Influenza degli aminoacidi sulle risposte immunologiche e microbiologiche dell’intestino

C. Bortoluzzi e T.J. Applegate - Department of Poultry Science, University of Georgia, USA

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Il microbiota dell’intestino è responsabile della prima linea di difesa negli animali: regola la permeabilità cellulare, l’espressione dei geni nelle cellule globose e la secrezione dei peptidi antimicrobici.

Un microbiota intestinale ben equilibrato apporta beneficio all’ospite, perché produce vitamine, modula l’immunità e inibisce i patogeni. D’altra parte, l’equilibrio microbico può contribuire allo sviluppo delle difese metaboliche e immunitarie, ma compete per i nutrienti con l’ospite. Quindi malattie come la coccidiosi e l’enterite necrotica, oltre a danneggiare le cellule epiteliali, portano alla proliferazione di microbi indesiderabili e ad una competizione nei nutrienti con l’ospite.

L’alimentazione formulata per rigenerare una muscosa intestinale lesa può non solo avere un’importante influenza sulla protezione nei riguardi dei microrganismi patogeni, ma può anche influire sul microbiota, sulla fisiologia digestiva, sul sistema immune e sull’infiammazione. Un aumento degli aminoacidi nella dieta è, da tempo, oggetto di studio per ridurre l’atrofia della mucosa intestinale, per stimolare il sistema locale immunitario e per mantenere l’equilibrio del microbiota.

In questo articolo viene presentato un approfondimento su quello che è il ruolo di arginina (ARG), treonina (THR) e glutammina (GLN) nei confronti dei parametri fisiologici, immunitari e microbiologici dell’intestino del pollo, e i loro effetti benefici su soggetti colpiti da coccidiosi/ enterite necrotica (NE).

Impatto della coccidiosi e dell’enterite necrotica sulla fisiologia dell’intestino del pollo

Due fattori sono i principali responsabili dell’integrità della mucosa intestinale. Il primo è lo strato di enterociti, il quale costituisce una forte barriera. Nell’intestino del pollo, è stato osservato un processo di rinnovamento costante sotto forma di cellule che proliferano, differenziandosi a livello delle cripte della mucosa, e divenendo soprattutto enterociti, che migrano poi verso la parte superiore del villo, dove si perdono per desquamazione. Il secondo meccanismo consiste nello strato del muco prodotto dalle cellule globose che coprono gli enterociti. La glicoproteina tipo mucina è in grado di aggregare diverse specie batteriche e, in alcuni casi, riesce a prevenire l’adesione dei patogeni all’epitelio intestinale. Sia gli enterociti che le cellule globose originano dalle cellule staminali, collocate nella regione della cripta. Inoltre, lo sviluppo di un sistema intestinale innato e di uno che si adatta all’ambiente mostrano una cadenza diversa nel pollo, a livello spazio-temporale.

L’espressione del gene MUC2, un componente del sistema immunitario innato, aumenta rapidamente dal 14esimo giorno di sviluppo embrionale fino a quello della schiusa, a livello di cieco e ileo del pollo. L’espressione di IgA, d’altra parte, mostra uno sviluppo più lento dal 14esimo giorno embrionale fino al quinto giorno di vita, e aumenta invece significativamente fino al 21esimo giorno e al 14esimo giorno in ileo e cieco, rispettivamente.

In situazioni di infezioni, come la coccidiosi e l’enterite necrotica, il meccanismo di sviluppo della risposta immunitaria può variare e i nutrienti, come gli aminoacidi, possono divenire fattori limitanti.

La coccidiosi è una delle principali malattie parassitarie nei polli commerciali. Il parassita invade le cellule epiteliali e stimola la produzione di muco, da parte delle cellule globose, quale risposta per eliminare i coccidi, ma questo diventa un fattore predisponente per il successivo sviluppo di enterite necrotica. Oltre a creare un ambiente anaerobico, fondamentale per lo sviluppo del Clostridium perfringens, una sovrapproduzione di muco fornisce anche il substrato per la proliferazione di questo batterio. Inoltre, le lesioni causate da Eimeria possono aumentare anche la disponibilità di nutrienti, portando ad uno squilibrio batterico. L’infiammazione del digiuno in un pollo colpito da coccidiosi è evidente nel danno dei villi, caratterizzato da un calo del rapporto tra villo e cripta, dalla dilatazione della cripta e dallo svuotamento delle cellule globose, oltre a registrare un aumento dell’espressione dei geni dell’infiammazione (iNOS, IL-1β, IL-8 e MyD88). D’altra parte, la co-infezione della Eimeria con C. perfringens induce un maggiore livello di infiammazione rispetto ai polli infettati con sola Eimeria o Clostridium, il che supporta l’ipotesi che la risposta infiammatoria tesa ad eliminare i coccidi, di fatto, fornisca un vantaggio al Clostridium stesso.

