¿Qué son las endotoxinas?
Las endotoxinas son parte de la pared celular de las bacterias Gram negativas y que son liberadas cuando la bacteria se rompe o desintegra.
Estas sustancias consisten en complejos de lipopolisacáridos y lipoproteínas conocidas también con las siglas LPS (aunque existen algunas exotoxinas no relacionadas con los LPS, como las proteínas endotoxinas delta del Bacillus thuringiensis).
Las LPS se encuentran en la membrana externa de las bacterias Gram negativas donde realizan funciones de mantenimiento de la integridad estructural de la bacteria y de protección frente a ciertos compuestos químicos.
La liberación de los LPS por las bacterias Gram negativas no requiere necesariamente la destrucción de la pared celular bacteriana, si no que pueden ser secretadas de forma fisiológica como parte de la actividad del tráfico de vesículas de membrana (durante las fases de multiplicación bacteriana).
Los principales efectos perjudiciales en el organismo se deben a las interacciones con el sistema inmune, siendo los LPS unos potentes activadores del sistema inmunitario, llegando a provocar un shock séptico. El efecto tóxico directo es muy pequeño, sin embargo, el efecto de los LPS es indirecto, asociado a la cascada de respuestas inmunes que se desencadenan con la liberación de estas moléculas.
Los efectos son dosis dependiente pero también existe una susceptibilidad individual.
Estructura de los LPS
Los LPS puede llegar a constituir hasta el 75 %-80 % de la pared celular externa de la bacteria.
Antígeno O o Polisacárido O
Polisacárido con distinta composición en función de la cepa bacteriana y localizado hacia el exterior de la bacteria. Determina la seroespecificidad (tipo de anticuerpo que puede reaccionar con la endotoxinas) y responsable del tipo de respuesta inmune.
Núcleo R
Oligosacáridos que unen, a modo de puente, el antígeno O con el lípido A. Está constituido por moléculas de azúcar (hexosas, heptosas…) y componentes no-carbohidratos (fosfato, aminoácidos, etanolamina).
Lípido A
Disacárido de glucosamina fosforilada con múltiples ácidos grasos. Esta cadena hidrofóbica de ácidos grasos sirve de anclaje de los LPS en la membrana bacteriana. El lípido A es el responsable de la toxicidad de las bacterias Gram negativas, definiendo el grado y naturaleza de activación inmunitaria en el organismo.
Mecanismo de toxigénico de los LPS
Los LPS se liberan en dos momentos:
Por lisis bacteriana
Fases reproductoras y de crecimiento de las bacterias.
Estos LPS pueden ser absorbidos mediante transporte paracelular (por alteración de la barrera intestinal) o por transporte transcelular. Por ambas vías son capaces de llegar al sistema circulatorio donde pueden originar fiebre, shock e incluso la muerte.
La molécula LBP es una proteína de unión a LPS producida en el hígado, en las células epiteliales de los pulmones e intestino y forma un complejo de alta afinidad con los LPS libres, alertando al sistema inmune de la presencia de endotoxinas, activando la producción de citoquinas proinflamatorias.
Esta respuesta inflamatoria desencadenada por los LPS-LPB tiene como consecuencia la disminución de los rendimientos en crecimiento y de la eficiencia del pienso.
Además, estos LPS son capaces de complicar otras enfermedades, el estrés oxidativo, alteraciones patológicas inmunomediadas en el hígado e intestino, así como en el tracto respiratorio.
La tolerancia a los LPS viene determinada por una exposición repetida a las endotoxinas y determina el índice de inmunotolerancia a los patógenos Gram (-).
Para prevenir los daños por una inflamación excesiva, se liberan citoquinas antiinflamatorias. Esta inmunosupresión debida a la tolerancia a endotoxinas puede condicionar un aumento del riesgo de infecciones secundarias y disminuir los títulos de vacunación y, por lo tanto, reducir la efectividad de las vacunas.
Salud digestiva y endotoxinas
En un estado de equilibrio de la microbiota o eubiosis, las bacterias Gram (-) y sus endotoxinas (LPS) no afectan negativamente a las células epiteliales intestinales, ya que éstas responden muy poco a los LPS cuando se estimulan apicalmente. Sin embargo, cuando los LPS están presentes en la membrana basolateral se estimula fuertemente la secreción de citoquinas inflamatorias a la luz intestinal originando cambios en la estructura y funcionalidad del epitelio intestinal.
