Có sự cân bằng mong manh giữa sản xuất chất oxy hóa và chất kháng oxy hóa trong quá trình cân bằng nội môi, nhưng tình trạng viêm mạn tính sẽ thúc đẩy sự sản xuất dư thừa các phân tử ROS (Reactive Oxygen Species-dạng oxygen hoạt động) có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến sự cân bằng này.
Các mầm bệnh ngoại bào nếu có kích thước quá lớn cho quá trình thực bào thì sẽ bị ROS nhắm tới (Griffiths, 2005).
Khi được kích thích, RNS (Reactive Nitrogen Species-dạng nitrogen hoạt động) nhắm vào các mầm bệnh nội bào/bị thực bào, mầm bệnh ngoại bào và tế bào khối u.
Đại thực bào – nơi sản xuất chính của ROS và RNS, phát hiện và kích hoạt để loại bỏ vi khuẩn lây nhiễm trong cơ thể bằng nhận diện LPS (Lipopolysaccharides), một cơ chế của vật chủ rất cần thiết và hữu ích (Lauridsen, 2019).
Tuy nhiên, sự tiếp xúc kéo dài với liều cao LPS sẽ kích hoạt các chất trung gian gây viêm (chuỗi cytokine), gây stress oxy hóa (Hình 2 và Hình 3).
Dù vậy, cần thiết phải nhận ra rằng mọi dạng stress mạn tính (sinh học, dinh dưỡng, vật lý, hóa học hoặc tâm lý) đều sẽ gây tình trạng viêm kéo dài (Khansari và cộng sự, 2009).
Trong đường ruột, tình trạng viêm mạn tính ảnh hưởng đến sự toàn vẹn của cấu trúc lớp bảo vệ ruột (intestinal barrier) bằng cáchphá vỡ các protein của các mối liên kết neo (tight junctions) dẫn đến tăng tính thấm của ruột (“ruột bị rò rỉ”-“leaky gut”)(Fasano, 2020), gây ra sự dịch chuyển (translocation) của vi khuẩn và tình trạng viêm toàn thân/hệ thống (Ilan, 2012).
Các nghiên cứu viên có thể dùng các mô hình viêm ruột trong môi trường phòng lab để kiểm tra các chất kích thích tăng trưởng thay thế (alternative growth promoters) và các chất bổ sung dinh dưỡng cho gia cầm. Một số mô hình viêm ruột đã được phát triển, bao gồm:
Khẩu phần nhiều NSP
Dexamethasone
Dextran sodium sulfate
Cho ăn hạn chế/Nhịn ăn
Stress nhiệt
Sự toàn vẹn cấu trúc của ruột phụ thuộc vào chức năng lớp bảo vệ ruột – nơi có thể bị tổn hại bởi nhiều tác nhân gây stress như stress oxy hóa, một số thành phần trong đậu nành, protein không tiêu hóa được, stress nhiệt và các bệnh nhiễm trùng như bệnh histomonosis (đầu đen).
Tiếp tục sau quảng cáo.
Sức khỏe đường ruột kém liên quan đến các tình trạng như hoại tử sụn (chondronecrosis) do vi khuẩn, tổn thương viêm tủy xương (osteomyelitis) và tình trạng khập khiễng (lameness) ở gà thịt.
Lớp bảo vệ ruột có vai trò quan trọng trong việc duy trì sức khỏe bằng cách bảo vệ chống lại các kháng nguyên trong môi trường.
Lớp bảo vệ đầu tiên bao gồm chất nhầy (mucus), vi khuẩn, IgA và mucin, còn lớp bảo vệ thứ hai được hình thành bởi các tế bào biểu mô ruột (intestinal epithelial cells-IEC) phân cách giữa lòng ruột (intestinal lumen) với các mô ở lớp sâu hơn.
Các tế bào này hỗ trợ hấp thụ dưỡng chất, phục hồi mô và điều chỉnh tính thấm của lớp bảo vệ ruột thông qua các mối liên kết neo, ngăn ngừa vi khuẩn và kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể.
