V. KOTRBÁČEK1, J. DOUBEK1, F. OFFENBARTL2, Z. HOLEŠOVSKÁ1, J. DOUCHA3
1 Ústav fyziologie Veterinární a farmaceutické univerzity Brno
2 Genoservis, a.s. Olomouc
3 Laboratoř biotechnologie řas MBÚ AV ČR, Třeboň
Veterinářství 2005;55:280-283
SOUHRN
V článku jsou shrnuty základní principy neurohumorálních regulací reprodukčních funkcí prasnic. Je zdůrazněno hierarchické uspořádání systému hypotalamus, hypofýza, gonády a také role mozkové kůry a limbického systému, které vnější i vnitřní podněty integrují a tím do činnosti osy významně zasahují. U mladých prasniček je vysvětlena úloha leptinu v souvislosti s energetickým statutem organizmu a vstupem do reprodukčního období. Článek si dále všímá vztahů mezi reprodukcí a výživou. Přináší některé původní výsledky experimentů s krmnými aditivy a upozorňuje na možnosti, jak lze složením krmiva i jeho dávkováním podpořit zrání folikulů, nidaci oplozených vajíček i zdárný vývoj embryí. Vysvětluje pojem „metabolická clearance“ a podíl toho fyziologického mechanismu na regulaci hladin pohlavních hormonů prasnic.
SUMMARY
Basic principles of neurohumoral regulations of reproductive functions in sows are summarised. An emphasis is laid on the hierarchic organisation of the system hypothalamus, hypophysis, gonads, and on the role of the cerebral cortex and limbic system, which integrate external and internal stimuli, influencing the activity of the axis significantly. In young gilts, the role of leptin is explained in connection with the energy status of the organism and entrance into the reproduction period. Attention is also paid to relations between reproduction and nutrition. Some original results of experiments with feed additives are presented and it is suggested how feed composition and dosage may support follicle maturation, nidation of fertilised ova and successful embryonic development. The term “metabolic clearance” and participation of this physiological mechanism on the regulation of sex hormone levels in sows is explained.
Reprodukce jako jedna z nejvýznamnějších funkcí organizmu je řízena z nejvyšších úseků centrální nervové soustavy. Obvykle je hierarchické uspořádání tohoto systému znázorněno osou hypotalamus → hypofýza → pohlavní žlázy. K tomuto schématu však nedílně patří i mozková kůra, která sbírá podněty z vnějšího prostředí a limbický systém, který k nim přiřazuje vnitřní stimuly včetně emočního náboje s výsledným „vyladěním“ organizmu k určitému typu chování.
Účast mozkové kůry a limbického systému vysvětluje, proč např. stresové situace nebo dokonce i jejich očekávání, strach, emoce (diskomfort zvířat) a bolest reprodukci narušují či dokonce zastavují. Ze schématu dále vyplývá, že jde o regulaci neurohormonální, kde obě složky, nervová a hormonální, jsou vzájemně propojeny.
Hypotalamus je centrem osy, která mění nervové signály na chemické posly, tzv. spouštěcí (releasing) hormony. Jde o gonadotropin releasing hormon (GnRH) stimulující buňky hypofýzy k tvorbě FSH (folikuly stimulující hormon) a LH (luteinizační hormon). Výsledkem působení těchto gonadotropinů je růst a zrání folikulů ve vaječnících a produkce ovariálních hormonů. Ty pak vyvolávají řadu fyziologických změn na pohlavních orgánech i v celkovém chování zvířat.
Nervové signály, ať již jsou jakéhokoliv původu, mají formu elektrických impulsů - akčních potenciálů (AP). Informace přitom není zakódována do velikosti AP (potenciály jsou po nervovém vlákně vedeny zákonem „vše nebo nic”), ale do frekvence s jakou centrum „bombardují”. Hypotalamus, který sám vzruchy generuje, odpovídá na přiváděné podněty pulzně, tzn. uvolňuje svoje působky ve vlnách.1 Tento charakter má nakonec i sekrece hormonů na nižších úrovních zmíněné osy. Z uvedeného je zřejmé, že i krátkodobé a zejména opakované stimuly mohou k pulznímu charakteru osy významně přispívat.
