Medycyna Wet. 2008, 64 (3) 262
Artyku³ przegl¹dowy Review
Zakaz stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu (ASW) w ¿ywieniu zwierz¹t konsumpcyjnych wprowadzony na podstawie unijnego Rozporz¹dzenia 1831/2003 we wszystkich krajach cz³onkowskich UE spowodowa³, ¿e powrócono do badañ klinicznych i la-boratoryjnych dotycz¹cych wykorzystania innych alter-natywnych ich zamienników. Do jednych z nich zalicza siê prebiotyki. S¹ to niepoddaj¹ce siê trawieniu w ¿o³¹d-ku i jelitach zwierz¹t monogastrycznych sk³adowe paszy pochodzenia cukrowego (polisacharydy). Stymuluj¹ one selektywnie wzrost i/lub aktywnoæ po¿¹danej mikroflory jelitowej (2, 18). Mniej znanym efektem dzia³ania pre-biotyków jest równie¿ stymulacja si³ odpornociowych organizmu m.in. poprzez zrównowa¿ony rozwój po¿y-tecznej mikroflory jelitowej, hamowanie infekcji powo-dowanych przez bakterie chorobotwórcze lub ogranicza-nie nastêpstw zwi¹zanych ze szkodliwym wp³ywem pro-dukowanych przez nie toksyn. Prebiotyki oddzia³ywuj¹ równie¿ w sposób bezporedni na niektóre mechanizmy naturalnej odpornoci zwierz¹t, zwi¹zanej chocia¿by ze stymulacj¹ zdolnoci fagocytarnych komórek ¿ernych oraz ró¿norodnymi mechanizmami nieswoistej odporno-ci humoralnej (10). Do prebiotyków zaliczane s¹: fruk-tooligosacharydy (FOS), mannanooligosacharydy (MOS) oraz galaktooligosacharydy (GOS) (4-6). Prebiotyki, a zw³aszcza mannanooligosacharydy, które pozyskiwa-ne s¹ ze cian komórkowych specyficznych szczepów dro¿d¿y Saccharomyces cerevisae posiadaj¹ w³anie wspomniane wy¿ej immunostymuluj¹ce w³aciwoci pre-zentowane dotychczas w niektórych publikacjach na-ukowych z tego zakresu (1, 5, 8). Wymieniane zwi¹zki
posiadaj¹ równie¿ zdolnoæ do ograniczania kolonizacji w obrêbie jelit cienkich i grubych drobnoustrojami cho-robotwórczymi posiadaj¹cymi fimbrie typu I. Obecnoæ tych fimbrii umo¿liwia adhezjê chorobotwórczych bak-terii (E. coli, Salmonella spp.) do mannozale¿nych re-ceptorów enterocytów nab³onka ciany jelita (18). Z ko-lei mannanooligosacharydy, wspó³zawodnicz¹c w tym wi¹zaniu, ograniczaj¹ skutecznie mo¿liwoæ adhezji tych bakterii.
Fruktooligosacharydy s¹ prebiotykami nowej genera-cji wystêpuj¹cymi w formie polimerów D-fruktozy po-³¹czonych miêdzy sob¹ wi¹zaniami â. FOS podobnie jak MOS hamuj¹ rozwój bakterii patogennych np. Salmo-nella Typhimurium, obni¿aj¹ syntezê trigliceroli i kwa-sów t³uszczowych w w¹trobie oraz wzmagaj¹ absorpcjê wapnia w jelitach (7).
