Endotoksinlerin zararlı olabilmesi için ön koşul kan dolaşımı içinde bulunmalarıdır. Kan dolaşımında, düşük seviyelerde bulunan endotoksinler bağışıklık savunması tarafından idare edilebilirken, daha yüksek seviyeler kritik hale gelebilir. Organizmada endotoksin artışı, daha yüksek girdi ve/veya daha düşük temizleme veya detoksifikasyon oranından kaynaklanır.
Editör
EW Nutrition
ENDOTOKSİN NEDİR?
Menşei:
Endotoksinler, ekzotoksinlerle birlikte bakteriyel toksinlerdir. Canlı bakteriler tarafından aktif olarak salgılanan ekzotoksinlerin aksine endotoksinler (Yunanca “endotoksin”; endo = iç; toksin = zehir), Escherichia coli, Salmonella, Shigella ve siyanobakteriler (mavi-yeşil algler) gibi gram-negatif bakterilerin dış hücre zarının bileşenleridir. Sadece aşağıdaki durumlarda salınırlar;
– etkili konak savunma mekanizması veya bazı antibiyotiklerin faaliyetleri nedeniyle bakteriyel ölüm
– bakteri üremesi (dökülme) (Todar, 2008-2012)
Yapı:
Biyokimyasal açıdan endotoksinler lipopolisakkarittir (LPS). Nispeten tek tip bir lipid fraksiyonu (Lipid A) ve türe özgü bir polisakkarit zincirinden oluşurlar. Toksisiteleri esas olarak lipid A’dan kaynaklanır; polisakkarit kısmı aktivitelerini değiştirir. Bakterilerin aksine endotoksinler, ısıya çok dayanıklıdır ve sterilizasyona dirençlidir. Endotoksin ve lipopolisakkarit isimleri, oluşumu ve biyolojik aktiviteyi vugulayan “endotoksin” ve kimyasal yapıyı vurgulayan “lipopolisakkarit” olacak şekilde, eş anlamlı olarak kullanılmaktadır (Hurley, 1995).
Etki:
Endotoksinler, pirojen ajanlar (ateşi tetiklerler) olarak adlandırılan gruba dahildir ve çeşitli immünokompetan hücrelerin sinyal yollarını aktive ederler. Endotoksinlerle erken temas, edinilmiş bağışıklık sisteminin aktivasyonuna ve olgunlaşmasına yol açar. Braun-Fahrländer ve çalışma arkadaşları (2002) endotoksinlere maruz kalan çocukların saman nezlesi, atopik astım ve atopik hassasiyetle ilgili daha az sorun yaşadıklarını bulmuşlardır. Bu durum, insan popülasyonlarında hijyen standartlarının yükseltilmesinden sonra alerjilerde artış gözlenmesinin bir açıklaması olabilir.
Farklı hayvan türleri endotoksin infüzyonlarına karşı farklı hassasiyetler göstermektedir, örneğin (sağlıklı) köpekler, sıçanlar, fareler, tavuklar ≥1mg/kg vücut ağırlığı konsantrasyonlarını tolere ederken, (sağlıklı) ruminantlar ve atlar <5μg/kg vücut ağırlığı konsantrasyonlarında çok hassas tepki vermektedir (Olson ve diğ., 1995’ten aktaran Wilken, 2003).
ORGANİZMANIN ENDOTOKSİNLERE DAHA FAZLA MARUZ KALMASININ NEDENLERİ
Mikroflora aynı zamanda gram negatif bakteriler de içerdiğinden, endotoksinler genellikle bağırsakta meydana gelir. Endotoksinlerin zararlı olabilmesi için ön koşul, kan dolaşımında bulunmalarıdır. Kan dolaşımında, düşük seviyelerde bulunan endotoksinler, bağışıklık savunması tarafından idare edilebilirken, daha yüksek seviyeler kritik hale gelebilir. Organizmada endotoksin artışı, daha yüksek girdi ve/veya daha düşük temizleme veya detoksifikasyon oranından kaynaklanır.
