L-Arginine giúp tăng cường miễn dịch chống lại vi khuẩn Edwardsiella ictaluri gây bệnh ở cá da trơn và Streptococcus agalactiae trên cá rô phi

[Người Nuôi Tôm] – Trước sự gia tăng nhu cầu về nguồn đạm động vật do dân số toàn cầu ngày càng tăng, các nhà sản xuất đang nỗ lực để tăng sản lượng cung ứng các nguồn đạm động vật tự gia súc, gia cầm và thủy sản. Trong đó, nuôi trồng thủy sản là một trong những ngành phát triển nhanh nhất trên thế giới, và khu vực châu Á đã đóng góp khoảng 90% vào sản lượng toàn cầu (Sahu và cộng sự., 2008). Nuôi trồng thủy sản ngày càng được mở rộng với hệ thống nuôi thâm canh quy mô lớn là một trong những nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ nhiễm bệnh cao ở cá, từ đó làm tăng tỷ lệ chết và cuối cùng gây thiệt hại kinh tế nặng nề cho người chăn nuôi.

 

Giới thiệu

Từ lâu, kháng sinh đã được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản để phòng bệnh. Tuy nhiên, điều này gây ra các vấn đề như sự tồn dư kháng sinh trong mô động vật thủy sinh, hình thành cơ chế kháng kháng sinh, từ đó gây ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng. Bên cạnh đó, nó còn làm mất cân bằng hệ vi sinh vật đường tiêu hóa của các loài thủy sản (Nakano, 2007). Bên cạnh nhiều lựa chọn thay thế tiềm năng như axit hữu cơ, khoáng hữu cơ, thể thực khuẩn, probiotic và prebiotics, cải thiện dinh dưỡng cũng được coi là một trong những yếu tố quan trọng giúp tăng khả năng kháng bệnh của thủy sản.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng arginine không chỉ là một axit amin thiết yếu ở tất cả các loài cá mà còn là một axit amin chức năng, giúp cá kháng lại mầm bệnh (Robinson và cộng sự., 1999; Wu và cộng sự., 1999; 2018). Ngoài ra, để đảm bảo tăng trưởng tối ưu, arginine tham gia vào quá trình sinh tổng hợp các peptide đóng vai trò quan trọng đối với hệ miễn dịch như thymosin, thymopeptin, tufsin, cũng như các protein như histone (Brittenden và cộng sự., 1994). Hơn nữa, arginine là tiền chất duy nhất để tổng hợp oxit nitric (Reyes và cộng sự., 1994; Akarid và cộng sự., 1995), một phân tử có tính phản ứng cao, đóng vai trò trung tâm trong việc gây độc tế bào khối u bằng cách kích hoạt các đại thực bào, cũng như trung hòa hoạt động tiêu diệt các vi sinh vật. Các vi sinh vật mục tiêu của oxit nitric bao gồm ký sinh trùng, nấm, vi khuẩn và vi rút (Hibbs và cộng sự., 1987; De Groote và Fang., 1995). Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hiệu quả của việc bổ sung arginine trong khẩu phần ăn đối với khả năng miễn dịch và sức đề kháng của cá đối với vi khuẩn gây bệnh.

Cơ chế chuyển hóa của L-Arginine

Arginine là một axit amin thiết yếu đối với cá, tham gia vào nhiều phản ứng chuyển hóa như tổng hợp protein; là tiền thân cho sự sinh tổng hợp của các phân tử trong đó có creatine, oxit nitric, ornithine, glutamate, polyamine và glutamine (Hình 1); tham gia vào sự bài tiết insulin, glucagon (Zhi và cộng sự., 2004) cũng như hormone (Khajali và Wideman, 2010). Thêm vào đó, đã có rất nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy các chức năng khác nhau của L-Arginine như giảm stress oxi hóa (Wu và cộng sự., 2018), giảm tích tụ mỡ (Rahnama, 2010) và tăng cường hệ miễn dịch. Trong đó, tác dụng tăng cường miễn dịch là một trong những xu hướng đang được các nhà nghiên cứu quan tâm, đặc biệt khi kháng sinh đang dần bị kiểm soát và cấm sử dụng trong thức ăn chăn nuôi (Buentello và Gatlin III, 2001; Vianna và cộng sự., 2020).

