Endotoxine bei Schweinen: Was sind sie und wie kann man mit ihnen umgehen?

Von Josep Garcia-Sirera (Produktmanager für Toxine)

Es gibt mehr als 150 verschiedene Varianten von LPS, einem Teil der äußeren Membran gramnegativer Bakterien, die in der Tierproduktion als Toxin eingestuft werden. Da Bakterien überall vorkommen, ist dies kein Problem der Futtermittelsicherheit, sondern eher ein Problem des landwirtschaftlichen Betriebs. Gramnegative Bakterien sind im Magen-Darm-Trakt von Schweinen natürlich vorhanden, aber unter bestimmten Umständen – bakterielle Überwucherung oder Verabreichung von Antibiotika – werden Endotoxine freigesetzt. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, können einige Kontrollmaßnahmen im Futter angewendet werden.

Endotoxine werden im Magen-Darm-Trakt gebildet, wenn gramnegative Bakterien übermäßig stark vertreten sind. Gram-negative Bakterien unterscheiden sich von gram-positiven Bakterien durch die Struktur der Zellhülle. Gram-positive Bakterien haben eine äußere Membran aus Zytoplasma und Peptidoglykan. Zusätzlich zu diesen Schichten haben gramnegative Bakterien eine äußere Schicht. Die äußere Schicht enthält Phospholipide, Proteine und Lipopolysaccharide (LPS). Dieses LPS, auch Endotoxin genannt, besteht aus drei Elementen: Lipid A (eine hydrophobe Komponente, die als Anker dient, wenn ein Bakterium in eine Wirtszelle eindringt), ein Kern (ein Oligosaccharid) und O-Antigen (eine hydrophile Komponente, die in den extrazellulären Raum ragt).

Aufbau von LPS

Abbildung 1: Typische Endotoxinstruktur, der untere Teil, Lipid A, ist in die äußere Membran von gramnegativen Bakterien eingebettet

Die physiologischen Aktivitäten von LPS werden hauptsächlich durch die Lipid-A-Komponente vermittelt. Lipid A ist ein starker biologischer Response Modifier, der das Immunsystem von Säugetieren stimulieren kann. Durch die Stimulierung lokaler oder systemischer Entzündungen (über die Aktivierung von Rezeptoren) entsteht zusätzlicher oxidativer Stress. Die damit verbundene Entzündung beeinträchtigt die Integrität der epithelialen Barriere und führt zu einer verminderten Nährstoffaufnahme und -verwertung. Da Lipid A in die äußere Membran von Bakterienzellen eingebettet ist, entfaltet es seine toxische Wirkung nur, wenn die Bakterien durch Autolyse, Aufnahme und Zerstörung durch Phagozyten oder Abtötung durch bestimmte Antibiotika lysiert werden.

Verstehen der Wirkungsweise

Der Mechanismus ist komplex. Beim Menschen bindet LPS an ein lipidbindendes Protein (LBP) und bildet so den LPS/LBP-Komplex, der schließlich an den Toll-like-Rezeptor-4 (TLR4) bindet. Dadurch wird die Signalkaskade ausgelöst, die Makrophagen/Endothelzellen dazu veranlasst, entzündungsfördernde Zytokine und Stickstoffmonoxid abzusondern, was zum charakteristischen „endotoxischen Schock“ führt.

Die Injektion von lebenden gramnegativen Bakterien, denaturierten gramnegativen Bakterien oder gereinigtem LPS in Versuchstiere führt zu einem breiten Spektrum unspezifischer pathophysiologischer Reaktionen, darunter Fieber, Veränderungen der Anzahl der weißen Blutkörperchen, disseminierte intravasale Gerinnung, Hypotonie, Schock und Tod. Die Injektion relativ geringer Dosen von Endotoxin führt bei den meisten Säugetieren zum Tod. Die Abfolge der Ereignisse folgt einem regelmäßigen Muster: (1) Latenzzeit; (2) physiologische Störung (Durchfall, Erschöpfung, Schock); (3) Tod. Wie schnell der Tod eintritt, hängt von der Dosis des Endotoxins, der Art der Verabreichung und der Tierart ab. Die Tiere sind unterschiedlich empfindlich gegenüber Endotoxin.