Là điểm tiếp xúc chính với môi trường bên ngoài, IEC đóng vai trò là tuyến phòng thủ đầu tiên của cơ thể vật chủ.
Mặc dù không có nguồn gốc từ cơ quan tạo máu, các tế bào biểu mô ruột (IEC) đóng vai trò quan trọng trong miễn dịch bẩm sinh (innate immunity) trong mô bạch huyết liên quan đến ruột (gut-associated lymphoid tissue-GALT).
Chúng nhận diện mầm bệnh thông qua các thụ thể miễn dịch (immune receptors), giải phóng các phân tử kháng khuẩn và tiết ra các hormone, chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitters), các enzyme, cytokine và chemokine giúp liên kết lại các phản ứng miễn dịch bẩm sinh và thích ứng (adaptive immunity).
Tổn thương trên IEC sẽ làm suy yếu lớp bảo vệ ruột, phá vỡ sự cân bằng miễn dịch niêm mạc và dẫn đến tình trạng viêm mạn tính ở ruột và toàn cơ thể/hệ thống.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chất trung gian gây viêm như hormone, gốc tự do (free radicals), enzyme và cytokine gây viêm – kích hoạt bởi nhiễm trùng, khẩu phần hoặc stress – có thể phá vỡ mạng lưới protein kết nối các tế bào biểu mô.
Các vấn đề khác như cho gia cầm và heo ăn chất béo đã bị oxy hóa sẽ gia tăng quá trình chuyển hóa tế bào (cell turnover) ruột và apoptosis (tế bào chết theo lập trình), trong khi dinh dưỡng khoáng chất cũng ảnh hưởng đến sự toàn vẹn cấu trúc của lớp bảo vệ ruột.
Kim loại (khoáng), giống như chất oxy hóa, có thể gây ra stress oxy hóa và làm hư hại lớp bảo vệ ruột.
Tuy nhiên, kẽm (zinc) đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành mối liên kết neo và sự thiếu hụt kẽm có liên quan đến tình trạng suy giảm chức năng lớp bảo vệ.
Hình 1. Sự suy yếu của lớp bảo vệ ruột. Các tác nhân gây nhiễm (vi khuẩn, động vật nguyên sinh -protozoa, vi-rút, giun sán) ở gia cầm sẽ gây kích thích phản ứng viêm của vật chủ (cơ thể vật nuôi). Sự suy yếu của lớp bảo vệ ruột do cầu trùng Eimeria tenella gây ra. Lớp niêm mạc và lớp dưới niêm mạc (submucosa) của manh tràng với sự thâm nhập của các tế bào viêm, loét và hoại tử. Mũi tên cho thấy sự hiện diện của ký sinh trùng. Nhuộm hematoxylin và eosin (tạo bằng BioRender.com).
Hoạt động chức năng bình thường của đường tiêu hóa (GIT) rất cần thiết cho sức khỏe, phúc lợi và năng suất của động vật.
Sức khỏe đường ruột liên quan đến các yếu tố như stress oxy hóa, di truyền, khẩu phần dinh dưỡng, lớp bảo vệ ruột và sự tương tác của não-hệ vi sinh đường ruột-hệ miễn dịch, tất cả đều được kết nối với nhau thông qua nhiều cơ chế phức tạp.
Việc xác định các khía cạnh chính của chức năng đường tiêu hóa (gastrointestinal tract-GIT) giúp các nghiên cứu viên phát triển các biomarkers (chỉ dấu sinh học) để đánh giá hiệu năng đường ruột ở gia cầm.
Do tính phức tạp của đường tiêu hóa nên thường cần nhiều chỉ dấu sinh học.
Nghiên cứu về “các chỉ dấu sinh học về toàn vẹn cấu trúc của đường ruột ở gia cầm” đã xác định được nhiều nghiên cứu, chú trọng đến nhu cầu về các mô hình hiệu quả gây viêm ruột và đánh giá tác dụng của các dưỡng chất thay thế cho kháng sinh kích thích tăng trưởng.
