Wiemy coraz więcej, o tym, jak istotną rolę odgrywa mikrobiom w organizmie człowieka, jak zmienia się zależnie od stresujących sytuacji. Również u zwierząt hodowlanych stres zaburza mikrobiologię układu pokarmowego – opowiada Natalia Szeligowska, doktorantka z Wydziału Biologii i Hodowli Zwierząt Uniwersytetu Przyrodniczego, główna autorka publikacji, która ukazała się w czasopiśmie „BMC Veterinary Research”.
Owce w stresie
Temat podsunął mgr inż. Konrad Wojnarowski, wówczas doktorant z tego samego instytutu UPWr, obecnie pracownik naukowy Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium: – Pomysł na badania był wynikiem naszego zainteresowania szeroko pojętym zagadnieniem dobrostanu zwierząt.
– Ciąża jest jednym z najcięższych fizjologicznie okresów u samic ssaków, stąd idea porównania poziomów transferazy s-glutationowej (GST), czyli jednego z markerów stresu komórkowego oraz kortyzolu, hormonu stresu – dodaje dr inż. Paulina Cholewińska z Wydziału Biologii i Hodowli Zwierząt UPWr. – Co istotne, oba te czynniki mogą wpływać na mikrobiologię układu pokarmowego zarówno ludzi, jak i zwierząt. Zajęliśmy się owcami, bo są uznawane za zwierzę modelowe dla kobiecej ciąży. W projekcie połączyliśmy doświadczenie Konrada Wojnarowskiego dotyczące biologii komórki i moje, związane z mikrobiologią zwierząt. Projekt rozpoczął się niemal równocześnie z pandemią, w czerwcu 2020 r. Autorzy przyznają, że początkowo skomplikowało to prowadzenie badań: uczelnia była zamknięta, dostęp do laboratoriów utrudniony. Dopiero po pierwszej fali uzyskali zgodę na badania, do których wybrali 18 owiec: dziewięć 14-miesięcznych pierwiastek i dziewięć dwuletnich wieloródek, które rodziły po raz drugi. Zwierzęta utrzymywane w Stacji Badawczo-Dydaktycznej UPWr na Swojczycach przebywały w tych samych warunkach i były tak samo karmione, głównie sianem, a także łubinem, owsem i wysłodkami buraczanymi. Do badań kilkakrotnie pobrano kał, a tuż po porodzie także fragmenty łożysk.
Analizy próbek wykazały różnice w składzie mikrobiologicznym u obu grup. Pierworódki miały istotnie wyższy poziom GST i kortyzolu, co wskazuje na wyższy poziom stresu.
– Zapewne dlatego, że poród był dla nich nowym, nieznanym doświadczeniem – mówi Natalia Szeligowska. – U owiec, podobnie jak u ludzi, nadnercza wydzielają w czasie ciąży więcej kortyzolu, który może mieć toksyczny wpływ na matkę i na płód. Aby płód mógł się prawidłowo rozwijać, ważne jest ograniczenie stresorów i utrzymanie homeostazy matki.
Stres, poprzez między innymi wpływ na mikrobiom, zwiększa także podatność na infekcje. Naukowcy wykazali, że w różnych okresach ciąży skład mikrobiomu zmieniał się: u pierworódek przez cały okres ciąży poziom korzystnych bakterii był niższy niż u wieloródek – to najpewniej także efekt stresu.
Dla środowiska, dla zwierząt
Naukowcy oparli się na badaniach łożyska i kału, choć początkowo planowali analizę krwi.