Afecta también a las uniones estrechas y aumenta el estrés oxidativo que afectan a la función de la barrera intestinal comprometiendo su integridad. Asimismo, la inflamación y oxidación inducen apoptosis celular, disminuyendo la altura de las vellosidades y el ratio altura villi/profundidad de las criptas.
Esta disminución en la tasa de renovación celular y en la capacidad de la barrera intestinal impide llevar a cabo distintas funciones como al digestión y absorción de nutrientes.
La presencia en piensos de determinados anti nutrientes, como polisacáridos no amiláceos o grasas oxidadas, micotoxinas, así como el estrés por calor y tratamientos antibióticos, complican el proceso.
Detoxificación y eliminación de LPS
Supone la adaptación del hospedador, aunque conlleva un alto coste por la movilización de recursos.
Uno de los primeros mecanismos para la inactivación de los LPS consiste en la secreción de moléculas que se unen a los LPS denominados péptidos antimicrobianos (AMPs de sus siglas en inglés), por parte de las células intestinales.
Los péptidos antimicrobianos son uno de los mediadores más importantes de la reacción del organismo frente a los LPS. Estos péptidos son atraídos por los patógenos con carga negativa, incluidas las moléculas LPS que cubren las bacterias gramnegativas. Ciertos péptidos antimicrobianos pueden neutralizar directamente los LPS, evitando así su reconocimiento por parte de las células inmunitarias y la liberación de citocinas proinflamatorias.
Los LPS libres en solución forman estructuras agregadas que pueden unirse a proteínas de unión a LPS (LBP). Estas LBP presentan LPS en la superficie de macrófagos y neutrófilos mediante el receptor CD14, lo cual causa la liberación de citocinas proinflamatorias.
Estudios recientes han mostrado que cuando los AMP se unen a LPS libres, descomponen estos agregados en partículas más pequeñas que no se unen tan fácilmente a las LBP. Por lo tanto, los AMP tienen una función muy importante frente a la sepsis, al evitar que el sistema inmunitario pueda reconocer estos LPS libres.
La Fosfatasa Alcalina intestinal también limita la actividad del lípido A provocando su degradación y evitando el reconocimiento por parte del receptor TLR-4 y la producción de citoquinas proinflamatorias.
En el torrente sanguíneo los LPS sufren una hidrólisis limitada y son detoxificados en el hígado a través de receptores específicos y con la colaboración de lipoproteínas de alta densidad y quilomicrones. Tras la detoxificación hepática se excretan a través de la bilis.
Endotoxinas en rumiantes
Los LPS juegan un papel muy importante en varios desordenes en rumiantes: acidosis ruminal, síndrome de hígado graso, enfermedades de la pezuña, retención de placenta, desplazamiento de abomaso.
Las bacterias ruminales son predominantemente Gram (-) y, debido a la fermentación ruminal siempre existe una lisis bacteriana, y, por lo tanto, presencia de LPS de forma natural, creando un entorno que está bajo una continua estimulación inmunológica.
Los mecanismos que determinan la tolerancia frente a LPS en rumiantes son:
Barreras físicas del epitelio (capa externa queratinizada del epitelio ruminal) y la mucosa.
Secreción de péptidos antimicrobianos
Basados en la retroalimentación negativa de la señalización del factor nuclear kappa NF-KB, que estimula el sistema inmunitario de los mamíferos.
Una de las enfermedades más frecuentes en vaca de leche asociada a un aumento sustancial de la carga de LPS es la acidosis ruminal subaguda o SARA (de sus siglas en inglés Sub Acute Ruminal Acidosis) y que se caracteriza por períodos de bajada del pH ruminal dando como resultado un desequilibrio de la población microbiana del rumen y un aumento de la concentración de LPS en rumen e intestino. Debido al enorme consumo de glucosa que supone la activación de los procesos inflamatorios esto puede dar como resultados una drástica caída en la producción de leche.
Además de los efectos locales en el rumen, los LPS, su traslocación e impacto de las endotoxinas circulantes repercuten en la salud del rumiante.
La traslocación de endotoxinas se vuelve especialmente importante cuando el hígado es incapaz de detoxificar las endotoxinas (por ejemplo: durante trastornos hepáticos, como la lipidosis hepática o enfermedad del hígado graso).