Bảng 1 tóm tắt một số chỉ dấu sinh học liên quan và đáng tin cậy để đánh giá sự toàn vẹn cấu trúc của ruột ở gà.
Bảng 1. Các chỉ dấu sinh học để đánh giá toàn vẹn cấu trúc của ruột ở gà.
THIỆT HẠI TRONG CHĂN NUÔI GIA CẦM
Bài nghiên cứu xuất bản năm 1975 của Hans Selye, “Sự nhầm lẫn và tranh cãi trong lĩnh vực stress” đã nêu lên những thách thức trong nghiên cứu về stress, bao gồm các định nghĩa không rõ ràng và thuật ngữ không thống nhất.
Selye định nghĩa stress là “phản ứng không cụ thể của cơ thể đối với bất kỳ yêu cầu/đòi hỏi nào” và thảo luận về khái niệm “eustress” hay stress tích cực, mà một số người tin rằng có thể tăng cường năng suất và sức khỏe.
Ông lập luận rằng mọi stress đều có thể gây hại nếu không được kiểm soát, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tìm ra mức độ stress tối ưu và có thể chịu đựng được.
Selye ủng hộ nghiên cứu liên ngành (interdisciplinary), tích hợp tâm lý học, sinh lý học và nội tiết học, đồng thời khuyến khích xem stress là một hiện tượng toàn diện bao quát cả khía cạnh sinh học và tâm lý.
Stress ở người được mô tả là sự phá vỡ cân bằng nội môi, có thể biểu hiện dưới dạng stress toàn thân/hệ thống và cục bộ. Một tác nhân gây stress cục bộ thì cũng có thể gây ra stress hệ thống nếu như vượt quá ngưỡng nhất định để kích hoạt trục HPA.
Stress được phân loại thành ba loại: stress (stress không đủ), eustress hay stress tích cực (stress có lợi) và distress hay stress tiêu cực (stress xấu).
Trong khi stress và stress xấu có thể làm suy yếu các chức năng sinh lý và gây bệnh lý, thì stress tích cực có thể thúc đẩy sức khỏe bằng cách tối ưu hóa sự cân bằng.
Duy trì mức độ stress phù hợp là rất quan trọng đối với khả năng phục hồi sinh học của cơ thể sinh vật.
Mặc dù có mối liên hệ rõ ràng giữa stress và các bệnh mạn tính, nhưng ít bác sĩ hiểu được rối loạn chức năng trong hệ thống quản lý stress (trục HPA) làm thay đổi sinh lý bệnh như thế nào.
Có nhiều nghiên cứu đã cung cấp những thông tin có giá trị, nhưng ảnh hưởng lâm sàng của stress đối với việc kiểm soát bệnh mạn tính vẫn là một thách thức đáng kể.
Tương tác thần kinh nội tiết-miễn dịch mạn tính ở gia cầm có thể dẫn đến bệnh nhiễm, giảm lượng thức ăn tiêu thụ, suy giảm hiệu quả chuyển hóa thức ăn và ảnh hưởng xấu đến thịt.
Stress nhiệt là tác nhân gây stress sinh thái lớn trong chăn nuôi gà , ảnh hưởng đến năng suất, khả năng miễn dịch của vật nuôi và an toàn thực phẩm.
Stress nhiệt kích hoạt thay đổi trong protein, lipid và tỷ lệ trao đổi chất, trong đó protein sốc nhiệt (heat shock protein) được tạo ra như một cơ chế phòng thủ.
Vùng dưới đồi (hypothalamus) và trục HPA đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng nội môi bằng cách giải phóng hormone steroid và điều chỉnh phản ứng stress.
Sự kích hoạt các chất glucocorticoid hỗ trợ quá trình tạo mới glucose (gluconeogenesis) ở gan và kích thích sản xuất epinephrine, giúp động vật thích nghi với stress.