Charakteristickým znakem řídícího systému je mechanismus zpětné vazby.1,2 Vzestup produkce hormonů v periferních žlázách, tzn. ve vaječnících a varlatech zpětně tlumí činnost hypotalamových (uvolňovacích) i hypofyzárních (tropních) hormonů. Ovaria však kromě této regulace mají unikátní mechanismus pozitivní zpětné vazby. V určitém období vývoje folikulů jimi produkované estrogeny činnost nadřazených center netlumí, ale naopak podněcují. Tím folikuly aktivně přispívají k dovršení svého vývoje.
Vraťme se však k našemu schématu. Činnost hypotalamu ovlivňuje řada podnětů přicházejících z vnitřního prostředí organizmu. U mladých prasniček dochází při dosažení určitého věku a zejména hmotnosti ke změně jeho citlivosti vůči estrogenům, k tzv. desenzibilizaci. Znamená to, že hypotalamus ztrácí vysokou předpubertální citlivost vůči estrogenům a uvolňuje přísnou negativní zpětnou vazbu tzv. gonadostat. Dosud udržované bazální hladiny estrogenů se tak s následujícími říjovými cykly zvyšují a dosahují vyšších - tzv. tonických koncentrací. Dozráním pozitivní zpětné vazby mezi estrogeny a tropními hormony proces vrcholí, což umožní rychlý vývoj folikulů s následnou ovulací vajíček.
Jaký mechanismus však tyto změny zahajuje? Co umožní, že živiny dosud přednostně využívané k tělesnému růstu jsou nyní směřovány k energeticky náročnému procesu reprodukce? Mnoho faktů svědčí o tom, že důležitým činitelem je stav energetických zásob v organizmu. Za regulátor energetického statusu organismu je považován leptin - hormon produkovaný tukovými buňkami. Roste-li tuková tkáň, stoupá i koncentrace leptinu v krvi, což je pak významným signálem pro hypotalamové centrum k aktivaci osy hypotalamus, hypofýza, ovaria (testes).3
Chovatelé z vlastní zkušenosti vědí, že prasničky sice narostlé i dobře zmasilé nejdou do říje, dokud si nevytvoří určité zásoby tuku; na druhé straně však existují problémy s říjivostí přetučnělých prasnic. U nich by tuková tkáň měla produkovat dostatek leptinu nutného ke stimulaci říje. Vedle známých negativních účinků nadměrné dispozice tuku dochází u některých jedinců k rozvoji rezistence vůči leptinu a dokonce ke snižování počtu leptinových receptorů neboli k tzv. jejich „down“ regulaci.4 Tím i normální produkce této látky ztrácí svoji regulační funkci. Za fyziologických poměrů v organizmu se však tento mechanismus podílí na dlouhodobé regulaci tělesné hmotnosti. Toho lze cíleně využívat také u prasnic. Je-li potřebné v určitém období stimulovat příjem krmiva, např. v laktaci, musí tomu předcházet období jeho restrikce vedoucí k poklesu hmotnosti. Po něm následující vyšší „žravost“ je snaha organizmu po rychlém vyrovnání této výchylky. Jde o kyvadlový efekt související se změnami hladiny leptinu a jeho působením na hypotalamové centrum příjmu potravy.
I když vliv leptinu na reprodukci byl experimentálně potvrzen, není určitě jediným faktorem, který reprodukci ovlivňuje. Svědčí o tom řada zkušeností se suplementací aminokyselin, vitaminů či minerálních látek. Pozitivní výsledky v reprodukci prasnic byly dosaženy např. po přidávání syntetického β karotenu a vitaminu E.5 Také v našich pokusech β karoten výrazně stimuloval reprodukci u prasniček.6 Pokusy probíhaly na mladých prasničkách (Bu x La) v podniku, kde se nástup první říje často opožďoval, případně se nedostavil vůbec. Zvířata byla měsíc před předpokládaným vstupem do reprodukce rozdělena do tří srovnatelných skupin. Krmeny i ustájeny byly za stejných podmínek. Z výsledků vyplynulo, že efekt β karotenu byl dále potencován přídavkem jednobuněčné řasy chlorelly, a to jak co do počtu zaznamenaných říjí, tak urychlení jejich nástupu. Vzhledem k použitým dávkám řasové biomasy 1,5g/kus a den, zřejmě nešlo o další dotaci zmíněného provitaminu. Podle našeho názoru zde účinnou složkou byly růstové faktory, které chlorella obsahuje.