– Zrezygnowaliśmy jednak z pobierania krwi, ponieważ procedura uzyskiwania zgody od Komisji Etycznej do Spraw Doświadczeń na Zwierzętach przy Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN we Wrocławiu może być długotrwała, a projekt mógł trwać tylko rok. Opracowaliśmy więc plan zakładający mniej inwazyjne metody, aby stres wywołany naszymi działaniami nie wpłynął na poziom badanego kortyzolu, ale również, aby te metody były jak najbardziej adekwatne do naszej tematyki badawczej – wyjaśnia dr inż. Paulina Cholewińska
Zgoda komisji etycznej to jeden z elementów, które mają zwierzętom zapewnić optymalny dobrostan. Ogranicza się do minimum wszystko, co nie jest absolutnie niezbędne i co mogłoby prowadzić do jeszcze większego stresu. Na dobrostan wpływa także żywienie dostosowane do potrzeb zwierząt, dostęp do pastwisk, należyta opieka weterynaryjna i zaspokojenie potrzeb socjalnych: owce to zwierzęta stadne, nie należy ich izolować.
Konrad Wojnarowski: – Na szczęście antropocentryczne podejście do badań powoli przemija. W nauce XXI wieku coraz większy nacisk kładzie się na poprawę warunków życia utrzymywanych przez nas zwierząt, jak i całego otaczającego nas środowiska. W naszym niewielkim zespole staraliśmy się prowadzić wszelkie badania w jak najmniej inwazyjny sposób. Jest to niezbędna praktyka, a zarazem nauka i wzór postępowania dla młodych naukowców. Dzięki nowym metodom i technikom laboratoryjnym możemy analizować wpływ wielu czynników na dobrostan zwierząt i stale go poprawiać. Jesteśmy to winni zarówno środowisku, jak i samym zwierzętom.
17 listopada 2021 r. zmieniła się ustawa o ochronie zwierząt wykorzystywanych do celów naukowych lub edukacyjnych, oparta na trzech zasadach. Zasada zastąpienia to stosowanie, jeśli tylko jest to możliwe, zamiast danej procedury − metody lub strategii badawczej, która jest zadowalająca pod względem naukowym i nie obejmuje wykorzystywania zwierząt. Zasada ograniczenia mówi o zredukowaniu do minimum liczby zwierząt wykorzystywanych w procedurach, a zasada udoskonalenia zaleca udoskonalenie hodowli zwierząt i metod stosowanych w procedurach tak, aby wyeliminować lub ograniczyć do minimum ból, cierpienie, dystres lub trwałe uszkodzenie.
Naukowcy prowadzili badania z wykorzystaniem owiec rasy olkuskiej, która powstała w latach 30. XX wieku w powiecie olkuskim, w wyniku kojarzenia maciorek lokalnej rasy z trykami sprowadzonymi z Kaszub. – To duże, średnio umięśnione, bezrogie owce o białym umaszczeniu i długich uszach. Charakteryzują się bardzo wysoką plennością oraz zdolnościami macierzyńskimi. Od 2005 roku ta rasa, podobnie jak 12 innych ras, jest objęta Programem Ochrony Zasobów Genetycznych ze względu na geny odpowiedzialne za wysoką płodność – opowiada Natalia Szeligowska. Do ras plennych należą, oprócz olkuskiej, także owce fryzyjskie, rasa romanowska i fińska.
W Polsce jest utrzymywanych wiele ras owiec, m.in. merynos polski, polska owca górska, wrzosówka czy owce szerstne takie jak kameruńska. W Stacji Badawczo-Dydaktycznej na Swojczycach owce olkuskie sąsiadują z innymi utrzymywanymi tam gatunkami zwierząt: alpakami, krowami rasy holsztyńsko-fryzyjskiej, kozami, gęśmi i kurami. Owce ze Swojczyc były już obiektem wielu interesujących badań na Uniwersytecie Przyrodniczym: sprawdzano m.in. właściwości fizykochemiczne wełny, skład i wpływ różnych związków na mleko i sery owcze. – We wcześniejszych badaniach wstępnie wykazaliśmy różnice w składzie bakteryjnym układu pokarmowego między różnymi rasami owiec – dodaje Paulina Cholewińska.
