Рисунок 1. Схематическое изображение взаимосвязи между воспалением, окислительным стрессом и лейкоцитами. ROS = активные формы кислорода; ECM = внеклеточный матрикс; RNS: активные формы азота.
Супероксид, вырабатываемый нейтрофилами, может негативно влиять на передачу сигналов Т-клетками, активацию, пролиферацию и, возможно, жизнеспособность. Гидропероксид водорода (H2O2) может по-разному воздействовать на различные подгруппы Т-клеток: Т-клетки памяти менее восприимчивы, а эффекторные Т-клетки наиболее восприимчивы к атаке H2O2. Интересно, что подавляющая способность Treg устойчива к микромолярным уровням H2O2 [16].
Внеклеточный окислительно-восстановительный потенциал может влиять на внутриклеточные антиоксидантные системы, которые в основном представлены внутриклеточными тиолами (восстановленный глутатион/окисленный глутатион, GSH/GSSSG, цистеин/цистин и тиоредоксины), и гарантирует немедленную защиту от образования внутриклеточных АФК/RNS, следовательно, влияя на внутриклеточный окислительно-восстановительный баланс [14]. Примером таких помех между внеклеточным и внутриклеточным окислительно-восстановительным потенциалом являются перекрестные помехи между DC и T-клетками, описанные в [19]. Вкратце, цистеин необходим для активации Т-клеток и последующей пролиферации; однако Т-клетки зависят от DC в обеспечении цистеином. DC-зависимое высвобождение цистеина имеет другие последствия, включая изменение окислительно-восстановительных процессов во внеклеточной среде. Внеклеточная окислительно-восстановительная среда влияет на равновесие между окисленными и восстановленными тиолами на внеклеточной поверхности мембранных белков. Многие из этих белков богаты цистеином, и вариации внеклеточного окислительно-восстановительного статуса могут вызывать функциональные изменения в редокс-чувствительных белках, которые могут быть важны для коммуникации между DC и Т-клетками. Интересно, что эти авторы [19] продемонстрировали, что Treg вмешиваются в этот процесс.
До сих пор эти аспекты не были глубоко исследованы у домашних животных и должны заслуживать большего внимания. Однако стоит отметить, что различия в биологии нейтрофилов у разных видов животных, вероятно, существуют, и к обобщениям о функциях нейтрофилов следует относиться с осторожностью. Например, нейтрофилы крупного рогатого скота имеют сходство с нейтрофилами других видов, но они также демонстрируют функциональные различия [20]. Следовательно, регуляторные механизмы, связывающие воспаление и окислительный стресс, должны быть исследованы у разных видов. Перинатальная молочная корова является одной из наиболее изученных моделей связи между повышенной восприимчивостью к болезням и окислительным стрессом. Частота метаболических и производственных заболеваний, таких как молочная лихорадка, мастит, жировая болезнь печени, кетоз, метрит и гипомагниемия, выше в течение первых недель лактации. Кроме того, хотя имеющиеся данные указывают на то, что молочная корова страдает от неоптимального иммунного ответа, знания о динамике и патофизиологии иммуносупрессии, возникающей в этот период, далеки от полного понимания [21,22]. Одной из потенциальных причин снижения функций иммунных клеток во время родов может быть нехватка энергии и питательных веществ, поскольку они в основном направляются на поддержание беременности и начало лактации [21,23].
Недостаточный уровень некоторых витаминов и микроэлементов, таких как витамины А, Е и D, а также селен (Se), может негативно сказаться на иммунной системе коровы [24,25]. Несбалансированный уровень антиоксидантов может повлиять на взаимодействие между иммунными и неиммунными клетками. Эндотелиальные клетки (ЭК) играют важную роль в миграции и активации нейтрофилов, и увеличение адгезии нейтрофилов потенциально может повлиять на исход воспаления. Интересно, что когда нейтрофилы перемещаются по тканям, чтобы достичь места инфекции, NOX ингибируется механизмом, опосредованным адгезией, зависящим от различных белков внеклеточного матрикса, который задерживает образование АФК [12]. Используя модель дефицита Se in vitro в первичной ЭК молочной артерии крупного рогатого скота, Мэддокс и коллеги [26] наблюдали, что ЭК с дефицитом Se демонстрировала значительно повышенную адгезию нейтрофилов при стимуляции фактором некроза опухоли α (TNFα), IL-1 или H2O2. Экспрессия молекулы межклеточной адгезии 1 (ICAM-1) и E-селектина была повышена в EC с дефицитом Se, стимулированном TNFα, в то время как экспрессия P-селектина была выше в EC с добавлением Se, стимулированном TNFα.