Organizmaya daha yüksek endotoksin girişi
Düzenli bakteri faaliyeti nedeniyle bağırsakta ortaya çıkan ve organizmaya taşınan “normal” az miktardaki endotoksin, karaciğerin temizleme işlevini yerine getirmesi halinde olumsuz bir etkiye sahip olmaz. Ayrıca, yağ dokusunda depolanan endotoksinler de sorun yaratmaz. Ancak bazı faktörler endotoksinlerin salınmasına veya organizmaya taşınmasına yol açabilir:
1. Stres
Doğum, ameliyatlar, yaralanmalar gibi stres durumları bağırsak kanalında iskemiye ve endotoksinlerin organizmaya taşınmasına yol açabilir (Krüger, 1997). Hayvansal üretimde yüksek sıcaklık ve yüksek stok yoğunluğu gibi diğer stres durumları, kan dolaşımında daha yüksek endotoksin seviyelerinin görünmesine katkıda bulunur. Stres, su, sodyum ve enerji açısından zengin maddeler için daha yüksek bir metabolik talebe yol açar. Bu maddelerin daha fazla bulunabilmesi için bağırsak bariyerinin geçirgenliği artar, bu da muhtemelen bakterilerin ve toksinlerinin kan dolaşımına daha fazla geçmesine yol açar.
Örnekler:
– Deneysel bir çalışmada yüklenme, taşınma ve yüksek sıcaklıklar nedeniyle strese maruz kalan hayvanlarda daha yüksek endotoksin seviyeleri görülmüştür (Seidler (1998), aktaran Wilken (2003)).
– Maraton atları (Brock-Utne ve ark., 1988) ve yarış atları (Baker ve ark., 1988) da koşu stresiyle orantılı olarak kanda daha yüksek endotoksin konsantrasyonları göstermiştir; bu nedenle, eğitimli atlar eğitimsizlere göre daha düşük konsantrasyonlar göstermiştir.
2. Enerji mobilizasyonu için lipoliz
Sürekli stres nedeniyle endotoksinler sürekli olarak kan dolaşımına girerse, yağ dokusunda depolanabilirler. SR-B1 (Scavenger reseptörü B1, örüntü tanıma reseptörleri grubuna ait bir membran reseptörü) lipidlere ve lipopolisakkaritlere bağlanarak muhtemelen LPS’nin şilomikronlara dahil olmasını teşvik eder. Şilomikronlardan diğer lipoproteinlere aktarılan LPS nihayetinde yağ dokusuna ulaşır (Hersoug ve diğ., 2016). Örneğin laktasyonun başlangıcı sırasında lipoliz yoluyla enerjinin mobilizasyonu, endotoksinlerin kan dolaşımına yeniden girmesine yol açar.
3. Bağırsak bariyerinin hasar görmesi
Normal koşullarda, bakteriyel aktivite nedeniyle bağırsakta endotoksinler bulunur. Bağırsak bariyerinin hasar görmesi, bu endotoksinlerin (ve bakterilerin) kan dolaşımına geçmesine izin verir.
4. Gram-negatif bakterilerin yok edilmesi
Endotoksinler için bir başka “kaynak” da bakterilerin yok edilmesidir. Bu, bir yandan organizmanın bağışıklık sistemi tarafından ya da Gram bakterileri hedef alan bakterisidal maddelerle tedavi yoluyla yapılabilir (Kastner, 2002). Endotoksin salınımının artmasını önlemek için, Gram-negatif bakteriler söz konusu olduğunda, bakterileri yok etmeden sadece büyümeyi engelleyen bakteriyostatik maddelerle veya LPS-bağlayıcı ajanlarla birlikte bakterisitlerle tedavi, daha iyi bir alternatif olacaktır (Brandenburg, 2014).
5. Gram-negatif bakterilerin çoğalması
Gram-negatif bakteriler de büyüdüklerinde küçük miktarlarda endotoksin saldıkları için çoğalmalarını destekleyen her şey aynı zamanda endotoksinlerin artmasına da yol açar:
Dengesiz beslenme
Örneğin yüksek verimli inekler, nişasta, yağ ve protein bakımından zengin diyetlerle beslenir. Aynı “taşıyıcı” (scavenger receptor class B type 1, SR-BI) yağ emiliminin yanı sıra endotoksin emilimi için de kullanılabildiğinden (Hersoug ve diğ., 2016), artan yağ beslemesi organizmada daha yüksek endotoksin konsantrasyonuna yol açar.