Anche se l’immunopatologia dell’enterite necrotica nel pollo non è ben chiara, diversi studi hanno cercato di spiegare le maggiori modificazioni che avvengono nelle cellule immunitarie a seguito dell’infezione da NE. L’attivazione del sistema immunitario con livelli moderati di infiammazione è fondamentale per la sopravvivenza dei polli a seguito dell’infezione, alla quale segue una riparazione tissutale. In una prova, Kim et al. (2014) hanno mostrato che 1049 geni si esprimevano in modo diverso nei linfonodi epiteliali del pollo, 601 dei quali aumentavano l’attività, mentre gli altri 448 la diminuivano. Da questi geni alterati, tutte e 5 le principali funzioni fisiologiche identificate erano correlate alla risposta immunitaria.

Questi studi generano un notevole quota di dati che devono però essere interpretati correttamente. Tuttavia, una volta che sappiamo quali geni sono attivati, si possono sviluppare diverse strategie nutrizionali per modulare il sistema immunitario, diminuendo la gravità dell’infezione e consentendo una maggiore quota di sopravvivenza nei gruppi avicoli.

Aminoacidi e salute intestinale

La funzione più citata del tratto gastrointestinale è correlata alla digestione e all’assorbimento dei nutrienti. I nutrizionisti devono tuttavia comprendere che il sistema immune intestinale ha strette correlazioni con la comunità microbica che ci vive, come se fosse un organo separato, che ha quindi specifiche richieste ed esigenze nutrizionali. Il profilo delle materie prime usate nella formulazione alimentare del pollo è basato sulla produttività e sull’economia, con parametri quali: peso, consumo di mangime, conversione e resa della carcassa, ma non considera mai l’immunità o la resistenza alle malattie. Negli ultimi anni, un numero crescente di pubblicazioni ha dimostrato gli effetti di una maggiore concentrazione di aminoacidi sullo sviluppo e immunità del tratto gastrointestinale nel pollo: essi sono importanti sia in condizioni normali che in caso di infezione.

La migliore efficienza alimentare, senza riflessi negativi sulla digeribilità, sia su polli infettati che non, e alimentati con alte concentrazioni di aminoacidi può essere dovuta ad un migliore sviluppo della mucosa intestinale e alla disponibilità di aminoacidi correlati all’assorbimento e all’utilizzazione dei nutrienti. Polli alimentati con alte dosi di aminoacidi (ARG, THR e GLN), e infettati con coccidiosi ed E. coli hanno manifestato un maggior numero di cellule PCNA positive per villo, nel digiuno, una settimana dopo l’infezione. Invece, a 2 e 3 settimane, questi numeri sono diminuiti, mostrando che gli aminoacidi sono benefici nello stimolare la proliferazione di nuove cellule, subito dopo l’infezione.

Gli aminoacidi sono responsabili anche dell’induzione di importanti enzimi per il processo mitotico, come la ornitina decarbossilasi, coinvolti nella sintesi di poliammine. Inoltre, gli aminoacidi sono in grado di regolare l’espressione di geni in qualsiasi altro processo.

Treonina

È un aminoacido essenziale per i polli (gli avicoli non riescono a sintetizzare ex-novo la treonina) e il terzo aminoacido limitante nella dieta a base di mais e soia, dopo metionina e lisina. La treonina partecipa al processo di sintesi proteica, e il suo catabolismo genera diversi prodotti importanti per il metabolismo, come la glicina, l’acetil-CoA e il piruvato. I polli hanno un’elevata richiesta di THR per il proprio mantenimento rispetto ad altri aminoacidi, poiché il suo ricambio è elevato e, infatti, la si trova in abbondanza nelle secrezioni intestinali. La treonina è il componente principale della mucina e l’intestino animale ne usa circa il 60% della quantità presente nella dieta. La mucina non viene digerita secondo i meccanismi normali del tratto gastrointestinale, ma viene fermentata dai microrganismi, o secreta insieme agli escreta, il che la rende indisponibile per l’animale. Quindi, fattori che inducono una maggiore secrezione di mucina ne aumentano la richiesta nella dieta, e ne riducono la disponibilità per la crescita, compromettendo anche l’integrità della barriera intestinale.

