Влияние увеличения углеводов или азотистых соединений в слепой кишке на микробиоту и метаболизм свиней

В желудочно-кишечном тракте, особенно в толстом кишечнике, обитает огромное разнообразие бактерий, которые играют ключевую роль в поддержании здоровья и продуктивности животных. Микробиота кишечника активно взаимодействует с организмом хозяина через сложные метаболические пути. Современные исследования выявляют все более тесную связь между изменениями в составе микробиоты и развитием различных метаболических заболеваний, таких как диабет и ожирение. На состав микробного сообщества влияет множество факторов, среди которых ключевыми являются прием антибиотиков и, что особенно важно, характер питания.

Два основных компонента рациона — белки и углеводы — служат главными питательными субстратами для кишечной микрофлоры. Метаболизм этих веществ микроорганизмами кардинально различается. Расщепление углеводов приводит к образованию короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), таких как ацетат, пропионат и бутират, которые являются не только важным источником энергии для организма хозяина (обеспечивая до 25% энергетических потребностей свиней), но и выполняют функции сигнальных молекул, участвуя в регуляции глюконеогенеза и липогенеза. Напротив, ферментация белков микроорганизмами сопровождается образованием потенциально вредных побочных продуктов, включая амины и аммиак, и часто приводит к снижению выработки КЦЖК.

Большинство существующих исследований сосредоточено на изучении влияния рационов с высоким содержанием углеводов (например, клетчатки или резистентного крахмала) или белка на микробиоту. Однако в таких работах изменение доступности субстратов в толстой кишке достигается опосредованно, через коррекцию питания. Прямое же влияние локального повышения концентрации углеводов или азотистых соединений в задней кишке на кишечную микробиоту и системный метаболизм хозяина остается малоизученным. Настоящая работа впервые объединяет анализ микробиома толстой кишки и метаболомики сыворотки крови для исследования этих процессов. Основная гипотеза заключалась в том, что увеличение содержания углеводов или азотсодержащих соединений в задней кишке приведет к разнонаправленным изменениям состава микрофлоры, что, в свою очередь, по-разному повлияет на метаболические процессы в организме свиней.

Дизайн эксперимента

Для проверки этой гипотезы был проведен эксперимент на 24 самцах поросят. Животным хирургическим путем установили Т-образные канюли в слепую кишку, что позволило напрямую вводить исследуемые вещества, минуя процессы пищеварения в верхних отделах ЖКТ. После периода восстановления поросят разделили на три группы. В течение 19 дней им трижды в день вводили либо физиологический раствор (контрольная группа), либо раствор кукурузного крахмала (50 г/сут) для моделирования избытка углеводов, либо раствор гидролизата казеина (50 г/сут) для моделирования избытка азотистых соединений. Базовый рацион всех животных был идентичен. По окончании эксперимента были проанализированы показатели роста, состав микробиоты содержимого толстой кишки, профили короткоцепочечных жирных кислот, биохимические показатели сыворотки крови и печени, а также проведен метаболомный анализ сыворотки с использованием газовой хроматографии с масс-спектрометрией.

Влияние на продуктивность и переваримость питательных веществ

На протяжении всего эксперимента все животные чувствовали себя хорошо, клинических признаков заболеваний не наблюдалось. Введение крахмала привело к значительному увеличению среднесуточного потребления корма и среднесуточного прироста массы тела по сравнению с контрольной группой, что свидетельствует об улучшении продуктивных показателей. В группе, получавшей казеин, достоверных изменений в приростах зафиксировано не было.

Интересно, что инфузия казеинового гидролизата привела к снижению коэффициента переваримости сырого протеина в желудочно-кишечном тракте. В то же время, переваримость других основных питательных веществ (жиров, клетчатки) существенно не изменилась. Относительная масса внутренних органов (печени, почек, селезенки, сердца, поджелудочной железы) не различалась между группами, что указывает на отсутствие грубых патоморфологических изменений.

Разнонаправленные изменения микробиоты толстой кишки

Анализ микробиома показал, что введение крахмала и казеина оказывает противоположное влияние на структуру бактериального сообщества. На уровне типов доминирующими группами во всех образцах были Firmicutes и Bacteroidetes. Инфузия крахмала привела к значительному увеличению доли Actinobacteria, в то время как инфузия казеина увеличила относительную численность Firmicutes.