Monogastrik türlerin temsilcisi olarak insanlarla yapılan bir çalışmada, Deopurkar ve çalışma arkadaşları sağlıklı katılımcılara üç farklı içecek (glikoz – %100 karbonhidrat, portakal suyu – %92 karbonhidrat ve krema – %100 yağ) vermiştir. Sadece kremalı içecek, plazmadaki lipopolisakkarit seviyesini arttırmıştır.
Bulaşıcı hastalıklar
Mastitis, metritis gibi bulaşıcı hastalıklar ve E. coli, Salmonella gibi gram bakterilerin neden olduğu diğer enfeksiyonlar, endotoksin salınımının kaynakları olarak kabul edilebilir.
Azalmış detoksifikasyon veya bozunma
Ana sorumlu organ: karaciğer
Görev: yer değiştiren endotoksinin detoksifikasyonu ve bozunması. Karaciğer, lipopolisakkarit yapılarını bağlamak ve nötralize etmek için gerekli olan lipopolisakkarit bağlayıcı proteinler (LBP) gibi maddeler üretir.
Doğum sonrası dönemde organizma katabolik fazdadır ve süt üretimine bağlı olarak enerji üretimi için lipoliz önemli ölçüde artar. Artan lipoliz, daha önce de belirtildiği gibi, yağ dokusundan endotoksin salınımına ve aynı zamanda karaciğerde yağlı dejenerasyona yol açar. Yağlı dejenere bir karaciğer, endotoksin temizlemede normal bir karaciğerle aynı performansı gösteremez (Andersen, 2003; Andersen ve diğ., 1996; Harte ve diğ., 2010; Wilken, 2003). Andersen ve çalışma arkadaşları (1996) tarafından yapılan bir çalışmada, karaciğer yağlanması olan ineklerde endotoksinlerin tamamen temizlenmesi mümkün olmamıştır. Hepatik lipidozların oluşumu, doğumdan sonra artmaktadır (Reid ve Roberts, 1993; Wilken, 2003).
Ayrıca karaciğerin diğer hastalıkları da, karaciğerdeki endotoksin klirensini etkiler. Hanslin ve çalışma arkadaşları (2019), önceden sistemik enflamatuar yanıt sendromu olan hayvanlarda, endotoksin eliminasyonunun bozulduğunu tespit etmiştir.
ENDOTOKSİNLERİN NEDEN OLDUĞU SORUNLAR
Öte yandan endotoksinler, küçük miktarlarda ortaya çıktığında bağışıklık sistemini olumlu yönde uyarabilir (Sampath, 2018). McAleer ve Vella’ya (2008) göre lipopolisakkaritler, CD4 T hücre yanıtlarını etkileyerek aşılama durumunda bağışıklık tepkisini güçlendirmek için doğal adjuvanlar olarak kullanılmaktadır. Öte yandan, MMA-Kompleksi veya septik şok gibi ciddi sorunların gelişiminde rol oynarlar (Sampath, 2018).
– Mastitis, memenin bakteriyel bir enfeksiyonudur:
Mastitis iki yönden tetiklenebilir. Bir yandan endotoksemi sitokinlerin (IL1, 6, TNFα) yükselmesine yol açar. Düşük Ca ve K seviyeleri meme başı sfinkterinin daha az işlevsel olmasına neden olarak çevresel patojenlerin memeye girişini kolaylaştırır ve mastitisle sonuçlanır. Öte yandan, yavrulama stresi nedeniyle Kortizol konsantrasyonlar yükselir. Ortaya çıkan bağışıklık sistemi baskılanması, E. coli’nin memede çoğalmasını sağlar.
