De rol van microbiota voor een evenwichtig afweersysteem

De rol van microbiota
voor een evenwichtig
afweersysteem
MARI A SMITS1, ALFONS J JANSMAN2, HUUB FJ SAVELKOUL3, ANNEMARIE JM REBEL4
praktisch
inzicht
Central Veterinary Institute, onderdeel van
Wageningen UR, Wageningen UR Livestock
Research en Wageningen Universiteit hebben
hun expertise en onderzoek naar het functioneren van het maagdarmkanaal bij landbouwhuisdieren gebundeld en geïntensiveerd. Zij
hebben dit gedaan omdat de processen die in
het maagdarmkanaal plaatvinden, niet alleen
van belang zijn voor een efficiënte voervertering en -benutting maar ook voor de afweer
van landbouwhuisdieren tegen infectieziekten. In het kader van de genoemde samenwerking zijn expertises en onderzoekstechnieken
bij elkaar gebracht waarmee de complexe processen in het maagdarmkanaal beter kunnen
worden ontrafeld.
De processen die zich in de darm afspelen, worden beïnvloed door interacties tussen drie ‘componenten’, te weten voeding, darmbacteriën
(microbiota) en darmmucosa. Een goed en stabiel evenwicht in de darmprocessen (homeostase) is cruciaal voor een efficiënte voer- en
nutriëntbenutting én voor een efficiënte afweer.
Het huidige darmonderzoek bij landbouwhuisdieren is erop gericht voedings- en managementfactoren te identificeren die homeostase in
de darm bevorderen. Met het toepassen van
deze kennis kan de afweer tegen infectieziekten
worden verbeterd zonder afbreuk te doen aan
de prestaties van dieren. In dit artikel wordt in
algemene termen aandacht besteed aan de pro-
1,4
Central Veterinary Institute, onderdeel van
Wageningen UR (CVI).
1,2
Wageningen Livestock Research (WLR).
3
Celbiologie en Immunologie, Wageningen
Universiteit (WU).
22
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
cessen in het maagdarmkanaal die betrokken
zijn bij de opbouw en het handhaven van een
evenwichtig afweersysteem. De toegenomen
kennis op dit terrein kan door dierenartsen worden gebruikt voor een betere immuuncompetentie bij landbouwhuisdieren.
Het maagdarmkanaal
Het maagdarmkanaal is onderverdeeld in enkele
anatomische compartimenten met verschillende
functies. In de maag, het duodenum en het jejunum vindt digestie plaats van koolhydraten,
eiwitten en vetten, zuursecretie en absorptie
van monosachariden, vetzuren, cholesterol,
aminozuren, di- en tri-peptiden, vitaminen en
mineralen. In de pens van herkauwers vinden
allerlei fermentatieprocessen plaats die uiteindelijk leiden tot de omzetting van voedergewassen en vezels in waardevolle dierlijke eindproducten zoals melk. Het compartiment met het
grootste oppervlak is het jejunum, waar voornamelijk de opname van nutriënten plaatsvindt.
De dikke darm is korter dan de dunne darm en
hier vindt gedeeltelijke fermentatie plaats van
niet enzymatisch afbreekbare componenten in
het voer door anaerobe bacteriën en absorptie
van water, elektrolyten en kortketenvetzuurfermentatieproducten.
