة في الدجاج؛ ومع ذلك، كانت هناك أيضًا تناقضات بين الدراسات.
في نهاية المطاف، الهدف هو مواصلة البحث عن المؤشرات الحيوية لصحة الأمعاء التي يمكن قياسها بسهولة من العينات التي لا تتطلب وقتًا أو تكلفة تحضير شاملة.