– Metrit, vulvar akıntılarla seyreden bir uterus enfeksiyonudur:
Kasılmaların azalmasına ve dolayısıyla uzamış ve/veya karmaşık çiftleşmeye veya ölü yavrulara yol açar. Metrit, oksitosin ve prostaglandin F2α salgılanmasında azalmaya neden olan stres tarafından teşvik edilebilir. Morkoc ve çalışma arkadaşları (1983) metritis ile endotoksinler arasında bir ilişki bulamamışlardır.
– Agalaktia, süt üretiminin azalması veya tamamen kaybolması:
Birçok vakada agalakti, yavru açlık ve/veya kilo kaybı belirtileri gösterene kadar tespit edilmez. En kötü ihtimalle bazı türlerin yavrularında ölüm oranı artar. Muhtemelen süt eksikliği, laktasyonda rol oynayan hormonların düşük seviyelerinden kaynaklanmaktadır. Örneğin prolaktin seviyeleri küçük miktarlarda endotoksin ile önemli ölçüde azalabilir (Smith ve Wagner, 1984).
Endotoksin şoku
Septik şok, yüksek miktarda endotoksin salınımına verilen yanıt olabilir.
Gram-negatif bakterilerle enfeksiyon durumunda, hayvanlar (genellikle bakterisidal) antibiyotiklerle tedavi edilir. Ayrıca, bağışıklık sistemi bakterileri ortadan kaldırmaktadır. Bakteri ölümü nedeniyle büyük ölçüde endotoksin salınır. Bunlar, bağlanmadıklarında, makrofajlar, monositler ve endotel hücreleri dahil olmak üzere bağışıklık sistemini aktive ederler. Sonuç olarak, TNFα, İnterlökin 1 (IL-1), IL-6 ve lökotrienler gibi yüksek miktarda hücresel aracılar salınır. Yüksek seviyedeki pro-enflamatuar sitokinler kompleman ve koagülasyon kaskadını aktive eder. Bazı hayvanlarda daha sonra prostaglandin ve lökotrienlerin üretimi uyarılır, yüksek ateş, kan basıncının düşmesi, kanda trombüs oluşumu, koma, çeşitli organlarda hasar ve ölümcül (endotoksik) şok ortaya çıkar.
Endotoksik şok, tüm sürünün bağışıklığı uyarılmış olmasına rağmen, yalnızca birkaç duyarlı hayvanda görülür. Daha ciddi bir sorun, endotoksemi nedeniyle kaynakların üretimden bağışıklık sistemine aktarılmasıyla normalde güçlü olan yavruların performansının düşmesidir.
Şiddetli ishal
Lipopolisakkaritler, gastrointestinal fonksiyonları etkileyen prostaglandinlerin salınımının artmasına neden olur. Mukozadaki lökotrienler ve pro-enflamatuar mediatörler, birlikte bağırsak emilimini azaltırlar (Munck ve diğ., 1988; Chiossone ve diğ., 1990) ama aynı zamanda bağırsakta pro-sekretuar bir durum başlatırlar. Liang ve çalışma arkadaşları (2005) ince bağırsakta doza bağlı olarak bol miktarda sıvı biriktiğini ve bunun da sıçanlarda diyarejenik aktivitenin artmasına ve gastrointestinal hareketliliğin azalmasına yol açtığını gözlemlemişlerdir.
SONUÇ
Gram bakterilere karşı uygulanan önlemler daha da ciddi bir sorun olan endotoksemi ile sonuçlanabilir. Endotoksinler, organizma üzerinde doğrudan olumsuz bir etkiye sahip olmanın yanı sıra, bazı hastalıklara da neden olur. Toksinlerin bağlanması da dahil olmak üzere farklı yaklaşımlarla bağırsak sağlığının desteklenmesi, hayvanların sağlıklı kalmasına yardımcı olur.