Hình 2. Viêm ruột hoại tử có thể gây hoại tử và viêm nặng ở ruột và sự dịch chuyển vi khuẩn ở gan, gây sốt, trầm cảm và giảm năng suất. Bệnh nhiễm từ các chủng cúm gia cầm độc lực cao (các phân nhóm H5 hoặc H7) sẽ gây ra tỷ lệ chết 100% ở vật nuôi mà không có biểu hiện lâm sàng hoặc tổn thương. Trong cả hai ví dụ, sản xuất dư các cytokine gây viêm hoặc “cơn bão cytokine” có vai trò chính cho những ảnh hưởng lớn như vậy. Hình ảnh cho thấy tỷ lệ chết cao liên quan đến cúm H7N7 (A/gà/Jalisco/CPA1/2012) trong một đàn gia cầm thương mại ở Mexico “Được cung cấp bởi Tiến sĩ Victor Petrone” (được tạo bằng BioRender.com).
Mật độ đàn, hoặc số lượng gà trong một không gian nhất định, có thể tăng stress xã hội giữa các vật nuôi, vì mật độ đàn cao hơn dẫn đến sự cạnh tranh nhiều hơn về các nguồn thức ăn, nước và không gian sống.
Loại sress này có thể làm giảm chức năng miễn dịch, khiến gà dễ mắc các bệnh như viêm ruột và cũng dẫn đến các hành vi quá khích như cắn mổ lông và ăn thịt đồng loại, từ đó tạo ra chỗ hở cho bệnh nhiễm xuất hiện.
Mật độ cao có thể làm trầm trọng thêm tình trạng stress nhiệt, ảnh hưởng tiêu cực đến lượng thức ăn tiêu thụ, sản lượng trứng và làm tăng tỷ lệ chết.
Quản lý mật độ đàn cẩn thận, bao gồm cung cấp đủ không gian và nguồn cung, là điều cần thiết để giảm stress xã hội và cải thiện sức khỏe của gà. Ngoài ra, các yếu tố như tuổi gà giống, giới tính gà con và giống gà liên quan đến tỷ lệ chết của gà con và stress trong quá trình vận chuyển đến nhà máy chế biến đều cần được chú ý.
Sự viêm là giai đoạn cuối cùng của phản ứng stress, được kích hoạt bởi tổn thương tế bào và được điều chỉnh bởi cơ chế miễn dịch và nội tiết.
Stress kích hoạt hệ thần kinh tự chủ và các hormone như adrenaline và glucocorticoid nhằm chuẩn bị cơ thể sẵn sàng cho hoạt động “chiến đấu hoặc bỏ chạy”.
Mặc dù phản ứng này được cho là ngắn và cấp tính, nhưng stress kéo dài sẽ khiến các hormone stress và các phân tử gây viêm tiếp tục lưu thông trong cơ thể, dẫn đến stress oxy hóa, viêm mạn tính và tổn thương tế bào và màng ty thể (mitochondrial membranes).
Màng tế bào và màng ty thể, bao gồm lớp kép phospholipid chứa các protein và kênh protein vận chuyển (transport channels) có vai trò điều chỉnh các chức năng của tế bào như độ bám dính, độ dẫn ion và dẫn truyền tín hiệu.
Sinh vật nhân sơ (prokaryotes) là loại sinh vật đơn giản nhất – giúp con người có cái nhìn sâu về các đặc tính phi thường của màng tế bào – có vai trò như một lớp bảo vệ và “bộ não” của tế bào.
Sinh vật nhân sơ – bao gồm cả vi khuẩn, sử dụng màng của chúng để thu thập dưỡng chất, giao tiếp liên lạc và xử lý thông tin. Điều này rất giống như một hệ thống thần kinh.
Bất kỳ tổn thương nào ở màng tế bào đều có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chức năng tế bào, dù là ở sinh vật nhân sơ hay nhân thực (eukaryotes).
Theo thuyết nội cộng sinh (endosymbiotic theory), các bào quan nhân sơ (eukaryotic organelles) thiết yếu vốn tiến hóa từ mối quan hệ cộng sinh giữa các sinh vật nhân sơ. Từ khoảng hai tỷ năm trước, có một loại vi khuẩn sống tự do đã được tích gộp vào tế bào chủ và hình thành nên mối quan hệ cộng sinh.
