De rol van microbiota voor een evenwichtig afweersysteem MARI A SMITS1, ALFONS J JANSMAN2, HUUB FJ SAVELKOUL3, ANNEMARIE JM REBEL4
praktisch inzicht
Central Veterinary Institute, onderdeel van Wageningen UR, Wageningen UR Livestock Research en Wageningen Universiteit hebben hun expertise en onderzoek naar het functioneren van het maagdarmkanaal bij landbouwhuisdieren gebundeld en geïntensiveerd. Zij hebben dit gedaan omdat de processen die in het maagdarmkanaal plaatvinden, niet alleen van belang zijn voor een efficiënte voervertering en -benutting maar ook voor de afweer van landbouwhuisdieren tegen infectieziekten. In het kader van de genoemde samenwerking zijn expertises en onderzoekstechnieken bij elkaar gebracht waarmee de complexe processen in het maagdarmkanaal beter kunnen worden ontrafeld. De processen die zich in de darm afspelen, worden beïnvloed door interacties tussen drie ‘componenten’, te weten voeding, darmbacteriën (microbiota) en darmmucosa. Een goed en stabiel evenwicht in de darmprocessen (homeostase) is cruciaal voor een efficiënte voer- en nutriëntbenutting én voor een efficiënte afweer. Het huidige darmonderzoek bij landbouwhuisdieren is erop gericht voedings- en managementfactoren te identificeren die homeostase in de darm bevorderen. Met het toepassen van deze kennis kan de afweer tegen infectieziekten worden verbeterd zonder afbreuk te doen aan de prestaties van dieren. In dit artikel wordt in algemene termen aandacht besteed aan de pro-
1,4
Central Veterinary Institute, onderdeel van Wageningen UR (CVI). 1,2 Wageningen Livestock Research (WLR). 3 Celbiologie en Immunologie, Wageningen Universiteit (WU).
22
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
cessen in het maagdarmkanaal die betrokken zijn bij de opbouw en het handhaven van een evenwichtig afweersysteem. De toegenomen kennis op dit terrein kan door dierenartsen worden gebruikt voor een betere immuuncompetentie bij landbouwhuisdieren.
Het maagdarmkanaal Het maagdarmkanaal is onderverdeeld in enkele anatomische compartimenten met verschillende functies. In de maag, het duodenum en het jejunum vindt digestie plaats van koolhydraten, eiwitten en vetten, zuursecretie en absorptie van monosachariden, vetzuren, cholesterol, aminozuren, di- en tri-peptiden, vitaminen en mineralen. In de pens van herkauwers vinden allerlei fermentatieprocessen plaats die uiteindelijk leiden tot de omzetting van voedergewassen en vezels in waardevolle dierlijke eindproducten zoals melk. Het compartiment met het grootste oppervlak is het jejunum, waar voornamelijk de opname van nutriënten plaatsvindt. De dikke darm is korter dan de dunne darm en hier vindt gedeeltelijke fermentatie plaats van niet enzymatisch afbreekbare componenten in het voer door anaerobe bacteriën en absorptie van water, elektrolyten en kortketenvetzuurfermentatieproducten. De spijsvertering in het maagdarmkanaal wordt beïnvloed door de samenstelling en de deeltjesgrootte van het voer maar ook door de procestechnologische behandelingen ervan. De grondstofsamenstelling heeft invloed op de darmmotiliteit en de passagesnelheid van digesta en op de snelheid en kinetiek van de afbraak door lichaamseigen enzymen en door microbiële fermentatie. De bestanddelen in het voer beïnvloeden hierdoor de microbiële samenstelling en het microbieel metabolisme in de
Darmgezondheid
Microbiota
Omgeving
Voeding
(Epi)genetica
Interacties tussen voeding - microbiota - darm
Modulatoren
Microbiota fermentatie
Effect op biologische processen van darmepitheel
Digestie Nutrient absorptie
Mucosale systemische immuun competentie
Darmfunctionaliteit
Adequate immuun respons
Robuustheid en prestatie
verschillende delen van het maagdarmkanaal (4). Dit heeft een aantal functionele effecten op de darmmucosa en het onderliggende lokale immuunsysteem. Microbiële eiwitfermentatie kan ook leiden tot de vorming van stoffen als ammoniak en biogene aminen die schadelijke (ontstekingsbevorderende) effecten hebben op de darmwand. Naast de grondstoffen in het voer worden in de praktijk veelvuldig additieven gebruikt zoals pre- en probiotica, enzymen, organische zuren, etherische oliën en plantenextracten die direct of indirect (via microbiota) invloed kunnen uitoefenen op diverse processen in de darm (figuur 1). Ook sporenelementen in diervoeders, zoals koper en zink, hebben invloed op de microbiële samenstelling en activiteit en daarmee op de homeostase van het maagdarmkanaal (17). Het maagdarmkanaal wordt begrensd door een enkele laag intestinale epitheelcellen die bedekt zijn met een dikke slijm- of mucuslaag die bestaat uit geglycosyleerde eiwitten. De villi en microvilli vergroten het oppervlak van de darm enorm. Bij het varken is het darmoppervlak wel tweehonderd keer de oppervlakte van het buitenlichaam. We onderscheiden zuilvormige epitheelcellen die verantwoordelijk zijn voor vertering en absorptie, slijmbekercellen die mucus
Figuur 1. Diverse factoren beïnvloeden interacties en processen in de darm die van belang zijn voor een gezond maagdarmkanaal.