In aggiunta alla produzione di mucina, la treonina è anche un componente delle immunoglobuline (Ig), specialmente le IgA secrete dalla mucosa intestinale e che contribuiscono a più di due terzi di tutte le immunoglobuline corporee, ed è essenziale per il mantenimento dell’omeostasi intestinale.

Un microbiota ben consolidato è in grado di interagire con il sistema immune degli animali e rinforzare le difese innate. La composizione dei nutrienti e il loro flusso influenza quello del microbioma e la sua funzione nei riguardi dell’ospite. Oltre a comprendere l’interazione tra membri del microbioma intestinale, i produttori avicoli stanno provando diversi interventi nutrizionali per aumentare la crescita del pollo, e ridurre al contempo il rischio di enterite necrotica. In questo ambito, la manipolazione degli aminoacidi potrebbe essere un’opzione. Come dimostrato recentemente, una maggiore concentrazione nel mangime di treonina migliora le performance produttive in soggetti colpiti da enterite necrotica, ma non il danno intestinale. Da ciò è possibile desumere che siano altri i meccanismi coinvolti in questo processo.

Arginina

Come richiesta alimentare, l’arginina (ARG) nel pollo è variabile e dipende dal tasso di crescita del ceppo, oltre che dal ciclo non funzionale dell’urea nei volatili.

La genetica nei volatili non codifica l’enzima carbamil fosfato sintetasi, il quale catalizza il primo passaggio di detossificazione dell’ammoniaca e porta alla produzione di arginina. Visto che il ciclo biochimico del pollo non è funzionale, la sua alimentazione dipende dall’aggiunta di questo aminoacido nel mangime.

In aggiunta alla sua funzione di costituente delle proteine, l’arginina è correlata alla sintesi di creatina e poliammine, come substrato di ossido nitrico (NO) e la secrezione di fattori di crescita simili all’insulina. Le poliammine sono importanti per lo sviluppo dell’intestino nei neonati, il che può spiegare l’effetto positivo sulle performance e sulla morfologia del piccolo intestino nei polli di una settimana. Le poliammine sono capaci di stimolare proliferazione, migrazione e apoptosi delle cellule intestinali. Quindi l’arginina, come precursore delle poliammine, può essere considerata una sostanza che incrementa l’attività mitotica nella regione della cripta e del villo e, di conseguenza, può aumentare il numero di cellule e la loro dimensione a livello del villo. Gli effetti dell’arginina sul sistema immune del pollo devono essere ancora studiati, sia in condizioni normali che in soggetti immunostimolati.

Glutammina

La glutammina (GLN) è stata usata per la sua importante funzione quale fonte energetica nel processo di rigenerazione mucosale dopo una lesione. Essa è dunque considerata una fonte importante di energia per gli enterociti, poiché è un componente metabolico essenziale per la proliferazione di queste cellule. La glutammina può ridurre l’atrofia intestinale e, oltre a ciò, partecipa nella formazione di glutatione, un sistema di difesa importante verso i radicali liberi. Infine, la glutammina può essere considerata come un aminoacido essenziale in condizioni infiammatorie, o durante le infezioni o in chirurgia. La GLN sintetica nel mangime degli animali è stata molto studiata per i suoi effetti sulla struttura e sulla funzione intestinale. È stato osservato che l’aggiunta di glutammina alla dieta dei polli da carne, sebbene abbia determinato un incremento nel peso dei soggetti, un aumento nell’altezza dei villi nel duodeno e digiuno, e anche una maggiore produzione di anticorpi (IgA), non è stata però sufficiente ad abbassare la presenza di salmonella. Tuttavia, i polli vaccinati per coccidiosi hanno mostrato miglior tasso di conversione, cripte più profonde e villi più grandi nell’ileo, quando venivano alimentati con l’aggiunta di glutammina.

Nonostante questi risultati mostrino gli effetti benefici della glutammina sull’intestino, manca ancora una chiara evidenza dei suoi effetti sul sistema immunitario intestinale e sull’equilibrio del microbiota, anche a livello molecolare.

La Bibliografia è disponibile su richiesta

Dagli Atti dell’Australian Poultry Science Symposium