Mikrobiom to specyficzny i unikalny dla danego makroorganizmu zespół drobnoustrojów oraz ich genów kształtujący się od narodzin do późnej starości. Określona dieta kreuje dany mikrobiom, który jest układem dynamicznym, oddziałującym korzystnie na zdrowy organizm zwierzęcia. Niemniej różne czynniki, w tym zmiana diety, antybiotyki, choroba itd., mogą w znaczącym stopniu wpływać na równowagę układu mikrobiom – żywiciel.
dr n. wet. Agnieszka Kurosad
Vet Planet Sp. z o.o.
Rola mikrobiomu w organizmie gospodarza
Mikroflora przewodu pokarmowego definiowana obecnie jako mikrobiom to specyficzny i unikalny dla danego organizmu zbiór drobnoustrojów oraz ich genów, głównie bakterii, wirusów, archeonów, grzybów itd. Zasiedlają one cały organizm gospodarza od jamy ustnej po okrężnicę, występują również w drogach oddechowych, układzie moczowo-płciowym itd. Ich ilość w przewodzie pokarmowym szacuje się na około 1000 gatunków, ale ich genom jest około 150 razy większy od genomu gospodarza (Simpson i wsp., 2002). W jelicie cienkim bytują głównie bakterie tlenowe i fakultatywne beztlenowce, podczas gdy mikrobiom okrężnicy składa się głównie z beztlenowców. Dominującym gatunkiem są: Bacteroidetes i Firmicutes, które obejmują grupy: Clostridium, Ruminococcus spp., Faecalibacterium spp. oraz Dorea spp. (Simpson i wsp., 2002; Ritchie i wsp., 2008).
Mikrobiom odgrywa ważną rolę w rozwoju przewodu pokarmowego, moduluje układ odpornościowy, chroni gospodarza przed patogenami i pomaga w funkcjonowaniu bariery jelitowej. Aktywność mikrobiomu jest związana z produkcją wielu korzystnych metabolitów i aktywnym uczestnictwem w szlakach metabolicznych (wytwarzanie SCFA, dekoniugacja i dehydroksylacja kwasów żółciowych, produkcja neuroprzekaźników: serotonina i kwas gamma-aminomasłowy (GABA) oraz związków przeciwzapalnych). Szczególne znaczenie w aspekcie zdrowia makroorganizmu mają przemiany pierwotnych kwasów tłuszczowych do wtórnych, które zachodzą przy udziale Clostridium hiranonis. Brak tej bakterii jest związany z występowaniem stanów zapalnych jelit. Inne bakterie, takie jak: Ruminococcus, Faecalibacterium i Turicibacter, uczestniczą w przemianach pokarmowych węglowodanów do krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFAs): takich jak kwas masłowy, octowy czy propionowy. Wywierają one efekt troficzny w stosunku do enterocytów, uczestniczą w regulacji uczucia sytości, aktywności motorycznej przewodu pokarmowego, obniżają pH treści jelit, jak również wykazują działanie przeciwzapalne (Pilla i wsp., 2021). Inne metabolity bakterii jelitowych wpływają na poprawę funkcjonowania błony komórkowej i zwiększają produkcję śluzu. Wśród istotnych dla zdrowia gospodarza produktów syntezowanych przez drobnoustroje jelitowe znajdują się również witaminy: B i K. Widać więc, jak duże znaczenie ma właściwy mikrobiom i wytworzona między nim a makroorganizmem swoista równowaga warunkująca zdrowie tego ostatniego. Niemniej warto zaznaczyć, że jest to układ dynamiczny, który zmienia się w zależności od wielu czynników, z których dominującym jest dieta.
Wpływ składników diety na profil mikrobioty jelitowej
Mikrobiom reaguje na składniki odżywcze. Zmiany taksonów bakterii często wymagają dużych zmian makroskładników w diecie, najczęściej białka i tłuszczu. Niemniej okazało się, że także niewielkie zmiany w diecie (np. dodatek mikroelementów), niemające wpływu na sam mikrobiom, lecz na produkowane przez niego metabolity, są istotne dla makroorganizmu. Dlatego mówiąc o dobroczynnym wpływie na żywiciela, wspominamy nie tylko o mikrobiomie, lecz także o jego metabolitach.
