Ассимиляция и действие нано-Se у домашней птицы и других животных с однокамерным желудком:является ли кишечная микробиота ответом?

Фон

Недавно в журнале Nanoscale Research Letters был опубликован подробный обзор, посвященный роли нано-Se в питании домашнего скота и рыб [1]. Авторы очень подробно описали вопрос, связанный с производством нано-Se и его возможное применение в животноводстве и медицине. Действительно, хорошо известно, что многие молекулы, представленные как наночастицы, имеют необычное поведение из-за новых свойств таких частиц. Фактически, в большинстве опубликованных работ, касающихся питания животных, наночастицы имеют размер менее 100 нм. В таком состоянии сверхмалый размер частиц позволяет им преодолевать многие биологические барьеры и использоваться в качестве системы доставки для различных элементов, включая Ag, титан, Se и другие.

В этом отношении Se особенно интересен, так как доказано, что большинство регионов мира испытывают дефицит этого элемента [2]. Дефицит во многих случаях является результатом деятельности человека, поскольку содержание Se в почвах сильно варьируется, и, что более важно, доступность Se из почв еще более изменчива. Фактически, подкисление почвы в результате сельскохозяйственной практики, а также использования серосодержащих удобрений существенно снизило доступность селена для растений и привело к низкому потреблению селена домашним скотом, в том числе зерновыми (пшеница, кукуруза, ячмень) и масличными семенами (соя). составляют основную часть рациона. Таким образом, добавление семян в коммерческие рационы домашней птицы, сельскохозяйственных животных и рыбы стало обычной практикой и используется с 1970-х годов. Действительно, витаминно-минеральные премиксы являются основным источником селена для коммерческого производства яиц, мяса / рыбы и молока.

Что имеет отношение к истории nano-Se, так это источник Se в добавках. Действительно, основной дополнительной формой Se является селенит натрия, который является побочным продуктом производства меди. За более чем 40 лет использования селенит натрия ясно продемонстрировал свои преимущества и недостатки. Фактически, благодаря коммерческому добавлению семени в корм, дефицит селена у домашнего скота с клиническими признаками дефицита практически исчез. Исключение составляют жвачные животные, у которых селенит натрия может выпадать в осадок в кислой среде рубца, а также из-за технических ограничений использования кормовых добавок; Дефицит селена все еще наблюдается во всем мире, и используются такие приложения, как инъекции селена и болюсы. Однако, как правильно сказано в вышеупомянутом обзоре, Se чрезвычайно важен в коммерчески значимых стрессовых условиях, особенно для современной генетики высокопродуктивных сельскохозяйственных животных и птицы.

Сегодня животноводство переходит от предотвращения дефицита питательных веществ к точному удовлетворению потребностей животных в важных питательных веществах, включая Se. Действительно, «точное питание» - это термин, описывающий это понятие. В таких условиях стало очевидно, что селенит натрия (а также селенат) имеет ряд недостатков в качестве пищевой добавки. Прежде всего, это довольно реактивное соединение, которое может быть восстановлено в корме / премиксе до недоступной металлической формы с помощью различных питательных веществ, включая аскорбиновую кислоту и некоторые кормовые ингредиенты. Он также может растворяться во влаге корма и превращаться в летучие соединения, которые затем теряются. Во-вторых, селенит натрия обладает прооксидантными свойствами в зависимости от дозы, что может иметь негативное влияние на кишечник животного / цыпленка. Наконец, селен в форме селенита натрия плохо переносится в яйца, через плаценту к плоду, который не может накапливать запасы селена в организме, которые можно использовать в стрессовых условиях, когда потребность в селене увеличивается, но потребление корма обычно снижается. Селенит натрия также в избытке токсичен для животных и человека. Однако мы не согласны с выводом вышеупомянутого обзора [1] о том, что токсичность селена является проблемой для животноводства. Это связано только с человеческой ошибкой при расчете или смешивании кормов. Безопасное окно для селена довольно узкое (обычная доза добавки Se для домашней птицы и свиней составляет около 0,3 ppm, в то время как отрицательный эффект будет наблюдаться при дозах селенита натрия, превышающих 1-2 ppm), но современное оборудование для комбикормовых заводов дает возможность хорошего смешивания кормов, избегая проблем с токсичностью.

