Probiotics, prebiotics, at phytogenic na substansya para sa Pagpapabuti ng Kalusugan ng Bituka ng Manok. Part 1

Sa pagsusuring ito, tatalakayin natin ang papel ng mga alternatibong ito sa pagpapanatili ng gut function sa pamamagitan ng pag-momodulate ng gut microbiota at ang mga kaugnay na epekto na pakikibangan sa kalusugan at kalidad ng manok.

INTESTINAL MICROBIOTA SA MANOK

Ang mga microorganisms na naninirahan sa gastrointestinal tracts (GITs) ng mga hayop ay isang pangunahing halimbawa ng mga kapaki-pakinabang na bacteria. Sa katunayan, ang GIT ay tahanan ng iba’t ibang microbial community na gumagawa ng mahahalagang tungkulin para sa kanilang host na hayop.

Epekto sa pag-unlad at function

Bagama’t ang bituka ay exposed ng mga bahagi ng microflora mula sa kapanganakan o pag-hatch, kakaunti ang kaalaman tungkol sa kanilang epekto sa malusog na pag-unlad at functions.

• Ang mga microorganisms ay mas matindi ang populasyon sa GIT kaysa sa ibang organs.
• Ang mga hayop ay nakapag-evolve ng kakayahang mag-host ng mga kumplikado at dinamikong consortia ng mga mikrobyo sa kanilang siklo ng buhay sa loob ng milyon-milyong taon ng ebolusyon.
• Bilang resulta, kinakailangan ang masusing pag-unawa sa mga kontribusyon ng mga natural na microbial communities sa paglaki ng host at sa adult physiology upang magkaroon ng lubusang pag-unawa sa biology ng mga vertebrate.
• Ang mga species ng hayop, lahi, edad, nutrisyon, kapaligiran, paraan ng pagpapalaki, stocking density, stress, at gamot ay maaaring magdulot ng epekto sa sensitibong komposisyon ng gut microbiota. Ipinapakita sa Larawan 1 ang mga salik na nakakaapekto sa komposisyon ng gut microbiota.

Karamihan sa mga species ng intestinal microflora ay hindi maaaring ma-culture kapag inalis sila mula sa kanilang mga niche, tulad ng kaso sa karamihan ng mga kumplikadong ecosystem.

Ang kolonisasyon ng bituka ng mga ibon ay maaaring magsimula na habang nasa embryogenesis at umuunlad patungo sa pagbuo ng isang kumplikado at dinamikong microbial society.

• Batay sa mga prinsipyong itinatag sa kasaysayan ng mga hayop, malawak at pinagsama-samang interaksyon ng mikrobyo-sa-mikrobyo at host-sa-mikrobyo ang malamang na nagtatakda ng microbiota assembly.

Sa paghahambing ng mga germ-free na daga na pinalaki nang walang exposure sa mga microorganism sa mga daga na nagkaroon ng microbiota mula sa kapanganakan, o sa mga daga na kinolonisahan ng mga bahagi ng microbiota sa panahon o pagkatapos ng postnatal na pag-unlad, natukoy ang iba’t ibang mga functions ng host na naiimpluwensyahan ng mga indigenous microbial communities.

Halimbawa, ang microbiota ay:

• Nagdidirekta ng pagbuo ng gut-associated lymphoid tissue.
  
• Tumutulong sa pagkatuto ng immune system.
• Nakakaapekto sa integridad ng mucosal barrier ng bituka.
• Nagmo-modulate sa pagdami at paghihiwalay ng mga epithelial lineages.
• Nagre-regulate ng angiogenesis.
• Binabago ang aktibidad ng enteric nervous system.
• Gumaganap ng mahalagang papel sa pagkuha at pagproseso ng mga pagkaing kinokonsumo.

Larawan 1. Mga salik na nakakaapekto sa komposisyon ng gut microbiota na binago ayon kina Carrasco et al. (ang larawan ay ginawa gamit ang BioRender.com, na na-access noong 15 Disyembre 2021).