На уровне родов и отдельных операционных таксономических единиц (OTU) различия стали еще более выраженными. В группе крахмала наблюдался рост популяций бактерий, специализирующихся на утилизации углеводов, таких как Bifidobacterium, Megasphaera, Olsenella, Succinivibrio, Syntrophococcus и представители семейства *Bacteroidales S24-7*. Эти микроорганизмы известны своей способностью эффективно расщеплять крахмал и продуцировать КЦЖК.

Напротив, инфузия казеинового гидролизата способствовала увеличению численности бактерий, ассоциированных с протеолизом, в частности Streptococcus, Desulfovibrio, Mogibacterium, Dorea и Blautia. При этом в обеих экспериментальных группах по сравнению с контролем снижалась численность некоторых представителей семейств Ruminococcaceae и Lachnospiraceae. Анализ избыточности (RDA) подтвердил, что структура микробиоты в трех группах статистически значимо различается, что доказывает ключевую роль доступных питательных субстратов в формировании микробного сообщества толстой кишки.

Изменение микробного метаболизма и продукции КЦЖК

Изменения в составе микробиоты закономерно отразились на метаболической активности. В группе крахмала концентрация ацетата, пропионата, бутирата и общее содержание КЦЖК в содержимом толстой кишки были значительно выше, чем в контроле. В то же время в группе казеина наблюдалось снижение уровней ацетата, бутирата и общих КЦЖК. Уровень аммиака, как маркера протеолиза, ожидаемо повысился в обеих экспериментальных группах по сравнению с контролем, что отражает усиленную ферментацию как углеводов, так и белков.

Корреляционный анализ показал сильную положительную связь между содержанием ацетата, пропионата, бутирата и общих КЦЖК с соотношением углерода к азоту (C/N) в кишечном содержимом. Это подтверждает, что именно доступность субстратов определяет интенсивность ферментации.

Интересно, что, несмотря на значительные изменения КЦЖК в просвете кишки, их концентрация в сыворотке крови оставалась стабильной. Однако в печени, которая является главным метаболическим центром и эффективно захватывает КЦЖК из портального кровотока, изменения были выражены четко. В группе крахмала наблюдалось повышение уровней ацетата, пропионата и бутирата в печени, тогда как в группе казеина эти показатели были снижены. Это указывает на то, что печень опосредует влияние микробных метаболитов на системный метаболизм, формируя ось «кишечник-печень».

Метаболические реакции организма хозяина

Метаболомный анализ сыворотки крови выявил, что обогащение задней кишки углеводами или азотистыми соединениями приводит к глубокой и разнонаправленной перестройке метаболизма хозяина. Методы многомерной статистики (OPLS-DA) позволили четко разделить метаболические профили всех трех групп.

Влияние на энергетический обмен. Инфузия крахмала значительно усилила энергетический метаболизм. В сыворотке крови повысился уровень промежуточных метаболитов цикла трикарбоновых кислот (ТЦК), включая пировиноградную, янтарную, щавелевоуксусную, L-яблочную и фумаровую кислоты. В печени были повышены уровни АТФ и восстановленного НАДН (НАДН), а также увеличился энергетический заряд клетки (соотношение АТФ/АМФ). Эти изменения тесно коррелировали с увеличением численности бактерий, продуцирующих КЦЖК (Bacteroidales S24-7, Bifidobacterium, Megasphaera, Syntrophococcus), которые служат дополнительным источником энергетических субстратов для хозяина.

В противоположность этому, инфузия казеина привела к снижению уровня АТФ и энергетического заряда в печени, что свидетельствует об энергетическом дефиците. Организм пытался компенсировать этот дефицит за счет активации альтернативных путей, о чем свидетельствует повышение уровня 3-гидроксимасляной кислоты (кетонового тела) в сыворотке.

Влияние на метаболизм глюкозы. В группе крахмала наблюдалась активация глюконеогенеза — процесса синтеза глюкозы из неуглеводных предшественников. Это подтверждалось повышенной экспрессией ключевого фермента глюконеогенеза — фосфоенолпируваткарбоксикиназы 1 (PCK1) — в печени. Стимулом для этого, вероятно, служил пропионат, уровень которого в печени был повышен. Пропионат является известным субстратом для глюконеогенеза.

