L'organismo del suinetto riconosce le endotossine come un corpo estraneo che innesca una risposta infiammatoria che, nel minimo dei casi, riduce la crescita e le prestazioni del suinetto a causa dell'utilizzo dei nutrienti per soddisfare le esigenze del sistema immunitario. Nei casi più gravi, la risposta immunitaria alle endotossine riduce le prestazioni e porta a febbre, infiammazione sistemica, riduzione dell'assunzione di mangime, aumento della permeabilità intestinale e disturbi digestivi. Questi sintomi si verificano quando la permeabilità intestinale aumenta, permettendo alle endotossine di entrare nella circolazione sistemica e linfatica. Inoltre, quando la capacità di detossificazione dell'organismo viene superata, il suinetto muore per endotossiemia, shock e insufficienza multiorgano.
È possibile adottare un'ampia gamma di misure indirette per contrastare gli effetti delle endotossine. Queste includono strategie per ridurre la presenza di batteri gram-negativi e lo stress e per migliorare l'integrità intestinale e la maturità dei suinetti. Tuttavia, attualmente, mentre per l'uomo esistono metodi di controllo diretto degli effetti tossici delle endotossine, solo poche strategie sono economicamente fattibili per i suini.
Lo svezzamento è il momento più critico
Il momento più critico per il suinetto è lo svezzamento, quando molteplici fattori di stress ne compromettono le prestazioni e la salute. La separazione del suinetto dalla madre e il passaggio da una dieta liquida (latte) a una dieta solida (mangime) sono cambiamenti improvvisi che generano grande stress. Altri cambiamenti, come il trasporto, il mescolamento degli animali, l'instaurazione di nuove gerarchie sociali, il cambiamento di ambiente, la gestione e l'adattamento a nuove mangiatoie e abbeveratoi, aumentano lo stress. Inoltre, l'attuazione dei programmi di vaccinazione e la presenza di agenti
patogeni rendono lo svezzamento il periodo di maggiore richiesta e, di conseguenza, di maggiore rischio per il suinetto.
Al momento dello svezzamento, il tratto gastrointestinale (GIT) del suinetto non è ancora completamente sviluppato e ha una capacità limitata di digerire e assorbire i nutrienti. Questa situazione è aggravata dal ridotto consumo di acqua e mangime dopo lo svezzamento, che induce cambiamenti nella morfologia e nella funzionalità del GIT del suinetto.
Microbiota intestinale
Il microbiota intestinale svolge un ruolo determinante in funzioni specifiche del metabolismo dei nutrienti, dell'immunità e nel preservare l'integrità della barriera mucosale intestinale. È quindi importante mantenere un equilibrio.
Le condizioni fisico-chimiche variano nelle diverse parti del GIT e quindi anche la popolazione microbica che vive in ciascuna area è diversa. L'intestino tenue e quello crasso sono aree di colonizzazione preferenziale da parte di patogeni batterici opportunisti. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per comprendere appieno la composizione del microbiota in tutto il GIT e i meccanismi di disbiosi per la sua prevenzione. In generale, possiamo dire che è importante mantenere un equilibrio tra batteri gram-positivi e gram-negativi. Lo stress da svezzamento, insieme all'immaturità del GIT del suinetto, alla riduzione del consumo e al cambiamento della dieta, sono associati ad alterazioni dell'equilibrio del microbiota intestinale, diarrea, maggiore suscettibilità alle infezioni enteriche, uso di antibiotici e riduzione delle prestazioni. Questa disbiosi intestinale può essere correlata a una grande proliferazione di batteri gram-negativi come le Enterobacteriaceae (ad esempio, E. Coli, Salmonella spp.) che spiazzano il microbiota intestinale benefico (come il Lactobacillus, tra gli altri), causando malattie come la colibacillosi o la salmonellosi.
Batteri Gram-negativi ed endotossine
I batteri gram-negativi possono causare danni da soli, ma anche attraverso le endotossine che rilasciano. A differenza dei batteri gram-positivi, che non hanno una membrana esterna, i batteri gram-negativi hanno una caratteristica struttura dell'involucro cellulare che li protegge. I batteri gram-negativi sono circondati dalla membrana citoplasmatica interna, da una sottile parete cellulare di peptidoglicani e da un'altra membrana esterna che contiene fosfolipidi, proteine legate alla membrana e lipopolisaccaridi (LPS) (vedi Figura 1).
Le LPS libere sono chiamate endotossine per la loro tossicità e capacità di indurre una risposta immunitaria nell'animale quando entrano nella circolazione sistemica (anche se entrambi i termini sono usati in modo intercambiabile in letteratura).
