Механизм взаимодействия организма животного с микробиотой желудочно-кишечного тракта (обзор)

Кишечник животных представляет собой сложную экосистему, состоящую из микробиома, клетокхозяев и питательных веществ. В кишечном тракте насчитываются около 100 трлн бактерий, которые формируют кишечную микробиоту. Они таксономически классифицируются по роду, семейству, порядку и типу. Микрофлора кишечника в основном состоит из шести типов: Firmicutes, Proteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Fusobacteria и Verrucomicrobia. Бактериоидеты и фирмикуты занимают доминирующее положение в кишечном тракте животных, играют ключевую роль в системе всасывания питательных веществ и способствуют укреплению кишечного барьера.

Цель представленного обзора — анализ микробиомы желудочно-кишечного тракта животных и факторов, влияющих на их биоразнообразие. Состав экосистемы микробного сообщества динамичен и зависит от многих факторов, включая гены, лекарства и кормление.  Изменения в рационе кормления могут вызывать временные сдвиги (в течение 24 часов) в большом количестве микроорганизмов. Отсюда следует, что кормление является жизненно важным регулятором кишечной микробиоты. Перспективы применения результатов исследования микробиот организма сельскохозяйственных животных очевидны, поскольку могут стать основой создания технологий, позволяющих корректировать нежелательные изменения микробиома животных, возникающие в качестве негативных последствий интенсификации высокопродуктивного сельскохозяйственного производства

1. Allin K.H. et al. Aberrant intestinal microbiota in individuals with prediabetes. Diabetologia. 2018; 61(4): 810–820. https://doi.org/10.1007/s00125-018-4550-1

2. Azad M.A.K., Sarker M., Li T., Yin J. Impact of Nutritional and Environmental Factors on Inflammation, Oxidative Stress, and the Microbiome. BioMed Research International. 2018; 2018: 9478630. https://doi.org/10.1155/2018/9478630

3. Dao M.C. et al. Akkermansia muciniphila and improved metabolic health during a dietary intervention in obesity: relationship with gut microbiome richness and ecology. Gut. 2016; 65(3): 426–436. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2014-308778

4. Grechkina V.V., Lebedev S.V., Miroshnikov I.S., Ryazanov V.A., Sheida E.V., Korolev V.L. Justification of rational and safe biotechnological methods of using fat additives from vegetable raw materials. IOP: Earth and Environmental Science. 2021; 624: 012160. https://doi.org/10.1088/1755-1315/624/1/012160

5. Gholizadeh P. et al. Microbial balance in the intestinal microbiota and its association with diabetes, obesity and allergic disease. Microbial Pathogenesis. 2019; 127: 48–55. https://doi.org/10.1016/j.micpath.2018.11.031

6. Gowd V., Xie L., Zheng X., Chen W. Dietary fibers as emerging nutritional factors against diabetes: focus on the involvement of gut microbiota. Critical Reviews in Biotechnology. 2019; 39(4): 524–540. https://doi.org/10.1080/07388551.2019.1576025

7. Holscher H.D., Caporaso J.G., Hooda S., Brulc J.M., Fahey G.C.Jr., Swanson K.S. Fiber supplementation influences phylogenetic structure and functional capacity of the human intestinal microbiome: follow-up of a randomized controlled trial. The American Journal of Clinical Nutrition. 2015; 101(1): 55–64. https://doi.org/10.3945/ajcn.114.092064

8. Hosseindoust A. et al. A dose-response study to evaluate the effects of pH-stable β-mannanase derived from Trichoderma citrinoviride on growth performance, nutrient retention, and intestine morphology in broiler chickens. Italian Journal of Animal Science. 2019; 18(1): 147–154. https://doi.org/10.1080/1828051X.2018.1500872

9. Heath R.D., Cockerell C., Mankoo R., Ibdah J.A., Tahan V. Fecal microbiota transplantation and its potential therapeutic uses in gastrointestinal disorders. Northern Clinics of Istanbul. 2018; 5(1): 79–88. https://doi.org/10.14744/nci.2017.10692

10. Makki K., Deehan E.C., Walter J, Bäckhed F. The Impact of Dietary Fiber on Gut Microbiota in Host Health and Disease. Cell Host & Microbe. 2018; 23(6): 705–715. https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.05.012

11. de la Cuesta-Zuluaga J. et al. Metformin Is Associated With Higher Relative Abundance of Mucin-Degrading Akkermansia muciniphila and Several Short-Chain Fatty Acid-Producing Microbiota in the Gut. Diabetes Care. 2017; 40(1): 54–62. https://doi.org/10.2337/dc16-1324