У крупного рогатого скота клинические и субклинические инфекции матки являются основными причинами бесплодия. Как иммунные клетки, так и клетки эндометрия обладают рецепторами PAMP и DAMP. Как только эти рецепторы активируются PAMP или DAMP, клетки продуцируют IL, главным образом IL-1, IL-1, IL-6 и IL-8, а также простагландин E2. В свою очередь, эти химические сигналы привлекают нейтрофилы и макрофаги к месту инфекции или повреждения тканей, и интенсивность воспалительной реакции должна соответствовать тяжести инсульта [27]. Была выдвинута гипотеза, что возможной причиной поздней эмбриональной смертности у коров являются субклинические инфекции матки, которые также ответственны за нарушение функции нейтрофилов в периферическом кровообращении, приводящее к системному ОВ. Это может объяснить увеличение содержания в плазме продвинутого окисленного белкового продукта (AOPP), биомаркера активности MPO, наблюдаемое у молочных коров, пострадавших от поздних эмбриональных потерь [28,29].
Воспаление молочных желез и адаптивный иммунный ответ были широко изучены у молочных животных. Молочная железа может вырабатывать патоген-специфический иммунный ответ, поскольку внутримаммарные инфекции, вызываемые золотистым стафилококком, в основном вызывают субклинический мастит, часто приводящий к хроническому заболеванию, в то время как кишечная палочка часто вызывает тяжелый острый клинический мастит [30]. Типичные бактерии, участвующие в инфекциях молочной железы, по-разному активируют местную иммунную систему, что может повлиять на тяжесть исхода. инфекции кишечной палочки вызывают быстрое и массовое увеличение количества соматических клеток, в то время как инфекции S. aureus приводят к более постепенному увеличению в течение нескольких дней. Независимо от вовлеченных патогенов, воспалительная реакция может привести к локальному увеличению OS: предварительное исследование выявило статистически значимую корреляцию между AOPP и процентом нейтрофилов в молоке [31].
Местные воспалительные состояния, в которых ОС может играть важную роль, также были исследованы у домашних животных. Воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) характеризуется стойкой или рецидивирующей активацией иммунной системы слизистой оболочки, сопровождающейся инфильтрацией воспалительных клеток в слизистую оболочку кишечника [32,33]. Это наиболее распространенная причина хронических кишечных заболеваний у собак, которая приводит к разнообразным и часто изнурительным клиническим признакам [34,35]. Средние концентрации проанализированных антиоксидантных биомаркеров, за исключением способности плазмы восстанавливать железо, были значительно ниже, а маркеры окисления были значительно выше в сыворотках крови собак с ВЗК, чем у здоровых собак, даже если источник системных АФК не был идентифицирован [36].
1.2. Воспаление и системный окислительный стресс
Как описано в первом разделе этого обзора, воспаление - это очень сложная реакция на клеточные повреждения, и ее следует устранять, как только угроза устранена, чтобы избежать сопутствующего ущерба. Окислительный стресс связан с несколькими воспалительными и патологическими состояниями, которые были объектом многочисленных обзоров [24,37,38,39,40,41,42,43,44]. Недавно был предложен термин “оксивоспаление” для описания порочного круга, связывающего хронический и системный окислительный стресс с умеренным хроническим воспалением, которое может привести к потере реактивности для выработки адаптивного ответа и предрасполагать к заболеваниям [11]. У домашних животных висцеральный лейшманиоз собак (CVL) является примером системного воздействия OS, которое влияет на клеточный иммунитет инфицированных собак, нарушая лимфопролиферацию и микробиоцидные механизмы. Гемоксигеназа-1 (HO-1) и ее метаболиты, уровни OS и IL-10 могут быть связаны с этим нарушением. HO-1 отвечает за расщепление гема гемоглобина на железо, монооксид углерода и биливердин, который быстро превращается в билирубин [45]. Соединения, полученные в результате деградации гема, и IL-10 были повышены в плазме и селезенке инфицированных собак. Уровни IL-10 и HO-1 были положительно коррелированы. Ингибирование HO-1 увеличивало пролиферацию клеток лимфатических узлов и снижало продукцию IL-10 и IL-2 в присутствии растворимого антигена Leishmania infantum. Повышенный метаболизм HO-1, наблюдаемый при CVL, вероятно, связан с OS и повышением уровня IL-10, что может быть одним из механизмов, ответственных за ингибирование лимфопролиферативного ответа у пораженных собак [46].