Figura 1: Strutture importanti di un batterio gram-negativo.
Le LPS sono costituite da 3 elementi strutturali: il lipide A, il nucleo oligosaccaridico e l'O-antigene (Figura 1). Il lipide A àncora l'LPS alla membrana esterna del batterio (componente idrofobica). È responsabile della maggior parte della tossicità causata dalle endotossine e la sua struttura e tossicità possono variare tra le specie batteriche.
L'antigene O (chiamato anche antigene specifico O) è una catena di oligosaccaridi di composizione variabile a seconda della specie e del ceppo di batteri gram-negativi e si trova nella parte extracellulare (componente idrofila). È altamente immunogeno e stimola la produzione di anticorpi, anche se questi non proteggono dagli effetti tossici dell'LPS, poiché questa parte non è patogena.
Rilascio di LPS e fonti
L'LPS viene rilasciato dai batteri gram-negativi durante la lisi cellulare. Questo avviene durante la replicazione e la morte delle cellule e il contatto dei batteri con l'acqua. La morte batterica può avvenire per azione del sistema immunitario o quando si utilizzano gli antibiotici, soprattutto i β-lattamici. La velocità di rilascio dell'LPS varia a seconda delle specie e dei ceppi di batteri. Poiché le endotossine provengono da batteri gram-negativi, sono ubiquitarie nell'ambiente. Si possono trovare nell'acqua, nei mangimi, nel suolo e nell'aria, ma la fonte principale è il GIT e le feci.
Nel tratto gastrointestinale, le endotossine sono presenti soprattutto nell'intestino crasso, per lo più provenienti da batteri gram-negativi della famiglia delle Enterobacteriaceae, come E. Coli e Salmonella spp. Possono essere escrete nelle feci, contaminare le particelle di polvere delle feci e quindi essere trasmesse da aerosol che, se inalati dagli animali, possono causare infiammazioni e malattie respiratorie o gastrointestinali.
La barriera intestinale è la prima linea di difesa dell'organismo, che lo protegge dalla maggiore fonte di endotossine, il contenuto intestinale. I suinetti allo svezzamento sono gli animali più vulnerabili alle endotossine. Ciò è dovuto alla loro immaturità digestiva e ai molteplici fattori di stress che compromettono la funzionalità della barriera intestinale e l'equilibrio del microbiota intestinale.
Le endotossine rilasciate a livello intestinale possono passare nella circolazione sistemica e linfatica per trasporto transcellulare, attraverso l'endocitosi mediata da recettori presenti nelle cellule epiteliali. Durante la digestione intestinale dei grassi alimentari, la formazione di micelle facilita anche la permeabilità dell'LPS (vedi Figura 2).
Figura 2: vie di trasporto e detossificazione dell'endotossina.
Interazione tra endotossine e altri fattori patogeni
Altri fattori che possono aumentare l'assorbimento delle endotossine dal GIT al flusso sanguigno sono: i radicali liberi dell'ossigeno (ROS) e le micotossine.
Normalmente, le cellule del corpo animale generano ROS come risultato dei processi metabolici. I ROS sono composti altamente reattivi che possono indurre l'ossidazione di molecole intra ed extracellulari che influenzano direttamente la vitalità e la funzione delle cellule. In una situazione ideale, si stabilisce un equilibrio tra ossidazione e meccanismi antiossidanti, che salvaguarda l'integrità e la salute delle cellule. Tuttavia, durante periodi di stress come lo svezzamento, lo stress termico, la presenza di vomitossina (DON) e altri fattori di stress, la produzione di ROS può superare la capacità naturale dell'organismo di detossificarli, generando stress ossidativo.
Il GIT è fortemente influenzato dallo stress ossidativo. Alti livelli di ROS sono in grado di ossidare componenti cellulari fondamentali (proteine, DNA, lipidi, carboidrati), inducendo l'apoptosi delle cellule intestinali e determinando una minore capacità di assorbimento (villi più corti). Le giunzioni strette tra gli enterociti impediscono il passaggio di macromolecole dal lume intestinale al flusso sanguigno. In situazioni di stress ossidativo, i ROS causano una minore espressione dei geni che codificano per le proteine delle giunzioni strette. Di conseguenza, le giunzioni strette si dissociano, aumentando la permeabilità intestinale e consentendo il trasporto paracellulare (tra gli enterociti) di agenti patogeni, LPS e tossine. In questi casi, un passaggio massiccio di LPS nel flusso sanguigno e nel sistema linfatico del suinetto scatena una risposta immunitaria che genera infiammazione, aumento della permeabilità intestinale, disturbi digestivi, febbre, riduzione del consumo e calo delle prestazioni. Se la capacità di detossificazione dell'organismo viene superata, l'LPS può causare infiammazione sistemica, shock settico, endotossiemia, insufficienza multiorgano e morte dell'animale.
