Men vi sinh, prebiotics, chất phytogenics cho tối ưu hóa sức khỏe đường ruột gia cầm. Phần 1

Trong bài đánh giá này, chúng ta sẽ thảo luận về vai trò của các giải pháp thay thế trên trong việc duy trì chức năng đường ruột thông qua việc điều chỉnh hệ vi sinh đường ruột và các ảnh hưởng liên quan có lợi cho sức khỏe và chất lượng gia cầm.

HỆ VI SINH ĐƯỜNG RUỘT CỦA GIA CẦM

Vi sinh vật sống trong đường tiêu hóa (gastrointestinal tracts-GIT) của động vật là một ví dụ điển hình về lợi khuẩn. Thật vậy, GIT là nơi sinh sống của một hệ vi sinh đa dạng và phong phú cung cấp các chức năng thiết yếu cho vật chủ của chúng.

Ảnh hưởng đến sự phát triển và chức năng

Mặc dù ruột tiếp xúc với các thành phần vi sinh đường ruột ngay từ khi sinh hoặc ấp nở ra, nhưng chúng ta biết rất ít về ảnh hưởng của chúng đối với sự phát triển và hoạt động chức năng bình thường như thế nào.

• Vi sinh vật có mật độ dày đặc trong đường tiêu hóa hơn bất kỳ cơ quan nào khác.
• Động vật đã phát triển khả năng chứa các nhóm vi sinh phức tạp và đầy biến động trong suốt vòng đời của con vật qua hàng triệu năm tiến hóa.
• Do đó, cần phải hiểu biết kỹ càng về sự đóng góp của các hệ vi sinh “bản địa” này vào quá trình phát triển của vật chủ và sinh lý của vật chủ khi trưởng thành để nắm rõ hơn về sinh học của động vật có xương sống.
• Loài động vật, giống, độ tuổi, dinh dưỡng, môi trường, hình thức nuôi, mật độ nuôi, stress và thuốc đều có thể ảnh hưởng đến thành phần vốn nhạy cảm của hệ vi sinh đường ruột. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần trong hệ vi sinh đường ruột được thể hiện trong Hình 1.

Hầu hết các loài vi sinh đường ruột này không thể được nuôi cấy khi chúng bị loại khỏi môi trường sống đặc hữu-niches của chúng, giống như trường hợp của hầu hết các hệ sinh thái phức tạp.

Quá trình cư trú đường ruột của con gia cầm có thể đã bắt đầu ngay từ trong quá trình hình thành và phát triển phôi thai và sau đó một hệ vi sinh phức tạp và đầy biến động dần hình thành và phát triển.

• Dựa trên các nguyên tắc được thiết lập trong lịch sử động vật, các tương tác toàn diện và kết hợp giữa vi sinh vật với nhau và vật chủ với vi sinh vật có khả năng chi phối quá trình hình thành hệ vi sinh.

Khi so sánh các con động vật gặm nhấm không chứa vi khuẩn được nuôi mà không bị tiếp xúc với vi sinh vật với các con động vật gặm nhấm có chứa hệ vi sinh ngay từ khi mới sinh hoặc các con có hệ vi sinh được bổ sung trong hoặc sau quá trình phát triển sau sinh, chúng ta đã xác định được nhiều chức năng của vật chủ chịu ảnh hưởng của hệ vi khuẩn “bản địa”.

Hệ vi sinh vật, có thể:

• Điều khiển quá trình hình thành mô bạch huyết ruột (gut-associated lymphoid tissue).
• Hỗ trợ hệ miễn dịch.
• Ảnh hưởng đến cấu trúc toàn vẹn của lớp bảo vệ niêm mạc ruột.
• Điều chỉnh sự tăng sinh và chuyên biệt hóa của các dòng biểu mô.
• Quản lý quá trình hình thành mạch máu.
• Điều chỉnh hoạt động của hệ thần kinh ruột.
• Có vai trò quan trọng trong việc chiết xuất và xử lý các dưỡng chất được tiêu thụ.

Hình 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần vi sinh đường ruột đã được sửa đổi theo nghiên cứu của Carrasco và cộng sự. (hình được tạo bằng BioRender.com, truy cập vào ngày 15 tháng 12 năm 2021).