Bakterie w przewodzie pokarmowym spełniają określone funkcje, pewna ich grupa fermentuje określone rodzaje błonnika i węglowodanów, inne – białka. Ta złożoność mikrobioty, którą tworzy wiele różnych gatunków drobnoustrojów, zajmujących tę samą niszę i spełniających podobne zadania, daje makroorganizmowi tzw. przewagę ewolucyjną. Dzięki temu nigdy za jedną funkcję nie jest odpowiedzialny tylko jeden gatunek bakterii, którego unicestwienie w warunkach monozależności funkcji od gatunku mogłoby spowodować znaczącą szkodę dla żywiciela. Niemniej utrzymanie tak złożonego mikrobiomu w „zdrowiu” jest dużym wyzwaniem. Dlatego w chwili obecnej mikrobiom psa i kota znajduje się w centrum zainteresowania naukowców.
Mikrobiom zdrowych psów jest zdominowany przez trzy typy: Firmicutes, Bacteroidetes i Fusobacterium. W ich obrębie wyróżnia się głównie: Clostridia i Bacilli, natomiast liczebność: Prevotella i Bacteroides jest bardzo zróżnicowana u różnie karmionych psów. Literatura dotycząca mikrobiomu zdrowych kotów jest zdecydowanie mniej obszerna. W większości badań opisywany mikrobiom kotów jest zdominowany przez Firmicutes, a następnie w mniejszym odsetku przez: Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes i Fusobacteria (Pilla i wsp., 2021).
Aktualne badania naukowe potwierdzają, że profile mikrobiomu jelitowego różnych typów żywieniowych odzwierciedlają ich diety. Zdecydowane różnice są widoczne przy porównywaniu mikrobiomu mięsożerców i roślinożerców, których diety diametralnie się od siebie różnią. W przypadku gatunków wszystkożernych, w tym ludzi, krótkotrwałe wprowadzenie diety składającej się wyłącznie z produktów pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego wystarcza, aby zmienić zupełnie mikrobiom (Mori i wsp., 2019). Zauważono, że przy przejściu z diety wysokotłuszczowej i niskobłonnikowej na dietę niskotłuszczową i wysokobłonnikową zmiany w mikrobiomie wystąpiły już po 24 godzinach (Wu i wsp., 2011). Spożycie diety opartej wyłącznie na produktach pochodzenia zwierzęcego zwiększyło konsumpcję tłuszczu i białka oraz zmniejszyło prawie do zera spożycie błonnika. To spowodowało wzrost enterotypu Bacteroides i drastyczne zmniejszenie liczebności Firmicutes, które uczestniczą w metabolizowaniu wielocukrów roślinnych.
Różne typy diety = różny mikrobiom?
W przypadku zwierząt względnie mięsożernych jest stosunkowo dużo badań oceniających mikrobiom ukształtowany na różnych typach diet, w tym gotowych (ekstrudowanych, gotowanych, sterylizowanych) czy surowych. Wydaje się, że zasadnicza różnica dotyczy udziału poszczególnych makroskładników karmy, mniejsze znaczenie ma natomiast typ diety. Odnosząc się do ich bilansu, należy zaznaczyć, że większość karm surowych charakteryzuje się relatywnie wysoką zawartością białka i tłuszczu (średnia zawartość białka surowego: 44,4% s.m. i tłuszczu surowego: 28,40% s.m.) oraz niską – węglowodanów i włókna (średnia zawartość węglowodanów: 15,75% s.m.; włókna surowego: 2,69% s.m.). Natomiast karmy komercyjne suche mają stosunkowo wysoką zawartość węglowodanów (średnio 40–50% s.m.), umiarkowaną lub wysoką ilość białka (25–32% s.m.) i raczej umiarkowaną lub niską tłuszczu (15–10% s.m.). U psów, którym podawano pokarm surowy, odnotowano znacząco wyższą ilość drobnoustrojów: Lactobacillales, Enterobacteriaceae, Fusobacterium czy Clostridium oraz znacząco niższą populację Faecalibacterium w porównaniu z osobnikami będącymi na karmie komercyjnej (Schmidt i wsp., 2018). Powyższe zmiany w mikrobiomie psów otrzymujących dietę surową wskazały na zmniejszenie produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA) z węglowodanów, których zawartość w tej diecie jest minimalna lub zerowa. Niemniej w kolejnym badaniu z udziałem sześciu psów karmionych surową karmą przez ponad rok wykazano adaptacyjną zdolność mikrobiomu do produkcji maślanu z białka. Za tę funkcję były prawdopodobnie odpowiedzialne Clostridium perfringens i Fusobacterium varium, których ilość zdecydowanie wzrosła (Vital i wsp., 2015). Jest to bardzo ważne doświadczenie, które pokazuje, że produkcja maślanu nie zależy wyłącznie od zawartości węglowodanów w diecie, ale może być wynikiem zdolności adaptacyjnej mikrobiomu. Niemniej zdolność tę uzyskał wyłącznie mikrobiom psów, które były karmione w ten sposób stosunkowo długo (ponad rok). Innym istotnym dieto-zależnym metabolitem pochodzenia bakteryjnego jest kwas gamma-aminomasłowy (GABA) będący ważnym neuroprzekaźnikiem oraz jego prekursor, kwas gamma-hydroksymasłowy (GHB). U psów będących na karmie surowej stwierdzono relatywnie wysokie ich stężenia w badanym kale (Schmidt i wsp., 2018). Podobne rezultaty uzyskano u myszy będących na diecie ketogenicznej (wysoka zawartość tłuszczu i niska węglowodanów). Zarówno GABA, jak i GHB są szybko wchłaniane z przewodu pokarmowego, a za ich produkcję mogą odpowiadać bakterie kwasu mlekowego, takie jak Lactobacillales i Steptococcus, obecne w zwiększonej ilości u psów karmionych surowym mięsem (Schmidt i wsp., 2018). Biorąc pod uwagę istnienie osi jelito – mózg, realne wydaje się oddziaływanie na ośrodkowy układ nerwowy przez zmianę mikrobiomu i/ lub jego określonych metabolitów.