afscheiden, endocriene cellen die hormonen afscheiden, en Panethcellen die antimicrobiële peptiden produceren. De epitheellaag vormt de begrenzing tussen de inhoud van de darm en het inwendige lichaam. Bepaalde voedingsstoffen, specifieke producten van microbiota en bepaalde lichaamseigen stoffen in het lumen van de darm ‘communiceren’ via de epitheelcellen met de onderliggende cellen van het mucosale immuunsysteem. Deze communicatie verloopt via receptoren die aanwezig zijn op of in epitheliale cellen en gespecialiseerde immuuncellen. De meest bekende receptoren zijn de ‘Toll-Like Receptors’ (26 en 24). Deze receptoren screenen voortdurend de darminhoud op de aanwezigheid van moleculaire structuren specifiek voor bepaalde groepen pathogene en niet pathogene micro-organismen of moleculen die geassocieerd zijn met darmschade. Binding van ligand aan de receptor leidt tot de biosynthese van signaalmoleculen die de activiteit en functionaliteit van de onderliggende cellen van het immuunsysteem aansturen. Dit sensorsysteem speelt een centrale regulerende rol bij de inductie van immuunresponsen, bij immuuntolerantie en bij het onderhouden van de integriteit van de darmwand (29, Santaolalla en Abreu, 2012).
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
23
praktisch inzicht
Darmstoornissen Homeostase in de darm is een belangrijke voorwaarde voor een optimale dierlijke productie en een adequate afweer. Tijdens de productiefase kunnen verstoringen van de darmhomeostase optreden, vooral tijdens overgangsperiodes die stress met zich meebrengen zoals bij het spenen van biggen. Verstoringen kunnen ook het gevolg zijn van externe factoren zoals houderijomstandigheden, het gebruik van antibiotica en de samenstelling van diervoeders. Verstoring van darmhomeostase gaat meestal gepaard met veranderingen in de samenstelling en de diversiteit van de microbiota (dysbiose; 23) en met veranderingen in de regulatie van het immuunsysteem. Hierdoor verandert het immunologische evenwicht in de darm en kunnen potentieel pathogene symbionten (pathobionten) uitgroeien of kan er een verandering optreden in de gevoeligheid voor infecties met bepaalde pathogenen. Bij verstoring van de darmhomeostase wordt ook de digestie en absorptie van nutriënten nadelig beïnvloed, wat resulteert in een verminderde voederefficiëntie en groeivertraging. Door de nutritionele verstoring kunnen ook beschadigingen van het darmweefsel ontstaan waardoor de kans op infecties verder verhoogd wordt. Maagdarmaandoeningen vormen een belangrijk gezondheidsprobleem in zowel de varkenshouderij als de pluimveehouderij en de kalverhouderij (2). Omdat het mucosale immuunsysteem van de darm in verbinding staat met het mucosale systeem van de longen, kunnen verstoringen van de homeostase op darmniveau ook effecten hebben op de gevoeligheid van dieren voor luchtweginfecties (6). Mogelijk kunnen behandelingen die de darmhomeostase bevorderen, ook een positieve uitwerking hebben op de immunologische afweer in de longen.