Ze wzglêdu na pozytywny wp³yw prebiotyków na flo-rê jelitow¹ oraz ich immunostymuluj¹ce w³aciwoci, a tak¿e poszukiwanie nowych alternatyw dla ASW w ostatnim czasie nast¹pi³ wyrany wzrost zaintereso-wania stosowaniem tych dodatków do paszy w ¿ywieniu zwierz¹t, szczególnie m³odych. Mechanizm dzia³ania pre-biotyków, takich jak MOS i â-glukany w procesach im-munologicznych organizmu polega na oddzia³ywaniu ze swoistymi receptorami znajduj¹cymi siê na powierzchni komórek efektorowych, tj. makrofagów, monocytów, neutrofilów, limfocytów T i B. Komórki te poprzez swo-iste receptory rozpoznaj¹ strukturê prebiotyków jako antygen i uruchamiaj¹ ca³¹ kaskadê odpowiedzi immu-nologicznej zarówno typu komórkowego, jak i humoral-nego (9, 11, 14). Sporód najbardziej aktywnych
immu-Wp³yw prebiotyków
na procesy immunologiczne u zwierz¹t
MONIKA SZYMAÑSKA-CZERWIÑSKA, DARIUSZ BEDNAREKZak³ad Chorób Byd³a i Owiec Pañstwowego Instytutu Weterynaryjnego Pañstwowego Instytutu Badawczego, Al. Partyzantów 57, 24-100 Pu³awy
Szymañska-Czerwiñska M., Bednarek D.
Effect of prebiotics on immunological processes in animals Summary
Since January 2006, and in accordance with EU legislative procedures, the use of antibiotics as growth promotors in feedingstuff has been prohibited. Withdrawal of antibiotic growth promoters in an animal feeding has resulted in a search for new alternatives such as: prebiotics. At present prebiotics are used mostly for preventing and controlling the negative consequences appearing in the aftermath of the prohibition of antimicrobial applications as animal feed additives. The article presents the effect of prebiotics (mannan--oligosacharides, fructo-oligosaccharides, galacto-oligosaccharides) on humoral and cellular mechanisms of specific and non-specific immunity in livestock.
Medycyna Wet. 2008, 64 (3) 263
nologicznie prebiotyków 1-3 i 1-6 â-glukany wi¹¿¹ siê m.in. z receptorami makrofagów, w nastêpstwie czego dochodzi do ich pobudzenia i wydzielania cytokin, a one z kolei w³¹czaj¹ kolejny sygna³ sekrecyjny. Kluczowe znaczenie odgrywa tu zw³aszcza interleukina-1 (IL-1), która aktywuje nastêpne makrofagi i limfocyty T. Inter-leukina 1 wydzielana jest g³ównie przez monocyty i ma-krofagi ró¿nych tkanek. Odgrywa ona bardzo wa¿n¹ rolê w rozwoju odpowiedzi immunologicznej poprzez pobu-dzenie lmfocytów T, które nastêpnie uwalniaj¹ tzw. cy-tokiny drugiej generacji, w tym interleukinê 2 (IL-2). W dostêpnym pimiennictwie prezentowane s¹ badania wskazuj¹ce na stymulacjê aktywnoci proliferacyjnej lim-focytów i wzrost aktywnoci cytokin u ró¿nych gatun-ków zwierz¹t, w nastêpstwie podawania im prebiotygatun-ków (12, 16, 19). Zmiany w subpopulacjach limfocytów prze-jawia³y siê g³ównie we wzrocie odsetka limfocytów T (CD2+) zw³aszcza supresorowo/cytotoksycznych (Ts/c,
CD8+) oraz limfocytów B (WC4+) (16). Wzrost
