Probiotik, pra-biotik, dan bahan fitogenik dalam ayam: Bahagian I untuk mengoptimumkan kesihatan usus

Conteúdo disponível em: English Indonesia (Indonesian) ไทย (Thai) Tiếng Việt (Vietnamese) Philipino

Kebolehtelapan saluran usus mengawal penyerapan nutrien dan pengangkutan bahan ekstraselular yang tidak diingini seperti bakteria dan xenobiotik, selain bahan yang tidak dicerna. Oleh itu, kesihatan usus memainkan peranan penting dalam patogenesis pelbagai gangguan usus.

Kebolehtelapan usus dikawal oleh mikrobiota usus, rembesan pencernaan, halangan fizikal (mukin, lapisan sel epitelium usus, dan sambungan ketat), serta bahan kimia seperti sitokin.

PERUBAHAN PADA MIKROBIOTA USUS

Di bawah keadaan normal, hubungan simbiotik antara mikrobiota usus dan perumah sangat menentukan kesihatan usus. Namun, gangguan pada mikrobiota usus boleh menyebabkan ketidakseimbangan hubungan perumah-mikroba, yang dikenali sebagai “disbiosis.”

• Beberapa faktor seperti faktor antinutrisi dalam makanan, logam berat, bahan toksik, toksin bakteria, herbisid, dan antibiotik boleh mengganggu mikrobiota usus.
• Gangguan ini boleh mengakibatkan keradangan setempat, jangkitan meluas, atau bahkan keracunan.
• Tambahan pula, epitelium usus membentuk sambungan ketat yang bertindak sebagai penghalang biologi untuk mengawal transit paracellular pelbagai bahan melintasi epitelium usus, termasuk ion, zat terlarut, dan air.
• Ia juga berfungsi sebagai penghalang kepada bakteria ekstraselular, antigen, dan xenobiotik.

PENGGANGGUAN PADA PENGHALANG USUS

Fungsi penghalang usus yang terganggu, biasanya dikenali sebagai “leaky gut,” adalah keadaan di mana lapisan usus kecil menjadi rosak. Keadaan ini membolehkan kandungan lumen seperti bakteria dan komponen berkaitannya, termasuk toksin, meresap di antara sel-sel epitelium.

• Keadaan ini seterusnya menyebabkan kerosakan sel dan/atau keradangan usus, yang dicirikan oleh peningkatan tahap endotoksin yang berasal daripada bakteria dalam darah.
• Proses keradangan ini menggunakan sejumlah besar nutrien dan seterusnya memberi kesan negatif terhadap tindak balas metabolik, terutamanya pada tindak balas imunometabolik dan endokrin.
• Akibatnya, prestasi haiwan terjejas dengan ketara.

Tambahan pula, pemerhatian di lapangan di Eropah menunjukkan bahawa industri ayam menghadapi beberapa masalah selepas larangan penggunaan penggalak pertumbuhan antibiotik (AGP), termasuk kesan negatif terhadap prestasi, aspek kesejahteraan haiwan, dan isu kesihatan umum.

Sebagai tindak balas kepada larangan AGP, beberapa alternatif kepada antibiotik seperti probiotik, pra-biotik, dan bahan fitogenik telah dibangunkan, diuji, dinilai, dan digunakan dalam pengeluaran ayam dan ayam belanda dengan kekerapan yang semakin meningkat.

Dalam ulasan ini, kami membincangkan peranan alternatif ini dalam mengekalkan fungsi usus melalui pengawalan mikrobiota usus serta kesan-kesan berkaitannya yang memberi manfaat kepada kesihatan dan kualiti ayam.

MIKROBIOTA USUS DALAM AYAM

Mikroorganisma yang hidup dalam saluran gastrousus (GIT) haiwan merupakan contoh utama bakteria bermanfaat. GIT adalah habitat kepada komuniti mikrob yang pelbagai dan banyak, yang menyediakan fungsi penting kepada haiwan perumah mereka.