De spijsvertering in het maagdarmkanaal wordt
beïnvloed door de samenstelling en de deeltjesgrootte van het voer maar ook door de procestechnologische behandelingen ervan. De grondstofsamenstelling heeft invloed op de
darmmotiliteit en de passagesnelheid van
digesta en op de snelheid en kinetiek van de
afbraak door lichaamseigen enzymen en door
microbiële fermentatie. De bestanddelen in het
voer beïnvloeden hierdoor de microbiële samenstelling en het microbieel metabolisme in de
Darmgezondheid
Microbiota
Omgeving
Voeding
(Epi)genetica
Interacties tussen
voeding - microbiota - darm
Modulatoren
Microbiota
fermentatie
Effect op biologische
processen van
darmepitheel
Digestie
Nutrient absorptie
Mucosale systemische
immuun competentie
Darmfunctionaliteit
Adequate immuun respons
Robuustheid en prestatie
verschillende delen van het maagdarmkanaal
(4). Dit heeft een aantal functionele effecten op
de darmmucosa en het onderliggende lokale
immuunsysteem. Microbiële eiwitfermentatie
kan ook leiden tot de vorming van stoffen als
ammoniak en biogene aminen die schadelijke
(ontstekingsbevorderende) effecten hebben op
de darmwand. Naast de grondstoffen in het voer
worden in de praktijk veelvuldig additieven
gebruikt zoals pre- en probiotica, enzymen,
organische zuren, etherische oliën en plantenextracten die direct of indirect (via microbiota)
invloed kunnen uitoefenen op diverse processen
in de darm (figuur 1). Ook sporenelementen in
diervoeders, zoals koper en zink, hebben
invloed op de microbiële samenstelling en activiteit en daarmee op de homeostase van het
maagdarmkanaal (17).
Het maagdarmkanaal wordt begrensd door een
enkele laag intestinale epitheelcellen die bedekt
zijn met een dikke slijm- of mucuslaag die
bestaat uit geglycosyleerde eiwitten. De villi en
microvilli vergroten het oppervlak van de darm
enorm. Bij het varken is het darmoppervlak wel
tweehonderd keer de oppervlakte van het buitenlichaam. We onderscheiden zuilvormige epitheelcellen die verantwoordelijk zijn voor vertering en absorptie, slijmbekercellen die mucus
Figuur 1. Diverse factoren
beïnvloeden interacties en
processen in de darm die
van belang zijn voor een
gezond maagdarmkanaal.
afscheiden, endocriene cellen die hormonen
afscheiden, en Panethcellen die antimicrobiële
peptiden produceren. De epitheellaag vormt de
begrenzing tussen de inhoud van de darm en
het inwendige lichaam. Bepaalde voedingsstoffen, specifieke producten van microbiota en
bepaalde lichaamseigen stoffen in het lumen
van de darm ‘communiceren’ via de epitheelcellen met de onderliggende cellen van het
mucosale immuunsysteem. Deze communicatie
verloopt via receptoren die aanwezig zijn op of
in epitheliale cellen en gespecialiseerde
immuuncellen. De meest bekende receptoren
zijn de ‘Toll-Like Receptors’ (26 en 24). Deze
receptoren screenen voortdurend de darminhoud op de aanwezigheid van moleculaire structuren specifiek voor bepaalde groepen pathogene en niet pathogene micro-organismen of
moleculen die geassocieerd zijn met darmschade. Binding van ligand aan de receptor leidt
tot de biosynthese van signaalmoleculen die de
activiteit en functionaliteit van de onderliggende cellen van het immuunsysteem aansturen. Dit sensorsysteem speelt een centrale regulerende rol bij de inductie van
immuunresponsen, bij immuuntolerantie en bij
het onderhouden van de integriteit van de
darmwand (29, Santaolalla en Abreu, 2012).
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
23
praktisch
inzicht
Darmstoornissen
Homeostase in de darm is een belangrijke voorwaarde voor een optimale dierlijke productie en
een adequate afweer. Tijdens de productiefase
kunnen verstoringen van de darmhomeostase
optreden, vooral tijdens overgangsperiodes die
stress met zich meebrengen zoals bij het spenen
van biggen. Verstoringen kunnen ook het gevolg
zijn van externe factoren zoals houderijomstandigheden, het gebruik van antibiotica en de
samenstelling van diervoeders. Verstoring van
darmhomeostase gaat meestal gepaard met veranderingen in de samenstelling en de diversiteit
van de microbiota (dysbiose; 23) en met veranderingen in de regulatie van het immuunsysteem.