También por desafíos con micotoxinas puesto que éstas pueden afectar a las salud hepática y/o facilitar la traslocación de endotoxinas por la pérdida de la integridad intestinal.
Las respuestas inflamatorias, con un aumento en la producción de citoquinas, causadas por la circulación de endotoxinas y otras moléculas tienen un efecto importante sobre el tejido de la pezuña. Por este motivo la SARA está asociada con problemas de cojeras y más específicamente con la decoloración, hemorragia y ulceración de la pezuña.
Endotoxinas en monogástricos
Las endotoxinas pueden afectar la salud y el rendimiento de los cerdos al estimular el sistema inmunológico, dañar la mucosa intestinal e interrumpir las uniones estrechas entre los enterocitos. Las endotoxinas también pueden inducir fiebre, anorexia, diarrea y dificultad respiratoria en cerdos.
La principal vía de liberación y aumento de LPS en porcino son el uso de antibióticos, la presencia de micotoxinas en pienso o distintos factores capaces de desencadenar un período de estrés. Los LPS originan fiebre, cambios en los recuentos de leucocitos, CID (coagulación intravascular diseminada), hipotensión, shock y muerte.
La secuencia de eventos sigue un patrón regular con un período de latencia, un estrés fisiológico que cursa con diarreas, postración e incluso shock que puede conducir finalmente a la muerte.
Existen diferentes métodos para estudiar los efectos de las endotoxinas en la producción porcina, como el desafío experimental con inyección de LPS o mediante la medición de biomarcadores en saliva.
Los pollos de engorde son menos sensitivos que otras especies al efecto de los LPS (por falta de una señalización específica, TRAM-TRIF) pero son capaces de desencadenar una activación del sistema inmune y disminución de la productividad relacionada con la acción de las interleucinas producidas durante la fase aguda inflamatoria.
Distintos estresores, como el estrés por calor, donde se compromete la barrera intestinal favoreciendo la traslocación de LPS, originan inflamación con efectos en la reproducción, tasa de puesta (sobre todo en las fases de inicio y final del ciclo de puesta) e inmunosupresión.
Otros factores que pueden conducir a un aumento de LPS en la luz intestinal, como en porcino, son causas ambientales y otros estresores, componentes del pienso, transiciones, contaminación por micotoxinas o el uso de antibióticos.
En trastornos que conducen a una proliferación de bacterias Gram (-) y disminuyen la función de la barrera intestinal, las endotoxinas son capaces de llegar al flujo sanguíneo provocando reacciones inmunitarias de elevado coste, desviando los recursos de nutrientes al sistema inmune, pero además disminuye la ingesta alterando el rendimiento y comprometiendo el bienestar de los animales.
Soluciones para las endotoxinas vía pienso
Los B-glucanos, presentes en la pared celular de las levaduras tienen una acción inmunomoduladora, por lo que limitan el alcance de la respuesta inflamatoria frente a LPS.
Captadores de micotoxinas, ampliamente utilizados para el control de otras toxinas como las micotoxinas, estas sustancias forman un complejo demasiado grande con las toxinas como para ser absorbido, siendo eliminado a través de las heces.
Estos captadores de micotoxinas pueden ser:
Moléculas hidrófilas: bentonitas, aluminosilicatos (sobre todo para aflatoxinas) capacidad limitada frente a moléculas de naturaleza lipofílica (zearalenona o DON).
Orgánicos” – basados en manano-oligosacáridos (MOS) con capacidad de absorber un amplio rango de micotoxinas.
Al ser neutralizadas las micotoxinas se limitan el efecto sinérgico y el riesgo del efecto negativo de las LPS.
Captadores de endotoxinas. Normalmente tienen el objetivo del lípido A, responsable de los efectos patogénicos de los LPS. Además, su efecto es más o menos consistente con las diferentes endotoxinas.
Productos que favorezcan la salud intestinal, la integridad de la barreara intestinal y la función entérica: enzimas, fibra, extractos de plantas, pro y prebióticos.
Solución combinada frente a problemas de presencia de mico y endotoxinas
Multiprotect Y es un adsorbente de micotoxinas y endotoxinas de amplio espectro que contribuye a reforzar el sistema inmunitario del animal. Su fórmula incluye arcillas, levaduras, antioxidantes de origen vegetal (extractos de uva y de cúrcuma) y betaína.