Уровни маркеров ОС, малонового диальдегида плазмы (MDA), общей антиоксидантной способности, глутатионпероксидазы цельной крови (GPx) и супероксиддисмутазы эритроцитов (СОД) также были исследованы при атопическом дерматите собак. Капун и его коллеги обнаружили значительно более высокие уровни MDA в плазме крови у пациентов, чем у здоровых собак, и высокую положительную корреляцию между показателем распространенности и тяжести собачьего атопического дерматита (CADESI) и MDA, что указывает на связь между тяжестью собачьего атопического дерматита и степенью окислительного повреждения мембранных липидов [47].
1.3. Жировая ткань и окислительный стресс
Избыточное накопление жировой ткани часто связано с низкой степенью тяжести и местным хроническим воспалением, обусловленным активацией врожденной иммунной системы. Активация врожденной иммунной системы индуцирует провоспалительный статус и ОС [44], что способствует развитию большинства хронических заболеваний, связанных с ожирением [48]. Жировая ткань состоит в основном из адипоцитов, но содержит также другие типы клеток, такие как фибробласты, фибробластические преадипоциты, ЭК, иммунные клетки и сосудистые клетки в так называемой стромально-сосудистой фракции. Эти клетки способны продуцировать гормоны и цитокины, называемые адипокинами или адипоцитокиназами, которые оказывают эндокринное, паракринное и аутокринное действие. Адипокины ответственны за выработку АФК. АФК активируют иммунные клетки, которые продуцируют свободные радикалы (FR), усиливая воспалительный статус [44] и индуцируя более высокую концентрацию AOPP [49], биомаркера MPO и активности нейтрофилов [38].
Наиболее важными провоспалительными цитокинами, продуцируемыми жировой тканью, являются TNFα, IL-1β и IL-6 [50]. TNFα способствует системному острофазовому ответу посредством высвобождения IL-6, образования супероксидных анионов и снижения синтеза противовоспалительных цитокинов [51], в то время как IL-1β выполняет свою провоспалительную функцию, индуцируя выработку других провоспалительных цитокинов, таких как IL-6 [52]. IL-6 обладает широким спектром активности, включая синтез других провоспалительных цитокинов, переход от острых к хроническим воспалительным заболеваниям [53] и снижение активности липопротеинлипазы [54]. Провоспалительные цитокины, продуцируемые жировой тканью, стимулируют моноциты и макрофаги к выработке АФК и NOS [50]. Повышенное количество АФК усиливает высвобождение провоспалительных цитокинов [55]. У людей с ожирением и в моделях ожирения на животных большое количество макрофагов инфильтрирует жировую ткань. Этот набор связан с системным воспалением, которое, в свою очередь, увеличивает ОС во фракции адипоцитов, дисфункцию митохондрий и стресс эндоплазматического ретикулума, приводящий к резистентности к инсулину [56]. Более того, межклеточная коммуникация между различными типами клеток жировой ткани включает в себя контррегуляцию между адипонектином и TNFα, а также между секретируемым связанным с frizzled белком 5 (SFRP5) и WNT5a. В условиях ожирения доминируют провоспалительные факторы (TNFα и WNT5a), производные клеток макрофагов, ингибирующие адипонектин и SFRP5 [57].
