Горячие разговоры: как измерить уровни окислительного стресса и воспаления

Phytobiotics: Доброе утро, Костас! Спасибо, что приняли приглашение обменяться мнениями по интересной, но сложной теме: как измерить уровни окислительного стресса и воспаления у сельскохозяйственных животных.

Оценить иммунную защиту, включая воспалительные и окислительные процессы, непросто. В отличие от роста, потребления или конверсии корма, мы не можем просто применить одну метрику, которая дает четкое числовое значение. Для начала, не могли бы вы объяснить связь между окислительным стрессом и воспалением?

Kostas Mountzouris: Спасибо, Тобиас, за любезное приглашение. Что касается вашего вопроса, сначала давайте рассмотрим то, что контролируемое образование активных форм кислорода (АФК) и воспалительных молекул во время клеточного метаболизма и функционирования является физиологическим процессом. Например, известно, что здоровый кишечник находится в состоянии непрерывного легкого воспаления, в результате чего клетки кишечника противодействуют проблемам и поддерживают гомеостаз кишечника.

Однако каждый раз, когда клеточная концентрация АФК превышает антиоксидантную способность животного, происходит нарушение регуляции внутриклеточного окислительно-восстановительного статуса. Если своевременно и должным образом не контролировать это процесс, он приведет к окислительному стрессу. В свою очередь, окислительный стресс приведет к окислению клеточных белков и перекисному окислению липидов, повреждению ДНК и активации фактора транскрипции NF-κB. Последний регулирует клеточный иммунный ответ на инфекцию и окислительный стресс более высокого порядка, индуцируя экспрессию различных провоспалительных генов. Провоспалительная реакция - если ее не регулировать - может привести к воспалению от умеренной до тяжелой степени, что спровоцирует повреждение тканей и отказ органов. К счастью, животные обладают врожденной системой детоксикации и антиоксидантной защиты, управляемой фактором транскрипции Nrf2, и способной бороться с окислительным стрессом и воспалением.

PB:Данные механизмы работают во всех частях тела?

KM: Действительно, современная научная литература предоставляет доказательства того, что такие механизмы встречаются во всех частях тела, таких как печень, кишечник, легкие, почки и плазма.
Есть пословица, что «здоровье начинается с кишечника». Подтверждают ли это ваши исследования, проведенные за последние десятилетия, учитывая, что окислительные / воспалительные процессы часто возникают в ЖКТ?
Да. Кишечник находится в авангарде воздействия и контактирует с вызывающими стресс факторами пищевого и экологического происхождения (например, ксенобиотиками, патогенами, жарой). Например, в кишечнике окислительный стресс отрицательно влияет на белки плотных контактов, укрепляющие кишечный барьер, открывая путь для повышенной межклеточной проницаемости и микробной транслокации. Это может привести к сильному местному и системному воспалению. Поэтому важно, чтобы на уровне кишечника стрессоры быстро и эффективно нейтрализовались. В этом отношении критически важны стимуляция и быстрая активация эндогенных клеточных сигнальных путей, связанных с врожденной системой детоксикации и антиоксидантной защиты.

PB: Каковы потенциальные механизмы, с помощью которых животное противодействует окислительному стрессу?

KM: Животные могут противодействовать окислительному стрессу с помощью прямых и косвенных механизмов. Прямой механизм включает инактивацию свободных радикалов кормовыми антиоксидантными соединениями, такими как витамины, фитохимические вещества, микроэлементы, каротиноиды и кофакторы, такие как фолиевая кислота. Косвенный механизм включает индуцибельную активацию двух сигнальных путей, называемых AhR и Nrf2, ответственных за экспрессию генов цитопротекторных ферментов с детоксицирующими, антиоксидантными и противовоспалительными функциями. AhR означает «арилуглеводородный рецептор», а Nrf2 - это сокращение от «ядерного фактора, связанного с эритроидом 2, фактор 2».

PB: Углубляясь в тему - можете ли вы объяснить AhR и Nrf2 простыми словами?

