The rumen epithelium (RE) functions as an absorbing layer for short-chain fatty acids (SCFA) and at the same time as a protective interface between the blood circulation and the ruminal environment. These functions are strongly interconnected by the epithelial barrier (EB). A failure of this barrier compromises both absorbing and protective abilities and may lead to sickness of the animal and economic loss for the farmer. One of the main causes of EB failure is nutritional oversupply of easily fermentable carbohydrates, which leads to acute or subacute ruminal acidosis. Under these conditions, several changes occur in the rumen environment. One of these changes is the increase of SCFA, which is associated with a decrease of pH. In a previous study, it was demonstrated that the combination of low pH and high SCFA is necessary for impairing the EB of the RE and low pH alone did not impair the EB. In this study the three main SCFA were tested all together in a mix. The present study investigated whether the effect of individual SCFA at physiological and low pH lead to different changes of the EB of the RE. Rumen epithelia for Ussing chamber experiments were obtained from seven sheep. Epithelia were incubated 7 h with 30 mM of either acetate, propionate, or butyrate on the mucosal side at mucosal pH of 6.1 or at pH 5.1. Some extra epithelia were incubated with 100 mM acetate and tested under both pH conditions. Electrophysiological parameters and fluorescein flux rates were monitored during the incubation. Following incubation, mRNA and protein abundance of the TJ proteins claudin-1, -4, -7, and occludin were investigated, and TJ proteins were visualized using immunofluorescence staining. The results showed that SCFA incubation at physiological mucosal pH did not functionally affect the epithelial barrier. However, the results showed increased mRNA expression of some TJ proteins suggesting some protective effects of SCFA on the EB, but also a reduction of claudin-7 at protein level after incubation with 100 mM acetate and 30 mM butyrate. At pH of 5.1 all individual SCFA impaired to a comparable degree the EB and downregulated the TJ proteins. The group of epithelia incubated with 100 mM acetate caused more intense barrier failure. Epithelia incubated without SCFA at pH 5.1 showed no signs or very little evidence of barrier failure. This data suggests that the RE is extremely resistant to low pH environment. However, the combination of low pH with SCFA impairs the EB. Each SCFA caused a similar detrimental effect on the EB if incubated at the same concentration, while increasing their concentration augmented the harmful effect on the EB. The second study focused on molecules that may potentially strengthen the EB. According to literature, GLP-1, -2, and EGF usually improve the EB of other different epithelia. Therefore, their effects on RE were studied in ex vivo experiments. RE were obtained from six sheep and incubated with two different concentrations of GLP-1, GLP-2, and EGF in Ussing chambers. GLP-1 and GLP-2 were incubated on the serosal side. EGF was tested at a higher concentration on the serosal side and on the mucosal side, while a lower concentration of EGF was also tested on the mucosal side. The results of this second study did not show functional effects on the EB from any of the molecules tested. However, some potentially beneficial effects were seen at the mRNA level after incubation with high concentration of GLP-2 and high concentration of EGF on the serosal side. An interesting result was also the downregulation of claudin-7 at mRNA level in all epithelial treated with GLP-1, -2, and EGF. The result suggests that GLP-1 may have no, or a minor, role in EB regulation of RE, while EGF and GLP-2 may potentially regulate and protect the EB of the RE. Further studies in vivo are needed to confirm these results.