 

Hình 1. Vai trò của Arginine ứng với các con đường chuyển hóa khác nhau (Mô phỏng theo Fouad và cộng sự., 2012; Khan, 2019)

 

Arginine cải thiện khả năng chống lại vi khuẩn gây bệnh

Công tác quản lý điều kiện nuôi thâm canh và siêu thâm canh không được đảm bảo tốt là một trong những nguyên nhân làm cá phải đối mặt với nhiều vấn đề liên quan đến lây nhiễm dịch bệnh. Ví dụ, Streptococcus, vi khuẩn gây bệnh phổ biến trên cá rô phi gây ra những thiệt hại nặng nề trên phạm vi toàn cầu, trong đó vi khuẩn Streptococcus agalactiae là tác nhân gây bệnh chính trên loài này (Mian và cộng sự., 2009; Ali và cộng sự., 2010; Li và cộng sự., 2014; Soto và cộng sự., 2015; Yang và cộng sự., 2018). Đối với cá da trơn, Edwardsiella ictaluri lại là tác nhân gây bệnh nhiễm trùng đường ruột (Hawke và cộng sự., 1981) và gây thiệt hại nặng nề trên cá da trơn (MacMillan, 1985; Plumb, 1994). Những vi sinh vật gây bệnh này làm tăng tỷ lệ mắc bệnh và tỷ lệ chết ở cá, do đó, là mối đe dọa lớn đối với ngành nuôi cá và gây ra thiệt hại kinh tế nặng nề.

Các nghiên cứu trước đây đã báo cáo về việc bổ sung arginine trong khẩu phần ăn giúp tăng cường khả năng miễn dịch ở nhiều loài cá như cá đù đỏ (Cheng và cộng sự., 2011), cá vược sọc (Cheng và cộng sự., 2012), cá trê vàng (Zhou và cộng sự., 2015), cá chim vây vàng (Lin và cộng sự., 2015), cá bơn (Costas và cộng sự., 2011), cá chép (Chen và cộng sự., 2015), cá nheo Mỹ (Buentello và Gatlin III, 2001), và cá rô phi con (Vianna và cộng sự., 2020).

Arginine là một chất kích thích hệ miễn dịch bằng cách tăng cường sản sinh oxit nitric, hợp chất này không chỉ giúp oxy hóa màng tế bào vi khuẩn, điều tiết nhiều loại tế bào miễn dịch, mà còn làm bất hoạt các enzym trong của chuỗi hô hấp ty thể của tế bào, khiến tế bào vi khuẩn chết đói theo đúng nghĩa (Lancaster, 1992). Lợi ích khác của arginine cũng đã được ghi nhận là làm tăng tổng số lượng bạch cầu vì arginine là chất nền quan trọng giúp sinh tổng hợp các polyamine cần thiết cho sự tăng sinh của tế bào (Narita và cộng sự., 1995). Ngoài ra, trong thời gian tiếp xúc với vi khuẩn, hệ thống miễn dịch yêu cầu vật chủ tổng hợp các protein mới như lymphokines và kháng thể (Lall và Olivier, 1991). Barbul (1995) và Moinard và cộng sự. (1999) đã cho thấy việc bổ sung arginine sẽ giúp kích thích đại thực bào tiết ra cytokine qua trung gian polyamine.