Bên cạnh đó, các protein và các sản phẩm tạo ra từ phân hủy protein, các chất chứa lưu huỳnh và các glycoprotein nội sinh hoặc ngoại lai đều có thể được chuyển hóa bởi hệ vi sinh.

• Một số vi khuẩn thậm chí còn tiêu thụ các sản phẩm lên men bởi vi khuẩn hoặc các chất trung gian như H2, lactate, succinate, formate và ethanol và chuyển hóa các chất này thành các sản phẩm cuối cùng (end product) được tiết vào trong lòng ruột, như a-xít béo chuỗi ngắn (short-chain fatty acid – SCFA), một quá trình ảnh hưởng trực tiếp đến sinh lý đường ruột.

Hơn 90% các loài vi sinh đường ruột ở người và động vật thuộc ngành (phyla) Bacteroidetes, Firmicutes và Actinobacteria, các ngành khác như là Fusobacteria, Proteobacteria, Verrucomicrobia và Cyanobacteria.

Ở gà, ngành Bacteroidetes và Firmicutes là những đại diện chiếm ưu thế nhất trong hệ vi sinh đường ruột. Ở người và một số loài động vật, tỷ lệ giữa Firmicutes và Bacteroidetes là một chỉ dấu liên quan đến biểu hiện sức khỏe/quá trình chuyển hóa.

• Các loài vi sinh Firmicutes phân hủy polysaccharides và tạo ra butyrate.
• Các loài vi sinh Bacteroidetes phân hủy các carbohydrate phức tạp và chủ yếu tổng hợp propionate.
• Phần lớn các cơ chế giúp vi khuẩn áp đặt ảnh hưởng lên đường tiêu hóa vẫn chưa được biết rõ, nhưng việc điều chỉnh các tác nhân kích hoạt này (triggers) được coi là một giải pháp hứa hẹn để tối ưu hóa sức khỏe và năng suất vật nuôi.

Thực phẩm chức năng (Nutraceuticals)

Người ta cũng cho rằng các nguyên tắc phân tử hỗ trợ việc biến đổi và duy trì hoạt động sinh lý bình thường của hệ vi sinh đường ruột chủ yếu có nguồn gốc từ thực phẩm và các chất bổ sung, như thực phẩm chức năng (nutraceuticals).

Thực phẩm chức năng có thể bao gồm nhiều loại:

• Các dưỡng chất riêng biệt (vitamin, khoáng chất, a-xít amin, a-xít béo);
• Sản phẩm thảo dược (các chất polyphenol, thảo dược, gia vị);
• Thực phẩm bổ sung (men vi sinh-probiotic, prebiotic, synbiotic, a-xít hữu cơ, chất chống oxy hóa, các enzyme); và
• Thực phẩm biến đổi gen.

Các loại thực phẩm chức năng này cũng hỗ trợ ngăn ngừa các bệnh truyền nhiễm cho vật chủ.

Ngoài ra, một số vi khuẩn đa kháng thuốc mới nổi đã tạo nên một cuộc khủng hoảng toàn cầu. Các thực phẩm chức năng này sẽ được tận dụng để giảm việc sử dụng kháng sinh.

Vi khuẩn a-xít lactic

Vi khuẩn a-xít lactic đã được sử dụng làm phụ gia thức ăn chăn nuôi từ thời trước Công nguyên khi con người tiêu thụ sữa lên men.

• Chủ đề này đã không được phân tích một cách khoa học cho đến tận thế kỷ trước, khi Eli Metchnikoff (1845–1916), làm việc tại Viện Pasteur ở Paris, đã phát hiện ra mối liên hệ giữa tuổi thọ của con người và tầm quan trọng của việc duy trì sự kết hợp lành mạnh giữa các vi sinh vật có lợi và vi sinh vật gây bệnh trong đường ruột.
• Metchnikoff và các cộng sự đã xác định được vi sinh vật ‘Bulgaria bacillus’, có nhiều khả năng đó là vi khuẩn Lactobacillus bulgaricus, được sử dụng trong các thử nghiệm sau này.
• Ngày nay, vi khuẩn này được gọi là Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, là một trong những loại vi khuẩn được sử dụng để lên men sữa và làm sữa chua. Sau khi Metchnikoff qua đời vào năm 1916, các hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực này chuyển sang Hoa Kỳ.
• Vào cuối những năm 1940, người ta phát hiện ra rằng thuốc kháng sinh được thêm vào thức ăn chăn nuôi sẽ giúp vật nuôi tăng trưởng. Nhu cầu tìm hiểu các cơ chế đằng sau tác dụng này đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu hơn về thành phần của hệ vi sinh đường ruột và cách hệ vi sinh ảnh hưởng đến sức khỏe của vật chủ.