Das Pansenepithel (PE) resorbiert eine große Menge an kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) und wirkt gleichzeitig als schützende Schnittstelle zwischen dem Blutkreislauf und dem Pansenmilieu. Diese Funktionen sind durch die epitheliale Barriere (EB) stark miteinander verknüpft. Ein Versagen dieser Barriere beeinträchtigt sowohl die Absorptions- als auch die Schutzeigenschaften und kann zur Erkrankung des Tieres und zu wirtschaftlichen Verlusten für den Landwirt führen. Eine der Hauptursachen für das Versagen der EB ist die ernährungsbedingte Überversorgung mit leicht vergärbaren Kohlenhydraten, die zu einer akuten oder subakuten Pansenazidose führt. Unter diesen Bedingungen treten mehrere Veränderungen in dem Pansenmilieu auf. Eine dieser Veränderungen ist die Zunahme von SCFA, die mit einer Senkung des pH-Wertes verbunden ist. In einer früheren Studie zeigte sich, dass das Zusammenwirken von niedrigem pH-Wert und kurzkettigen Fettsäuren entscheidend für den Beginn des Versagens der EB ist. In dieser vorigen Studie wurde eine Kombination der drei wichtigsten kurzkettigen Fettsäuren verwendet. Um herauszufinden, ob einzelne Säuren eine unterschiedliche Wirkung auf die Epithelbarriere haben, wurden in der vorliegenden Arbeit Pansenepithelien von sieben Schafen in Ussing-Kammern auf der mukosalen Seite mit Azetat, Propionat oder Butyrat bei einem pH-Wert von 6,1 oder 5,1 inkubiert. Während der Inkubation wurden die elektrophysiologischen Parameter und die Fluorescein-Flussraten erfasst. Nach der Inkubation in der Ussing-Kammer wurden die mRNA- und Proteinexpression der tight-junction-(TJ)-Proteine untersucht und deren Lokalisation durch Immunfluoreszenzfärbung nachgewiesen. Die Ergebnisse ergaben, dass die SCFA-Inkubation bei einem pH-Wert von 6.1 keine funktionelle Wirkung auf die Epithelbarriere hatte. Als potenziell positiver Effekt wurden einige TJ-Proteine auf mRNA-Ebene hochreguliert. Allerdings erfolgte auch eine Reduktion von Claudin-7 auf Proteinebene nach Inkubation mit 100 mM Acetat und 30 mM Butyrat. Bei dem pH-Wert von 5,1 beeinträchtigten alle einzelnen inkubierten SCFA in ähnlicher Weise die EB und regulierten die Proteinexpression der untersuchten TJ-Proteine herunter. Bei Epithelien, die mit 100 mM Acetat inkubiert wurden, trat ein intensiveres Versagen der Barriere auf. Die Epithelien, die ohne SCFA bei pH 5,1 inkubiert wurden, zeigten keine oder nur sehr wenige Anzeichen einer Schädigung. Diese Daten deuten darauf hin, dass das PE sehr resistent gegenüber niedrigem pH-Wert ist. Die Kombination von niedrigem pH-Wert mit SCFA beeinträchtigt jedoch die EB. Einzelne SCFA bei derselben Konzentration verursachten ähnlich schädliche Effekte auf die EB, während eine Erhöhung ihrer Konzentration den schädlichen Effekt auf die EB verstärkte. In der zweiten Studie wurden Moleküle untersucht, die möglicherweise die EB verbessern könnten. Der Fachliteratur zufolge verbessern GLP-1, -2 und EGF in der Regel die EB verschiedener anderer Epithelien. Daher wurden deren Wirkung auf das PE untersucht. Pansenepithelien von sechs Schafen wurden in Ussing-Kammern mit GLP-1, GLP-2 und EGF bei zwei verschiedenen Konzentrationen inkubiert. GLP-1 und GLP-2 wurden auf der Serosalseite zugesetzt. EGF wurde bei höherer Konzentration auf der serosalen Seite und auf der mukosalen Seite getestet, wobei auf der mukosalen Seite auch eine niedrigere EGF-Konzentration getestet wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten bei keinem der getesteten Moleküle funktionelle Auswirkungen auf die EB. Allerdings wurde nach der Inkubation mit hoher Konzentration von GLP-2 und hoher Konzentration von EGF auf der serosalen Seite ein potenziell wirksamer Effekt auf der mRNA-Ebene beobachtet. Interessantes Ergebnis war auch die Herunterregulierung von Claudin-7 auf mRNA-Ebene in allen mit GLP-1, -2 und EGF behandelten Epithelien. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass GLP-1 nicht oder kaum an der EB-Regulierung im PE beteiligt ist, während EGF und GLP-2 möglicherweise die EB des PE regulieren und schützen könnten. Weitere Studien in vivo sind notwendig, um diese Ergebnisse zu bestätigen.