Hierdoor verandert het immunologische evenwicht in de darm en kunnen potentieel pathogene symbionten (pathobionten) uitgroeien of
kan er een verandering optreden in de gevoeligheid voor infecties met bepaalde pathogenen.
Bij verstoring van de darmhomeostase wordt
ook de digestie en absorptie van nutriënten
nadelig beïnvloed, wat resulteert in een verminderde voederefficiëntie en groeivertraging. Door
de nutritionele verstoring kunnen ook beschadigingen van het darmweefsel ontstaan waardoor
de kans op infecties verder verhoogd wordt.
Maagdarmaandoeningen vormen een belangrijk
gezondheidsprobleem in zowel de varkenshouderij als de pluimveehouderij en de kalverhouderij (2). Omdat het mucosale immuunsysteem
van de darm in verbinding staat met het
mucosale systeem van de longen, kunnen verstoringen van de homeostase op darmniveau
ook effecten hebben op de gevoeligheid van dieren voor luchtweginfecties (6). Mogelijk kunnen
behandelingen die de darmhomeostase bevorderen, ook een positieve uitwerking hebben op de
immunologische afweer in de longen.
Microbiota
Tot voor kort was onze kennis over de bacteriën
in de darm tamelijk beperkt, omdat de meeste
darmbacteriën anaeroob zijn en lastig of niet te
kweken. Door de ontwikkelingen op het terrein
van de high-throughput DNA-analyses is de
afgelopen jaren veel onderzoek verricht naar de
samenstelling, diversiteit en activiteit van de
microbiota in de darm (31). De darm van mensen bevat tien keer meer bacteriën (1014) dan het
totaal aantal lichaamscellen. De microbiota vormen een essentieel ‘orgaan’ en leveren een significante bijdrage aan de stofwisseling en de
productie van energie en vitaminen. Hun gezamenlijk genetisch potentieel is enorm en omvat
circa 3 miljoen genen (20). Veel gezondheidgerelateerde kenmerken bij mensen en dieren wor-
24
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
den in de recente literatuur in verband gebracht
met deze microbiota (19). De kolonisatie van de
darm begint al tijdens de geboorte, of bij het uitkomen van het ei, en in volwassen dieren
bestaat de microbiële populatie in de darm uit
meer dan duizend verschillende soorten (21, 31,
10, 25). Dominante bacteriestammen zijn Firmicutes, Bacteroides, Actinobacteria, Proteobacteria, en Verrucomicrobia. Er zijn grote overeenkomsten maar ook duidelijke verschillen in de
samenstelling van de darm-microbiota tussen
mensen, pluimvee, koeien en varkens (12). De
volledige erfelijke informatie van de microbiota
uit varkens is in 2011 voor het eerst beschreven
(11). De microbiota wordt gedomineerd (>90%)
door Firmicutes- en Bacteroidetesstammen, het
ileum bevat een hoog percentage Proteobacteriumstammen (>40%). 13 procent van alle genen
codeert voor eiwitten die betrokken zijn bij
koolhydraatmetabolisme. Opmerkelijk was dat
in de microbiota van varkens een zeer groot
aantal en een hoge diversiteit aan antibioticumresistentiegenen werd aangetroffen (11).
Tijdens de overgang naar vast voer vindt een
radicale verandering plaats van de microbiële
samenstelling en diversiteit in de darm. Deze
samenstelling en diversiteit worden ook beïnvloed door het genotype van de gastheer, de
ingrediënt- en nutriëntsamenstelling van het
gebruikte diervoer en door houderijomstandigheden. Bovendien zijn verschillende externe factoren beschreven die invloed hebben op de
samenstelling en diversiteit van microbiota,
zoals voeding en stress (10). Met name het
gebruik van antibiotica heeft significante effecten op de samenstelling en diversiteit van
microbiota in zowel mensen, varkens als pluimvee (13, 28, 18). Onderzoek door CVI/WLR naar
het gebruik van antibiotica bij volwassen dieren
heeft laten zien dat dit niet tot permanente veranderingen in de microbiota leidt. Kortdurende
behandeling van een bacteriële infectie met een
enkelvoudige dosis antibioticum kan tot vier
weken een afwijking veroorzaken in de microbiota, maar daarna keren de oorspronkelijke
samenstelling en diversiteit vrijwel altijd terug.