Auswirkungen auf Schweine

Die Auswirkungen der Endotoxinbelastung bei Schweinen auf die Produktion sind die Folge von drei Faktoren:

  • Die gastrointestinale Barriere verändert sich aufgrund der Entzündungsreaktion. Eine Studie über die Auswirkungen von Endotoxinen auf die Morphologie der gastrointestinalen Darmbarriere zeigte, dass LPS die Höhe und Fläche der Darmzotten verringerte, die Breite der Zotten vergrößerte und die Tiefe und Breite der Darmdrüsen erhöhte. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass diese Effekte zu einer verringerten intestinalen Nährstoffabsorption und einer verstärkten Koinfektion mit anderen Pathogenen beitragen, was zu einem Durchfall nach dem Absetzen führt (Parra et al., 2011).
  • Ausgelöst durch die Exposition gegenüber Endotoxinen wird das Fieber durch die Wirkung von IL-6 vermittelt. Weitere Symptome dieser multifaktoriellen Fieberursache sind Ohrnekrosen und Läsionen, die zum Schwanzbeißen führen.
  • Durch die Aktivierung des Entzündungssystems kommt es zu einem Nährstoffverlust. Als Folge der Entzündung führt die Endotoxämie zu einem fiebrigen Zustand, der zu einer verringerten Futteraufnahme führt. Dies führt zu einer niedrigeren Futterverwertung (FCR) und einer geringeren Wachstumsleistung.

Kontrolle der Endotoxine

Im Allgemeinen zielen die Strategien zur Kontrolle der Endotoxinkontamination bei Tieren darauf ab, die bakterielle Kontamination zu begrenzen. Zu diesen Strategien gehören Biosicherheit, Präbiotika, Probiotika, verbesserte Nährstoffverdaulichkeit usw. Andere Strategien umfassen Impfungen, Immunmodulation und die Verwendung eines Toxinbinders, der nachweislich gegen Endotoxine wirkt.

Impfung: Derzeit wird eine Impfung gegen Lipid A entwickelt, aber die hohen Kosten machen sie zu einer unrentablen Option für die Nutztierhaltung. Eine andere Möglichkeit ist die Immunisierung gegen LBP. Durch die Neutralisierung der Reaktion des LPS/LBP-Komplexes kann die Kaskade von Ereignissen, die zur Pathogenese führen, reduziert werden. Auch diese Option ist teuer und wird derzeit nur für den menschlichen Gebrauch eingesetzt.

Immunitätsmodulatoren: Die Verwendung von Immunmodulatoren zur Kompensation der Auswirkungen von Endotoxinen wurde in der Tierproduktion getestet. Ein Beispiel für diese immunmodulierende Wirkung sind B-Glucane, die in einigen Hefezellwänden vorkommen und die LPS-induzierte Entzündungen reduzieren können, obwohl sie die Entzündung nicht verhindern.

BindemittelToxin-: Ein praktischerer Ansatz zur Verringerung der Aufnahme von Endotoxinen aus dem Magen-Darm-Trakt ist der Einsatz von Toxinbindern. Toxinbinder werden häufig zur Kontrolle anderer Toxine, wie z. B. Mykotoxine, eingesetzt. Das Bindemittel und das Toxin bilden einen Komplex, der zu groß ist, um in den Blutkreislauf aufgenommen zu werden. Der Komplex wird dann mit den Fäkalien ausgeschieden. Bei den meisten Mykotoxinbindern handelt es sich um hydrophile Moleküle (z. B. Bentonite, Aluminosilikate), die polare Moleküle wie Aflatoxin effizient binden können. Die Fähigkeit dieser herkömmlichen Mykotoxinbindemittel, lipophilere Moleküle wie LPS, Zearalenon oder DON zu binden, ist fraglich.

In einigen Vorstudien wurde die In-vitro-Kapazität verschiedener Bindemittel gegen Endotoxine getestet. Eine kürzlich durchgeführte Studie der Universität Gent ging über die In-vitro-Daten hinaus und wies effektiv die Fähigkeit eines Toxinbinders nach, Endotoxine ex vivo im Darm von Ferkeln abzufangen. In der Studie verglichen die Autoren die Auswirkungen der Injektion von Endotoxinen mit und ohne Zusatz des Toxinbinders auf die Produktion von Zytokinen. Als Modell dienten Darmschlingen von lebenden Ferkeln.

Ergebnisse

Die Daten bewiesen, dass der Toxinbinder in der Lage ist, die Zytokinproduktion zu verringern, die aus der Endotoxinaktivierung des Rezeptors resultiert.

Endotoxine haben eine Vielzahl von Auswirkungen auf den Tierbestand. Es wurden verschiedene Mittel zur Kontrolle von Endotoxinen erprobt, aber die meisten davon sind zu teuer, um in der Tierproduktion eingesetzt zu werden. Eine kosteneffiziente Methode ist die Verwendung von Toxinbindern, die Endotoxine im Magen-Darm-Trakt abfangen und verhindern, dass sie in das Blutsystem gelangen. Dieser Bindungsansatz stoppt Endotoxine nicht nur im Magen-Darm-Trakt und im Blutkreislauf, sondern verhindert auch, dass Endotoxine mit dem Staub von Fäkalien in die Luft gelangen.

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Josep Garcia-Sirera
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