Jde především o tzv. chlorella růstový faktor (CGF) – vodou extrahovatelnou frakci řasových buněk. CGF obsahuje řadu dosud přesně nestanovených složek jako jsou peptidy, glykoproteiny, polyamidy a některé další látky. Podařilo se nám jednu z nich izolovat a určit jako cytokin 2iP – izopentyladenin. Jeho přidávání do média, ve kterém byly kultivovány živočišné buňky významně zkracovalo dobu mitotického dělení.
Dobré výsledky s chlorellou jsme zaznamenali také u prasnic, což nakonec vedlo k jejímu cílenému zařazování do kompletních krmných směsí KPCH i KPK.
Z chovatelské praxe je také dobře známo, že říjivost prasniček lze ovlivnit i jejich přemísťováním. Přehánění, přeskupování, manipulace s prasničkami je pro ně bezesporu fyzickou i psychickou zátěží. Často se mluví o transportním stresu. Při něm dochází k aktivaci jiné, tzv. stresové osy: hypotalamus → hypofýza → nadledviny.
Výsledkem je mobilizace energetických rezerv v organizmu. Pokud jde o změny krátkodobé, nedochází k jejich úplnému vyčerpání. Fyzická zátěž současně zvyšuje produkci růstového hormonu, který prostřednictvím svého mediátoru tvořeného v orgánech (např. játrech) – faktoru podobnému inzulinu (IGF), umožňuje zvýšenou utilizaci glukózy. Předpokládá se zvýšený příliv glukózy i do buněk vyvíjejících se folikulů. Za zmínku stojí fakt, že u mladých zvířat současně stoupá produkce nadledvinových estrogenů a androgenů, které mohou k celkovému vzestupu sexuálních hormonůpřispět. Přeskupování zvířat vede kromě toho k další vnější stimulaci. Prasničky se navzájem stimulují kontaktem, očicháváním a vzájemnými vzeskoky. Týká se to zejména dominantních jedinců, kteří na rozdíl od podřízených prasniček mohou širokou škálu sexuálního chování neomezeně realizovat. Snad i tento fakt přispívá k vysvětlení, proč zmíněná opatření nejsou u všech zvířat stejně úspěšná. Přesto lze říci, že hlavním efektem je „rozvlnění” bazální hladiny sexuálních hormonů a následný pulzní charakter jejich sekrece.
U starších prasnic stejná fyzická zátěž může být daleko výraznějším stresorem a v reprodukci se projevit spíše negativně. Pro stimulaci říje se u nich využívá metoda tzv. „flushingu” neboli krátkodobého zvýšení krmné dávky. Existuje řada úvah o podstatě tohoto opatření. Především je nesporné, že náhlé zvýšení krmiva znamená vzestup glukózy ve vnitřním prostředí organizmu. Následně zvýšená sekrece inzulinu způsobí příliv glukózy do folikulárních buněk. To samotné by však ještě k vyvolání říje nestačilo. Musí opět dojít ke stimulaci sekrece gonadotropinů, aby jejich vlivem došlo k rozvoji folikulů. A právě k těmto změnám přispívá tzv. metabolická clearance neboli metabolické „očištění” krve od steroidních hormonů. Zvýšený konzum krmiva zvyšuje přívod krve do jater otevřením vrátniční žíly. Játra rychleji metabolizují, tzn. degradují kolující estrogeny. Jejich náhlý pokles v krvi je zaznamenán v hypotalamu, který na základě již zmíněné negativní zpětné vazby vyvolá masivní produkci folikuly stimulujícího hormonu (FSH) a luteinizačního hormon (LH) v hypofýze. Další změny pokračují v souladu s tím, co bylo o této ose již napsáno.
Cíleným dávkováním krmiva může chovatel ovlivnit i další kritickou etapu reprodukce. Tou je vývoj konceptu v prvních týdnech po zapuštění prasnice. Pro úplnost je třeba říci, že ne všechna uvolněná vajíčka jsou oplodněna a ne všechna oplodněná přežívají.