Onderzoek door CVI/WLR heeft eveneens aangetoond dat een éénmalige antibioticumbehandeling direct ná de geboorte een significant effect
heeft op het patroon van de vroege kolonisatie
van de darm door bacteriën bij zowel biggen als
kuikens (aangeboden ter publicatie).
Immuuncompetentie
Een aanzienlijk deel (70-75%) van de cellen van
het immuunsysteem is geassocieerd met het
epitheel van het maagdarmkanaal, met name in
Darmgezondheid
het jejunum en ileum. Hier vindt voor een
belangrijk deel de regulatie en programmering
van het systeem plaats (30). Hier wordt ook
vorm gegeven aan de competenties van het
immuunsysteem. Deze competentie bepaalt of
en hoe het lichaam immunologisch reageert op
een blootstelling aan schadelijke componenten
zoals pathogene micro-organismen en toxinen.
De immuuncompetentie bepaalt eveneens wanneer en tegen welke componenten juist geen
immunologische respons gewenst is. Er is dan
sprake van immuuntolerantie zoals bij blootstelling aan onschuldige voedercomponenten en
commensale micro-organismen. Een juiste
balans tussen immuunrespons en immuuntolerantie is bij hoogproductieve dieren cruciaal
omdat onbalans hierin leidt tot ontstekingsschade, secundaire infecties en verlies aan nutrientbenutting (groeivertraging) (29). Het inzicht
in de manier waarop dit gereguleerd wordt,
neemt de laatste jaren sterk toe (29, 3). Het is
duidelijk dat de ‘cross-talk’ tussen het mucosale
immuunsysteem van de darm en de microbiota
in het lumen van de darm een belangrijke rol
speelt bij deze regulatie. Dat is de reden waarom
veel onderzoek zich de laatste tijd richt op het
verbeteren van immuuncompetentie door
modulatie van de microbiotasamenstelling via
voederadditieven zoals pre- en probiotica (onder
andere 8). Wageningen Universiteit verricht
onderzoek naar immuuncompetentie bij verschillende diersoorten. Door dit onderzoek krijgen we beter inzicht in de cellulaire en moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan
immuuncompetentie en beter inzicht in de rol
die extrinsieke stimuli, zoals de eigen microbiota, infectieuze organismen en voedingscomponenten, hierbij spelen. Het doel van dit onderzoek is om via voerinterventies de
immuuncompetentie zodanig te moduleren dat
homeostase van het mucosale immuunsysteem
wordt bevorderd, waardoor conceptueel wordt
bijgedragen aan het voorkomen en/of verminderen van infecties en ontstekingen.
Opbouw immuniteit
De cellen van het immuunsysteem, die al aanwezig zijn bij de geboorte, zijn in functioneel
opzicht nog sterk onderontwikkeld (naïef). De
verwerving van immuniteit in deze fase gebeurt
door overdracht van antimicrobiële eiwitten
vanuit het moederdier via eieren, placenta, colostrum en/of melk. Door een geleidelijke blootstelling aan antigenen tijdens de neonatale fase
vindt rijping en verdere uitbreiding van het aangeboren en verworven immuunsysteem plaats.