Các nghiên cứu cho rằng ty thể và lục lạp (chloroplasts) vốn tiến hóa từ vi khuẩn protobacteria và vi khuẩn lam (cyanobacteria) thông qua mối quan hệ cộng sinh gây tác động đáng kể đến quá trình tiến hóa.
Ty thể, được hiểu là “nguồn năng lượng của tế bào nhân thực”, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất năng lượng, dẫn truyền tín hiệu và apoptosis (tế bào chết có lập trình). Rối loạn chức năng ty thể liên quan đến nhiều bệnh ở động vật và thực vật.
Viêm mạn tính và stress oxy hóa, do ROS gây ra, phá vỡ màng tế bào và ty thể, làm ảnh hưởng đến chức năng tế bào. Hiện tượng này đã được thừa nhận là một nguy cơ lớn đối với sức khỏe con người và cũng như gia cầm.
Hình 3: Tình trạng stress oxy hóa ở mức độ nặng và mạn tính sẽ gây ra tổn thương và peroxy hóa lipid (lipid peroxidation) của màng ty thể và tế bào. Sự biến đổi của các bào quan thiết yếu này ảnh hưởng đến tất cả các tế bào và mô, gây apoptosis, hoại tử và suy đa cơ quan [a) ruột; b) tuyến ức; c) thận; d) phổi; e) túi Fabricius; f) gan; g) cơ; h) não/tiểu não; i) lá lách; j) tim] (tạo bằng BioRender.com).
Sự cân bằng của hệ vi sinh trên bề mặt niêm mạc rất quan trọng đối với các quá trình sinh học và sinh lý trong cơ thể.
Rối loạn vi sinh đường ruột, hay tình trạng mất cân bằng hệ vi sinh trong đường tiêu hóa đều dẫn đến tình trạng viêm ruột và làm suy yếu sự toàn vẹn cấu trúc của ruột.
Thành phần thức ăn và độ nhớt của hỗn dịch chứa trong ruột ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh, đặc biệt ở ruột non.
Chế độ ăn nhiều polysaccharide không tinh bột ở động vật dạ dày đơn thì cần có enzyme ngoại sinh (exogenous enzyme) để ngăn ngừa những ảnh hưởng tiêu cực như kích ứng đường ruột và suy giảm năng suất.
Các nghiên cứu trên gà và gà tây đã chỉ ra rằng lúa mạch đen (rye) làm tăng độ nhớt của hỗn dịch tiêu hóa, sự dịch chuyển của vi sinh vật và những thay đổi của hệ vi sinh, làm ảnh hưởng đến quá trình khoáng hóa xương.
Giá trị dinh dưỡng của ngũ cốc ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng trong khẩu phần của gà.
Tổn thương đường ruột cấp thấp và tình trạng viêm sẽ làm giảm hiệu quả chuyển hóa thức ăn, gia tăng chi phí sản xuất của ngành chăn nuôi gia cầm. Cả các yếu tố nội sinh và ngoại sinh, bao gồm các tác nhân gây stress sinh học, dinh dưỡng, môi trường và hóa học, đều có thể phá vỡ sự cân bằng của đường tiêu hóa, dẫn đến tình trạng viêm, loạn khuẩn và suy giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất. Stress mạn tính sẽ làm trầm trọng thêm các vấn đề này.
Việc xác định hệ vi sinh vật tối ưu cho gà bao gồm một số bước sau:
Xem xét các tài liệu hiện có về vi sinh vật có lợi.
Phân tích mẫu phân hoặc mẫu ruột để thiết lập chuẩn vi sinh vật đường ruột khỏe mạnh.
Tiến hành thử nghiệm với các khẩu phần hoặc chất bổ sung khác nhau.
Sử dụng giải trình tự metagenomic để hiểu rõ hơn về sự đa dạng của hệ vi sinh.