Jedną z form naturalnego wsparcia odporności jest jej stymulacja przez mikroorganizmy bytujące w przewodzie pokarmowym. Nie zawsze jednak znajdują się tam one w odpowiedniej ilości, przez co w niektórych sytuacjach wymagane jest ich dostarczenie z zewnątrz. Taką możliwość dają suplementy diety z probiotykami. Dzięki ich dostarczeniu organizm zwierzęcia odniesie wiele korzyści. Bakterie probiotyczne wspierają bowiem nie tylko odporność, lecz także regulują naturalną równowagę bakteryjną organizmu. Przy wsparciu prebiotyków i innych substancji stymulujących układ immunologiczny, takich jak beta-glukany, będą idealnym uzupełnieniem diety o udowodnionym działaniu prozdrowotnym. Tego typu preparaty z powodzeniem mogą być stosowane leczniczo u zwierząt chorych, ale również prewencyjnie u osobników zdrowych.
Lek. wet. Kamil Kowalczyk
ekspert ds. żywienia Brit
Największe jednak zmiany w obrębie mikrobiomu zaobserwowano u psów z nadwagą w momencie wprowadzenia diety odchudzającej. Po zmianie karmy z bytowej (białko surowe: 27,8% s.m.; tłuszcz surowy: 15,4% s.m.; włókno surowe: 2% s.m.) na odchudzającą (białko surowe: 33,7% s.m.; tłuszcz surowy: 8,3% s.m. włókno surowe: 10,65% s.m.) wykazano znaczący wzrost drobnoustrojów: Firmicutes, Bacteroidetes, Fusobacteria, Actinobacteria i Proteobacteria oraz spadek populacji: Clostridium, Lactobacillus i Dorea (Li i wsp., 2017). Zarówno diety odchudzające o zwiększonej ilości błonnika (ok 28,1%) jak i te typu „light” o niższej zawartości włókna (ok. 8,6%), wpływają w określony sposób na mikrobiom. Zróżnicowany rodzaj włókna może zwiększać populację Firmicutes fermentującej włókno i w konsekwencji produkcję SCFA (Aleksander i wsp., 2018). Natomiast fruktany (np. inulina) mogą zwiększać ilość SCFA oraz całkowitą zawartość kwasów żółciowych w kale, zmniejszając jednocześnie populację Enterobacteriacea (Aleksander i wsp., 2018). Szczegółowe zmiany mikrobiomu psów będących na różnych typach diet oraz po wprowadzeniu dodatków włókna zebrano w tabelach 1. i 2.