KM: AhR и Nrf2 являются факторами транскрипции эндогенных клеточных сигнальных путей, связанных с врожденной системой детоксикации и антиоксидантной защиты. Они функционируют как переключатели, которые включают / выключают механизмы защиты клеток от окислительного стресса и воспаления. Например, переключатель AhR активизирует путь, ответственный за детоксикацию ксенобиотических соединений, таких как диоксины, микотоксины, вредные фитохимические вещества и бактериальные патогены. С другой стороны, Nrf2 является критически важным фактором транскрипции, чувствительным к окислительно-восстановительному процессу, известным как главный регулятор защиты клетки от окисления и воспаления. По сути, когда Nrf2 активируется, он запускает транскрипцию гена батареи мощных антиоксидантных, детоксифицирующих и противовоспалительных ферментов, которые борются с окислительным стрессом и воспалением.

PB: Распределены ли антиоксидантные и противовоспалительные механизмы равномерно во всех сегментах кишечного тракта?

KM: В кишечнике может не быть равномерного распределения защитных механизмов и их активности. Причина в том, что перистальтика кишечника, пищеварительные процессы и различные факторы стресса формируют динамическую среду, которая различается на протяжении всего кишечника. Это объясняет различия, наблюдаемые в биомаркерах, измеренных вдоль кишечника. Более того, это подчеркивает необходимость большего понимания фундаментальной роли адаптивной способности кишечника поддерживать гомеостаз. Кроме того, важно понимать, как различные соединения (например, кормовые компоненты, ксенобиотики) и стрессоры (например, жара, окружающая среда) влияют на адаптивную способность кишечника вызывать местноспецифичные защитные реакции и / или передачу сигналов на системном уровне (например, постабсорбционная фаза).

PB: Есть ли на горизонте новые методы и гены-маркеры, которые могут еще больше усилить наше понимание регуляции окислительных и воспалительных процессов?

KM: Да, есть определенные батареи генов, которые могут предоставить полезную информацию о состоянии кишечника и коррелировать с продуктивностью. Примеры включают, но не ограничиваются ими, гены, кодирующие ферменты фазы I (например, семейство цитохрома P450 типа 1 - CYP1), а также несколько антиоксидантных и детоксифицирующих ферментов фазы II, таких как каталаза (CAT), супероксиддисмутаза (SOD), глутатионредуктаза ( GSR), глутатионпероксидаза (GPx), глутатион-S-трансфераза (GST), NAD (P) H: хиноноксидоредуктаза 1 (NQO1), уридин-5-дифосфо (UDP) -глюкуронозилтрансфераза и тиоредоксин (TXN). Получающиеся в результате белки могут предотвращать хронический окислительный стресс, повышать метаболизм токсинов и сохранять клеточный гомеостаз.

Я ожидаю, что в ближайшем будущем картирование реакций животных на ряд физиологических и стрессовых факторов позволит выбрать и продвигать лучшие наборы биомаркеров для каждого вида животных.

PB: Существуют ли какие-либо неинвазивные методы определения окислительного / воспалительного статуса сельскохозяйственных животных без взятия образцов крови или тканей?

KM: Это действительно очень сложная тема для исследований и разработок. С одной стороны, тщательный научный мониторинг показателей продуктивности с помощью оцифровки и биосенсоров может помочь выявить проблемные случаи. Постоянный спрос на выявление показателей благосостояния и устойчивости, которые коррелируют со здоровьем и качеством продукции, также оказывает положительное влиения на развитие этой области.

С другой стороны, на ферме время имеет решающее значение, и поэтому сейчас явно необходимы инструменты для прогнозирования состояния здоровья животных. Вот где многообещающе открывается инвазивный анализ крови, такой как репрезентативный осмотр стада с использованием надлежащим образом проверенных биомаркеров. Фактически, наша группа в настоящее время заинтересована в расширении нашей платформы по изучению кишечника и сотрудничестве с другими партнерами в этом отношении.

PB: Наконец, что вы думаете о кормовых технологиях, связанных с составом рациона или специальными добавками для модуляции окислительной / воспалительной реакции?

KM: Определенно, кормовые вмешательства с тщательно подобранными биологически активными добавками могут предоставить решения для окислительного стресса и воспалений. В этом смысле явно необходимы нутригеномные исследования, посвященные влиянию пищевых биоактивных соединений, таких как биоактивные соединения растительного происхождения, на активацию и величину адаптивной способности животных противодействовать стрессовым факторам, ведущим к воспалению. Ожидается, что такие исследования предоставят необходимые инструменты для механистической оценки эффективности перспективных кормовых цитопротекторных технологий и их применения в кормлении животных.

PB: Большое спасибо Костас за уделенное время и интервью.

Kostas C. Mountzouris
Профессор биотехнологии питания животных, Афинский сельскохозяйственный университет, Греция