Referanslar
1. Andersen, P.H. “Bovine endotoxicosis – some aspects of relevance to production diseases. A review.” Acta vet. scand. Suppl. 98 (2003): 141-155. DOI: 10.1186/1751-0147-44-S1-P57
2. Andersen, P.H., N. Jarløv, M. Hesselholt, and L. Bæk. “Studies on in vivo Endotoxin Plasma Disappearance Times in Cattle.” Zentralblatt für Veterinärmedizin. Reihe A 43 no. 2(1996): 93-101. DOI: 10.1111/j.1439-0442.1996.tb00432.x
3. Baker, B., S.L. Gaffin, M. Wells, B.C. Wessels and J.G. Brock-Utne. “Endotoxaemia in racehorses following exertion.” Journal of the South African Veterinary Association June (1988): 63-66. https://journals.co.za/docserver/fulltext/savet/59/2/1341.pdf?expires=1598542211&id=id&accname=guest&checksum=E50C766D318776E09CA41DA912F14CAD
4. Beutler, B. and T. Rietschel. “Innate immune sensing and its roots: The story of endotoxin.” Nature Reviews / Immunology 3(2003): 169-176. DOI: 10.1038/nri1004
5. Brandenburg, K. “Kleines Molekül – große Hoffnung – Neue Behandlungsmöglichkeit gegen Blutvergiftung in Sicht.“ Newsletter 70 (Okt.); Bundesministerium für Bildung und Forschung (2014). https://www.gesundheitsforschung-bmbf.de/de/kleines-molekul-grosse-hoffnung-neue-behandlungsmoglichkeit-gegen-blutvergiftung-in-sicht-2716.php
6. Braun-Fahrländer, C., J. Riedler, U. Herz, W. Eder, M. Waser, L. Grize, S. Maisch, D. Carr, F. Gerlach, A. Bufe, R.P. Lauener, R. Schierl, H. Renz, D. Nowak and E. von Mutius. „Environmental exposure to endotoxin and its relation to asthma in school-age children. ”The New England Journal of Medicine 347 (2002): 869-877. DOI: 10.1056/NEJMoa020057.
7. Brock-Utne, J.G., S.L. Gaffin, M.T. Wells, P. Gathiram, E. Sohar, M.F. James, D.F. Morrel, and. R.J. Norman. “Endotoxemia in exhausted runners after a long-distance race.” South Afr. Med. J. 73 (1988): 533-536. https://www.researchgate.net/publication/19780279_Endotoxaemia_in_exhausted_runners_after_a_long-distance_race
8. Chiossone, D. C., P.L. Simon, P.L. Smith. “Interleukin-1: effects on rabbit ileal mucosal ion transport in vitro.” European Journal of Pharmacology 180 no. 2-3 (1990): 217–228. DOI: 10.1016/0014-2999(90)90305-P.
9. Deopurkar R., H. Ghanim, J. Friedman, et al. “Differential effects of cream, glucose, and orange juice on inflammation, endotoxin, and the expression of Toll-like receptor-4 and suppressor of cytokine signaling-3.” Diabetes care 33 no. 5 (2010):991–997.
10. Erridge, C., E. Bennett-Guerrero, and I.R. Poxton. “Structure and function of lipopolysaccharides.” Microbes and Infection 4 no. 8 (2002): 837-851. DOI: 10.1016/s1286-4579(02)01604-0
11. Fritsche, D. “Endotoxinpromovierte bakterielle Translokationen und Besiedelung von Uterus und Euter beim Hochleistungsrind im peripartalen Zeitraum.“ Dissertation. Leipzig, Univ., Veterinärmed. Fak. (1998)
12. Hanslin, K., J. Sjölin, P. Skorup, F. Wilske, R. Frithiof, A. Larsson, M. Castegren, E. Tano, and M. Lipcsey. “The impact of the systemic inflammatory response on hepatic bacterial elimination in experimental abdominal sepsis.” Intensive Care Medicine Experimental 7 (2019): art. 52. https://doi.org/10.1186/s40635-019-0266-x
13. Harte, A.L., N.F. da Silva, S.J. Creely, K.C. McGee, T. Billyard, E.M. Youssef-Elabd, G. Tripathi, E. Ashour, M.S. Abdalla, H.M. Sharada, A.I. Amin, A.D. Burt, S. Kumar, C.P. Day and P.G. McTernan. “Research Elevated endotoxin levels in non-alcoholic fatty liver disease.” Journal of Inflammation 7 (2010): 15-24. DOI: 10.1186/1476-9255-7-15
14. Hersoug, L.-G., P. Møller, and S. Loft. “Gut microbiota-derived lipopolysaccharide uptake and trafficking to adipose tissue: implications for inflammation and obesity.” Obesity Reviews 17 (2016): 297–312. DOI: 10.1111/obr.12370
15. Hurley, J. C. “Endotoxemia: Methods of detection and clinical correlates.” Clin. Microbiol. Rev. 8 (1995): 268–292. DOI: 10.1128/CMR.8.2.268
16. Kastner, A. “Untersuchungen zum Fettstoffwechsel und Endotoxin-Metabolismus bei Milchkühen vor dem Auftreten der Dislocatio abomasi.” Inaug. Diss. Universität Leipzig, Veterinärmed. Fak. (2002). https://d-nb.info/967451647/34
17. Krüger M. “Escherichia coli: Problemkeim in der Nutztierhaltung.” Darmflora in Symbiose und Pathogenität. Ökologische, physiologische und therapeutische Aspekte von Escherichia coli. 3. Interdisziplinäres Symposium. Alfred-Nissle-Gesellschaft (Ed.). Ansbach, 28.-29. Nov. (1997): 109-115.