Tabela 1. Wpływ wybranych typów pokarmów na mikrobiom psa.
| Lp. | Rodzaj pokarmu | Zmiany w obrębie mikrobiomu | |
| wzrost liczebności | spadek liczebności | ||
| 1 | Dieta surowa | Fusobacteria, Escherichia coli, Streptococcus, Clostridium; w tym: Clostridium perfringens, Clostridium hiranonis, Dorea | Bifidobacterium, Faecalibacterium |
| 2 | Czerwone mięso | Fusobacterium, Lactobacillus, Clostridium | Faecalibacterium, Peptostreptococcus, Bacteroides, Prevotella |
| 3 | Karma sucha z gotowaną wołowiną | Clostridium hiranonis, Dorea, Slackia, niezidentyfikowane, Clostridiaceae | Faecalibacterium prausnitzii |
Tabela 2. Wpływ wybranych rodzajów włókna na mikrobiom psa.
| Lp. | Rodzaj włókna | Zmiany w obrębie mikrobiomu | |
| wzrost liczebności | spadek liczebności | ||
| 1 | Pulpa buraczana | Firmicutes i Clostridia | Erysipelotrichi i Fusobacteria |
| 2 | Fruktany typu inuliny | Firmicutes, Erysipelotrichaceae, Turicibacteraceae | |
| 3 | Inulina | Megamonas i Lactobacillus | Enterobacteriaceae |
| 4 | Włókno ziemniaka | Faecalibacterium, Lachnospira | Prevotella i Fusobacterium |
| 5 | Łuski sojowe | Całkowita liczba lactobacilli, Faecalibacterium, Bacteroides-Prevotella, Porphyromonas, Clostridium grupa XIVa | Clostridium grupa XI |
| 6 | Ściany komórek drożdży | Bifidobacterium |
Mikrobiota kotów
Mikrobiota kotów jest determinowana zawartością białka, które stanowi podstawę diety tych bezwzględnych mięsożerców. W badaniach na rosnących kotach zaobserwowano, że zarówno zróżnicowanie gatunkowe, jak i liczebność mikrobioty przewodu pokarmowego są zdecydowanie wyższe w grupie żywionej dietą z wysoką zawartością białka w porównaniu z tymi żywionymi karmą z nieco „niższą” jego ilością (Vester i wsp., 2012). Jednocześnie wykazano, że ograniczenie zawartości białka i tłuszczu w diecie kotów ma znaczący wpływ na mikrobiotę. Przy zmianie stosowanej przez pięć tygodni diety wysokobiałkowej i wysokotłuszczowej (białko surowe: 51,5% s.m., tłuszcz surowy: 28,9% s.m.; węglowodany: 8,9% s.m., popiół: 10,6% s.m.) na podawaną przez kolejne pięć tygodni karmę o zdecydowanie niższym udziale wspomnianych substancji odżywczych (białko surowe: 33% s.m.; tłuszcz surowy: 11% s.m.; węglowodany: 49,4% s.m., popiół: 6,6% s.m.) zaobserwowano zmianę w liczebności i rodzaju drobnoustrojów (gł. Fusobacteriaceae i Pelomonas) (Bermingham i wsp., 2011). Powtórzenie doświadczenia z udziałem dwóch grup kotów będących na karmie komercyjnej suchej o umiarkowanej zawartości białka (białko surowe: 32,9% s.m., tłuszcz surowy: 11,1% s.m.; węglowodany: 49,5% s.m.; popiół surowy: 8,3% s.m.: włókno: 1,9% s.m.) i wilgotnej o wysokiej zawartości białka (białko surowe: 41,4% s.m.; tłuszcz surowy: 42,4% s.m., węglowodany: 5,3% s.m.; popiół surowy: 8,8% s.m.; włókno: 1,6% s.m.) dało podobne wyniki. Dodatkowo zaobserwowano, że u zwierząt będących na karmie suchej znacząco wzrosła ilość: Actinobacterii, Proteobacteria i Fusobacteria w porównaniu z grupą żywioną karmą wilgotną (Bermingham i wsp., 2011).
Natomiast literatura dotycząca oceny mikrobiomu kotów, żywionych surowym mięsem jest zdecydowanie mniej obszerna niż ta prezentowana u psów. Karmienie kotów surowym mięsem drobiowym lub surową wołowiną spowodowało wzrost liczebności bakterii produkujących SCFA (Butowski i wsp., 2019). Niemniej gdy do surowej wołowiny dodano błonnik roślinny (2% karmy, inulina i celuloza), zaobserwowano zmiany zbliżone do tych występujących przy karmieniu karmą ekstrudowaną. Dodatkowo stosunek octan – propionian – maślan w próbkach kału był prawie identyczny, jak u kotów na karmie suchej (Butowski i wsp., 2019). W przypadku karm wilgotnych w puszkach, które charakteryzują się wyższą średnią zawartością białka i tłuszczu oraz niższą zawartością węglowodanów w porównaniu z karmami suchymi ekstrudowanymi, mikrobiom dorosłych kotów i kociąt był bardziej zróżnicowany (Bermingham i wsp., 2013). I mimo że znaczenie włókna jako takiego u tego mięsożercy jest drugorzędne, to jednak wprowadzenie do diety włókna prebiotycznego wzbogaciło mikrobiom kota w bakterie produkujące SCFA oraz Bifidobacterium. A połączenie FOS i galaktooligosacharydów zwiększyło stężenie SCFA, maślanu i walerianianu (Pilla i wsp., 2021). Zmiany mikrobiomu kotów przy stosowaniu różnych pokarmów zebrano w tabeli 3.