liczeb-noci limfocytów Th u zwierz¹t otrzymuj¹cych prebio-tyki nale¿y wi¹zaæ m.in. z dzia³aniem IL-1, uwalnianej pod wp³ywem tych stymulatorów. wiadczy to o mobili-zacji komórkowych mechanizmów immunologicznych, podczas których dochodzi równie¿ do pobudzenia proli-feracji i ró¿nicowania limfocytów B. W badaniach w³as-nych przeprowadzow³as-nych na cielêtach (16), które otrzymy-wa³y wraz z pasz¹ dodatek prebiotyków (MOS i â-glu-kanów) wykazano równie¿ wzrost aktywnoci wspomnia-nej wy¿ej cytokiny. Wzrost ten zaobserwowano po 7 dniach podawania cielêtom prebiotyków i wyniós³ on od wartoci wyjciowej bliskiej zero (0,1 pg/ml) do 9,36 pg/ml. Nastêpnie ten podwy¿szony poziom aktywnoci badanej cytokiny utrzymywa³ siê do 16. dnia obserwacji. W tym samym czasie u zwierz¹t kontrolnych nie stwier-dzono znacz¹cych zmian w poziomie interleukiny 1 (16). Cytokinowa stymulacja za porednictwem IL-1 limfocy-tów Th dotyczy zarówno subpopulacji Th1, jak i Th2. Pierwsza z tych frakcji komórkowych uczestniczy g³ów-nie w mechanizmach odpowiedzi komórkowej, druga natomiast w odpowiedzi humoralnej. Subpopulacja lim-focytów Th1 produkuje wspomnian¹ wczeniej IL-2, któ-ra wzmaga cytotoksycznoæ limfocytów októ-raz uczestni-czy w aktywacji makrofagów. Z kolei limfocyty subpo-pulacji Th2 aktywuj¹ przede wszystkim limfocyty B (13). W wyniku tego procesu dochodzi do powstania plazmo-cytów, a w konsekwencji zwiêkszenia produkcji prze-ciwcia³ (15). Wzrost poziomu immunoglobulin zw³asz-cza klasy IgG (osocze) i IgA (¿ó³æ) u prosi¹t otrzymuj¹-cych w diecie dodatek mannanooligosacharydów zosta³ wykazany w niektórych badaniach (18). Ponadto w naj-nowszych badaniach z tego zakresu (3) zaobserwowano, ¿e dodatek prebiotyków u krów cielnych przed spodzie-wanym porodem (3 tyg.) w postaci preparatu Bio-Mos zawieraj¹cego mannanooligosacharydy powodowa³ istot-ny wzrost poziomu immunoglobulin w ich surowicy oraz w siarze. Jest to szczególnie wa¿ne z punktu widzenia zdrowotnoci ciel¹t, które za porednictwem siary otrzy-muj¹ te immunoglobuliny, a to bezporednio decyduje o ich statusie immunologicznym w pierwszym okresie odchowu (2.-8. tydzieñ ¿ycia). Dlatego tak wa¿ne jest, by zawartoæ przeciwcia³ w siarze i jej sk³ad jakociowy
by³y jak najbardziej optymalne. Jak wiadomo bowiem, przeciwcia³a klasy IgA chroni¹ b³ony luzowe poszcze-gólnych uk³adów organizmu przed zaka¿eniami, nato-miast immunoglobuliny klasy G bior¹ udzia³ w opsoni-zacji bakterii i u³atwiaj¹ w ten sposób proces ich fagocy-tozy. Podawanie prebiotyków zwierzêtom reprodukcyj-nym wp³ywa równie¿ na zdrowotnoæ nastêpnego poko-lenia. U drobiu zastosowanie oligosacharydów w stadzie rodzicielskim wp³ywa³o na wzrost miana przeciwcia³ nie tylko u stada rodzicielskiego, ale tak¿e u ich potomstwa (3).
Sporód cytokin, których uwalnianie z komórek efek-torowych jest skutecznie modulowane podawaniem pre-biotyków, nale¿y wspomnieæ jeszcze o IL-2. Jej recepto-ry znajduj¹ siê na limfocytach T i B oraz monocytach. Zdecydowanie najwa¿niejsz¹ funkcj¹ tej cytokiny jest pobudzanie proliferacji limfocytów cytotoksycznych, które na swojej powierzchni zawieraj¹ determinantê anty-genow¹ CD8+, a tak¿e aktywacja proliferacji komórek
NK. IL-2 mobilizuje równie¿ si³y obronne organizmu poprzez indukcjê wytwarzania neutrofilów (13).
