لیپوپلی‌ساکارید‌ها (LPS) در گاو شیری

چالش لیپوپلیساکارید (LPS) و تاثیر آن در سلامت و عملکرد گاوهای شیری

لیپوپلی‌ساکارید (LPS)

لیپوپلی‌ساکاریدها (LPS) بخشی از ساختار دیواره خارجی باکتری‌های گرم منفی هستند که به عنوان سدی در برابر نفوذ مواد به سلول باکتری عمل کرده و تنها به مولکول‌های کوچک و آبدوست اجازه عبور از دیواره خارجی باکتری را می‌دهند. از این رو، باکتری را در برابر نمک‌های صفراوی، لیزوزیم‌ها و ترکیبات ضد میکروبی دستگاه گوارش محافظت می‌کنند. اگر چه LPS به دیواره باکتری متصل است (شکل 1)، اما در زمان مرگ از ساختار سلول باکتری جدا می‌شود. لیپوپلی‌ساکاریدهای جدا شده از سلول باکتری تحت عنوان اندوتوکسین، موجب تحریک پاسخ ایمنی، ترشح سایتوکین‌های پیش التهابی و در نتیجه بروز التهاب می‌شوند که نتیجه آن اثرات منفی بر سلامت و عملکرد دام خواهد بود.

شکل 1- ساختار لیپوپلی‌ساکارید (LPS)

نقش LPS در تشدید اسیدوز شکمبه‌ای

به طور معمول، در دام‌های تغذیه شده با جیره نسبتاً علوفه‌ای، غلظت LPS در شکمبه پایین است. با وقوع اسیدوز ناشی از مصرف مقادیر بالای کنسانتره، نرخ تکثیر و مرگ باکتری‌های گرم منفی در اثر فعالیت اتولایتیک آنزیم‌های باکتریایی افزایش یافته و در نتیجه غلظت LPS در دستگاه گوارش به شدت افزایش می‌یابد. به طوری که مصرف جیره‌های کنسانترهای ممکن است غلظت LPS را تا 13/5 برابر در شکمبه افزایش دهد. با افزایش LPS در شکمبه، بیان ژن ناقل مونو-کربوکسیلات وابسته به پروتون MCT1) ) و در نتیجه جذب اسیدهای چرب کوتاه زنجیرکاهش می‌یابد. از این رو، افزایش LPS که خود ناشی از بروز اسیدوز بوده است، سبب تجمع بیشتر اسیدهای چرب فرار در شکمبه و در نتیجه تشدید اسیدوز و مشکلات ناشی از آن می‌شود.

شکل 2- مقایسه بافت (الف) اپیتلیوم شکمبه و (ب) موکوس انتهای دستگاه گوارش در جیره با نسبت کنسانتره بالا (1) و جیره با نسبت علوفه بالا (2)

نقش تنش گرمایی در تشدید اثرات منفی LPS

یکی از مکانیسم‌های بدن در مقابله با تنش گرمایی و افزایش دفع حرارت، ارسال خون بیشتر به سطح بدن است. در این شرایط، جریان خون در بافت‌های احشایی ممکن است تا 50 درصد کاهش یابد. سلول‌های رودهای نسبت به کمبود اکسیژن و مواد مغذی بسیار حساس هستند. از این رو، انقباض عروقی در شرایط تنش گرمایی می‌تواند ساختار و عملکرد سد رودهای را تضعیف کرده و منجر به تسهیل عبور اندوتوکسین‌ها شود. در نشخوارکنندگان، اسیدوز در شرایط تنش گرمایی به سبب افزایش بار اندوتوکسین در دستگاه گوارش شرایط را بدترخواهد کرد (شکل 2) و احتمال عبور اندوتوکسین‌ها از دیواره روده به شدت افزایش خواهد یافت.