Microbiota Tot voor kort was onze kennis over de bacteriën in de darm tamelijk beperkt, omdat de meeste darmbacteriën anaeroob zijn en lastig of niet te kweken. Door de ontwikkelingen op het terrein van de high-throughput DNA-analyses is de afgelopen jaren veel onderzoek verricht naar de samenstelling, diversiteit en activiteit van de microbiota in de darm (31). De darm van mensen bevat tien keer meer bacteriën (1014) dan het totaal aantal lichaamscellen. De microbiota vormen een essentieel ‘orgaan’ en leveren een significante bijdrage aan de stofwisseling en de productie van energie en vitaminen. Hun gezamenlijk genetisch potentieel is enorm en omvat circa 3 miljoen genen (20). Veel gezondheidgerelateerde kenmerken bij mensen en dieren wor-
24
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
den in de recente literatuur in verband gebracht met deze microbiota (19). De kolonisatie van de darm begint al tijdens de geboorte, of bij het uitkomen van het ei, en in volwassen dieren bestaat de microbiële populatie in de darm uit meer dan duizend verschillende soorten (21, 31, 10, 25). Dominante bacteriestammen zijn Firmicutes, Bacteroides, Actinobacteria, Proteobacteria, en Verrucomicrobia. Er zijn grote overeenkomsten maar ook duidelijke verschillen in de samenstelling van de darm-microbiota tussen mensen, pluimvee, koeien en varkens (12). De volledige erfelijke informatie van de microbiota uit varkens is in 2011 voor het eerst beschreven (11). De microbiota wordt gedomineerd (>90%) door Firmicutes- en Bacteroidetesstammen, het ileum bevat een hoog percentage Proteobacteriumstammen (>40%). 13 procent van alle genen codeert voor eiwitten die betrokken zijn bij koolhydraatmetabolisme. Opmerkelijk was dat in de microbiota van varkens een zeer groot aantal en een hoge diversiteit aan antibioticumresistentiegenen werd aangetroffen (11). Tijdens de overgang naar vast voer vindt een radicale verandering plaats van de microbiële samenstelling en diversiteit in de darm. Deze samenstelling en diversiteit worden ook beïnvloed door het genotype van de gastheer, de ingrediënt- en nutriëntsamenstelling van het gebruikte diervoer en door houderijomstandigheden. Bovendien zijn verschillende externe factoren beschreven die invloed hebben op de samenstelling en diversiteit van microbiota, zoals voeding en stress (10). Met name het gebruik van antibiotica heeft significante effecten op de samenstelling en diversiteit van microbiota in zowel mensen, varkens als pluimvee (13, 28, 18). Onderzoek door CVI/WLR naar het gebruik van antibiotica bij volwassen dieren heeft laten zien dat dit niet tot permanente veranderingen in de microbiota leidt. Kortdurende behandeling van een bacteriële infectie met een enkelvoudige dosis antibioticum kan tot vier weken een afwijking veroorzaken in de microbiota, maar daarna keren de oorspronkelijke samenstelling en diversiteit vrijwel altijd terug. Onderzoek door CVI/WLR heeft eveneens aangetoond dat een éénmalige antibioticumbehandeling direct ná de geboorte een significant effect heeft op het patroon van de vroege kolonisatie van de darm door bacteriën bij zowel biggen als kuikens (aangeboden ter publicatie).
Immuuncompetentie Een aanzienlijk deel (70-75%) van de cellen van het immuunsysteem is geassocieerd met het epitheel van het maagdarmkanaal, met name in
Darmgezondheid
het jejunum en ileum. Hier vindt voor een belangrijk deel de regulatie en programmering van het systeem plaats (30). Hier wordt ook vorm gegeven aan de competenties van het immuunsysteem. Deze competentie bepaalt of en hoe het lichaam immunologisch reageert op een blootstelling aan schadelijke componenten zoals pathogene micro-organismen en toxinen. De immuuncompetentie bepaalt eveneens wanneer en tegen welke componenten juist geen immunologische respons gewenst is. Er is dan sprake van immuuntolerantie zoals bij blootstelling aan onschuldige voedercomponenten en commensale micro-organismen. Een juiste balans tussen immuunrespons en immuuntolerantie is bij hoogproductieve dieren cruciaal omdat onbalans hierin leidt tot ontstekingsschade, secundaire infecties en verlies aan nutrientbenutting (groeivertraging) (29). Het inzicht in de manier waarop dit gereguleerd wordt, neemt de laatste jaren sterk toe (29, 3). Het is duidelijk dat de ‘cross-talk’ tussen het mucosale immuunsysteem van de darm en de microbiota in het lumen van de darm een belangrijke rol speelt bij deze regulatie. Dat is de reden waarom veel onderzoek zich de laatste tijd richt op het verbeteren van immuuncompetentie door modulatie van de microbiotasamenstelling via voederadditieven zoals pre- en probiotica (onder andere 8). Wageningen Universiteit verricht onderzoek naar immuuncompetentie bij verschillende diersoorten. Door dit onderzoek krijgen we beter inzicht in de cellulaire en moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan immuuncompetentie en beter inzicht in de rol die extrinsieke stimuli, zoals de eigen microbiota, infectieuze organismen en voedingscomponenten, hierbij spelen. Het doel van dit onderzoek is om via voerinterventies de immuuncompetentie zodanig te moduleren dat homeostase van het mucosale immuunsysteem wordt bevorderd, waardoor conceptueel wordt bijgedragen aan het voorkomen en/of verminderen van infecties en ontstekingen.