winie w okresie odsadzeniowym nara¿one s¹ na sil-ny stres, który mo¿e byæ przyczyn¹ os³abienia si³ odpor-nociowych organizmu, a to z kolei sprzyja wystêpowa-niu ró¿norodnych zaburzeñ t³a zapalnego u tych zwie-rz¹t. Wówczas to dochodzi zwykle do silnego pobudze-nia pierwszej linii obrony organizmu manifestuj¹cego siê wzrostem liczby neutrofilów we krwi obwodowej (neu-trofilia). Badania z udzia³em prebiotyków pokazuj¹ jed-nak, ¿e zastosowanie mannanów w takich przypadkach powoduje normalizacjê liczby neutrofilów, a sprzyja pod-wy¿szeniu liczby limfocytów. Fakt ten wskazuje, ¿e za-stosowanie diety wzbogaconej mannanami w procesie zapalnym u zwierz¹t wp³ywa korzystnie na normalizacjê w uk³adzie immunologicznym oraz skutecznie wspó³dzia-³a w utrzymaniu homeostazy organizmu (1). Z kolei â-glukany zastosowane u wiñ w okresie odsadzeniowym u których sztucznie indukowano proces zapalny, hamuj¹ wydzielanie jednych z wa¿niejszych prozapalnych cyto-kin, takich jak IL-6 i TNF-á. Natomiast pobudzaj¹ one wydzielanie przeciwzapalnych cytokin, w tym IL-10. Interleukina ta hamuje hiperergiczn¹ odpowied zapaln¹ m.in. poprzez blokowanie wytwarzania IL-6 i TNF-á. Tym samym â-glukany wp³ywaj¹ korzystnie na stan zdro-wotny zwierz¹t manifestuj¹cy siê m.in. lepszymi przyro-stami masy cia³a trzody chlewnej. W przeciwnym przy-padku, wzrost stê¿enia prozapalnych cytokin powodo-wa³by wyd³u¿enie procesu chorobowego i redukcjê przy-rostów masy cia³a (9).
Prebiotyki, zw³aszcza, â-glukany wywieraj¹ równie¿ znacz¹cy wp³yw na niespecyficzne mechanizmy odpo-wiedzi immunologicznej zwi¹zane z aktywacj¹ komórek ¿ernych (neutrofilów, monocytów i makrofagów). Pro-wadzone do tej pory badania udowadniaj¹, ¿e zastoso-wanie 1,3-â glukanów w stanach zapalnych wymion u owiec pobudza migracjê monocytów i makrofagów do tego gruczo³u. Efekt ten zwi¹zany jest z ³¹czeniem siê tego immunostymulatora z receptorami makrofagów (13). Uaktywnione w ten sposób makrofagi odgrywaj¹ wa¿n¹ rolê w odpowiedzi immunologicznej organizmu, uczest-nicz¹c w dezaktywacji nie tylko komórek bakteryjnych,
Medycyna Wet. 2008, 64 (3) 264
ale równie¿ ewentualnych uszkodzonych i zmutowanych komórek gospodarza. Komórki ¿erne dysponuj¹ kilko-ma mechanizkilko-mami zabijania drobnoustrojów. Niektóre z nich niszczone s¹ zewn¹trzkomórkowo w nastêpstwie degranulacji leukocytów i uwalniania z ich wnêtrza ró¿-norodnych czynników bakteriobójczych (enzymów lizo-somalnych, metaloproteaz, wolnych rodników). Podsta-wowy jednak mechanizm polega na fagocytozie i zabija-niu wewn¹trzkomórkowym. Drobnoustroje zabijane s¹ wówczas w wyniku dzia³ania mechanizmów tlenowych lub pozatlenowych. Dochodzi równie¿ do wzrostu ak-tywnoci metabolicznej makrofagów, przez zwiêkszenie zdolnoci do skutecznego wybuchu tlenowego, a co za tym idzie równie¿ zwiêkszenia ich aktywnoci bakte-riobójczej (19). W takich przypadkach notuje siê wzrost produkcji nadtlenku wodoru i tlenku azotu, które powstaj¹ w wyniku pobudzenia neutrofilów. Wiêkszoæ reaktyw-nych zwi¹zków tlenu dzia³a w fagolizosomie. Ponadto obserwowany jest wzrost aktywnoci enzymów lizoso-malnych zw³aszcza fosfatazy kwanej i â-glukuronida-zy. Wszystko to powoduje, ¿e uk³ad immunologiczny w sposób bardziej efektywny eliminuje czynniki pato-genne, takie jak: bakterie, wirusy, grzyby, paso¿yty, a na-wet komórki nowotworowe (11, 17, 19). Wiadomo obec-nie, ¿e proces fagocytozy stymuluj¹ ró¿norodne prebio-tyki, najbardziej jednak 1-3 i 1-6-â-glukany, dziêki któ-rym wzrasta zdolnoæ komórek ¿ernych, takich jak PMN (polimorfonuklearne) i MN (mononuklearne), do we-wn¹trzkomórkowego zabijania. Dzia³anie tych glukanów na aktywnoæ komórek ¿ernych (makrofagów), jak do-wodz¹ przeprowadzone dotychczas badania eksperymen-talne (19), w du¿ej mierze uzale¿nione jest od drogi po-dania, dawki zastosowanych prebiotyków oraz czasu ich stosowania. Badania przeprowadzone na myszach do-wiod³y m.in., ¿e najwiêkszy wzrost zdolnoci fagocytar-nej makrofagów obserwowany by³ po doustnym lub do-¿ylnym podaniu â-glukanów. Natomiast dootrzewnowe podanie prebiotyku nie powodowa³o zwiêkszenia aktyw-noci makrofagów (19).