Wiele możliwych ścieżek
– Ten projekt był dla mnie świetną przygodą naukową, która utwierdziła mnie w przekonaniu, że wybrałam właściwy kierunek. Ułatwił mi także dostanie się na studia doktoranckie – mówi Natalia. Doktorat jest rozwinięciem tematu jej pracy magisterskiej: wówczas pisała o wpływie diety na mikrobiom krów mięsnej rasy charolaise, teraz będzie badać zależność między mikrobiologią układu pokarmowego a odpornością u bydła ras mlecznych. Przyznaje, że mikrobiom to fascynujący temat.
– W jelitach zwierząt bytują m.in. archeony, mikroorganizmy biorące udział w wytwarzaniu metanu w układzie pokarmowym. Wiadomo, że jest to gaz o bardzo wysokim potencjale cieplarnianym, którego emisję do atmosfery należy ograniczać ze względu na ochronę środowiska naturalnego. Prowadzi się więc badania, które pozwoliłyby ograniczyć liczbę archeonów w układzie pokarmowym – opowiada doktorantka.
Archeony wraz z kilkoma tysiącami gatunków bakterii, pierwotniaków, grzybów i wirusów zasiedlają układ pokarmowy zwierząt; wiele z tych mikroorganizmów jest podobnych u ludzi i zwierząt. Tworzą środowisko, bez którego nie moglibyśmy istnieć. Pomagają w prawidłowym trawieniu, wchłanianiu składników odżywczych, wytwarzaniu witamin z grupy B, witaminy K i kwasu foliowego. Dzięki rywalizacji o środowisko bytowania uniemożliwiają kolonizację przez bakterie patogenne, co ogranicza ryzyko wystąpienia procesów zapalnych. Działając jako swoisty układ immunologiczny, wpływają na homeostazę organizmu. Coraz więcej mówi się o zależności między mikrobiomem a depresją, otyłością, cukrzycą, alergią. Kiedyś mówiono o mikroflorze, teraz używamy pojęcia, które w 2021 r. wprowadził amerykański genetyk i mikrobiolog, prof. Joshua Lederberg, laureat nagrody Nobla. Mikrobiota to zbiór wszystkich mikroorganizmów zasiedlających organizm zwierząt i ludzi, natomiast mikrobiom, pojęcie często używane zamiennie, to zbiór genomów tych drobnoustrojów.
– Warto byłoby lepiej poznać mikrobiom przeżuwaczy, na przykład rozszerzyć nasze badania pod kątem analizy innych gromad czy nawet sekwencjonowania bakterii zasiedlających ich układ pokarmowy i łożysko. W kontekście dobrostanu ciężarnych samic dobrze byłoby przeprowadzić kolejne badania, które pozwoliłyby na obniżenie skutków działania kortyzolu na organizm matki i jagniąt – mówi Natalia Szeligowska.
– W ostatnim czasie badania związane z mikrobiologią zwierząt nabierają coraz większego znaczenia; mikrobiom to złożony ekosystem, który wpływa na niemal wszystkie parametry produkcyjne istotne dla hodowcy. Istnieje wiele potencjalnych ścieżek kontynuacji naszych badań, jednak będzie to zależało od wyników aktualnego projektu – dodaje Paulina Cholewińska. – Owce do wrocławskiego badania wybraliśmy nie ze względu na rasę, a dostępność zwierząt. Podjęliśmy teraz współpracę z Uniwersytetem Przyrodniczym w Lublinie, gdzie jest więcej ras owiec i, co dla nas bardzo istotne, utrzymywanych w tym samym środowisku.
Paulina Cholewińska i Natalia Szeligowska współpracują obecnie, w ramach nowego projektu „Innowacyjny Naukowiec”, z prof. Andrzejem Junkuszewem z Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie i dr inż. Wandą Górniak z Politechniki Wrocławskiej oraz kontynuują współpracę z Konradem Wojnarowskim z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium nad określeniem zmienności bakterii w układzie pokarmowym ze względu na rasę owiec i ich stan fizjologiczny.
Źródło: UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU – Aneta Augustyn