Opbouw immuniteit De cellen van het immuunsysteem, die al aanwezig zijn bij de geboorte, zijn in functioneel opzicht nog sterk onderontwikkeld (naïef). De verwerving van immuniteit in deze fase gebeurt door overdracht van antimicrobiële eiwitten vanuit het moederdier via eieren, placenta, colostrum en/of melk. Door een geleidelijke blootstelling aan antigenen tijdens de neonatale fase vindt rijping en verdere uitbreiding van het aangeboren en verworven immuunsysteem plaats. Verreweg de meeste antigenen worden aangebo-
den vanuit het maagdarmkanaal. Voor een optimale ontwikkeling van het immuunsysteem is een aantal nutriënten onontbeerlijk. Met name de hoeveelheid eiwit, meervoudig onverzadigde vetzuren en stoffen zoals de aminozuren glutamine en arginine, nucleotiden, zink en antioxidantvitamines zijn hierbij belangrijk. Ook infectiedruk en andere omgevingsfactoren van moeder en neonaat spelen een rol. Maternale stress leidt bijvoorbeeld in nakomelingen tot verminderde cellulaire immuniteit, verminderde antistofproductie en een lagere activiteit van zogenaamde ‘natural-killer’-cellen waardoor de immuuncompetentie vermindert en de vatbaarheid voor ziekten toeneemt (27). Onderzoek door CVI/WLR liet zien dat het dieet van moederhennen een duidelijk effect heeft op de ontwikkeling van het darmepitheel in de kuikennakomelingen (22) en op de gevoeligheid van deze kuikens voor het malabsorptiesyndroom. Ook is aangetoond dat veranderde houderijsystemen invloed hebben op de ontwikkeling van het immuunsysteem bij jonge dieren (9). De neonatale periode is een cruciale fase voor de programmering van het immuunsysteem en de opbouw van de benodigde immuuncompetentie. Deze periode wordt gekenmerkt door een geleidelijke afname van de passieve immunologische bescherming vanuit het moederdier waardoor een kritieke transitieperiode ontstaat van een verlaagde immunologische bescherming. In deze periode gebeurt de vroege kolonisatie van het maagdarmkanaal met microbiota die afkomstig zijn van het moederdier (5) en de omgeving (14, 16). Door de ‘crosstalk’ tussen de microbiota die het darmlumen koloniseren en de zich verder ontwikkelende cellen van het immuunsysteem onder het darmepitheel, wordt in deze periode specificiteit en geheugen opgebouwd voor zowel de aangeboren als de verworven tak van het immuunsysteem. Op jonge leeftijd wordt dus al de basis gelegd voor het functioneren van een immuunsysteem dat op latere leeftijd voldoende bescherming moet bieden tegen infecties en tegelijkertijd moet zorgen voor een goede balans tussen immuunresponsen en immuuntolerantie. Immuuncompetentie van dieren wordt dus voor een belangrijk deel bepaald door de microbiële kolonisatie van de darm gedurende de neonatale fase. Dit is ook het moment waarop nog blijvende invloed kan worden uitgeoefend op de uiteindelijke samenstelling en diversiteit van de microbiota in de volwassen dieren. De vroege microbiële kolonisatie van de darm is niet alleen kritisch voor immuuncompetentie, maar is ook van invloed op de latere efficiëntie van digestie en absorptie.
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
25
Onderzoek bij CVI/WLR en bij anderen (1, 7) laat zien dat een verstoring van de vroege microbiële kolonisatie van de darm een langdurig (negatief) effect heeft op de activiteit en werking van het immuunsysteem waardoor hypo- of juist hyperimmuniteit ontstaat.