Z badañ ostatnio przeprowadzonych na jagniêtach, które otrzymywa³y paszê z dodatkiem â-glukanów, wy-nika, ¿e prebiotyki wp³ywaj¹ na parametry nieswoistej odpornoci humoralnej (10). U zwierz¹t tych obserwo-wano bowiem wyrany wzrost aktywnoci lizozymu, któ-ry jest jednym z wa¿niejszych komponentów nieswo-istych mechanizmów immunologicznych. Obecny jest on w ziarnistociach neutrofilów, monocytów i makrofagów. Wzrastaj¹ te¿ wartoci stê¿eñ gammaglobulin i bia³ka ca³-kowitego, które równie¿ wiadcz¹ o wzrocie nieswo-istej odpornoci typu humoralnego (10). Ponadto zaob-serwowano, ¿e glukany wywieraj¹ wyrane stymuluj¹ce dzia³anie na przyrosty wagowe zwierz¹t oraz wywieraj¹ równie¿ korzystny wp³yw na cechy u¿ytkowoci miêsnej zwierz¹t (10, 16).
Reasumuj¹c, prebiotyki stwarzaj¹ potencjalne mo¿li-woci praktycznego ich wykorzystania w nieswoistej immunoprofilaktyce wielu chorób zwierz¹t, zw³aszcza tych zwi¹zanych z okresami zwiêkszonej zapadalnoci na infekcje, w tym równie¿ wirusowe. W chwili obec-nej, kiedy zakazane jest stosowanie ASW, mog¹ stano-wiæ one alternatywne rozwi¹zanie w wielkostadnych
hodowlach byd³a, wiñ czy drobiu. Mog¹ one znaleæ zastosowanie w profilaktyce i w leczeniu ró¿nego rodza-ju infekcji. Mobilizuj¹ bowiem skutecznie uk³ad odpor-nociowy zwierz¹t dziêki czemu chroniæ je mog¹ przed zapadaniem na ró¿nego rodzaju choroby zakane, a tak-¿e przyspieszaæ powrót chorych zwierz¹t do zdrowia. Ponadto preparaty zawieraj¹ce prebiotyki mog¹ byæ z po-wodzeniem wykorzystywane do korygowania stanów upoledzonej odpornoci i niedoborów immunologicz-nych, nierzadko stwierdzanych równie¿ u zwierz¹t. Warto podkreliæ przy tym, ¿e koñcowe rezultaty stosowania prebiotyków nie odbiegaj¹ zasadniczo od uzyskiwanych dotychczas przy wykorzystaniu ASW, osi¹gane s¹ one jednak odmiennymi drogami, tj. zbli¿onymi do natural-nych. Dlatego te¿ zak³ada siê, ¿e stosowanie prebioty-ków nie stwarza zagro¿enia dla zdrowia zwierz¹t, a w rezultacie równie¿ konsumenta.
Pimiennictwo
1.Davis M. E., Maxwell C. V., Erf G. F., Brown D. C., Wistuba T. J.: Dietary supplementation with phosphorylated mannans improves growth response and modulates immune function of weanling pigs. J. Anim. Sci. 2004, 82, 1882--1891.
2.Gibson G. R.: Dietary modulation of the human gut microflora using the pre-biotics oligofructose and inulin. J. Nutr. 1999, 129, 1438S-1440S.
3.G³êbocka K., Roszkowski T.: ¯ywienie trzody chlewnej w wiecie bez antybio-tykowych stymulatorów wzrostu. Magazyn Wet. Suplement winie 2006, 45-48.