18. Liang, Y.-C., H.-J. Liu, S.-H. Chen, C.-C. Chen, L.-S. Chou, and L. H. Tsai. “Effect of lipopolysaccharide on diarrhea and gastrointestinal transit in mice: Roles of nitric oxide and prostaglandin E2.” World J Gastroenterol. 11 no. 3 (2005): 357–361. DOI: 10.3748/wjg.v11.i3.357
19. McAleer, J.P. and Vella, A.T. “Understanding how lipopolysaccharide impacts CD4 T cell immunity.” Crit. Rev. Immunol. 28 no. 4 (2008): 281-299. DOI:10.1615/CRITREVIMMUNOL.V28.I4.20
20. Morkok, A., L. Backstrom, L. Lund, A.R.Smith. “Bacterial endotoxin in blood of dysgalactic sows in relation to microbial status of uterus, milk, and intestine.” JAVMA 183 (1983): 786-789. PMID: 6629987
21. Munck, L.K., A. Mertz-Nielsen, H. Westh, K. Buxhave, E. Beubler, J. Rask-Madsen. “Prostaglandin E2 is a mediator of 5-hydroxytryptamine induced water and electrolyte secretion in the human jejunum.” Gut 29 no. 10 (1988): 1337-1341
22. Pig Progress. “Mastitis, Metritis, Agalactia (MMA).” https://www.pigprogress.net/Health/Health-Tool/diseases/Mastitis-metritis-agalactia-MMA/
23. Sampath, V.P. “Bacterial endotoxin-lipopolysaccharide; structure, function and its role in immunity in vertebrates and invertebrates.” Agriculture and Natural Resources 52 no. 2 (2018): 115-120. https://doi.org/10.1016/j.anres.2018.08.002
24. Seidler, T. “Freies Endotoxin in der Blutzirkulation von Schlachtschweinen: eine Ursache für bakterielle Translokationen?” Diss. Universität Leipzig, Veterinärmed. Fak. (1998).
25. Smith, B.B. and W.C. Wagner. “Suppression of prolactin in pigs by Escherichia coli endotoxin”. Science 224 no. 4649 (1984): 605-607
26. Wilken, H. “Endotoxin-Status und antioxidative Kapazität sowie ausgewählte Stoffwechselparameter bei gesunden Milch- und Mutterkühen.” Inaugural Diss. Universität Leipzig (2003).
Inge Heinzl Hakkında
Inge Heinzl, Münih Üniversitesi’nden ziraat alanında doktora derecesi almıştır ve hayvan besleme alanında uzun bir çalışma deneyimine sahiptir. Son 15 yıldır EW Nutrition’da çalışmaktadır ve azaltılmış antibiyotik kullanımı ile bağırsak sağlığı, domuz ve ruminantlar için yumurta immünoglobülinleri ve özellikle mikotoksinler ve endotoksinlere odaklanarak yem kalitesi gibi konularda ürün yöneticileri ve teknik yöneticilerle iş birliği yapmaktadır.