Кроме того, ОС у пациентов с ожирением усугубляется нарушением антиоксидантных механизмов, таких как СОД, GPx, каталаза (CAT), витамины А, Е, С и β-каротин [58]. Свободные жирные кислоты (СЖК) также играют важную роль в патогенезе заболеваний, связанных с ожирением. У пациентов с ожирением патологически повышена концентрация СЖК, что ухудшает метаболизм глюкозы. Измененный метаболизм глюкозы индуцирует инсулинорезистентность [59], способствует накоплению жира и глюкозы в печени [60] и мышцах [61] и способствует окислению митохондрий и пероксисом [44]. Поврежденные митохондрии не могут должным образом окислять жир, поэтому происходит увеличение синтеза триглицеридов, отложение внематочного жира [62,63], а также синтеза FR и OS с последующим увеличением повреждений митохондриальной ДНК, истощением АТФ [64] и липотоксичностью [65]. В результате повреждения клеток увеличивается выработка провоспалительных цитокинов, которые вызывают выработку АФК в тканях и усиливают перекисное окисление липидов [66].
Кроме того, у домашних животных ожирение является распространенным системным заболеванием с растущей частотой встречаемости: по данным некоторых авторов, в развитых странах 40% собак и 20% кошек имеют избыточную массу тела [67]. Как следствие, возможны заболевания, связанные с секреторной активностью жировой ткани, и последующее хроническое воспаление, даже несмотря на то, что в научной литературе нет специальных исследований в области ветеринарии.
1.4. Воспалительные процессы
Явления, связанные со старением, сохраняются среди видов животных, и в контексте увеличения продолжительности жизни человеческой популяции понимание ключевых особенностей процесса старения имеет первостепенное значение для разработки мероприятий, гарантирующих улучшение качества жизни и здоровья стареющих субъектов. Это может быть справедливо для нескольких видов животных, в частности для домашних животных, продолжительность жизни которых увеличивается, и они представляют собой растущую популяцию пожилых животных, нуждающихся в ветеринарной помощи. Примечательно, что эти животные также могут представлять собой модели для изучения явлений, связанных со старением [68]. В частности, собака рассматривается в качестве выборной модели для изучения старения и ослабления иммунитета, поскольку этот вид эволюционировал совместно с человеком и подвергался тем же экологическим вызовам. Кроме того, он характеризуется широким спектром фенотипических различий [69].
Старение связано с изменениями в иммунной системе и с ОС [70], явлением, называемым иммуносенесценцией [70]. У человека иммуносенесценция характеризуется изменениями в количестве, распределении и/или функциях всех субпопуляций лейкоцитов, а также измененной продукцией цитокинов [71,72]. Общее количество моноцитов и естественных клеток-киллеров увеличивается с возрастом [73,74], в то время как общее количество нейтрофилов и эозинофилов не отличается у молодых и пожилых людей [75,76]. Изменения, наблюдаемые в иммунной системе пожилых собак, кошек и лошадей, практически идентичны тем, которые наблюдаются у людей [68]. Действительно, у пожилых собак наблюдаются признаки иммуносенесценции, аналогичные тем, о которых сообщалось у других видов [77]. У здоровых собак породы бигль количество CD4+ CD45+ и CD8+ CD45RA+ лимфоцитов значительно снижается с возрастом [78]. Более того, у пожилых собак наблюдается большее соотношение нейтрофилов к лимфоцитам и меньшее количество CD21+ В-клеток [79].
Было продемонстрировано, что микробиоцидные и хемотаксические способности нейтрофилов, выработка супероксида эозинофилами, фагоцитарная функция и миграционная способность DC, а также цитотоксичность и выработка цитокинов и хемокинов в естественных клетках-киллерах снижаются у пожилых людей [74,75,76,80]. Более того, было продемонстрировано, что функции моноцитов и макрофагов снижены у пожилых мышей [81,82].
Выработка провоспалительных цитокинов, таких как IL-6, TNFα, IFN-α и IL-1β, выше у пожилых людей по сравнению с молодыми [80,83,84]. Все эти изменения делают пожилых людей менее чувствительными к новым антигенам [85]. Повышенное высвобождение провоспалительных цитокинов индуцирует хронический воспалительный статус низкой степени тяжести, увеличение образования свободных радикалов и, как следствие, ОС [86,87]. В периферических мононуклеарных клетках собаки экспрессия IL-2, IL-2R и IL-2 снижается с возрастом, и это может повлиять на количество наивных Т-клеток [78]. Более того, у пожилых собак CD4+ и CD8+ Т-лимфоциты продуцируют больше цитокинов и проявляют меньшую пролиферативную способность [77].