Phân tích dữ liệu để xác định các mô hình liên kết hệ vi sinh vật với sức khỏe và năng suất của gà. Chủ đề nghiên cứu này đang được thực hiện nhằm nâng cao sức khỏe và năng suất của gia cầm.
Sự cân bằng đường ruột là trạng thái cân bằng không có tình trạng viêm hoặc tiết dịch quá mức.
Trong khi tình trạng viêm sinh lý giúp duy trì khả năng chịu đựng các kháng nguyên trong khẩu phần và hệ vi sinh vật đường ruột, tình trạng viêm mạn tính có thể dẫn đến sự tiết dịch quá mức và chuyển sự tận dụng dưỡng chất sang cho phản ứng miễn dịch.
Quá trình này có thể gây hại cho tăng trưởng, dị hóa cơ và làm giảm tăng trọng của cơ thể vật nuôi.
Tổn thương trên lớp bảo vệ ruột sẽ làm giảm khả năng hấp thụ dưỡng chất và tăng tính thấm của ruột.
Các yếu tố như chế độ ăn nhiều NSP (Non-starch Polysaccharides) không có bổ sung enzyme sẽ gây ra tình trạng loạn khuẩn đường ruột và viêm, ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất của gia cầm.
Ở gia cầm, tình trạng bài tiết nước tăng lên có thể là do sự lợi tiểu sinh lý hoặc tiêu chảy, thường liên quan đến các vấn đề dinh dưỡng gây ảnh hưởng đến quá trình thu hồi nước hoặc gây viêm ruột.
Chất bài tiết (excreta) dạng nước cũng có thể là kết quả của dịch tiết tiêu hóa, tác động thẩm thấu của khẩu phần hoặc sự mất cân bằng điện giải.
Viêm ở niêm mạc thận hoặc đường tiêu hóa làm cản trở quá trình vận chuyển nước và dưỡng chất, dẫn đến có nhiều nước, chất nhầy và dưỡng chất chưa tiêu hóa trong chất bài tiết.
Điều này làm giảm chất lượng nền chuồng và có thể trở nên trầm trọng hơn do nhiễm trùng hoặc độc tố .
Viêm ruột ở gia cầm do stress nhiệt, mầm bệnh đường ruột hoặc rối loạn dinh dưỡng dẫn đến thức ăn không tiêu hóa được, tăng tính thấm ruột và giảm hiệu quả chuyển hóa thức ăn.
Tình trạng viêm mạn tính này, liên quan đến các bệnh như cầu trùng và viêm ruột hoại tử, gây ra thiệt hại kinh tế đáng kể cho ngành chăn nuôi gia cầm.
Các dưỡng chất có đặc tính chống oxy hóa, chống viêm và điều hòa miễn dịch có thể giúp giảm stress oxy hóa và viêm ở gia cầm bằng cách cải thiện sức khỏe đường ruột.
BIỆN PHÁP ĐỐI PHÓ
Để ngăn ngừa tình trạng viêm ruột và stress oxy hóa ở gia cầm, cần áp dụng phương pháp tiếp cận đa yếu tố.
Các chiến lược khả thi bao gồm sử dụng men vi sinh, prebiotic, chất chiết xuất từ thực vật, tinh dầu và khoáng vi lượng.
Những chiến lược này giúp cải thiện việc sử dụng dưỡng chất, giảm sự xâm nhập của mầm bệnh và điều chỉnh hệ vi sinh đường ruột, có khả năng làm giảm tác động tiêu cực của tình trạng viêm mạn tính và stress oxy hóa lên hệ tiêu hóa.
TRIỂN VỌNG
Nghiên cứu về mối quan hệ phức tạp giữa hệ vi sinh vật đường ruột, khẩu phần, môi trường, yếu tố di truyền và thành phần thức ăn ở vật nuôi, đặc biệt ở gia cầm, là một lĩnh vực dinh dưỡng quan trọng có tác động đáng kể trong tương lai đến sản xuất lương thực toàn cầu.