Sự tiến bộ trong vi khuẩn học và việc sử dụng dễ dàng hơn các loài động vật không chứa vi khuẩn đã giúp đánh giá được ảnh hưởng của các sinh vật (mới được xác định) trong ruột lên vật chủ.

• Dựa trên những nghiên cứu này, rõ ràng là Lactobacillus acidophilus không phải là loại Lactobacillus duy nhất trong ruột, nhiều loài khác cũng đã được nghiên cứu và cuối cùng được đưa vào các công thức men vi sinh.
• Các đại biểu chính của hệ vi sinh đường ruột ở gà được tóm tắt trong Hình 2. Hiểu được hình thức ruột trưởng thành và phát triển trong cơ thể gà và cách thức phụ gia thức ăn chăn nuôi mang lại lợi ích cho hoạt động chức năng của ruột sẽ giúp tăng hiệu quả sử dụng thức ăn, tăng trưởng và sức khỏe tổng thể của vật nuôi.

Hình 2. Hệ vi sinh vật ở gà, tóm tắt từ Shang và cộng sự (hình được tạo bằng BioRender.com, truy cập vào ngày 15 tháng 12 năm 2021).

LỚP BẢO VỆ RUỘT VÀ CÁC MỐI LIÊN KẾT NEO

Tế bào ruột là nền tảng của lớp đơn niêm mạc ruột bảo vệ vật chủ khỏi môi trường bên ngoài. Sơ đồ lớp bảo vệ biểu mô ruột và một số tương tác với hệ vi sinh đường ruột được thể hiện trong Hình 3.

• Các tế bào ruột được kết nối với nhau bằng các mối liên kết neo (tight junctions-TJ), tạo thành một vành đai liên tiếp các tiếp xúc chặt chẽ hình thành trong quá trình lắp ráp các màng xuyên tích hợp/integral transmembranes (occludin, claudin, phân tử kết dính mối nối (unctional adhesion molecules-JAM) và tricellulin ) và màng ngoại vi (zonula occludens-1 (ZO-1), ZO-2 và ZO-3).
• Các protein TJ nằm giữa các tế bào ruột liền kề, bịt kín không gian gian bào (paracellular space) và điều chỉnh tính thấm của lớp bảo vệ ruột.
• Do đó, các protein này ngăn chặn sự di chuyển của vi sinh vật, độc tố và các kháng nguyên khác từ trong lòng ruột đi vào hệ tuần hoàn cơ thể vật nuôi.

Sự hình thành và chức năng của các mối liên kết neo được điều khiển bởi các con đường truyền tín hiệu nội bào (intracellular signal transduction pathways):

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

Sự phá vỡ các mối liên kết neo bởi các yếu tố vi khuẩn có thể xảy ra theo các bước sau:

• Lipopolysaccharide (LPS) của vi khuẩn kích hoạt các tế bào biểu mô ruột và đại thực bào;
• Các tế bào này tiết ra các cytokine tiền viêm như IL-1ß; và
• IL-1ß tiếp tục kích hoạt các tế bào này và kích hoạt dẫn truyền tín hiệu nội bào, như kinase p38 MAP, sau đó kích hoạt MLCK. Cuối cùng, các quá trình này dẫn đến tăng tính thấm của ruột.

Cuối cùng, các quá trình này dẫn đến tăng tính thấm của ruột. Do đó, hội chứng ruột rò rỉ phát triển như một phản ứng với các mầm bệnh, thiếu thức ăn và stress.

Hình 3. Sự tương tác giữa lớp bảo vệ biểu mô ruột và hệ vi sinh đường ruột.

CÁC CHỈ DẤU SINH HỌC LIÊN QUAN ĐẾN SỨC KHỎE RUỘT CỦA ĐỘNG VẬT

Sự tương tác giữa chức năng lớp bảo vệ biểu mô, tình trạng viêm ruột và môi trường vi sinh ảnh hưởng đến sức khỏe đường ruột. Do đó, việc phát hiện ra các chỉ dấu sinh học (biomakers) đáng tin cậy và phổ biến để đo lường tình trạng viêm ruột và hoạt động chức năng lớp bảo vệ đường ruột là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng hiện nay. Bảng 1 trình bày tóm tắt về một số chỉ dấu sinh học đã biết liên quan đến sức khỏe đường ruột .

