Наноселен в питании одножелудочных: как кишечная микробиота обеспечивает его превращение в активные селенопротеины

Аннотация

Недавние работы в области нанотехнологий и животноводства подчеркнули перспективы наноселена (нано-Se) как высокобиодоступного добавки для птицы и других одножелудочных видов. Недавний обзор в Nanoscale Research Letters подробно описал пути производства и потенциальные применения нано-Se, однако базовые биохимические пути остались в значительной степени неисследованными. Новые доказательства указывают, что кишечная микробиота может окислять элементарный селен в селенит, H₂Se или селенофосфат, тем самым обеспечивая синтез селенопротеинов. Требуются дальнейшие исследования для оценки преимуществ и потенциальных недостатков нано-Se по сравнению с традиционными источниками селена, и для прояснения его точной роли в физиологии животных.

Введение

Недавний обзор в Nanoscale Research Letters [1] изучил растущий объем литературы о нано-Se в животноводстве и аквакультуре. Авторы описали уникальные физико-химические свойства суб-100-нм селеновых частиц, включая их способность проникать через биологические мембраны и служить транспортными средствами для важных микроэлементов. Селен представляет особый интерес, так как глобальная изменчивость почв часто приводит к дефициту селена в рационах как людей, так и животных [2]. Закисление почв и использование сернистых удобрений снижают биодоступность селена, ведя к низкому потреблению селена в кормовых зерновых и масличных, составляющих основу рационов одножелудочных. Следовательно, селеновая supplémentация была стандартной практикой в питании птицы, свиней и рыб с 1970-х годов, преимущественно через премиксы натрий-селинита.

Хотя натрий-селинит был эффективен в устранении клинического дефицита селена, он имеет заметные ограничения. Соединение химически реактивно, подвержено восстановлению аскорбиновой кислотой и другими компонентами корма, и может летучесть во влажных условиях. Оно также демонстрирует дозозависимую прооксидантную активность, которая может компрометировать здоровье кишечника. Более того, его перенос в яйца, плацентарные ткани и эмбриональные запасы неоптимален, ограничивая способность буферизовать стресс-индуцированные потребности в селене. Хотя токсичность натрий-селинита вызывает озабоченность только при пересмешивании или ошибках дозирования, узкое терапевтическое окно (типичная добавка для птицы ~0,3 ppm против токсичности >1–2 ppm) требует точной формулировки корма [3].

Органические формы селена — наиболее известные селенометионин (SeMet), селенсодержащий дрожжи и 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаноиновая кислота-селен (OH-SeMet) — стали превосходными альтернативами. Аналитические достижения раскрыли, что >50% общего селена в обычных кормовых ингредиентах существует в виде SeMet [4], формы, легко встраиваемой в белки организма и эффективно удерживаемой для последующего использования в периоды повышенного спроса. Перевариваемость и биодоступность органического селена превосходят неорганические соли, делая их привлекательными кандидатами для программ точного питания, направленных на соответствие поставки селена реальным физиологическим потребностям [5].

Несмотря на эти идеи, метаболическая судьба нано-Se остается плохо понятой. Текущая литература в значительной степени фокусировалась на немногих селенопротеинах, таких как глутатионпероксидаза (GSH-Px), упуская полный комплект ~25 селенопротеинов, идентифицированных у млекопитающих и птиц [6]. Преобладающая гипотеза о том, что нано-Se может напрямую конвертироваться в селенофосфат и затем формировать селеноцистеин (SeCys), не имеет экспериментального подтверждения. Кроме того, утверждения о том, что нано-Se может быть ферментативно превращен в SeMet, неверны, так как биосинтез SeMet ограничен растениями и определенными бактериями [7].