Kesan terhadap perkembangan dan fungsi

Walaupun usus terdedah kepada komponen mikroflora sejak lahir atau penetasan, sedikit yang diketahui mengenai kesannya terhadap perkembangan dan fungsi yang sihat.

• Mikroorganisma lebih banyak terdapat dalam GIT berbanding mana-mana organ lain.
• Haiwan telah berkembang keupayaan untuk menjadi perumah kepada konsortium mikrob yang kompleks dan dinamik sepanjang kitaran hidup mereka selama berjuta-juta tahun evolusi.
• Oleh itu, pemahaman terperinci mengenai sumbangan komuniti mikrob asli ini kepada perkembangan perumah dan fisiologi dewasa diperlukan untuk memahami sepenuhnya biologi vertebrata.
• Spesies haiwan, baka, umur, pemakanan, persekitaran, bentuk penternakan, kepadatan ternakan, tekanan, dan penggunaan ubat semuanya boleh mempengaruhi komposisi mikrobiota usus yang halus. Faktor-faktor yang mempengaruhi komposisi mikrobiota usus ditunjukkan dalam Rajah 1.

Kebanyakan spesies mikroflora usus ini tidak dapat dikultur apabila dikeluarkan dari habitat asal mereka, seperti yang berlaku dengan kebanyakan ekosistem kompleks.

Penjajahan usus unggas boleh bermula seawal embriogenesis dan berkembang menjadi pembentukan masyarakat mikrob yang kompleks dan dinamik.

• Berdasarkan prinsip-prinsip yang ditetapkan sepanjang sejarah haiwan, interaksi mikrob–mikrob dan perumah–mikrob yang luas serta kombinasi kemungkinan besar mengawal penyusunan mikrobiota.

Dengan membandingkan tikus bebas kuman yang dibesarkan tanpa pendedahan kepada mikroorganisma dengan tikus yang telah membina mikrobiota sejak lahir, atau yang dijajah oleh komponen mikrobiota semasa atau selepas perkembangan postnatal, pelbagai fungsi perumah yang dipengaruhi oleh komuniti mikrob asli telah dikenal pasti.

Mikrobiota, sebagai contoh:

Rajah 1. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Komposisi Mikrobiota Usus
Diubah suai mengikut Carrasco et al. (rajah ini dicipta menggunakan BioRender.com, diakses pada 15 Disember 2021).

Selain itu, protein dan produk pemecahan protein, bahan yang mengandungi sulfur, serta glikoprotein endogen atau asing boleh dimetabolismakan oleh mikroflora.

• Sesetengah bakteria juga memakan produk atau perantaraan fermentasi bakteria seperti H₂, laktat, suksinat, format, dan etanol, lalu menukarkannya kepada produk akhir yang sekali lagi dirembeskan ke lumen usus, seperti asid lemak rantai pendek (SCFA). Proses ini memberikan kesan langsung kepada fisiologi usus.

Lebih daripada 90% daripada semua spesies mikrobiota usus dalam manusia dan haiwan tergolong dalam filum Bacteroidetes, Firmicutes, dan Actinobacteria, manakala yang lain termasuk Fusobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia, dan Cyanobacteria.

Dalam ayam, filum Bacteroidetes dan Firmicutes merupakan wakil paling dominan dalam usus. Dalam manusia dan beberapa haiwan, nisbah antara Firmicutes dan Bacteroidetes merupakan penanda yang berkaitan dengan kesihatan/metabolisme.

• Spesies Firmicutes menguraikan polisakarida dan menghasilkan butirat.
• Spesies Bacteroidetes merosakkan karbohidrat kompleks dan mensintesis terutamanya propionat.
• Mekanisme di mana bakteria memberikan kesan pada saluran gastrousus masih banyak yang tidak diketahui, tetapi manipulasi pencetus ini dianggap sebagai cara yang menjanjikan untuk mencapai kesihatan dan prestasi yang optimum.