Достижения в аналитических науках стали движущей силой в открытии того, что основной формой Se в основных ингредиентах кормов является SeMet, составляющий более 50% от общего количества Se в кукурузе, сое, пшенице, ячмене и т. Д. [2]. Следовательно, в ходе эволюции пищеварительная система животных была адаптирована к этой форме селена, и в результате SeMet более эффективно усваивается из рациона, а неспецифическое включение в белки организма создает резервы Se. Действительно, на рынке появился ряд источников органического селена, включая Se-дрожжи, чистый SeMet и OH-SeMet (2-гидрокси-4- (метилтио) бутановая кислота-Se), с OH-SeMet, чтобы показать максимальную эффективность.

Основной недостаток знаний о нано-Se связан с его метаболизмом и, в частности, с его преобразованием в H ₂ Se со следующим синтезом SeCys и включением в селенопротеины. В обзоре [1] упоминается очень мало селенопротеинов, в том числе глутатионпероксидаза, а у человека и животных идентифицировано не менее 25 селенопротеинов. Принято считать, что основная роль Se в питании человека / животных связана с синтезом селенопротеинов, обладающих уникальными каталитическими свойствами, и более половины из них участвуют в поддержании окислительно-восстановительного баланса и антиоксидантной защите [3]. В упомянутом выше обзоре [1] прямые антиоксидантные свойства (снижение АФК) нано-Se упоминаются как возможный механизм его действия. Однако концентрация Se в основных тканях животных / птицы, включая печень и мышцы, обычно не превышает 800-900 нг / г свежей ткани, что находится в диапазоне 10 мкМ, а в плазме уровень Se составляет около 0,2-0,3 мкг / г. мл или 2–3 мкМ, тогда как в наиболее цитируемой работе, посвященной антиоксидантным свойствам нано-Se in vitro, концентрации Se были протестированы и показали, что антиоксидантный эффект в 5–10 раз выше [4]. Кроме того, чтобы антиоксидантное соединение было эффективным поглотителем свободных радикалов, важно иметь правильную концентрацию антиоксиданта в нужном месте в нужное время. Это еще больше усложнило бы проблему, и поэтому маловероятно, что nano-Se может иметь прямой АО-эффект в биологических системах.

Следовательно, подобно другим формам селена, используемым в рационе животных, антиоксидантный эффект нано-Se связан с экспрессией гена селенопротеина и синтезом белка. Действительно, в обзоре [1] есть несколько ссылок, подтверждающих положительное влияние нано-Se на активность GSH-Px. Теперь вопрос в том, как нано-Se превращается в активные селенопротеины. В обзоре [1] есть предположение (без ссылки), что нано-Se может быть преобразован в селенофосфат с последующим синтезом Se-белка. Это предположение должно быть подтверждено экспериментально. Второе предположение о том, что нано-Se может быть преобразовано в SeMet, в корне неверно, поскольку SeMet не может быть синтезирован в организме человека / животного; его могут производить только растения и бактерии [5].