Nejprve několik slov k časovému sledu událostí v tomto údobí. V případě oplodnění vajíčka, tj. po splynutí (fúzi) jaderného obsahu vajíčka a spermie vznikají zygoty. Tento proces probíhá ve vejcovodech, které nejsou jen transportními orgány. Sekretují i proteiny, které se podle některých autorů přímo zúčastňují vlastního procesu oplodnění.8,9 Koncem prvního týdne zygoty sestupují do dělohy. Postupně se rozloží (migrují) do obou jejích rohů. Děloha je v té době ještě pod vlivem estrogenů a vykazuje pohyby, ohrožující život zygot. Nad ovariárními estrogeny však brzy dominuje účinek progesteronu z vyvíjejících se žlutých tělísek. Progesteron dělohu uklidňuje a stimuluje rozvoj žláznatého endometria. Dvou až čtyřbuněčné zygoty se dále dělí, čímž vznikají mnohobuněčné moruly. Další útvary s dutinkou uvnitř jsou blastocysty představující stadium zárodků, které se zachycují v endometriu dělohy a spojují se s ní. Celý proces, nazývaný implantace, je završen kolem 18. dne a je silně závislý na produkci hormonu žlutých tělísek – progesteronu.
Jak může průběh popsaných změn ovlivňovat výživa prasnice? Četné pokusy potvrzují, že zatímco říjivost i počet ovulovaných vajíček podporuje zvýšená dotace energie, po zapuštění prasnice je tomu naopak.
Snížený příjem krmiva přispívá k úspěšnému přežívání časných embryí a k jejich zdárné implantaci.10 Vše nasvědčuje tomu, že i zde působí stejný mechanizmus, jaký již byl popsán. Tentokrát je však žádoucí nižší metabolické očišťování krve od hormonů vzhledem k tomu, že hlavním cirkulujícím hormonem je „strážce” gravidity - progesteron. Jeho koncentrace se při sníženém krmení zvyšuje v důsledku nižší jaterní degradace. Progesteron nejen dělohu uklidňuje, ale stimulací děložních žláz vytváří dostatek děložních proteinů - děložního mléka, nezbytného k výživě časných embryonálních stadií.
V této souvislosti je však nutno zdůraznit, že uvedené opatření nezabrání embryonálním ztrátám, jsou-li zvířata vystavena dlouhotrvajícím stresům (přemísťování, agresi, nedostatku prostoru, vysokým teplotám apod.). Za velmi citlivé je považováno období migrace zygot, tj. 2. - 3. týden po zapuštění. Manipulace se zapuštěnými prasnicemi by proto měly probíhat před nebo po této době.
Z hlediska reprodukce je neméně náročná i následná březost a zejména pak časné postnatální období selat, které bude tématem dalšího sdělení.
Literatura:
1. Ganong W. F. Review of Medical Physiology. 20th Ed., Lange Med. Books; New York, 2001:870.
2. Jelínek P., Koudela K. et al. Fyziologie hospodářských zvířat. MZLU Brno, 2003:870.
3. Baldelli R., Dieguez C., Casanueva F. F. The role of leptin in reproduction: experimental and clinical aspects. Ann Med 2002;34:5-8.
4. Friedman J., Halaas, J. Leptin and the regulation of body weight in mammals. Nature 1998;395:763-770.
5. Holešovská Z., Vajc J. Vitamín A a betakaroten ve výživě prasniček. II. In: Dni výživy a veterinárnej dietetiky. Vědecká konference s mezinárodní účastí, UVL Košice;1996:244-251.
6. Kotrbáček V., Doucha J. Effect of Chlorella suplementation on reproductive functions in gilts. Abstracts of IV th European Workshop Biotechnology of Microalgae, Bergholz – Rehbrücke, 2000.
7. Kotrbáček V., Chmelař L., Vizárová G., Doucha J., Chalanyová M. Izopentyladenine (2iP) isolater from Chlorela kessleri stimulates mitotic activity of animal cells in vitro. Czech J Anim Sci 2000;45:p.IV.
8. Novak S., Almeina F. R. C. L., Cosgrove J. R., Dixon W. T., Foxcroft R. G. Effect of pre- and postmating nutritional manipulation on plasma progesterone blastocyt development and the oviductal environment during early pregnancy in gilts. J Anim Sci 2003;81:772-783.
9. Buhi W. C., Alvarez I., M., Kouga A., J. Oviductal regulation of fertilization and early embryonic development. J. Reprod Fertil 1997;52:285-300.
10. Jindal R., Cosgrove J. R., Aherne F. X., Foxcroft, G. R. Effect of nutrition on embryonal mortality in gilts: Association with progesterone. J Anim Sci 1996;74:620-624.
Adresa autora :
Doc. Ing. Václav Kotrbáček, CSc.
Veterinární a farmaceutická univerzita Brno
Ústav fyziologie
Palackého 1-3
612 42 Brno
e-mail: kotrbacekv@vfu.cz