Накапливаются доказательства того, что кишечная микробиота может медиационировать редокс-трансформацию элементарного селена. In vitro исследования демонстрируют, что инкубация нано-Se с молочнокислыми бактериями, такими как Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus LB‑12, частично растворяет частицы, давая неорганические виды селена и органические селеновые соединения, такие как SeCys и SeMet [8]. Аналогично, анаэробные бактерии, такие как Bacillus selenitireducens и Veillonella atypica, восстанавливают элементарный селен до H₂Se, высокореактивного промежуточного продукта, который может быть встроен в селенопротеины [9,10]. Эти микробные процессы включают как окислительные, так и восстановительные пути, часто медиационируемые специфическими ферментами, такими как YedE (транспортер селена) и YedF (редокс-белок) [11]. Мера, в которой эти трансформации происходят in vivo в желудочно-кишечном тракте одножелудочных животных, остается открытым вопросом.

Желудочно-кишечный микробиом птицы представляет сложную экосистему, доминируемую Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria и Proteobacteria, с преобладанием Lactobacillus и Enterococcus в тонком кишечнике и Bacteroides в слепых кишках [12]. Наличие селен-реагирующих таксонов, в частности анаэробного рода Veillonella, предполагает потенциальную роль в метаболизме селена. Более того, кишечная микробиота конкурирует с хозяином за селен, и безбактериальные животные демонстрируют более низкие потребности в селене, подчеркивая важность микробных взаимодействий [13]. Недавние исследования также указывали, что диетатический селен может изменять состав и разнообразие микробиома, что в свою очередь может влиять на абсорбцию и удержание селена [14].

In vitro нано-Se сообщали как урегулирующий активность селенопротеинов (например, GSH-Px, тиоредоксинаредуктаза) и активирующий антиоксидантный путь Nrf2 [15]. Однако эти эффекты могут отражать мягкий оксидативный стресс-ответ, а не усиленное снабжение селеном. Точные отношения между дозой нано-Se, оксидативным стрессом и синтезом селенопротеинов in vivo остаются подлежащими уточнению.

С прикладной точки зрения, выгоды нано-Se добавки кажутся во многом исходящими из ее способности предотвращать потерю производительности при субоптимальных условиях, а не из прямого улучшения производительности в адекватно сбалансированных рационах. Следовательно, коммерческая жизнеспособность нано-Se как кормовой добавки зависит от более глубокого механистического понимания и надежных данных безопасности.

Ключевые вызовы для промышленного внедрения нано-Se включают: (1) выяснение молекулярных путей абсорбции, распределения и метаболизма; (2) определение, вносит ли нано-Se вклад в долгосрочные селеновые запасы; (3) стандартизацию размера частиц, покрытия и срока хранения; (4) использование пробиотических штаммов, усиливающих биодоступность селена; (5) оценку потенциальных нано токсикологических рисков для животных и работников; (6) предотвращение непреднамеренных взаимодействий, таких как «트로янский конь» эффект; и (7) различение терапевтических выгод от потенциальных неблагоприятных эффектов, особенно в контексте антимикробных и противораковых заявлений [16–18].

Подводя итог, хотя нано-Se показывает обещание как высокобиодоступный источник селена, его практическое применение в питании птицы и одножелудочных потребует строгого исследования его микробных путей конвертации, профиля безопасности и стоимостной эффективности.

Заключение

За прошедшее десятилетие исследования нано-селена ускорились, однако критический вопрос о том, как нано-Se метаболизируется в функциональные селенопротеины, остается без ответа. Текущие доказательства указывают на кишечную микробиоту как правдоподобного медиатора, окисляющего или восстанавливающего элементарный селен в биологически активные формы, такие как селенит, H₂Se или селенофосфат, которые затем вступают в синтез селеноцистеина (см. Рис. 1). Бактериальные роды вроде Veillonella заслуживают особого внимания учитывая их преобладание в птичьем кишечнике и документированные редокс-способности. Будущие исследования должны определить конкретные микробные механизмы, количественно оценить эффективность конвертации нано-Se и оценить чистую питательную выгоду по сравнению с традиционными источниками селена. Только через такой всесторонний анализ потенциал нано-Se может быть безопасно и эффективно интегрирован в системы производства одножелудочных животных.

Схематическая модель, изображающая предполагаемые метаболические конверсии видов селена в животных. Диаграмма иллюстрирует, как кишечная микробиота может трансформировать нано-Se в селенит, H₂Se или селенофосфат, облегчая синтез селеноцистеина и включение в селенопротеины.