Есть очень привлекательные предположения, что микробиота кишечника может окислять нано-Se до селенита / селената или восстанавливать его до H ₂ Se со следующим синтезом селенопротеидов [6, 7]. Недавно были предоставлены некоторые экспериментальные данные, подтверждающие, что частицы нано-Se могут растворяться и окисляться до неорганических оксоанионов Se в кишечнике в присутствии микробиоты до их абсорбции [6]. Кроме того, была предложена гипотетическая схематическая диаграмма, показывающая внутриклеточный динамический цикл эндогенных наночастиц селена (SeNP) [7]. Фактически было высказано предположение, что элементарный селен может быть повторно окислен супероксидными радикалами в селенит. Также существует вероятность, что микробиота кишечника может выполнять / ускорять этот процесс. Действительно, доказано, что в природе происходят четыре основных биологических превращения Se, включая восстановление, окисление, метилирование и деметилирование [8]. Данные, накопленные за последние три десятилетия, ясно показывают, что микроорганизмы играют важную роль в цикле селена в окружающей среде, участвуя как в реакциях окисления, так и в реакциях восстановления [9]. Интересно, что микробное окисление Se ⁰ кому:Se ⁴⁺ группой неидентифицированных автотрофных бактерий была открыта более 90 лет назад [10]. Кроме того, окисление элементарного селена до селенита гетеротрофной бактерией Bacillus megaterium , выделенный из почвы, был обнаружен значительно позже [11]. Действительно, Se ⁰ Было показано, что окисление в почвах происходит с относительно медленной скоростью и имеет в значительной степени биотический характер и дает как SeO ₃ ^2– и SeO ₄ ^2– [12]. Кроме того, микробное окисление элементарного селена (Se ⁰ ) хемогетеротрофами и хемоавтотрофными тиобациллами подтверждено с помощью ⁷⁵ Se ⁰ как трассер [13]. Авторы показали, что почвенные жижи способны окислять Se ⁰ . с SeO ₃ ^2– и SeO ₄ ^2– формирование. Интересно, что инактивация микробов в почве автоклавированием или химической обработкой ингибировала этот процесс. Кроме того, культуры окисляющих серу бактерии Thiobacillus Показано, что ASN-1 выполняет окисление Se (0) ферментами, которые используются для выработки энергии из восстановленных соединений серы [13]. Кроме того, гетеротрофная бактерия, которая может окислять Mn (II) или Fe (II) ( Leptothrix MnB1) окисляет Se ⁰ . с образованием SeO ₃ ^2– как основной продукт реакции. Интересно, что реакция зависит от донора электронов, такого как ацетат или глюкоза [13]. Окисление Se ⁰ различными бактериями не изучена в полной мере и представляет собой область важных исследовательских возможностей. Фактически, большое количество микробов, обитающих в кишечнике, обеспечивает необходимые условия для различных превращений селена. Например, когда частицы нано-Se инкубировали с молочнокислыми бактериями ( Lactobacillus delbrueckii subsp . болгарик LB-12), были получены органические соединения Se (в основном SeCys и SeMet), а также частицы нано-Se были частично растворены и неметаболически преобразованы в неорганический селен, вероятно, с помощью веществ, выделяемых клеточной стенкой бактерий [14].

В качестве альтернативы, элементарный селен может быть восстановлен / преобразован в селенид с помощью бактерии, дышащей селенитом (например, Bacillus selenitireducens ). Вышеупомянутая реакция, проводимая бактериями с неполным окислением лактата-донора электронов до ацетата, была представлена ​​следующим образом [7]:

Следовательно, свободные энергии реакции (∆G ^I ) составляет - 2,8 ккал / моль e ^- . Это показывает, что у Bacillus selenitireducens , механизм восстановления включает сохранение энергии за счет использования Se-специфических диссимиляционных ферментов [15]. Действительно, дышащая селенит бактерия, Bacillus selenitireducens , может производить значительные уровни Se ^{- 2} (как водный HSe-) с использованием Se ⁰ в качестве подложки [16]. Ранее было продемонстрировано, что красный селен восстанавливается облигатным ацидофилом Thiobacillus ferrooxidans . в кислых (pH 3), анаэробных условиях с H ₂ Производство селена со скоростью 0,03 мкмоль / мг белка / ч [17]. Кроме того, другая анаэробная бактерия Veillonella atypica была показана способность восстанавливать оксианионы селена с образованием элементарного селена с последующим его восстановлением бактериями с образованием реактивного селенида [18]. Интересно, что более 45 лет назад было описано, что экстракты Micrococcus lactilyticus ( Veillonella alcalescens ) смогли количественно восстановить коллоидный селен до H ₂ Se [19]. В последнее время гены, кодирующие белки YedE и YedF, рассматриваются как новые гены-кандидаты, участвующие в метаболизме Se у прокариот, включая бактерии [20]. Действительно, как YedE, предсказанный переносчик Se, так и YedF, редокс-белок, могут участвовать в метаболической трансформации селена в бактериальных клетках. Таким образом, была доказана принципиальная способность различных микробов окислять или восстанавливать элементарный селен (Таблица 1); однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы ответить на вопрос, происходят ли такие реакции в кишечнике животных. Интересно, что из всех видов бактерий, упомянутых в таблице 1, анаэробные грамотрицательные бактерии рода Veillonella заслуживают особого внимания . Действительно, Veillonellae обнаружены в пищеварительном тракте теплокровных животных [21]. Фактически, у пищевых животных Veillonella штаммы регулярно обнаруживаются как коренные жители всех отделов желудочно-кишечного тракта ([22] и ссылки там), включая верхний отдел желудочно-кишечного тракта [23] и слепую кишку [24] кур. Действительно, необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить судьбу и механизмы возможных преобразований нано-Se в желудочно-кишечном тракте животных. Метаболизм нано-Se зависит от состава наночастиц, включая агент покрытия наночастиц. Предлагаемая схема участия нано-Se в синтезе селенопротеинов показана на рис. 1, и базовое понимание метаболизма нано-Se, включая абсорбцию, распределение и клиренс, имеет большое значение в науках о животных / птицеводстве [25]. P>

Схематическая модель, показывающая метаболические превращения различных форм Se у животных. Предполагается, что микробиота кишечника может преобразовывать нано-Se в селенит, H ₂ Se или Se-фосфат со следующим синтезом SeCys и включением в селенопротеины

В желудочно-кишечном тракте млекопитающих / птиц обитают триллионы комменсальных микроорганизмов, известных под общим названием микробиота [26]. Например, кишечник цыпленка состоит из двенадцатиперстной кишки, тощей кишки, подвздошной кишки, слепой кишки и толстой кишки, и существуют значительные различия в концентрации и составе микробиоты между вышеупомянутыми отделами кишечника [27]. Интересно, что слепая кишка характеризуется самым сложным микробным сообществом, в котором преобладают филы Firmicutes , Bacteroidetes , Актинобактерии и протеобактерии [28]. С другой стороны, на уровне родов основными микробными родами во всех отделах кишечника оказались Lactobacillus , Энтерококк , Бактероиды и коринебактерии [27]. Кроме того, Bacteroides было показано, что это доминирующая группа в слепой кишке, в то время как Lactobacillus преобладала в отделах тонкой кишки (двенадцатиперстная кишка, тощая кишка и подвздошная кишка; [27]). В этой сложной экосистеме кишечника может быть ряд микробов, способных способствовать окислению / восстановлению частиц нано-Se, и это предположение требует дальнейшего изучения.

С одной стороны, некоторые микробы будут использовать Se для собственных нужд, чтобы синтезировать микробные селенопротеины и конкурировать с хозяином за этот элемент. Хорошо известно, что Se является важным элементом для множества организмов почти всех типов бактерий; однако кажется вероятным, что только одна треть охарактеризованных бактерий использует этот элемент в своем метаболизме [29]. Действительно, при дефиците селена существует конкуренция между бактериями и хозяином за доступный селен, и у здоровых животных потребность в селене ниже, чем у животных, колонизированных традиционным способом [30]. Недавние результаты показывают, что добавление селена к пище может влиять как на состав, так и на разнообразие существующей микробиоты, а также на формирование микрофлоры желудочно-кишечного тракта [31]. Например, у телят-отъемышей, которых кормили сеном люцерны, обогащенным селеном, была обнаружена более богатая носовая микробиота по сравнению с контрольными животными [32]. Возможные эффекты селена в различных формах и концентрациях на кишечную микробиоту требуют дальнейшего изучения.