12. Jha R., Fouhse J.M., Tiwari U.P., Li L., Willing B.P. Dietary Fiber and Intestinal Health of Monogastric Animals. Frontiers in Veterinary Science. 2019; 6: 48. https://doi.org/10.3389/fvets.2019.00048

13. Kimiaeitalab M.V., Mirzaie Goudarzi S., Jiménez-Moreno E., Cámara L., Mateos G.G. A comparative study on the effects of dietary sunflower hulls on growth performance and digestive tract traits of broilers and pullets fed a pullet diet from 0 to 21 days of age. Animal Feed Science and Technology. 2018; 236: 57–67. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2017.11.023

14. Koçer B., Bozkurt M., Ege G., Tüzün A.E. Effects of sunflower meal supplementation in the diet on productive performance, egg quality and gastrointestinal tract traits of laying hens. British Poultry Science. 2021; 62(1): 101–109. https://doi.org/10.1080/00071668.2020.1814202

15. Lebedev S. et al. Use of chromium nanoparticles as a protector of digestive enzymes and biochemical parameters for various sources of fat in the diet of calves. AIMS Agriculture and Food. 2020; 6(1): 14–31. https://doi.org/10.3934/agrfood.2021002

16. Li Y., Yang H., Xu L., Wang Z., Zhao Y., Chen X. Effects of dietary fiber levels on cecal microbiota composition in geese. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences. 2018; 31(8): 1285–1290. https://doi.org/10.5713/ajas.17.0915

17. Liu B. et al. Response of Gut Microbiota to Dietary Fiber and Metabolic Interaction with SCFAs in Piglets. Frontiers in Microbiology. 2018; 9: 2344. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02344

18. Meijnikman A.S., Gerdes V.E., Nieuwdorp M., Herrema H. Evaluating Causality of Gut Microbiota in Obesity and Diabetes in Humans. Endocrine Reviews. 2018; 39(2): 133–153. https://doi.org/10.1210/er.2017-00192

19. Sadeghi A., Toghyani M., Tabeidian S.A., Foroozandeh A.D., Ghalamkari G. Efficacy of dietary supplemental insoluble fibrous materials in ameliorating adverse effects of coccidial challenge in broiler chickens. Archives of Animal Nutrition. 2020; 74(5): 362–379. https://doi.org/10.1080/1745039X.2020.1764811

20. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Лебедев С.В., Левахин Ю.И., Бабичева И.А., Косилов В.И. Сравнительные испытания ультрадисперсного сплава, солей и органических форм Cu и Zn как источников микроэлементов в кормлении цыплят-бройлеров. Сельскохозяйственная биология. 2018; 53(2): 393–403. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2018.2.393rus

21. Sonnenburg J.L., Bäckhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature. 2016; 535(7610): 56–64. https://doi.org/10.1038/nature18846

22. Wilson Tang W.H., Kitai T., Hazen S.L. Gut Microbiota in Cardiovascular Health and Disease. Circulation Research. 2017; 120(7): 1183–1196. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.117.309715

23. Tsigos C., Chrousos G.P. Hypothalamic-pituitary-adrenal axis, neuroendocrine factors and stress. Journal of Psychosomatic Research. 2022; 53(4): 865–871. https://doi.org/10.1016/S0022-3999(02)00429-4

24. Vaiserman A.M., Koliada A.K., Marotta F. Gut microbiota: A player in aging and a target for anti-aging intervention. Ageing Research Reviews. 2017; 35: 36–45. https://doi.org/10.1016/j.arr.2017.01.001

25. Wu H. et al. Metformin alters the gut microbiome of individuals with treatment-naive type 2 diabetes, contributing to the therapeutic effects of the drug. Nature Medicine. 2017; 23(7): 850–858. https://doi.org/10.1038/nm.4345

26. Zeevi D. et al. Personalized Nutrition by Prediction of Glycemic Responses. Cell. 2015; 163(5): 1079–1094. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.11.001

27. Zeng M.Y., Inohara N., Nuñez G. Mechanisms of inflammation‐driven bacterial dysbiosis in the gut. Mucosal Immunology. 2017; 10(1): 18–26. https://doi.org/10.1038/mi.2016.75

28. Zhang F. et al. Response of gut microbiota in type 2 diabetes to hypoglycemic agents. Endocrine. 2019; 66(3): 485–493. https://doi.org/10.1007/s12020-019-02041-5

29. Zhao L. et al. Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes. Science. 2018; 359(6380): 1151–1156. https://doi.org/10.1126/science.aao5774