В старых иммунных клетках выработка MnSOD, CAT, GPx снижена [88,89]. OS индуцирует накопление окисленных молекулярных агрегатов, которые повреждают белки, липиды и углеводы и провоцируют клеточный апоптоз [90]. OS в стареющих клетках нарушает функциональность субклеточных органелл, компартментов и мембран [91]. Изменение клеточной структуры является важным фактором в патогенезе аутоиммунитета [90].
Изучение взаимосвязи между иммуносенесценцией и ОС у собак может оказаться сложной задачей. Виды собак демонстрируют замечательный спектр фенотипических различий [68], а продолжительность жизни может сильно отличаться у разных пород собак [92]. Следовательно, исследования, проведенные в группах собак, принадлежащих к одной породе, таких как экспериментальный бигль, могут показать различия в биомаркерах ОС [93]. И наоборот, исследования, проведенные в популяциях разнородных домашних собак, могут не выявить различий в биомаркерах OS между взрослыми и пожилыми собаками [79,94]. Более того, образ жизни испытуемых, в частности различные привычки в питании, могут оказывать существенное влияние на степень ОС [79].
Большинство исследований, посвященных ОС у стареющих собак, связано с когнитивными дисфункциями [79,95]. Действительно, у пожилой собаки наблюдается ряд поведенческих проблем, связанных с предполагаемыми когнитивными дисфункциями, и накопление окисленных макромолекул в мозге собак является одной из причин снижения когнитивных способностей [95]. Биомаркеры ОС, измеряемые в периферической крови, возможно, не способны обнаружить это зависящее от возраста увеличение ОС в центральной нервной системе [79]. Недавно у пациентов с болезнью Альцгеймера легкой степени тяжести наблюдалось нарушение иммунных функций нейтрофилов и мононуклеарных клеток периферической крови по сравнению со здоровыми пожилыми субъектами. Это нарушение может быть опосредовано более высоким содержанием ОС в клетках крови и изолированных нейтрофилах и более высоким высвобождением базальных провоспалительных цитокинов, таких как IL-6 и TNF-α [96]. У пожилых собак с когнитивными нарушениями наблюдалось увеличение количества периферических моноцитов, что трудно объяснить [79].
Большой исследовательский интерес представляет использование нутрицевтиков и антиоксидантов для облегчения когнитивных нарушений у собак, и, действительно, когнитивные показатели могут быть улучшены с помощью диетических манипуляций. Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, какие соединения и/или комбинации соединений эффективны, их дозировку и сроки введения, а также долгосрочные эффекты [95].
2. Функциональные соединения в питании животных
Термин "нутрицевтик" происходит от "питание" и "фармацевтика’, и многие определения можно найти в словарях. В более широком смысле нутрицевтик - это пища, которая приносит пользу для здоровья помимо своей питательной ценности и содержит биологически активные соединения, которые взаимодействуют на разных уровнях с физиологией животных [97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,1111,112,113,114]. Пробиотики, пребиотики, вторичные растительные метаболиты, аминокислоты, пептиды, жирные кислоты и эфирные масла - вот неисключительный список нутрицевтических соединений, и в этом обзоре мы сосредоточимся на вторичных растительных метаболитах, пробиотиках и пребиотических добавках.
2.1. Антиоксидантные соединения
Вторичные растительные метаболиты представляют собой очень широкую группу фитохимических веществ, первоначально известных своими антипитательными свойствами, но совсем недавно изученных на предмет их роли в модулировании биологической реакции животных. Существует очень большое количество фитохимических веществ, и, по некоторым оценкам, около 80 000 соединений [97], но, вероятно, будут выделены и идентифицированы новые соединения. Согласно Wink [115], вторичные метаболиты растений могут быть сгруппированы в азотсодержащие и неазотсодержащие соединения (таблица 1). Фитохимические вещества также можно разделить на гидрофильные и гидрофобизирующие, а полифенолы, терпеноиды и углеводы привлекли внимание исследователей своей биологической активностью у животных.