Bukod dito, ang mga protina at mga produktong nabuo mula sa breakdown ng protina, mga substance na naglalaman ng sulfur, at mga endogenous o banyagang glycoprotein ay maaaring ma-metabolize ng microflora.

• Ang ilang bacteria ay kumakain pa ng mga produkto o intermediates ng bacterial fermentation tulad ng H2, lactate, succinate, formate, at ethanol, at binabago ang mga ito bilang mga end products na muling inilalabas sa gut lumen, tulad ng short-chain fatty acids (SCFA), isang proseso na may direktang epekto sa physiology ng bituka.

Mahigit 90% ng lahat ng species ng gut microbiota sa mga tao at hayop ay kabilang sa mga phyla na Bacteroidetes, Firmicutes, at Actinobacteria. Ang iba naman ay mula sa Fusobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia, at Cyanobacteria.

Sa manok, ang mga phyla na Bacteroidetes at Firmicutes ang pinakapangingibabaw sa bituka. Sa tao at ilang hayop, ang ratio sa pagitan ng Firmicutes at Bacteroidetes ay isang tanda na nauugnay sa kalusugan/metabolismo.

• Ang mga species ng Firmicutes ay nagdedecompose ng polysaccharides at gumagawa ng butyrate. 
• Ang mga species ng Bacteroidetes ay nagde-degrade ng mga komplikadong carbohydrate at pangunahing nagsi-synthesize ng propionate.
• Ang mga mekanismo kung paano nakakaapekto ang mga bacteria sa gastrointestinal tract ay hindi pa ganap na nauunawaan, ngunit ang pagmamanipula ng mga trigger na ito ay itinuturing na isang maaasahang paraan upang makamit ang pinakamainam na kalusugan at performance.

Nutraceuticals

Pinaniniwalaan din na ang mga molecular principles na tumutulong sa pagbabago at pagpapanatili ng normal na paggana ng physiology ng gut microbiota ay pangunahing nagmumula sa pagkain at mga suplemento nito, tulad ng nutraceuticals.

Ang nutraceuticals ay maaaring magkaroon ng lahat ng sumusunod:

• Mga hiwalay na nutrisyon (bitamina, mineral, amino acids, fatty acids);
• Mga produktong herbal (polyphenols, herbs, spices);
• Mga dietary supplement (probiotics, prebiotics, synbiotics, organic acids, antioxidants, enzymes); at
• Mga pagkaing genetically modified.

Ang mga nutraceuticals na ito ay tumutulong din sa pag-iwas sa mga nakahahawang sakit ng host.

Bukod dito, lumitaw ang ilang multidrug-resistant na bacteria na nagdudulot ng pandaigdigang krisis. Kakailanganin ang nutraceuticals upang mabawasan ang paggamit ng antibiotics.

Lactic acid bacteria 

Ang lactic acid bacteria ay ginagamit bilang mga suplemento sa pakain mula pa noong panahon bago ang Kristiyanismo, kung kailan ang mga tao ay kumakain ng fermented na gatas.

• Hindi ito nasuri nang siyentipiko hanggang noong nakaraang siglo, nang matuklasan ni Eli Metchnikoff (1845–1916), habang nagtatrabaho sa Pasteur Institute sa Paris, ang kaugnayan sa pagitan ng mahabang buhay ng tao at ang kahalagahan ng pagpapanatili ng balanseng halo ng kapaki-pakinabang at mapaminsalang mikrobyo sa bituka.
• Natukoy nina Metchnikoff at ng kanyang mga kasamahan ang ‘Bulgarian bacillus,’ na malamang ay ang Lactobacillus bulgaricus, na ginamit sa mga sumunod na trials.
• Sa kasalukuyan, ang microorganism na ito ay kilala bilang Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, isa sa mga bakterya na ginagamit sa pag-ferment ng gatas at paggawa ng yogurt. Matapos ang pagkamatay ni Metchnikoff noong 1916, lumipat ang pokus ng pag-aaral sa larangang ito sa Estados Unidos.
• Noong huling bahagi ng 1940s, natuklasan na ang pagdaragdag ng antibiotics sa pakain ng mga hayop sa bukid ay nakakatulong sa kanilang paglaki. Ang pangangailangang maunawaan ang mga mekanismo sa likod ng epekto nito ay nag-udyok ng mas maraming pananaliksik tungkol sa komposisyon ng gut microflora at kung paano nito naaapektuhan ang kalusugan ng host na hayop.

