Experimentelle Untersuchungen zur Ätiopathogenese des 'small baby syndrome' an zwei Tiermodellen der Ratte

Abstract

Das ’small baby syndrome’ beschreibt den Zusammenhang zwischen einem verminderten Geburtsgewicht (GGW) und einem erhöhten Risiko für die Entwicklung eines Typ 2 Diabetes mellitus und assoziierten kardiovaskulären Erkrankungen im Sinne des metabolischen Syndroms im adulten Alter. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, an zwei Tiermodellen der Ratte mögliche Pathomechanismen des ’small baby syndrome’ zu untersuchen. Das Modell der Arteria uterina Ligatur ist eines der am häufigsten verwendeten Tiermodelle zur Untersuchung einer uteroplazentaren Insuffizienz, der Hauptursache eines verringerten GGW in Industrieländern. In unseren Untersuchungen führte die Ligatur der Arteria uterina am 17. Gestationstag bei trächtigen Rattenweibchen bei den Nachkommen nicht zur Verminderung des mittleren GGW, zu keiner erhöhten Häufigkeit eines verminderten GGW und auch nicht zu einer gesteigerten neonatalen Gewichtszunahme. Die Bestimmung der Stoffwechselparameter (Blutglukose, Insulin, Insulin/Blutglukose Ratio, Leptin und Triglyceride) am 21. Lebenstag (LT) lieferte keine Unterschiede im Vergleich zu den Kontrolltieren der Scheinligaturgruppe. Eine Metaanalyse zum Modell der bilateralen Arteria uterina Ligatur ergab Hinweise auf das Vorliegen von ’publication bias’, d.h. dass der in der Literatur veröffentlichte Unterschied im GGW zwischen den Gruppen vor allem durch eine selektive Publikation von kleinen Studien bedingt ist, die in ihrer Auswertung wenige und anhand eines verringerten GGW unklarer Genese selektierte Ratten aus den Primärwürfen nach einer Arteria uterina Ligatur verwendeten. Zusammenfassend stellt das Tiermodell der bilateralen Arteria uterina Ligatur kein geeignetes Modell zur Untersuchung des ’small baby syndrome’ dar. Als weiterer ursächlicher Faktor des 'small baby syndrom' wird die Bedeutung der neonatalen Gewichtszunahme diskutiert. Wir entwickelten ein genuines Tiermodell, in dem neugeborene Ratten als ’small for gestational age’ (SGA) galten, deren GGW unterhalb der Untergrenze des 95 % Konfidenzintervalls gleichgeschlechtlicher Tiere desselben Wurfes lag. Die SGA-Tiere wurden vom 3.-21. LT in kleinen Würfen/Nestern mit nur 3 Tieren pro Mutter (SGA-in-KW) überernährt oder in Würfen mit 12 Tieren pro Mutter (SGA-in-NW) normal ernährt. Kontrolltiere waren zur Geburt normalgewichtige Tiere in normalen Würfen. SGA-in-KW-Tiere zeigten eine gesteigerte neonatale Gewichtszunahme und unterschieden sich im Körpergewicht ab dem 7. LT nicht mehr von den Kontrolltieren, während SGA-in-NW-Tiere dieses Defizit im GGW erst bis zum 60. LT aufholten. Bis zum 360. LT fanden sich keine weiteren Unterschiede im Körpergewicht und im systolischen Blutdruck. Adulte, neonatal überernährte SGA-Tiere zeigten allerdings eine signifikante basale Hyperinsulinämie, Insulin/Blutglukose Ratio, sowie einen erhöhten 90 min-Glukosewert im Glukosetoleranztest, während SGA-in-NW-Tiere keine signifikanten diabetogenen Störungen entwickelten. Das alleinige Vorliegen eines verringerten GGW stellte kein erhöhtes Risiko für die Entwicklung von Stoffwechselstörungen im Sinne des metabolischen Syndroms dar. Neugeborene Ratten mit einem verminderten GGW entwickelten nur nach neonataler Überernährung und raschem Aufholwachstum Hinweise für diabetogene Stoffwechselstörungen im adulten Alter. Diese Ergebnisse zeigen, dass der neonatalen Körpergewichtszunahme eine besondere Bedeutung für die Entwicklung von Symptomen des metabolischen Syndroms zukommt. Weitere Untersuchungen zu den Pathomechanismen des ‘small baby syndrome‘ und zur Bedeutung der Ernährung in diesem sensiblen neonatalen Zeitraum, die vorrangig geprägt ist von der Neugeborenen- und Säuglingsernährung, sind dringend erforderlich.

The ’small baby syndrome’ describes the association between low birth weight (LBW) and increased risk of diabetes and associated cardiovascular diseases as components of the metabolic syndrome in adult age. We investigated pathogenetic factors of the ’small baby syndrome’ in two experimental rat models. Uterine artery ligation is one of the most frequently used animal models to investigate uteroplacental insufficiency, the main cause of LBW in industrialized countries. In our experiments uterine artery ligation on the 17th day of gestation in pregnant rats caused neither a lower birth weight, nor a higher prevalence of LBW or increased neonatal weight gain in the offspring. On day (d) 21 of life mean blood glucose, triglycerides, insulin, leptin and the insulin/glucose-ratio did not differ between offspring of mothers with uterine artery ligation compared to offspring of mothers with sham ligation. Meta-analysis of the literature revealed evidence of publication bias that means that the literature is dominated by a selective publication of smaller studies, in which the pups were selected for analysis by means of a LBW. In summary, uterine artery ligation in rats does not lead to reproducibly low birth weight in the offspring and is not an appropriate model to investigate the ’small baby syndrome’. As another pathogenetic factor for the ’small baby syndrome’ rapid neonatal weight gain is discussed. We developed a new genuine animal model. Newborn rat pups were defined as ’small for gestational age’ (SGA) if their birth weight was below the 95 % confidence interval of pups of same sex and litter. From d3-d21 SGA-rats were overnourished in small litters with 3 pups per mother (SGA-in-KW) or were normally nourished in normal litters with 12 pups per mother (SGA-in-NW). Pups with normal birth weight in normal litters served as controls. Neonatal overnourished LBW-pups (SGA-in-KW) showed rapid neonatal weight gain resulting in body weight similar to control pups from d7 onwards. Neonatal normally nourished LBW-pups caught up in body weight until d60. There were no further differences in bodyweight or systolic blood pressure until d360 between the groups. Adult neonatal overnourished SGA-pups showed significantly higher basal insulin, insulin/glucose-ratio and a significantly higher blood glucose during glucose tolerance test at 90 minutes. Normally nourished SGA-pups did not show any diabetogenic disturbances. Having a LBW only was not a predisposing factor to develop symptoms of the metabolic syndrome. There was a distinct tendency in SGA-rats to develop diabetic disturbances, but only after neonatal overnutrition and rapid neonatal weight gain respectively. In summary, these results show that neonatal weight gain is an important risk factor of developing symptoms of the metabolic syndrome. Further investigations on mechanisms of the ‘small baby syndrome’ and on the importance of feeding and weight gain during this sensitive neonatal period, which is mainly affected by neonatal and infant nutrition, are urgently needed.