Multiprotect Y combina dos modos de acción:
1. ADSORCIÓN: Multiprotect Y adsorbe rápida y selectivamente las micotoxinas en el tracto digestivo de los animales, incluida la Aflatoxina B1 y ZEA (gracias a las paredes de levaduras). Asimismo, tienen capacidad de adsorber otras biotoxinas (endo y exotoxinas).
2. BIOPROTECCIÓN: El producto incluye componentes activos seleccionados para:
Apoyar las funciones hepáticas, gracias a la betaína, ya que el hígado es el órgano clave de la detoxificación. Esto ayuda a la detoxificación de las mico/endotoxinas que no pueden ser adsorbidas y eliminadas a nivel intestinal (por ejemplo, DON).
Contribuir a ayudar a las defensas naturales, debilitadas por biotoxinas, gracias a los activos inmunomodulares de la cúrcuma.
Reforzar y completar la acción del sistema antioxidante de los animales, limitando el estrés oxidativo, por la inclusión de extractos antioxidantes procedentes de la uva y la cúrcuma.
Sus principales beneficios:
Amplio rango de actividad: Multiprotect Y actúa sobre una amplia gama de biotoxinas: micotoxinas, endotoxinas y exotoxinas, en las diferentes condiciones de pH del tracto digestivo.
Rapidez: Actúa en tan solo 1 minuto después que ser ingerido por los animales.
Selectividad: Multiprotect Y no tiene riesgo de interaccionar con nutrientes presentes en el pienso.
Multiprotect Y es un producto multiespecie, diseñado para ser incorporado en el pienso completo.
Bibliografía
Reisinger, N.; Wendner, D.; Schauerhuber, N.; Mayer, E. Effect of Lipopolysaccharides (LPS) and Lipoteichoic Acid (LTA) on the Inflammatory Response in Rumen Epithelial Cells (REC) and the Impact of LPS on Claw Explants. Animals 2021, 11, 2058. https://doi.org/10.3390/ani11072058
Lohuis, J A et al. “Pathophysiological effects of endotoxins in ruminants. 1. Changes in body temperature and reticulo-rumen motility, and the effect of repeated administration.” The veterinary quarterly vol. 10,2 (1988): 109-16. https://doi:10.1080/01652176.1988.9694157
Lohuis, J A et al. “Pathophysiological effects of endotoxins in ruminants. 2. Metabolic aspects.” The veterinary quarterly vol. 10,2 (1988): 117-25. https://doi:10.1080/01652176.1988.9694158
Sarmikasoglou, E., Faciola, A.P. Ruminal bacteria lipopolysaccharides: an immunological and microbial outlook. J Animal Sci Biotechnol 13, 41 (2022). https://doi.org/10.1186/s40104-022-00692-5
Josep Garcia-Sirera, Special Nutrients Inc. 2766 Douglas Road, Miami, Fl 33133, USA.2010 Endotoxins in Swine (specialnutrients.com)
Swain T, Deaver CM, Lewandowski A, Myers MJ. Lipopolysaccharide (LPS) induced inflammatory changes to differentially expressed miRNAs of the host inflammatory response. Vet Immunol Immunopathol. 2021 Jul;237:110267. https://doi.org/10.1016/j.vetimm.2021.110267 . Epub 2021 May 10. PMID: 33993048..
Reisinger N, Emsenhuber C, Doupovec B, Mayer E, Schatzmayr G, Nagl V, Grenier B. Endotoxin Translocation and Gut Inflammation Are Increased in Broiler Chickens Receiving an Oral Lipopolysaccharide (LPS) Bolus during Heat Stress. Toxins (Basel). 2020 Sep 29;12(10):622. https://doi.org/10.3390/toxins12100622 PMID: 33003423; PMCID: PMC7601408.
Lei Liu, Di Wang, Xingzheng Li, Adeyinka Abiola Adetula, Adnan Khan, Bing Zhang, Huagui Liu, Ying Yu, Qin Chu, Long-lasting effects of lipopolysaccharide on the reproduction and splenic transcriptome of hens and their offspring, Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 237, 2022, 113527, ISSN 0147-6513, https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.113527