Ang pag-unlad sa bacteriology at ang mas madaling pagkuha ng mga germ-free na hayop ay nakatulong upang masuri ang epekto ng mga bagong natukoy na nakatira sa bituka ng host.

• Batay sa mga pag-aaral na ito, naging malinaw na ang Lactobacillus acidophilus ay hindi lamang ang Lactobacillus sa bituka, at iba’t ibang mga species ang sinuri at kalaunan ay isinama sa mga probiotic formulations.
• Ang mga pangunahing kinatawan sa gut microbiota ng mga manok ay tinukoy sa Larawan 2. Ang pag-unawa kung paano umuunlad at nagmamature ang bituka ng mga manok at kung paano nakikinabang ang mga suplemento sa pakain sa paggana ng bituka ay magpapataas ng kahusayan sa pakain, paglaki, at pangkalahatang kalusugan.

Larawan 2. Microbiota sa mga manok, buod mula kay Shang et al. (ang larawan ay ginawa gamit ang BioRender.com, na na-access noong 15 Disyembre 2021).

INTESTINAL BARRIER AT TIGHT JUNCTIONS

Ang enterocytes ay ang pundasyon ng intestinal mucosal monolayer na nagpoprotekta sa host mula sa panlabas na kapaligiran. Isang scheme ng intestinal epithelial barrier at ilang interaksyon nito sa intestinal microbiota ay ipinapakita sa Larawan 3.

• Ang mga enterocyte ay konektado ng tinatawag na tight junctions (TJs), na bumubuo ng isang tuloy-tuloy na belt ng intimate contact na nabubuo sa panahon ng proseso ng pagbuo ng integral na transmembranes (occludin, claudins, junctional adhesion molecules (JAMs), at tricellulin) at peripheral membranes (zonula occludens-1 (ZO-1), ZO-2, at ZO-3).
• Ang mga TJ proteins ay matatagpuan sa pagitan ng adjacent enterocytes, na nag-se-seal ng paracellular space at nagre-regulate ng permeability ng intestinal barrier.
• Kaya’t ang mga protein na ito ay pumipigil sa pagdaan ng mga mikrobyo, toxins, at iba pang antigens mula sa intestinal lumen patungo sa systemic circulation.

Ang pagbuo at paggana ng tight junctions ay kinokontrol ng intracellular signal transduction pathways:

• Protein kinase C (PKC), A (PKA), at G (PKG) signaling, 
• Phosphatase-Rho, myosin light chain (MLC) kinase (MLCK), MAPK signaling, at
• The PI3K/Akt pathway.

Ang disruptions ng tight junctions dahil sa mga bacterial factors ay maaaring mangyari sa mga sumusunod na hakbang:

• Ang bacterial lipopolysaccharide (LPS) ay nag-aactivate ng mga intestinal epithelial cells at macrophages;
• Ang mga cell na ito ay naglalabas ng proinflammatory cytokines tulad ng IL-1ß; at
• Ang IL-1ß ay karagdagang nag-aactivate ng mga cell na ito at nagti-trigger ng intracellular signaling, tulad ng p38 MAP kinase, na kalaunan ay nag-aactivate ng MLCK. Sa huli, ang mga prosesong ito ay nagdudulot ng pagtaas ng intestinal permeability.

Sa huli, ang mga prosesong ito ay nagdudulot ng pagtaas ng intestinal permeability. Kaya, ang leaky gut syndrome ay nabubuo bilang tugon sa mga pathogens, kakulangan sa pakain, at stress.

Larawan 3. Intestinal epithelial barrier at intestinal microbiota interaction.