Nutraseutikal

Adalah juga diandaikan bahawa prinsip molekul yang membantu dalam pengubahsuaian dan pemeliharaan fungsi fisiologi normal mikrobiota usus kebanyakannya berasal daripada makanan dan suplemen seperti nutraseutikal.

Nutraseutikal boleh merangkumi pelbagai kategori, termasuk:

• Nutrien terasing (vitamin, mineral, asid amino, asid lemak);
• Produk herba (polifenol, herba, rempah);
• Suplemen pemakanan (probiotik, prebiotik, sinbiotik, asid organik, antioksidan, enzim); dan
• Makanan yang diubah suai secara genetik.

Nutraseutikal ini juga membantu dalam pencegahan penyakit berjangkit pada perumah.

Tambahan pula, beberapa bakteria dengan ketahanan multidrug telah muncul, menjadikan krisis ini bersifat global. Nutraseutikal diperlukan untuk mengurangkan penggunaan antibiotik.

Bakteria asid laktik

Bakteria asid laktik telah digunakan sebagai suplemen makanan sejak zaman pra-Kristian, apabila manusia mengambil susu yang telah diperam.

• Kajian saintifik mengenai topik ini hanya bermula pada abad yang lalu, apabila Eli Metchnikoff (1845–1916), yang bekerja di Institut Pasteur di Paris, menemui hubungan antara umur panjang manusia dengan kepentingan mengekalkan keseimbangan mikroba bermanfaat dan patogen dalam usus.
• Metchnikoff dan rakan-rakannya telah mengenal pasti ‘Bulgarian bacillus’, yang kemungkinan besar adalah Lactobacillus bulgaricus, yang kemudian digunakan dalam percubaan lanjut
• Hari ini, mikroorganisma ini dikenali sebagai Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, yang merupakan salah satu bakteria yang digunakan untuk memfermentasi susu dan menghasilkan yogurt. Selepas kematian Metchnikoff pada tahun 1916, tumpuan kajian dalam bidang ini beralih ke Amerika Syarikat.
• Pada akhir 1940-an, didapati bahawa antibiotik yang ditambah ke dalam makanan haiwan ternakan dapat membantu pertumbuhan mereka. Keperluan untuk memahami mekanisme di sebalik kesan ini mendorong lebih banyak penyelidikan mengenai komposisi mikroflora usus dan bagaimana ia boleh mempengaruhi kesihatan haiwan perumah.

Kemajuan dalam bidang bakteriologi serta ketersediaan haiwan bebas kuman telah memudahkan penilaian kesan penghuni usus yang baru dikenal pasti terhadap perumah.

• Berdasarkan kajian ini, menjadi jelas bahawa Lactobacillus acidophilus bukan satu-satunya spesies Lactobacillus dalam usus, dan pelbagai spesies lain telah dikaji dan akhirnya dimasukkan ke dalam formulasi probiotik.
• Wakil utama mikrobiota usus dalam ayam diringkaskan dalam Rajah 2. Memahami bagaimana usus matang dan berkembang dalam ayam serta bagaimana suplemen makanan memberi manfaat kepada prestasi usus akan meningkatkan kecekapan makanan, pertumbuhan, dan kesihatan keseluruhan.

Rajah 2. Mikrobiota dalam ayam, diringkaskan daripada Shang et al. (rajah dihasilkan menggunakan BioRender.com, diakses pada 15 Disember 2021).

PENGHALANG USUS DAN JUNCTION KETAT

Enterosit merupakan asas lapisan mukosa usus yang melindungi perumah daripada persekitaran luar. Skema penghalang epitelium usus dan beberapa interaksi dengan mikrobiota usus ditunjukkan dalam Rajah 3.