4.Grela E.: Optymalizacja ¿ywienia wiñ z wykorzystaniem nowej generacji dodatków paszowych. Prace i Mat. Zootech., Zeszyt Specjalny 2004, 15, 53-63. 5.Grela E., Semeniuk V.: Konsekwencje wycofania antybiotykowych
stymula-torów wzrostu z ¿ywienia zwierz¹t. Medycyna Wet. 2006, 62, 502-506. 6.Hirayama M.: Novel physiological functions of oligosaccharides. Pure Appl.
Chem. 2002, 74, 1271-1279.
7.Koncicki A., Jankowski J, Zduñczyk Z., Mazur-Gonkowska B., Krasnodêbska--Depta B., Stenzel T.: Wp³yw fruktooligosacharydów na przebieg zaka¿eñ indyków wirusem krwotocznego zapalenia jelit i pa³eczkami Salmonella Typhi-murium. Medycyna Wet. 2006, 62, 1387-1390.
8.Kuprechtova D., Ilek J.: Effect of mannan oligosaccharides supplemented via milk replacer on the immune status and growth of calves. Slov. Zbr. 2006, 43, 311-313.
9.Li J., Xing J., Li D., Wang X., Zahao L., LV S., Huang D.: Effects of â-glucan extracted from Saccharomyces cerevisae on humoral and cellular immunity in weaned pig. Arch. Anim. Nutr. 2005, 59, 303-312.
10.Milewski S., Wójcik R., Ma³aczewska J., Trapkowska S., Siwicki K. A.: Wp³yw â-1,3/1,6-D-glukanu na cechy u¿ytkowoci miêsnej oraz nieswoiste humoralne mechanizmy obronne jagni¹t. Medycyna Wet. 2007, 63, 360-363.
11.Ohno N., Egawa Y., Hashimoto T., Adachi Y., Yadomae T.: Effect of â-glucans on the nitric oxide synthesis by peritoneal macrophage in mice. Biol. Pharm. Bull. 1996, 19, 608-612.
12.Pelizon A. C., Kaneno R., Soares A. M. V. C., Meira D. A., Sartori A.: Immuno-modulatory activities associated with â-glukan derived from Saccharomyces cerevisae. Physiol. Res. 2005, 54, 557-564.
13.Persson Waller K. P., Colditz I. G.: Effect of infusion of â-1,3-glucan or inter-leukin-2 on leukocyte subpopulations in mammary glands of sheep. AJVR 1999, 60, 703-707.
14.Rios-Hernandez M., Dos-Santos N., Silvia-Cardoso S., Bella-Garciga J. L., Pedroso M.: Immunopharmacological studies of â-1,3 glucan. Arch. Med. Res. 1994, 25, 179-180.
15.Siwicki A. K., Kazuñ K., G³¹bski E., Terech-Majewska E., Baranowski P., Trapkowska S.: The effect of beta-1.3/1.6-glucan in diets on the effectiveness of anti-Yersinia Ruckeri Vaccine an experimental study in rainbow trout (Oncor-hynchus mykiss). Pol. J. Food Nutri. Sci. 2004, 54, 59-61.
16.Suzuki I., Tanaka H., Kinoshita A., Oikawa S., Osawa M., Yadomae: Effect of orally administreted â-glucan on macrophage function in mice. J. Immuno-pharmac. 1990, 12, 675-684.
17.Szymañska M., Bednarek D.: Wp³yw dodatku prebiotyków na aktywnoæ inter-leukiny 1 i zmiany w subpopulacjach leukocytów ciel¹t. Medycyna. Wet. 2007 (w druku).
18.Truszczyñski M., Pejsak Z.: Mo¿liwoci przeciwdzia³ania ujemnym skutkom zakazu stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu u wiñ. Medycyna Wet. 2007, 63, 10-13.
19.Wójcik R., Ma³aczewska J., Trapkowska S., Siwicki A.: Wp³yw â-1,3/1,6-D-glu-kanu na nieswoiste komórkowe mechanizmy obronne jagni¹t. Medycyna Wet. 2007, 63, 84-86.
Adres autora: mgr Monika Szymañska-Czerwiñska, Al. Partyzantów 57, 24-100 Pu³awy; e-mail: monika.szymanska@piwet.pulawy.pl