Via metabolica delle endotossine
Le endotossine rilasciate nell'organismo si legano a proteine trasportatrici presenti nelle cellule e nei fluidi corporei, che ne facilitano il trasporto, il riconoscimento e la degradazione. Esistono diversi tipi di proteine trasportatrici, come il CD14 e le lipoproteine, anche se le più conosciute sono le proteine leganti il lipopolisaccaride (LPB). Il complesso LPS-LPB viene riconosciuto dai co-recettori CD14 presenti sulla membrana cellulare di cellule immunitarie come macrofagi, monociti e neutrofili. Esiste anche una forma solubile, sCD14, che consente l'attivazione di altre cellule che non hanno il CD14 nella loro membrana cellulare, come le cellule endoteliali ed epiteliali, le cellule dendritiche, i fibroblasti e le cellule muscolari lisce.
Il complesso LPS-LBP-CD14 o sCD14 viene riconosciuto dal recettore Toll-like 4 (TLR4), presente nella membrana di miociti, adipociti, cellule immunitarie ed epiteliali. Il CD14 reagisce con il TLR4 sulla membrana cellulare che, a sua volta, si lega alla proteina MD-2 e genera un segnale intracellulare che stimola la risposta infiammatoria. Il segnale attiva il fattore nucleareκB (NF-κB), la trascrizione genica e la produzione di citochine, tra cui le interleuchine 1 e 6 (IL-1 e IL-6) e il fattore di necrosi tumorale alfa (TNFα). Le citochine rilasciate stimolano la chemiotassi (l'attrazione di altre cellule immunitarie nell'area per rafforzare la risposta immunitaria) e la proliferazione e differenziazione dei leucociti. Il TNF può produrre apoptosi (morte cellulare programmata). Il TNFα stimola la secrezione di IL-1 e IL-6 da parte dei macrofagi, potenziando la risposta. Le interleuchine stimolano anche la differenziazione e la proliferazione delle cellule B che producono immunoglobuline, soprattutto IgM e IgG. La segnalazione termina con l'endocitosi e la degradazione del TLR4 e dell'LPS.
Ruolo del fegato nella detossificazione delle endotossine
Il fegato è l'organo più importante coinvolto nella detossificazione delle endotossine. Il rilascio e la presenza di citochine nel sangue stimolano gli epatociti del fegato a produrre proteine di fase acuta (APP) come LBP, aptoglobina (Hp), proteina C-reattiva (CRP), proteina di fase acuta maggiore del maiale (pig-MAP) e amiloide A del siero (SAA).
Gli LPS possono passare nel fegato dal sangue e dalla linfa, attraverso la vena porta, dove saranno detossificati, principalmente dall'azione enzimatica della lipasi acilossiacil idrolasi (AOAH). L'AOAH si trova nelle cellule kupffer del fegato, ma è presente anche nei macrofagi, nelle cellule dendritiche, nei neutrofili e nelle cellule del tubulo corticale renale. L'LPS può anche essere escreto dal fegato nel duodeno attraverso la bile, dove viene detossificato dall'effetto detergente dei sali biliari nell'intestino. I chilomicroni, lipoproteine coinvolte nel trasporto dei trigliceridi, svolgono un ruolo importante nel legare l'LPS e nel facilitare il suo contatto con la bile, riducendone la tossicità.
LPB può catalizzare il trasferimento di LPS alle lipoproteine ad alta densità (HDL) per favorirne l'eliminazione attraverso il fegato. Le LPS legate alle HDL vengono trasferite alle lipoproteine a bassa densità (LDL) che si legano ai recettori LDL degli epatociti, producendo la loro endocitosi ed eliminazione. Si formano anche complessi chilomicroni-LPS-LBP, che riducono la tossicità dell'LPS e ne facilitano il successivo riconoscimento e la detossificazione da parte delle LDL e dei recettori LDL negli epatociti.
Se i livelli di LPS sono elevati, le citochine infiammatorie (IL-1 e IL-6) passano dalla circolazione sistemica all'ipotalamo dove stimolano la produzione di prostaglandine, inducendo febbre e un aumento dei neutrofili circolanti.