Arginine tăng cường khả năng kháng bệnh của cá

Buentello và Gatlin (2001) đã đánh giá hiệu quả của việc bổ sung arginine trong khẩu phần lên sức đề kháng của cá da trơn khi tiếp xúc với Edwardsiella ictaluri (E. ictaluri). Sau 15 ngày thử nghiệm cho ăn với bốn khẩu phần ăn được bổ sung với các mức arginine khác nhau lần lượt là 0.5; 1; 2 hoặc 4% (1.8, 3.6, 7.1 và 14.3% protein khẩu phần, tương ứng) và một khẩu phần protein nguyên vẹn tinh khiết có chứa 28% protein thô và 1.3% arginine (4.6% protein trong khẩu phần) từ casein và gelatin. Để gây nhiễm, cá đã được tiếp xúc với E. ictaluri bằng cách hạ thấp mực nước trong tất cả 18 bể nuôi đến 2,4 L và thêm 10 mL dung dịch vi khuẩn để đạt được khoảng 1,3 × 108 đơn vị hình thành khuẩn lạc (CFU)/mL. Sau 90 phút tiếp xúc tĩnh, dòng nước được bơm vào các bể chứa và đổ đầy lại theo thể tích ban đầu. Tỷ lệ mắc bệnh, tỷ lệ chết và nguyên nhân dẫn đến tử vong được theo dõi và ghi chép hàng ngày. Cá chết hoặc sắp chết từ mỗi bể nuôi cũng được mổ khám hàng ngày. Vi khuẩn phân lập từ thận được định danh từ các đặc điểm sinh hóa (Hawke và cộng sự., 1981) để xác định nguyên nhân tử vong do E. ictaluri. Thí nghiệm đã kết thúc sau 28 ngày kể từ khi tiếp xúc với vi khuẩn.

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy cá được nuôi khẩu phần ăn protein có chứa 1.8% arginine đã bắt đầu chết vào ngày thứ nhất sau khi tiếp xúc mầm bệnh và tiếp tục chết cho đến khi kết thúc thí nghiệm. Ngược lại, cá cho ăn khẩu phần ăn protein có chứa 7.1% arginine cho thấy tỷ lệ sống cao hơn đáng kể (P = 0,0001) so với cá cho ăn khẩu phần ăn có chứa 1.8% arginine và không có trường hợp chết nào được ghi nhận sau ngày thứ 4. Không có sự khác biệt có ý nghĩa (P > 0,05) về tỷ lệ chết ở nhóm cá được nuôi khẩu phần protein có chứa 14,3% arginine và khẩu phần với protein nguyên vẹn có chứa 4,6% arginine. Ở ngày thứ 21, cá được nuôi khẩu phần protein có chứa 4,6%; 7,1% và 14,3% arginine có tỷ lệ sống sót xấp xỉ 94%, trong khi chỉ số này ở cá được cho ăn khẩu phần protein có chứa 1,8% và 3,6% arginine lần lượt thấp hơn 64% và 85% (Hình 2.).

Kết quả ở thử nghiệm gây nhiễm cho thấy hàm lượng arginine cần thiết để nâng cao tỷ lệ sống của cá da trơn khi bị tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh E. ictaluri cao gấp đôi so với lượng arginine cần thiết cho tối ưu tăng trưởng. Điều này là do các ngoại kháng nguyên từ E. ictaluri đã kích thích sự tăng lên về số lượng của các đại thực bào được hoạt hóa đến thận, lá lách và gan bị nhiễm bệnh để tiêu diệt vi khuẩn (Baldwin và Newton, 1993), từ đó giúp tăng tỷ lệ sống. Việc arginine giúp tăng cường khả năng diệt vi khuẩn của đại thực bào còn được hỗ trợ thêm bởi nghiên cứu của Adams và cộng sự. (1990). Nghiên cứu này đã chỉ ra hoạt động tiêu diệt Toxoplasma gondii nhờ các đại thực bào được kích hoạt bởi INF-gamma phụ thuộc vào arginine và bị ức chế bởi NG-monomethyl-L- Arginine.

Thêm vào đó, nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tăng hàm lượng argnine giúp tăng tăng cường giải phóng oxit nitric, giúp phát huy tác dụng diệt vi sinh vật gây bệnh (Granger và cộng sự., 1988; Leone và cộng sự., 1991; Arias và cộng sự., 1997 ), do đó, ngăn chặn sự lây lan của E. ictaluri sang các mô khác.

Hình 2. Phần trăm tỷ lệ chết tích lũy của cá da trơn con được cho ăn với các mức L-Arginine (% trong khẩu phần) tăng dần trong 2 tuần và sau đó gây nhiễm với vi khuẩn Edwardsiella ictaluri. Các dây trong biểu đồ có các chữ cái khác nhau (a-c) là khác nhau (P < 0,05) (Buentello và Gatlin, 2001).