• Enterosit dihubungkan oleh apa yang dipanggil sebagai tight junctions (TJ), yang membentuk tali pinggang berterusan hubungan erat yang terbentuk semasa proses penyusunan membran transintegral (occludin, claudins, molekul adhesi junction (JAMs), dan tricellulin) dan membran periferi (zonula occludens-1 (ZO-1), ZO-2, dan ZO-3).
• Protein TJ ini terletak di antara enterosit bersebelahan, menyegel ruang paracellular dan mengawal kebolehtelapan penghalang usus.
• Oleh itu, protein ini mencegah peralihan mikroorganisma, toksin, dan antigen lain daripada lumen usus ke peredaran sistemik.

Pembentukan dan fungsi tight junctions (TJ) dikawal oleh laluan isyarat transduksi intraselular seperti berikut:

• Isyarat Protein Kinase C (PKC), A (PKA), dan G (PKG),
• Phosphatase-Rho, myosin light chain kinase (MLCK),
• Isyarat MAPK, dan
• Laluan PI3K/Akt.

Gangguan TJ oleh faktor bakteria boleh berlaku melalui langkah-langkah berikut:

• Lipopolisakarida bakteria (LPS) mengaktifkan sel epitelium usus dan makrofaj.
• Sel-sel ini merembeskan sitokin proinflamasi seperti IL-1ß.
• IL-1ß selanjutnya mengaktifkan sel-sel ini dan mencetuskan isyarat intraselular seperti p38 MAP kinase.
• Isyarat ini seterusnya mengaktifkan MLCK, yang menyebabkan peningkatan kebolehtelapan usus.

Proses ini menyumbang kepada perkembangan sindrom usus bocor (leaky gut syndrome) sebagai tindak balas kepada patogen, kekurangan makanan, dan tekanan.

Rajah 3. Halangan epitelium usus dan interaksi mikrobiota usus.

BIOMARKER YANG BERKAITAN DENGAN KESIHATAN USUS HAIWAN

Interaksi antara fungsi penghalang epitelium, keradangan usus, dan persekitaran mikroba mempengaruhi kesihatan usus. Oleh itu, penemuan biomarker yang boleh dipercayai dan meluas untuk mengukur keradangan usus dan fungsi penghalang merupakan bidang penyelidikan yang penting. Ringkasan beberapa biomarker yang diketahui berkaitan dengan kesihatan usus dipersembahkan dalam Jadual 1.

• Untuk mengkaji kesihatan usus, adalah penting untuk membangunkan model keradangan usus dengan pelbagai keadaan cabaran (faktor antinutrisi, patogen, toksin, dan pencetus persekitaran).

Keradangan juga boleh dikaitkan dengan tekanan oksidatif dan perubahan dalam ekspresi gen yang berkaitan dengan tekanan oksidatif, menunjukkan bahawa tekanan oksidatif mungkin mempunyai peranan kritikal dalam fungsi fisiologi usus.

Penanda bio tekanan oksidatif

Selalunya, tekanan oksidatif diukur dengan menganalisis metabolit yang terbentuk semasa atau selepas proses oksidatif.

• Enzim antioksidan yang menyahtoksik hasil sampingan metabolik berbahaya dan sering digunakan sebagai penanda bio ialah superoxide dismutase (SOD).
• Penanda bio lain yang boleh digunakan untuk mengukur aktiviti antioksidan termasuk thiobarbituric acid reactive substances (TBARS), metabolit yang terbentuk semasa peroksidasi,  kapasiti antioksidan keseluruhan, dan ujian Griess yang menggunakan pecahan nitrit dan nitrat untuk menentukan kepekatan.

Jadual 1. Potensi Penanda Bio untuk Menilai Kesihatan Usus.
Diubah suai dari Chen et al. dan Baxter et al.

Penanda bio kesihatan usus

Penanda bio untuk penilaian kesihatan usus juga boleh berkaitan dengan pemantauan fungsi usus.