تاثیر منفی LPS بر عملکرد کبد

کبد اندام اصلی در سم‌زدایی LPS دستگاه گوارش است. از این رو، غلظت LPS در سیاهرگ باب کبدی همواره بالاتر از گردش خون عمومی است. در گاوهای تازه‌زا و گاوهای پرتولید که کبد جهت تامین مواد مغذی مورد نیاز تولید شیر تحت فشار است، ورود مقادیر بالایی از LPS می‌تواند تاثیر شدیدی در عملکرد سلول‌های کبدی داشته باشد. در بررسی گائو و همکاران (2017) در جیره با مقدار بالای کنسانتره، همزمان با افزایش قابل توجه LPS در خون سیاهرگ باب کبدی، غلظت آلبومین و پروتئین کل پلاسما کاهش و فعالیت آنزیم‌های آلانین‌آمینو ترانسفراز (ALT)، آسپارتات آمینوترانسفرار (AST) و لاکتات دهیدروژناز افزایش یافت که نشان می‌دهد با افزایش LPS، سلول‌های کبدی صدمه دیده و در عملکرد کبد اختلال ایجاد شده است.

نقش LPS در کاهش تولید شیر

اندوتوکسمی از طریق افزایش مصرف گلوکز توسط بافت‌های با تراکم بالای ماکروفاژ منجر به هیپوگلیسمی می‌شود. از این رو، اگر سد عبور LPS از دستگاه گوارش به خوبی عمل نکرده و حجم ورود LPS بالاتراز توان متابولیک کبد باشد ،LPS وارد جریان خون شده و پاسخ التهابی ایجاد خواهد کرد که در گاوهای تحت تنش گرمایی می‌تواند تا 4 مگاکالری انرژی مورد نیاز نگهداری را افزایش داده و در خوشبینانه‌ترین حالت نیاز گلوکز را بیش از 250 تا 500 گرم در روز افزایش دهد. از دیدگاه فیزیولوژیک، این شرایط سهم انرژی غدد پستانی برای تولید شیر را به شدت کاهش خواهد داد. بررسی دیگری نشان داده است با فعال شدن سیستم ایمنی ناشی از چالش LPS، سیستم ایمنی بیش از یک کیلوگرم گلوکز طی720 دقیقه مصرف خواهد کرد و در این شرایط، حتی راهکارهای کمکی حفظ گلوکز خون، نمی‌تواند مانع از کاهش تولید شیر شود. زیرا، پانکراس انسولین بیشتری ترشح می‌کند که موجب کاهش استفاده از گلوکز برای تولید شیر می‌شود و همچنین دام وارد فازی با انعطاف متابولیک پایین می‌گردد که یکی از نشانه‌های مشهود آن کاهش استفاده از ذخایر بافت چربی و افزایش پروتئولیز بافت ماهیچه‌ای است (شکل 3).

شکل 3 – تغییرات متابولیک ناشی از LPS

نقش LPS در کاهش چربی شیر

یکی از اثرات منفی LPS با منشا دستگاه گوارش، کاهش درصد چربی شیر است (شکل 4 و 5). اگر چه مکانیسم کاهش چربی شیر توسط LPS به خوبی روشن نشده است. اما به نظر می‌رسد LPS به طور غیرمستقیم از طریق تحریک آزاد سازی سایتوکین‌های پیش التهابی شامل IL-1 و TNF–α توسط سلول‌های ایمنی، لیپوژنز در سلول‌های پستانی را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، TNF–α فعالیت لیپوپروتئین لیپاز (LPL) غدد پستانی را به عنوان آنزیم کلیدی دخیل در آزادسازی گلیسرول و اسیدهای چرب غیراستریفیه از لیپوپروتئین‌های موجود در گردش خون کاهش می‌دهد. علاوه بر این، LPS از طریق برخی واسطه‌های زیستی، فعالیت آنزیم‌های کلیدی در سنتز de novo اسیدهای چرب شامل اسید چرب سینتاز (FAS) و استیل کوآنزیم آ کربوکسیلاز(ACC) را مهار می‌کند (شکل 4). از این رو، مقدار کل اسیدهای چرب بلند، متوسط و کوتاه زنجیر در دسترس برای تولید چربی شیر کاهش می‌یابد.