Na podstawie analizy powyższych badań można potwierdzić, że zarówno mikrobiom psa, jak i kota w głównej mierze zależy od składu diety. Jest on jednak bardzo zróżnicowanym i dynamicznym układem, na który można wpływać przez określone manipulacje dietetyczne w celu uzyskania pożądanych korzyści dla makroorganizmu.
Piśmiennictwo:
Alexander C., Cross TL., Devebdran S. i wsp.: Effect of prebiotiuc inulin-type fructans on blood metabolite and hormone concentration and faecal microbiota and metabolites in overweight dogs. Br. J Nutr. 2018; 120(6):711–20.
Bermingham E.N., Kittelmann S., Henderson G., Young W., Roy N.C., Thomas D.G.: Five-week dietary exposure to dry diets alters the faecal bacterial populations in the domestic cat (Felis catus). Br J Nutr. 2011; 106.S1:49–52.
Bermingham E.N., Kittelmann S., Young W. i wsp.: Post-weaning diet affects faecal microbial composition but not selected adipose gene expression in the cat (Felis catus). PLoS One 2013; 8(11):e80992.
Butowski C.F., Thomas DG., Young W i wsp.: Addition of plant dietary fibre to a raw red meat high protein, high fat diet alters the faecal bacteriome and organic acid profiles of the domestic cat (Felis catus). PLoS One 2019; 14(5):e0216072.
Li Q., Lauber C.L., Czarnecki-Maulden G., Pan Y., Hannah S.S.: Effects of the dietary protein and carbohydrate ratio on gut microbiomes in dogs of different body conditions. MBio. 2017. 8:e01703–e01716. doi:10.1128/mBio.01703-16.
Mori A., Goto A. Kibe R. i wsp.: Comparision of the effect of four commercially available prescription diet regimens on the fecal microbiome in healthy dogs. J Vet Med Sci 2019; 81 (12):1783–90.
Pilla R., Suchodolski J.S.: The Gut Microbiome of Dogsand Cats, and the Influence of Diet. Vet Clin Small Anim 51 (2021) 605–621, https://doi.org/10.1016/j.cvsm.2021.01.002.
Ritchie L.E., Steiner J.M., Suchodolski J.S.: Assessment of microbial diversity along the feline intestinal tract using 16S rRNA gene analysis. FEMS Microbiol. Ecol. 2008. 66:590–598. doi:10.1111/j.1574-6941.2008.00609.x.
Schmidt M., Unterer S., Suchodolski J.S., Honneffer J.B., Guard B.C., Lidbury J.A., Steiner J.M., Fritz J., Kölle P.: The fecal microbiome and metabolom differs between dogs fed Bones and Raw Food diets and dogs fed commercial diets. PLoS One. 2018 Aug 15;13(8):e0201279. doi: 10.1371/journal.pone.0201279. eCollection 2018.
Simpson J.M., Martineau B., Jones W.E., Ballam J.M., Mackie, R.I.: Characterization of fecal bacterial populations in canines: effects of age, breed and dietary fiber. Microbiol. Ecol. 2002.44, 186–197.
Suchodolski J.S.: Fecal Microbiome in Dogs with Acute Diarrhea and Idiopathic Inflammatory Bowel Disease. PLoS one.2012; 7.12:e51907.
Vester B.M., Belsito K.R., Swanson K.S.: Serum metabolites, ghrelin and leptin are modified by age and/or diet in weanling kittens fed either a high or moderate-protein diet. Anim. Sci. J. 2012. 83:426–433. doi:10.1111/j.1740-0929.2011.00974.
Vester Boler B.M., Faber T.A., Bauer L.L., Swanson K.S., Smiley S., Bechtel P.J., Fahey G.C. Jr.: Acute satiety response of mammalian, avian, and fish proteins in dogs. Br. J. Nutr. 2012. 107:146–154. doi:10.1017/S0007114511002261.
Wu G.D., Chen J., Hoffmann C. et al.: Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes. Science. 2011; 334(6052): 105–108, doi: 10.1126/science.1208344, indexed in Pubmed: 21885731.