Verreweg de meeste antigenen worden aangebo-
den vanuit het maagdarmkanaal. Voor een optimale ontwikkeling van het immuunsysteem is
een aantal nutriënten onontbeerlijk. Met name
de hoeveelheid eiwit, meervoudig onverzadigde
vetzuren en stoffen zoals de aminozuren glutamine en arginine, nucleotiden, zink en antioxidantvitamines zijn hierbij belangrijk. Ook infectiedruk en andere omgevingsfactoren van
moeder en neonaat spelen een rol. Maternale
stress leidt bijvoorbeeld in nakomelingen tot
verminderde cellulaire immuniteit, verminderde antistofproductie en een lagere activiteit
van zogenaamde ‘natural-killer’-cellen waardoor
de immuuncompetentie vermindert en de vatbaarheid voor ziekten toeneemt (27). Onderzoek
door CVI/WLR liet zien dat het dieet van moederhennen een duidelijk effect heeft op de ontwikkeling van het darmepitheel in de kuikennakomelingen (22) en op de gevoeligheid van
deze kuikens voor het malabsorptiesyndroom.
Ook is aangetoond dat veranderde houderijsystemen invloed hebben op de ontwikkeling van
het immuunsysteem bij jonge dieren (9).
De neonatale periode is een cruciale fase voor de
programmering van het immuunsysteem en de
opbouw van de benodigde immuuncompetentie.
Deze periode wordt gekenmerkt door een geleidelijke afname van de passieve immunologische
bescherming vanuit het moederdier waardoor
een kritieke transitieperiode ontstaat van een
verlaagde immunologische bescherming. In
deze periode gebeurt de vroege kolonisatie van
het maagdarmkanaal met microbiota die
afkomstig zijn van het moederdier (5) en de
omgeving (14, 16). Door de ‘crosstalk’ tussen de
microbiota die het darmlumen koloniseren en
de zich verder ontwikkelende cellen van het
immuunsysteem onder het darmepitheel, wordt
in deze periode specificiteit en geheugen opgebouwd voor zowel de aangeboren als de verworven tak van het immuunsysteem. Op jonge leeftijd wordt dus al de basis gelegd voor het
functioneren van een immuunsysteem dat op
latere leeftijd voldoende bescherming moet bieden tegen infecties en tegelijkertijd moet zorgen
voor een goede balans tussen immuunresponsen
en immuuntolerantie. Immuuncompetentie van
dieren wordt dus voor een belangrijk deel
bepaald door de microbiële kolonisatie van de
darm gedurende de neonatale fase. Dit is ook
het moment waarop nog blijvende invloed kan
worden uitgeoefend op de uiteindelijke samenstelling en diversiteit van de microbiota in de
volwassen dieren. De vroege microbiële kolonisatie van de darm is niet alleen kritisch voor
immuuncompetentie, maar is ook van invloed
op de latere efficiëntie van digestie en absorptie.
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
25
Onderzoek bij CVI/WLR en bij anderen (1, 7) laat
zien dat een verstoring van de vroege microbiële
kolonisatie van de darm een langdurig (negatief)
effect heeft op de activiteit en werking van het
immuunsysteem waardoor hypo- of juist hyperimmuniteit ontstaat.
Immuunresponsen
praktisch
inzicht
De gezondheid van productiedieren is afhankelijk
van een immuunsysteem dat snel en effectief veranderingen in de leefomgeving (voeding, infecties,
inspanning, (metabole) stress) detecteert en daar
alert en effectief op reageert om de verstoringen
te neutraliseren. Het is daarbij belangrijk dat het
immuunsysteem de juiste afweging maakt om
wel of niet te reageren door inductie van
immuunresponsen of immuuntolerantie. Een
effectieve reactie neutraliseert de verstoring zonder veel afbreuk te doen aan de prestaties van het
dier. Dieren met een dergelijke immuuncompetentie vertonen veerkracht en goed adaptief vermogen. Ook gedurende deze periode is de competentie van het immuunsysteem nog te moduleren
door factoren die ingrijpen op de interacties tussen microbiota, voeding en darmepitheel. Een
bekend voorbeeld van een negatieve beïnvloeding
is het gebruik van antibiotica. Deze doden niet
alleen pathogene bacteriën maar ook een deel van
de commensalen, symbionten en pathobionten.