Инфузия казеина, напротив, привела к активации гликолиза — расщепления глюкозы. В сыворотке крови были повышены уровни глюкозо-6-фосфата, фруктозо-6-фосфата и пирувата, а также снижен уровень самой глюкозы. В печени повысилась активность гексокиназы и пируваткиназы — ключевых ферментов гликолитического пути. Такая перестройка метаболизма, вероятно, является компенсаторной реакцией на дефицит энергетических субстратов, поступающих из кишечника.

Влияние на липидный обмен. В группе крахмала были созданы условия для усиления липогенеза (синтеза жирных кислот). В печени повысились уровни триглицеридов, а также наблюдалась повышенная экспрессия генов, отвечающих за синтез жирных кислот: синтазы жирных кислот (FAS), ацетил-КоА-карбоксилазы (ACC) и стеароил-КоА-десатуразы (SCD). В сыворотке были повышены уровни стеариновой и пальмитиновой кислот. Это указывает на эффективное использование микробных метаболитов (в частности, ацетата и бутирата) для накопления липидов, что согласуется с улучшением продуктивных показателей животных.

В группе казеина наблюдалась противоположная картина — усиление липолиза (распада жиров). В печени была повышена экспрессия генов, связанных с β-окислением жирных кислот: рецептора, активируемого пролифераторами пероксисом-α (PPAR-α), карнитинпальмитоилтрансферазы-1α (CPT-1α) и ацил-КоА-оксидазы-1 (ACOX-1). В сыворотке повысился уровень глицерина и линолевой кислоты. Активация липолиза, вероятно, направлена на восполнение энергетического дефицита, вызванного снижением продукции бутирата в толстой кишке.

Предложенная модель регуляции

На основе полученных данных была сформулирована модель, объясняющая разнонаправленное влияние углеводов и азотистых соединений в задней кишке на метаболизм хозяина.

Повышение уровня углеводов (крахмала) в слепой кишке приводит к селективному увеличению популяции углевод-утилизирующих бактерий (Bifidobacterium, *Bacteroidales S24-7* и др.). Интенсивная ферментация крахмала этими микроорганизмами сопровождается повышенной продукцией КЦЖК (ацетата, пропионата, бутирата). Поступая в печень, КЦЖК служат субстратами для энергетического обмена (усиление цикла ТЦК, повышение АТФ), стимулируют глюконеогенез (через пропионат) и липогенез (через ацетат и бутират). Это приводит к улучшению продуктивности животных.

Напротив, повышение уровня азотистых соединений (казеина) способствует росту протеолитических бактерий (Streptococcus и др.) и снижению относительной численности бактерий, продуцирующих КЦЖК. Снижение уровня КЦЖК в печени создает энергетический дефицит. В ответ на это организм активирует компенсаторные механизмы: усиливается гликолиз для быстрого получения энергии из глюкозы и стимулируется липолиз, включая β-окисление жирных кислот и кетогенез, для обеспечения клеток альтернативными источниками энергии. Эти процессы, однако, не приводят к улучшению продуктивных показателей.

Заключение

Данное исследование впервые продемонстрировало, что прямое увеличение концентрации углеводов или азотистых соединений в задней кишке оказывает прямо противоположное влияние на микробиоту и метаболизм хозяина. Инфузия крахмала стимулирует рост сахаролитических бактерий, усиливает продукцию КЦЖК и, как следствие, активирует энергетический обмен, глюконеогенез и липогенез, способствуя росту животных. Инфузия казеина, напротив, увеличивает долю протеолитических бактерий, снижает продукцию КЦЖК и вызывает компенсаторную активацию гликолиза и липолиза.

Полученные результаты подчеркивают ключевую роль микробиоты задней кишки как регулятора системного метаболизма через ось «кишечник-печень» и демонстрируют, что характер метаболических изменений определяется не столько самим фактом поступления субстрата, сколько его природой. Эти открытия дают новое понимание механизмов метаболической регуляции и могут иметь важное значение для разработки стратегий коррекции рационов в животноводстве, а также для изучения патофизиологии метаболических заболеваний у человека.


Источник: Animal Nutrition