 

Vianna và cộng sự. (2020) cũng đã đánh giá hiệu quả sử dụng arginine trong khẩu phần đối với khả năng kháng Streptococcus agalactiae của cá rô phi. Sau 30 ngày thử nghiệm cho ăn với 5 mức arginine (1,39%, 1,76%, 1,97%, 2,18% và 2,39% của khẩu phần ăn) để đánh giá trọng lượng và lấy mẫu máu, sau đó cá được đưa vào môi trường nước có hỗn dịch chứa Streptococcus agalactiae chủng S13 và quay trở lại bể cũ tương ứng. Trong quá trình thử thách, tỷ lệ chết của cá, các mẫu máu được thu thập vào lúc 0 giờ, 24 giờ, 7 ngày và 15 ngày, để đánh giá các thông số về sự gia tăng tế bào bạch cầu ở đường hô hấp và sự sản xuất oxit nitric. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tăng hàm lượng arginine trong khẩu phần ăn đã giúp giảm tỷ lệ chết. Nhóm cá được nuôi khẩu phần ăn không bổ sung arginine (1,39%) có tỷ lệ chết cao nhất và duy trì được đến 15 ngày, trong khi đó, nhóm cá được nuôi khẩu phần ăn có hàm lượng arginine cao nhất (2,39%) có tỷ lệ chết thấp nhất (Hình 3.). Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sự gia tăng sản xuất oxit nitric sau 24 giờ với việc bổ sung arginine, trong đó nhóm cá nuôi khẩu phần 2.39% arginine cho kết quả cao nhất với 0,491 μmol / dl (Hình 4). Sự gia tăng nồng độ arginine trong huyết thanh với mức arginine tăng trong khẩu phần là lý do góp phần vào việc tăng sản xuất oxit nitric, vì các đại thực bào sử dụng arginine như một nguồn nitơ để tổng hợp NO (Pohlenz và cộng sự., 2012; Zhang và cộng sự., 2014).

Hình 3. Tỷ lệ sống của cá rô phi sông Nile giống được nuôi với khẩu phần bổ sung tăng dần hàm lượng arginine sau khi gây nhiễm với Streptococcus agalactiae. 0 = 1,55% arginine; 1 = 1,76% arginine; 2 = 1,97% arginine; 3 = 2,18% arginine; 4 = 2,39% arginine, (Vianna và cộng sự., 2020).

 

Hình 4. Nồng độ oxit nitric trong huyết tương của cá rô phi sông Nile giống được nuôi với khẩu phần bổ sung tăng dần hàm lượng arginine sau khi gây nhiễm với Streptococcus agalactiae. 0 = 1,55% arginine; 1 = 1,76% arginine; 2 = 1,97% arginine; 3 = 2,18% arginine; 4 = 2,39% arginine. (Vianna và cộng sự., 2020).

 

Kết luận

Từ các nghiên cứu trên, chúng ta có thể thấy arginine không chỉ là một axit amin thiết yếu trong tất cả các loài cá mà còn là một axit amin chức năng quan trọng. Ngoài ra, arginine là một tiền chất duy nhất của oxit nitric- chất đã được chứng minh là trung gian cho việc tiêu diệt các vi sinh vật khác nhau của đại thực bào bao gồm ký sinh trùng, nấm, vi khuẩn và vi rút. Ứng dụng bổ sung arginine trong khẩu phần ăn được chứng minh giúp tăng khả năng miễn dịch, khả năng kháng lại mầm bệnh của cá. Do đó, giúp giảm nhu cầu sử dụng thuốc cho cá trong thời gian bị bệnh. Hàm lượng arginine trong khẩu phần ăn ở mức cao hơn so với nhu cầu khuyến nghị cho tối ưu tăng trưởng là cần thiết để giúp cá tăng cường khả năng chống chịu khi tiếp xúc với vi sinh vật gây bệnh.

References

Nguyễn Đình Hải

Quản lý kỹ thuật và Marketing CJ Bio Việt Nam

Email: john.nguyen@cj.net

Phạm Thị Thu Trang

Nhóm Marketing, CJ Bio Việt Nam