Effetti dell'endotossina
Le endotossine vengono riconosciute come un corpo estraneo e attivano una risposta immunitaria. Livelli normali di endotossine vengono combattuti dal suinetto e non inducono alcun segno clinico. Tuttavia, la risposta immunitaria richiede nutrienti ed energia che non possono essere utilizzati per la crescita muscolare degli animali, riducendone le prestazioni e l'efficienza alimentare. A seconda dell'intensità della risposta immunitaria, le citochine rilasciate producono effetti sul metabolismo del suinetto, passando a uno stato catabolico, per generare gli aminoacidi e l'energia necessari a sostenere la proliferazione delle cellule immunitarie, la sintesi di APP e la febbre. Allo stesso tempo, la digestione e l'assorbimento dei nutrienti a livello intestinale saranno influenzati. L'azione delle citochine sulle cellule endoteliali provoca una reazione infiammatoria locale caratterizzata da edema della sottomucosa intestinale. L'edema può potenzialmente evolvere in emorragia e necrosi (morte del tessuto). Ciò compromette ulteriormente le giunzioni strette e la loro funzione di barriera. La penalizzazione delle prestazioni può essere aumentata dalla riduzione del consumo e dall'aumento del cortisolo indotto dalle citochine. Il cortisolo favorisce la degradazione di proteine e lipidi, peggiorando ulteriormente le prestazioni dei suinetti.
La tossicità prodotta dalle endotossine dipende dal tipo di LPS, dalla via di ingresso, dalla sua concentrazione e dalla durata dell'esposizione. Gli effetti tossici dipendono anche dalla specie e dalla sensibilità individuale dell'animale, nonché dalla presenza di altre malattie infettive che possono aggravare la situazione.
Durante il processo, vengono rilasciate anche altre citochine ed enzimi che, insieme a IL-1 e IL-6, possono causare danni vascolari e coagulazione intravascolare. Nei casi più gravi, quando la capacità di detossificazione viene superata, possono verificarsi infiammazione sistemica, shock settico ed endotossiemia, che possono portare a un'insufficienza multipla degli organi e alla morte dell'animale. La sepsi e l'endotossiemia sono caratterizzate da febbre, coagulazione intravascolare, profonda ipertensione polmonare, ipotensione arteriosa sistemica, diminuzione della gittata cardiaca, aumento riflesso della frequenza cardiaca e respirazione accelerata.
I sintomi clinici nei suinetti endotossici iniziano con tosse ricorrente, salivazione eccessiva e persino diarrea e vomito. Le loro condizioni si deteriorano poi, manifestando malessere generalizzato, febbre, riluttanza a muoversi e decubito, mostrando una grave difficoltà respiratoria (dispnea) e una colorazione bluastra della pelle (cianosi) fino alla morte.
Controllo del danno da endotossina
Le misure per contrastare le endotossine includono quelle volte a ridurre la presenza di batteri gram-negativi e quelle dirette a inattivare l'azione delle endotossine. Le misure volte a ridurre la contaminazione da batteri gram-negativi comprendono azioni per ridurre il loro carico ambientale, come l'attuazione di protocolli di biosicurezza, l'ottimizzazione delle pratiche di pulizia e disinfezione, l'adeguata ventilazione delle strutture per ridurre la polvere e la garanzia di accesso all'acqua potabile. Inoltre, devono essere incluse tutte le strategie nutrizionali che prevengono la disbiosi intestinale e la proliferazione di batteri gram-negativi, come l'uso di acidi, prebiotici e/o probiotici nei mangimi, una maggiore digeribilità dei nutrienti, formulazioni con livelli adeguati di aminoacidi, proteine grezze, fibre e carboidrati fermentabili, tra gli altri componenti essenziali.
Inoltre, è essenziale ridurre i fattori di stress e adattare il suinetto a una dieta solida prima dello svezzamento attraverso un programma nutrizionale adeguato. L'utilizzo di fonti di fibre che migliorano l'integrità intestinale e l'uso di antiossidanti possono essere altre strategie complementari.
Le misure per ridurre l'azione diretta delle endotossine sono molto limitate. L'uso di vaccini contro le endotossine è stato testato con risultati promettenti nell'uomo, ma il loro uso nella produzione animale è molto limitato a causa del loro costo elevato. Un'altra opzione è l'uso di leganti delle endotossine nel GIT. Questo metodo segue lo stesso ragionamento dei leganti di micotossine, ampiamente conosciuti nella produzione animale. I leganti di endotossine vengono aggiunti ai mangimi e adsorbono le endotossine nel tratto gastrointestinale, impedendo la loro azione locale nella mucosa gastrointestinale e il loro assorbimento nel flusso sanguigno e gli effetti sistemici. La scelta di un prodotto legante l'endotossina con dati scientifici comprovati in vitro e in vivo può essere una strategia efficace a un costo molto ragionevole.
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