Immuunresponsen
praktisch inzicht
De gezondheid van productiedieren is afhankelijk van een immuunsysteem dat snel en effectief veranderingen in de leefomgeving (voeding, infecties, inspanning, (metabole) stress) detecteert en daar alert en effectief op reageert om de verstoringen te neutraliseren. Het is daarbij belangrijk dat het immuunsysteem de juiste afweging maakt om wel of niet te reageren door inductie van immuunresponsen of immuuntolerantie. Een effectieve reactie neutraliseert de verstoring zonder veel afbreuk te doen aan de prestaties van het dier. Dieren met een dergelijke immuuncompetentie vertonen veerkracht en goed adaptief vermogen. Ook gedurende deze periode is de competentie van het immuunsysteem nog te moduleren door factoren die ingrijpen op de interacties tussen microbiota, voeding en darmepitheel. Een bekend voorbeeld van een negatieve beïnvloeding is het gebruik van antibiotica. Deze doden niet alleen pathogene bacteriën maar ook een deel van de commensalen, symbionten en pathobionten. Een antibioticumbehandeling in deze periode kan dus ook leiden tot microbiële dysbiose en daarmee tot een tijdelijke verstoring van het evenwicht tussen immuunresponsen en immuuntolerantie. Niewold postuleert overigens een direct remmend effect van antibiotica op immuunreacties (15). Een ander voorbeeld, maar dan in de positieve zin, is het gebruik van diervoederadditieven zoals pre- en probiotica, enzymen, organische zuren, etherische oliën, en bepaalde plantenextracten. Sommige van deze producten hebben een direct effect op de verteerbaarheid van nutrienten in het voer, andere producten beïnvloeden de samenstelling en diversiteit van de microbiota en het daarmee samenhangende immunologisch evenwicht. Daarnaast worden steeds meer componenten beschreven met directe modulerende activiteit op het mucosale immuunsysteem.
Conclusies Er zijn voldoende aanwijzingen in de literatuur dat de programmering van het immuunsysteem belangrijk is voor een goede afweer. Een juiste programmering van het immuunsysteem stelt dieren in staat adequaat te reageren op verstoringen van buitenaf. Aan de competenties van het immuunsysteem wordt vorm gegeven door interacties tussen darmepitheel, darmmicrobi-
26
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
ota en componenten in diervoeders. Modulatie van immuuncompetentie vereist een gedegen kennis over de wijze waarop voeding, microbiota en darmepitheel elkaar beïnvloeden. Door het samenbrengen van de hiervoor benodigde expertisevelden en onderzoekstechnieken kunnen CVI/WLR/WU hieraan een significante bijdrage te leveren. De verkregen kennis, hoewel meestal verzameld door analyse van de immuuncompetentie van individuele dieren, zal direct kunnen worden getoetst aan de praktijksituatie met koppels van dieren. Het onderzoek is voor een deel gericht op de modulatie van het immuunsysteem door in te grijpen op receptorherkenning van immuunmodulerende voedercomponenten, op de intracellulaire signaaltransductie, op cytokinen- en antistofproductie en op de uitrijping van specifieke T-celpopulaties. Het is evident dat een belangrijke modulatieroute zal lopen via beïnvloeding van de microbiota (zie figuur 1). In de publiek private samenwerking ‘Feed4Foodure - Voeding, Darmgezondheid en Immuniteit’ (www.wageningenur.nl/ nl/Onderzoek-Resultaten/Projecten/Feed4Foodure. htm) verrichten CVI/WLR/WU samen met de Nederlandse diervoedingsindustrie en enkele andere private partners onderzoek op dit terrein. Dit onderzoek richt zich met name op het ontwikkelen van voedingsinterventies die de immuuncompetentie van dieren bevorderen, zodat op termijn minder antibiotica gebruikt hoeven worden. Zoals in dit artikel beschreven, speelt de samenstelling en diversiteit van microbiota in de darm een belangrijke rol bij de opbouw en het in stand houden van de juiste immuuncompetentie. Deze samenstelling en diversiteit en het daarmee samenhangende immunologisch evenwicht kan worden verstoord door het gebruik van antibiotica die primair voorgeschreven worden ter bestrijding van pathogene micro-organismen. Dierenartsen zouden bij het voorschrijven van antibiotica hiermee meer rekening kunnen houden, zeker bij het voorschrijven van antibiotica gedurende de maternale en neonatale fase, omdat hierbij de vroege microbiële kolonisatie van de darm en de daarbij behorende programmering van het immuunsysteem verstoord worden. Door oog te hebben voor deze potentiële neveneffecten van het gebruik van antibiotica, kunnen dierenartsen bijdragen aan een nog beter gezondheidsmanagement van landbouwhuisdieren.
Kijk voor de literatuurlijst horende bij dit artikel op de TvD-website.