• Để nghiên cứu sức khỏe đường ruột, điều quan trọng là phải phát triển các mô hình đường ruột bị viêm với các điều kiện thách thức khác nhau (các chất kháng dinh dưỡng, mầm bệnh, độc tố và tác nhân gây bệnh từ môi trường).

Sự viêm cũng có thể liên quan đến stress oxy hóa và những thay đổi trong biểu hiện của gen liên quan đến stress oxy hóa, cho thấy stress oxy hóa có thể đóng vai trò quan trọng trong chức năng sinh lý của ruột.

Một kỹ thuật định lượng được sử dụng để đánh giá cấu trúc toàn vẹn các protein của mối liên kết neo trong các lớp đơn tế bào biểu mô là phép đo điện trở xuyên biểu mô (transepithelial electrical resistance-TEER). Hô hấp ty thể (Mitochondrial respiration) là cần thiết để duy trì TEER. Điều này hàm ý rằng quá trình oxy hóa đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của mối liên kết neo tế bào Caco-2.

Theo Janssen-Duijghuijsen và cộng sự , việc giảm sản xuất ATP ty thể dẫn đến giảm tính thấm của ruột và tăng biểu hiện gen occludin và claudin-1, nhưng giảm biểu hiện gen claudin-2 và claudin-7.

• Do đó, mối liên hệ trực tiếp giữa chức năng ty thể, tình trạng năng lượng tế bào và cấu trúc toàn vẹn của ruột đã được thiết lập.

Các chỉ dấu sinh học của stress oxy hóa

Thông thường, stress oxy hóa được định lượng bằng cách kiểm tra các chất chuyển hóa (metabolites) được hình thành trong hoặc sau quá trình oxy hóa.

• Một loại enzyme kháng oxy hóa có tác dụng giải độc phụ phẩm có hại được tạo ra từ quá trình trao đổi chất và thường được đo bằng chỉ dấu sinh học là superoxide dismutase (SOD).
• Các chỉ dấu sinh học khác có thể được sử dụng để đo hoạt động kháng oxy hóa bao gồm các chất phản ứng với a-xít thiobarbituric (thiobarbituric acid reactive substances-TBARS), là các chất chuyển hóa được hình thành trong quá trình peroxy hóa; tổng khả năng chống oxy hóa; và xét nghiệm Griess- sử dụng sự phân hủy nitrite và nitrate để xác định nồng độ o-xits nitric trong tế bào.

Bảng 1. Các chỉ dấu sinh học tiềm năng cho đánh giá sức khỏe đường ruột. Trích từ Chen và cộng sự. và Baxter và cộng sự

Các chỉ dấu sinh học của sức khỏe đường ruột

Các chỉ dấu sinh học dùng để đánh giá sức khỏe đường ruột cũng có thể dùng để theo dõi chức năng đường ruột.

• Citrulline là phụ phẩm chứa nitrogen của quá trình chuyển hóa glutamine và phụ phẩm này có thể được chuyển hóa thành arginine và chủ yếu được sản xuất bởi các tế bào ruột non.
• Nồng độ citrulline trong huyết tương có liên quan đến sự hấp thụ các chỉ dấu sinh học ở ruột như mannitol ở heo con trước cai sữa, cho thấy citrulline có thể được dùng để theo dõi chức năng ruột.
• Kinase điều hòa tín hiệu ngoại bào (extracellular signal-regulated kinase, viết tắt ERK) là một chỉ dấu sinh học khác có thể được coi là một lựa chọn vì nó đóng vai trò là đường truyền tín hiệu quan trọng cho quá trình tăng sinh biểu mô ruột và chữa lành mô tế bào.
• Do đó, hoạt động ERK trong huyết thanh có thể phản ánh sự rối loạn đường ruột do tác nhân stress gây ra.

Các chỉ dấu sinh học liên quan đến hoạt động miễn dịch

Trong trường hợp các chỉ dấu sinh học liên quan đến hoạt động miễn dịch có thể ảnh hưởng đến sức khỏe đường ruột.