С другой стороны, вполне вероятно, что микробиота активно поглощает Se, и этот процесс зависит от используемой формы Se. Фактически, поглощение SeMet микробиотой толстой кишки было гораздо более эффективным по сравнению с поглощением селената [33]. Однако влияние состава и концентрации бактерий на всасывание соединений селена в кишечнике не изучалось. Принято считать, что микробиота кишечника ответственна за выведение избыточного селена путем его метилирования и образования элементарного селена [34]. Интересно, что у крыс, получавших SeMet, эта форма Se была обнаружена во всех сегментах кишечника. Однако уровень Se в подвздошной, слепой и толстой кишке был значительно выше, чем в соответствующих срезах крыс после лечения пробиотиками [34]. Это может означать, что Streptococcus Salivarius , Lactobacillus rhamnosus , Lactobacillus acidophilus и Bifidobacterium lactis доставлялись в кишечник с пробиотическим метаболизмом Se в основном в отдаленном кишечнике. Действительно, влияние различных бактерий на превращение Se необходимо идентифицировать, чтобы понять роль каждого сегмента кишечника в метаболизме и ассимиляции Se. Кроме того, рефлюкс жидкости из верхней части толстой кишки обратно в тонкий кишечник может быть ответственным за абсорбцию H ₂ Se и другие формы Se из кишечника. Фактически, недавно было показано, что цыплята характеризуются обратными перистальтическими сокращениями, которые могут перемещать маркер из клоаки в желудок [35].

Можно ожидать прямого участия нано-Se в синтезе селенопротеинов, поскольку в культуре клеток нано-Se увеличивает селенопротеины (активность GSH-Px и TR). Однако недавнее понимание приоритета экспрессии селенопротеинов может усложнить этот вопрос. Фактически, многие селенопротеины регулируются окислительным стрессом. В частности, было показано, что GSH-Px1, GSH-Px4 и TR1 активируются в ответ на окислительный стресс [36], и такой ответ был более выраженным, когда поступление селена было ограниченным. Следует отметить, что вышеупомянутая реакция зависит также от уровня окислительного стресса, потому что это верно при легком окислительном стрессе, но на чрезвычайно высоком уровне активируются некоторые другие механизмы [2].

Вполне возможно, что в культуре клеток повышенная экспрессия / активность таких селенопротеинов является ответом на окислительный стресс, создаваемый нано-Se, но не отражением улучшенного снабжения Se. Следовательно, следует проявлять осторожность при интерпретации результатов, основанных на исследованиях клеточных культур. Дополнительное подтверждение связанных со стрессом изменений в биологических системах из-за добавок nano-Se было получено из недавнего исследования, показывающего, что биогенный nano-Se может активировать ядерный фактор (производное эритроида-2) -подобного 2 (Nrf2) и увеличивать экспрессия его нижележащих генов, ответственных за синтез антиоксидантов в зависимости от дозы и времени [37]. Кроме того, авторы обнаружили, что нокдаун Nrf2 значительно блокирует антиоксидантный эффект таких частиц нано-Se.

При критическом анализе положительного влияния добавки нано-сэна на продуктивность и репродуктивность птицы, сельскохозяйственных животных и рыб необходимо учитывать, что в большинстве случаев Se не улучшал производительность, а, скорее, предотвращал ухудшение производительности из-за воздействия окружающей среды или окружающей среды. пищевые ограничения. Во многих случаях эксперименты на животных проводились при чрезвычайно низком фоновом уровне Se, поэтому добавление Se в любой доступной форме может иметь положительные эффекты.

Проблемы коммерциализации nano-Se для использования в качестве кормовой добавки могут быть следующими:

1. 1.

   Необходимо понимать молекулярные механизмы абсорбции, ассимиляции и действия нано-Se на клеточном, субклеточном и генном уровнях. Без таких данных было бы трудно получить воспроизводимые результаты и найти надлежащее объяснение наблюдаемых эффектов. Например, в недавно опубликованной статье только несколько генов (18 белков и ни один из них не имеют прямого отношения к метаболизму Se) были затронуты в печени из-за передозировки нано-Se у кур [38], в то время как известно, что другие формы диетического Se, включая SeMet, могут повлиять на несколько сотен генов.