BIOMARKERS NA KAUGNAY SA KALUSUGAN NG BITUKA NG MGA HAYOP

Ang mga interaksyon sa pagitan ng epithelial barrier function, intestinal inflammation, at ang microbial environment ay nakakaapekto sa kalusugan ng bituka. Kaya, ang pagtuklas ng mga maaasahan at malawakang biomarkers upang sukatin ang intestinal inflammation at barrier function ay isang mahalagang patuloy na larangan ng pananaliksik. Isang buod ng ilan sa mga kilalang biomarkers na kaugnay ng kalusugan ng bituka ay ipinapakita sa Table 1.

• Upang pag-aralan ang kalusugan ng bituka, mahalaga ring mag-develop ng mga inflammatory gut models na may iba’t ibang kondisyon ng hamon (mga anti-nutritional factors, pathogens, toxins, at mga environmental triggers).

Ang inflammation ay maaari ring maiugnay sa oxidative stress at mga pagbabago sa expression ng mga gene na may kaugnayan sa oxidative stress, na nagpapahiwatig na ang oxidative stress ay maaaring may mahalagang papel sa physiological na paggana ng bituka.

Ang isang quantitative na technique na ginagamit upang suriin ang integridad ng tight junction proteins sa epithelial cell monolayers ay ang pagsukat ng transepithelial electrical resistance (TEER). Kinakailangan ang mitochondrial respiration upang mapanatili ang TEER, na nagpapahiwatig na ang oxidation ay may mahalagang papel sa stability ng tight junction ng Caco-2 cells.

Ayon kina Janssen-Duijghuijsen et al., ang pagbawas sa mitochondrial ATP production ay nagresulta sa pagbaba ng intestinal permeability at pagtaas ng gene expression ng occludin at claudin-1, ngunit pagbaba ng gene expression ng claudin-2 at claudin-7.

• Dahil dito, isang direktang ugnayan sa pagitan ng mitochondrial function, cellular energy status, at intestinal integrity ang naitatag.

Mga biomarker ng oxidative stress

Karaniwan, ang oxidative stress ay natutukoy sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga metabolites na nabuo sa panahon o pagkatapos ng isang oxidative na proseso.

• Isang antioxidant enzyme na nagde-detoxify ng mga nakakapinsalang metabolic byproducts at karaniwang sinusukat bilang biomarker ay ang superoxide dismutase (SOD).
• Iba pang mga biomarkers na maaaring gamitin upang sukatin ang antioxidant activity ay kinabibilangan ng thiobarbituric acid reactive substances (TBARS), na mga metabolites na nabuo sa panahon ng peroxidation; total antioxidant capacity; at ang Griess assay, na gumagamit ng nitrite at nitrate breakdown upang tukuyin ang konsentrasyon ng nitric oxide sa loob ng cell.

Table 1. Potensyal na mga biomarker upang suriin ang kalusugan ng bituka. Inangkop mula kina Chen et al. at Baxter et al.

Mga Biomarker ng Kalusugan ng Bituka

Ang mga biomarker para sa pagsusuri ng kalusugan ng bituka ay maaari ring kaugnay ng pagmamasid sa paggana ng bituka.

• Ang citrulline ay isang nitrogen-containing byproduct ng glutamine metabolism na maaaring ma-convert sa arginine at pangunahing ginagawa ng mga enterocytes sa small intestine.
• Ang plasma citrulline levels ay nauugnay sa intestinal absorption ng mga markers tulad ng mannitol sa mga pre-weaned piglets, na nagpapakita na ang citrulline ay maaaring gamitin upang subaybayan ang paggana ng bituka.
• Ang extracellular signal-regulated kinase (ERK) ay isa pang biomarker na maaaring ituring bilang option dahil ito ay nagsisilbing isang kritikal na signaling pathway para sa intestinal epithelial proliferation at tissue healing.
• Kaya, ang serum ERK activity ay maaaring magpakita ng intestinal disruption na dulot ng isang stressor.