• Secretory IgA (SIgA) là thành phần quan trọng của hệ miễn dịch dịch thể và là immunoglobulin hàng đầu trong việc tương tác với các mầm bệnh trên bề mặt niêm mạc. Do đó, nó có mối quan hệ chặt chẽ với sự cân bằng nội môi của môi trường ruột.
• Một cytokine tiền viêm có đặc tính kích thích miễn dịch và điều hòa miễn dịch là interferon-gamma (INF-γ).
• Cytokine này có liên quan đến quá trình nhập bào (endocytosis) của protein của các mối liên kết neo. Do đó, nó có ảnh hưởng thiết thực đến tính thấm của ruột.

Cuối cùng, cả phản ứng miễn dịch bẩm sinh và thích ứng đều có khả năng cung cấp các chỉ dấu sinh học thiết thực để đánh giá sức khỏe đường ruột.

Phân tích mô tế bào học

Phân tích mô (tế bào) học là một loại phương pháp đánh giá khác chịu ảnh hưởng chặt chẽ bởi sự cân bằng thích hợp của môi trường ruột.

• Chiều cao nhung mao, độ sâu hốc (crypt depth) và tỷ lệ chiều cao nhung mao so với độ sâu hốc là các tham số có thể được dùng để tính diện tích hấp thụ ở các phần khác nhau của ruột và đồng thời chỉ ra sự thay đổi tế bào biểu mô của lớp bảo vệ ruột.

Các chỉ dấu sinh học cho tính thấm của ruột

Sự chuyển vị trí của vi khuẩn và biểu hiện gen của TJ như claudin, occludin và zonula occludens (ZO-1) là các chỉ dấu sinh học về tính thấm của ruột được dùng để đánh giá sức khỏe đường ruột.

Sự chuyển vị trí của vi khuẩn có liên quan đến các bệnh như hoại tử sụn (chondronecrosis) với viêm tủy xương (osteomyelitis) ở gà thịt và gà giống hướng thịt, cho thấy sự di chuyển của các mầm bệnh đường ruột đến đốt sống ngực.

Các TJ như occludin đã được chứng minh là bị điều giảm (downregulated) ở những bệnh nhân mắc bệnh viêm ruột (bệnh Crohn) và ở gà trong mô hình sức khỏe đường ruột của chúng bị ảnh hưởng tiêu cực do yếu tố dinh dưỡng, từ đó cho thấy vai trò nền tảng của các TJ như occludin trong việc duy trì cấu trức toàn vẹn của lớp bảo vệ đường ruột.

Một bộ chỉ dấu sinh học khả thi khác gồm các protein liên kết a-xít béo (fatty acid binding proteins-FABP), là các chaperone lipid nội bào có nhiệm vụ điều phối quá trình chuyển hóa lipid và đường (pathway) truyền tín hiệu nhạy cảm với lipid quan trọng trong đại thực bào và tế bào mỡ (adipocytes).

• FABP2 đã được nghiên cứu ở người và gà, cho thấy phản ứng điều giảm khi lớp bảo vệ ruột bị tổn thương.

Một chỉ dấu sinh học phổ biến khác được dùng cho gia cầm để đánh giá tính thấm của ruột là đo lường fluorescein isothiocyanate dextran (FITC-d) trong huyết thanh.

• Trong quá trình diễn biến viêm ruột, sự gián đoạn của các protein TJ cho phép phân tử FITC-d khuếch tán vào hệ tuần hoàn cơ thể vật chủ, tạo điều kiện cho việc đo lường chỉ dấu sinh học này trong các điều kiện thử thách khác nhau, bao gồm cả 24 giờ nhịn ăn ở gà thịt.

Một số chỉ dấu dấu sinh học không xâm lấn (non-invasive) hiện được nghiên cứu trong các mẫu phân là fibronectin, calprotectin và lipocalin. Các chỉ dấu sinh học tiềm năng này cho thấy kết quả khả quan ở gà; tuy nhiên cũng có sự thiếu đồng nhất giữa các kết quả nghiên cứu.

Cuối cùng, mục tiêu là tiếp tục tìm kiếm các chỉ dấu sinh học về sức khỏe đường ruột có thể dễ dàng đo lường được từ các mẫu mà không cần tốn nhiều thời gian hoặc chi phí chuẩn bị.

PDF