2. 2.

   Важно понимать, может ли nano-Se накапливать какие-либо запасы селена в организме, как SeMet, и доступны ли эти запасы в стрессовых условиях.

3. 3.

   Необходимо разработать технологию, способную обеспечить частицы нано-Se одинакового размера, стабильности и достаточно хорошей (не менее 6–12 месяцев) сохраняемости [2].

4. 4.

   Вероятно, что микробные пробиотики могут быть полезны для преобразования наноселена, используемого в качестве кормовой добавки. С одной стороны, такие пробиотики могут содержать определенные микроорганизмы, способствующие усвоению нано-Se в кишечнике (например, Veillonella разновидность). С другой стороны, пробиотики, обогащенные Se, могут быть еще одной возможностью [34, 39]

5. 5.

   Следует полностью устранить побочные эффекты, риски и экологические проблемы. Действительно, необходимы дальнейшие исследования для информирования политиков и регулирующих органов о нанотоксикологическом потенциале нано-Se [40]. В частности, очень маленький размер частиц в сухой форме делает продукт очень пыльным, а необычное поведение наночастиц Se, попадая в организм, является предупреждением с основной заботой о защите работников комбикормового завода. Поскольку микробиота кишечника отвечает за выведение избыточного селена за счет его метилирования и образования элементарного Se [34], усиление / модуляция микробиоты может открыть новые горизонты для борьбы с возможной токсичностью нано-Se.

6. 6.

   Положительные эффекты нано-Se в питании животных не должны заслонять возможные пагубные последствия его использования. В самом деле, поведение наночастиц в различных условиях может существенно отличаться, и, прежде чем мы поймем, как контролировать это поведение, использование наночастиц в широком промышленном масштабе станет невозможным. Например, при рассмотрении абсорбции нано-Se необходимо упомянуть так называемый эффект троянского коня, когда наночастицы могут обладать свойствами усиления проникновения для других веществ в кишечнике [41]. Это может создать некоторые проблемы, поскольку в корме содержится ряд «нежелательных» соединений, а кишечник защищает от их всасывания. Действительно, поведение нано-Se в кишечнике требует дальнейшего изучения.

7. 7.

   В вышеупомянутом обзоре [1] значительное внимание уделяется антимикробным и противораковым свойствам нано-Se, и кажется вероятным, что уникальные свойства наночастиц могут помочь в борьбе с различными заболеваниями. Действительно, нано-Se можно рассматривать как новое лекарство, которое будет использоваться при различных медицинских состояниях, включая терапию рака, в то время как его использование в качестве эффективной кормовой добавки весьма сомнительно. Дальнейшие исследования должны ответить на эти важные вопросы и опасения.

Заключение

За последние несколько лет был опубликован ряд статей, посвященных нано-Se, и эта тема быстро развивается. Однако, прежде чем эта форма Se сможет найти применение в коммерческом птицеводстве / животноводстве, необходимо понять и объяснить, как нано-Se превращается в активные селенопротеины. Один из возможных механизмов / путей действия нано-Se может быть опосредован микробиотой кишечника, которая может преобразовывать нано-Se в селенит, H ₂ Se или Se-фосфат с последующим синтезом селенопротеинов (рис. 1). Есть некоторые свидетельства того, что в природе бактерии могут восстанавливать или окислять металлический Se (Se ⁰ ) с образованием Se ⁻² или Se ⁺⁴ и Se ⁺⁶ соответственно. Среди микроорганизмов, участвующих в окислительно-восстановительных изменениях Se, род Veillonella заслуживает особого внимания из-за наличия таких бактерий в кишечнике пищевых животных, в том числе кур. Возможность участия микробиоты кишечника в ассимиляции и метаболизме нано-Se требует дальнейшего детального изучения, а преимущества и недостатки нано-Se как источника селена в питании животных / птицы ждут дальнейших критических оценок.