• Citrulline adalah produk sampingan mengandungi nitrogen daripada metabolisme glutamin yang boleh ditukar kepada arginin dan dihasilkan terutamanya oleh enterosit usus kecil.
• Tahap citrulline dalam plasma telah dikaitkan dengan penyerapan usus bagi penanda seperti mannitol dalam anak babi yang belum wean, menunjukkan bahawa citrulline mungkin boleh digunakan untuk memantau fungsi usus.
• Kinase yang dikawal oleh isyarat ekstraselular (ERK) adalah satu lagi penanda bio yang boleh dipertimbangkan kerana ia berfungsi sebagai laluan isyarat kritikal untuk proliferasi epitel usus dan penyembuhan tisu.
• Oleh itu, aktiviti ERK dalam serum boleh mencerminkan gangguan usus yang disebabkan oleh tekanan.

Penanda bio berkaitan dengan aktiviti imun

Dalam kes penanda bio yang berkaitan dengan aktiviti imun yang boleh mempengaruhi kesihatan usus.

• Immunoglobulin A sekretori (SIgA) adalah komponen kritikal dalam sistem imun humoral dan imunoglobulin utama yang berinteraksi dengan patogen di permukaan mukosa. Oleh itu, ia mempunyai hubungan yang rapat dengan homeostasis persekitaran usus.
• Sitosin proinflamasi dengan sifat imunostimulasi dan imunomodulasi adalah interferon-gamma (INF-γ).
• Sitosin ini telah dikaitkan dengan endositosis protein penghubung ketat. Oleh itu, ia mempunyai impak yang mungkin terhadap kebolehtelapan usus.

Akhirnya, kedua-dua respon imun semula jadi dan adaptif berkemungkinan menyediakan penanda bio yang berpotensi untuk menilai kesihatan usus.

Analisis Histomorfologi

Analisis histomorfologi merupakan satu lagi jenis penilaian yang sangat dipengaruhi oleh keseimbangan yang mencukupi dalam persekitaran usus.

• Ketinggian vilus, kedalaman kripta, dan nisbah ketinggian vilus kepada kedalaman kripta adalah parameter yang boleh digunakan untuk mengira kawasan penyerapan dalam bahagian-bahagian berbeza usus. Pada masa yang sama, parameter ini juga menjadi petunjuk kadar penggantian sel epitelium dalam penghalang usus.

Penanda bio kebolehtelapan usus

Translokasi bakteria dan ekspresi gen protein sambungan ketat (TJ) seperti claudins, occludins, dan zonula occludens (ZO-1) adalah penanda bio kebolehtelapan usus yang digunakan untuk menilai kesihatan usus.

Translokasi bakteria telah dikaitkan dengan penyakit seperti kondronekrosis dengan osteomielitis pada ayam pedaging dan ayam pembiak pedaging, yang menunjukkan migrasi patogen enterik ke vertebra toraks.

TJs seperti occludin telah menunjukkan penurunan pengawalan dalam pesakit manusia dengan penyakit radang usus (penyakit Crohn), dan dalam ayam di bawah model cabaran kesihatan usus pemakanan, oleh itu mendedahkan peranan asas TJs seperti occludin dalam mengekalkan integriti halangan usus. 

Satu set biomarker calon yang berbeza termasuk protein pengikat asid lemak (FABP), yang merupakan pengangkut lipid intra sel yang bertanggungjawab mengatur metabolisme lipid dan laluan sensitif lipid yang kritikal dalam makrofaj dan adiposit.

• FABP2 telah dikaji dalam manusia dan ayam, menunjukkan tindak balas penurunan pengawalan apabila terdapat kecederaan halangan usus.

Beberapa biomarker bukan invasif yang sedang dikaji dalam sampel najis oleh pelbagai kumpulan penyelidik termasuk fibronectin, calprotectin, dan lipocalin. Calon biomarker ini telah menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam ayam; walau bagaimanapun, terdapat juga ketidakselarian antara kajian.

Akhirnya, objektifnya adalah untuk terus mencari biomarker kesihatan usus yang boleh diukur dengan mudah dari sampel yang tidak memerlukan masa atau kos persediaan yang tinggi.