Een antibioticumbehandeling in deze periode kan
dus ook leiden tot microbiële dysbiose en daarmee tot een tijdelijke verstoring van het evenwicht tussen immuunresponsen en immuuntolerantie. Niewold postuleert overigens een direct
remmend effect van antibiotica op immuunreacties (15). Een ander voorbeeld, maar dan in de
positieve zin, is het gebruik van diervoederadditieven zoals pre- en probiotica, enzymen, organische zuren, etherische oliën, en bepaalde plantenextracten. Sommige van deze producten hebben
een direct effect op de verteerbaarheid van nutrienten in het voer, andere producten beïnvloeden
de samenstelling en diversiteit van de microbiota
en het daarmee samenhangende immunologisch
evenwicht. Daarnaast worden steeds meer componenten beschreven met directe modulerende activiteit op het mucosale immuunsysteem.
Conclusies
Er zijn voldoende aanwijzingen in de literatuur
dat de programmering van het immuunsysteem
belangrijk is voor een goede afweer. Een juiste
programmering van het immuunsysteem stelt
dieren in staat adequaat te reageren op verstoringen van buitenaf. Aan de competenties van
het immuunsysteem wordt vorm gegeven door
interacties tussen darmepitheel, darmmicrobi-
26
Tijdschrift voor Diergeneeskunde | nr 6 | juni 2014
ota en componenten in diervoeders. Modulatie
van immuuncompetentie vereist een gedegen
kennis over de wijze waarop voeding, microbiota en darmepitheel elkaar beïnvloeden. Door
het samenbrengen van de hiervoor benodigde
expertisevelden en onderzoekstechnieken kunnen CVI/WLR/WU hieraan een significante bijdrage te leveren. De verkregen kennis, hoewel
meestal verzameld door analyse van de
immuuncompetentie van individuele dieren, zal
direct kunnen worden getoetst aan de praktijksituatie met koppels van dieren.
Het onderzoek is voor een deel gericht op de
modulatie van het immuunsysteem door in te
grijpen op receptorherkenning van immuunmodulerende voedercomponenten, op de intracellulaire signaaltransductie, op cytokinen- en antistofproductie en op de uitrijping van specifieke
T-celpopulaties. Het is evident dat een belangrijke
modulatieroute zal lopen via beïnvloeding van de
microbiota (zie figuur 1). In de publiek private
samenwerking ‘Feed4Foodure - Voeding, Darmgezondheid en Immuniteit’ (www.wageningenur.nl/
nl/Onderzoek-Resultaten/Projecten/Feed4Foodure.
htm) verrichten CVI/WLR/WU samen met de
Nederlandse diervoedingsindustrie en enkele
andere private partners onderzoek op dit terrein.
Dit onderzoek richt zich met name op het ontwikkelen van voedingsinterventies die de
immuuncompetentie van dieren bevorderen,
zodat op termijn minder antibiotica gebruikt hoeven worden.
Zoals in dit artikel beschreven, speelt de samenstelling en diversiteit van microbiota in de darm
een belangrijke rol bij de opbouw en het in
stand houden van de juiste immuuncompetentie. Deze samenstelling en diversiteit en het
daarmee samenhangende immunologisch evenwicht kan worden verstoord door het gebruik
van antibiotica die primair voorgeschreven worden ter bestrijding van pathogene micro-organismen. Dierenartsen zouden bij het voorschrijven van antibiotica hiermee meer rekening
kunnen houden, zeker bij het voorschrijven van
antibiotica gedurende de maternale en neonatale fase, omdat hierbij de vroege microbiële
kolonisatie van de darm en de daarbij behorende programmering van het immuunsysteem
verstoord worden. Door oog te hebben voor deze
potentiële neveneffecten van het gebruik van
antibiotica, kunnen dierenartsen bijdragen aan
een nog beter gezondheidsmanagement van
landbouwhuisdieren.
Kijk voor de literatuurlijst horende bij
dit artikel op de TvD-website.