Mga Biomarker Kaugnay ng Immunity Activity

Sa kaso ng mga biomarker na kaugnay ng immune activity na maaaring makaapekto sa kalusugan ng bituka.

• Ang Secretory IgA (SIgA) ay isang kritikal na bahagi ng humoral immune system at ang pangunahing immunoglobulin na nakikipag-interact sa mga pathogens sa mucosa surface. Dahil dito, ito ay may malapit na relasyon sa homeostasis ng intestinal environment.
• Ang isang proinflammatory cytokine na may immunostimulatory at immunomodulatory properties ay ang interferon-gamma (INF-γ).
• Ang cytokine na ito ay nauugnay sa endocytosis ng tight junction proteins. Kaya, mayroon itong posibleng epekto sa intestinal permeability.

Sa huli, parehong ang innate at adaptive immune responses ay malamang na magbigay ng mga viable biomarker para sa pagsusuri ng kalusugan ng bituka.

Histomorphological analysis

Ang histomorphological analysis ay isa pang uri ng pagsusuri na malapit na naaapektuhan ng tamang balanse ng intestinal environment.

• Ang taas ng villus, lalim ng crypt, at ang ratio ng taas ng villus sa lalim ng crypt ay mga parameter na maaaring gamitin upang kalkulahin ang area ng absorption sa iba’t ibang seksyon ng bituka, at sabay ding nagsisilbing indikasyon ng epithelial cell turnover sa intestinal barrier

Mga biomarker ng intestinal permeability

Ang bacterial translocation at gene expression ng TJ tulad ng claudins, occludins, at zonula occludens (ZO-1) ay mga intestinal permeability biomarkers na ginagamit upang suriin ang kalusugan ng bituka.

Ang bacterial translocation ay nauugnay sa mga sakit tulad ng chondronecrosis na may osteomyelitis sa mga broiler at broiler breeders, na nagpapahiwatig ng migration ng mga enteric pathogens patungo sa thoracic vertebrae.

Ang mga TJs tulad ng occludin ay napatunayan na bumababa ang antas sa mga pasyenteng tao na may inflammatory bowel diseases (tulad ng Crohn’s disease), at pati na rin sa mga manok sa ilalim ng mga nutritional gut health challenge condition models, kaya’t ipinapakita ang mahalagang papel ng mga TJs tulad ng occludin sa pagpapanatili ng integridad ng intestinal barrier.

Ang ibang set ng mga kandidatong biomarkers ay kinabibilangan ng fatty acid binding proteins (FABP), na mga intracellular lipid chaperones na may tungkuling mag-organisa ng lipid metabolism at mga critical lipid-sensitive pathways sa mga macrophage at adipocyte.

• Ang FABP2 ay pinag-aralan sa mga tao at mga manok, na nagpapakita ng isang downregulation response kapag may pinsala sa intestinal barrier.

Isa pang kilalang biomarker na ginagamit sa poultry upang suriin ang intestinal permeability ay ang pagsukat ng fluorescein isothiocyanate dextran (FITC-d) sa serum.

• Sa panahon ng intestinal inflammation, ang disruption ng mga TJ proteins ay nagpapahintulot sa FITC-d molecule na mag-diffuse sa systemic circulation, na nagbibigay daan sa pagsukat ng biomarker na ito sa ilalim ng iba’t ibang mga challenging na kondisyon, kabilang na ang 24 na oras na fasting sa mga broiler chickens.

Ang ilan sa mga non-invasive na biomarkers na kasalukuyang pinag-aaralan sa mga fecal samples ng iba’t ibang research groups ay fibronectin, calprotectin, at lipocalin. Ang mga biomarker candidates na ito ay nagpakita ng magagandang resulta sa mga manok; gayunpaman, mayroon ding mga hindi pagkakapareho sa mga resulta ng iba’t ibang pag-aaral.

Sa huli, ang layunin ay magpatuloy sa paghahanap ng mga intestinal health biomarkers na maaaring madaling sukatin mula sa mga sample na hindi nangangailangan ng matinding oras ng paghahanda o mataas na gastos.

PDF