The impact of glutamine supplementation on morphological gut development, immune cells, tissue and digesta amino acid profiles, microbiota and bacterial metabolites in low birthweight and normal birthweight male suckling piglets

Abstract

Due to the breeding of hyperprolific sows with large litters size, the number of low birthweight piglets (LBW) increased in the last decade. Low birthweight piglets show a higher preweaning mortality and reduced growth performance. The high mortality cannot be accepted regarding animal welfare and the reduced growth performance leads to economic losses. Promising results of glutamine (Gln) supplementation to piglets were observed at weaning and under stressful conditions, such as infections, leading to better gut development and growth. An important aspect of the non-essential amino acid Gln is, the function as an energy fuel for enterocytes and immune cells of the intestine.

The objective of this study was to investigate the impact of Gln supplementation on gut and immune cell development, amino acid absorption, the microbiota and their metabolites in LBW male suckling piglets.

To test the effect of Gln on male suckling piglets an animal trial was performed. LBW (0.8–1.2 kg) and normal birthweight (NBW) (1.4–1.8 kg) male littermates born to gilts were paired at birth. The piglets received an oral supplementation of either 1 g Gln or an isonitrogenous amount of alanine (Ala) (1.22 g/kg BW) until 12 d of age. In total four different groups were studied: LBW+Gln; NBW+ Gln; LBW+Ala; NBW+Ala (n = 12/age group). The piglets had free access to suckle the dam throughout the study. At 5 and 12 d of life (n = 96) piglets were euthanized. Tissue and digesta of the jejunum and colon were snap frozen in liquid nitrogen or fixed in formalin for subsequent analysis.

Interestingly the supplementation of Gln led to no differences in most of the investigated parameters in the jejunum. Glutamine supplementation had no effect on jejunal morphology, development, tissue and digesta amino acid profiles and mRNA abundance of genes involved in amino acid transport, metabolism, glutathione synthesis in LBW piglets compared Ala supplementation and birthweight (BiW) at 5 and 12 d of age. Only the jejunal tissue Gln concentration was higher in NBW piglets supplemented with Gln compared to Ala at 5 d of age. The BiW comparisons revealed no difference between LBW and NBW piglets. However, age seemed to have the biggest effect, because morphological characteristics, immune cells, the ratio of jejunal RNA to DNA and the concentration DNA, protein and RNA, as well as amino acid profiles changed from 5 compared to 12 d in suckling piglets.

In the colon we observed similar effects. Concentrations of biogenic amines were lower and the number of CD3+ intraepithelial lymphocytes (IEL) were higher in Gln compared to Ala supplemented piglets. Low birthweight of piglets had minor effects on the microbial composition and led to a lower concentration of some biogenic amines and IEL. In contrast to Gln supplementation and BiW the factor age had a major influence on histological and microbial characteristics in male suckling piglets.

In conclusion, the oral supplementation of Gln and the BiW of piglets had only minor effects on the observed parameters in the distal small intestine and the colon of suckling piglets, whereas age had a major impact. This indicates, that the intestinal development is mainly driven by ontogenetic factors during the suckling period of piglets.

Aufgrund der Verfügbarkeit von fruchtbaren Sauen mit großen Würfen hat die Zahl der Ferkel mit niedrigem Geburtsgewicht (LBW) im letzten Jahrzehnt zugenommen. Ferkel mit niedrigem Geburtsgewicht weisen eine höhere Sterblichkeit vor dem Absetzen und ein geringeres Wachstum auf. Die hohe Sterblichkeit ist aus Sicht des Tierschutzes nicht akzeptabel, und die verringerte Wachstumsleistung führt zu wirtschaftlichen Verlusten. Es wurden vielversprechende Ergebnisse bei der Gabe von Glutamin (Gln) an Ferkel zum Zeitpunkt des Absetzens und unter Stressbedingungen, wie zum Beispiel bei Infektionen, beobachtet, die zu einer besseren Darmentwicklung und einem höheren Wachstum führten. Ein wichtiger Aspekt der nicht-essentiellen Aminosäure Glutamin ist, dass sie als Energieträger für Enterozyten und Immunzellen des Darms von Bedeutung ist.

Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen einer Gln-Supplementierung auf die Entwicklung des Darms und von Immunzellen, die Aminosäureabsorption und die intestinale Mikrobiota sowie deren Metaboliten bei männlichen LBW Saugferkeln zu untersuchen.

Um die Wirkung von Gln auf männliche Saugferkel zu testen, wurde ein Fütterungsversuch durchgeführt. Für den Versuch wurden männliche Wurfgeschwister mit LBW (0,8-1,2 kg) und normalem Geburtsgewicht (NBW) (1,4-1,8), die von Jungsauen geboren wurden, bei der Geburt gepaart. Die Ferkel erhielten bis zum Alter von 12 Tagen entweder 1 g Gln oder eine isonitrogene Menge an Alanin (Ala) (1,22 g/kg Körpergewicht) oral verabreicht. Insgesamt wurden vier verschiedene Gruppen untersucht: LBW+Gln; NBW+ Gln; LBW+Ala; NBW+Ala (n = 12/Altersgruppe). Die Ferkel hatten während der gesamten Studie freien Zugang zum Säugen des Muttertiers. Am 5. und 12. Lebenstag (n = 96) wurden die Ferkel zur Probenentnahme euthanasiert. Das Gewebe und die Digesta des Jejunums und des Kolons wurden für die anschließende Analyse in flüssigem Stickstoff eingefroren oder in Formalin fixiert.

Interessanterweise führte die Supplementierung von Gln zu keinen Unterschieden bei den meisten der untersuchten Parameter im Jejunum. Glutamin hatte keinen Einfluss auf die Morphologie des Jejunums, die Entwicklung der Immunzellen und die Aminosäureprofile im Gewebe und im Verdauungstrakt bei LBW Ferkeln im Alter von 5 und 12 Tagen. Dies war auch für die mRNA-Expression von Genen, die am Aminosäuretransport, dem Stoffwechsel und der Glutathion Synthese beteiligt sind zu beobachten. Nur die Gln-Konzentration im Gewebe des Jejunums war bei NBW-Ferkeln mit Gln-Supplementierung im Vergleich zu Ala im Alter von 5 Tagen höher. Es wurden keine Einflüsse des Geburtsgewichts auf die untersuchten Parameter nachgewiesen. Das Alter schien jedoch die größte Auswirkung zu haben, da sich die morphologische Entwicklung, die Immunzellen, das Verhältnis von jejunaler RNA zu DNA und die Konzentration von DNA, Protein und RNA sowie die Aminosäureprofile bei Saugferkeln im Alter von 5 Tagen im Vergleich zu 12 Tagen veränderten.

Im Dickdarm beobachteten wir ähnliche Auswirkungen. Die Konzentrationen biogener Amine waren niedriger und die Zahl der CD3+ intraepithelialen Lymphozyten (IEL) bei Ferkeln nach Gabe von Gln im Vergleich zu Ferkeln, die Ala erhielten, höher. Ein niedriges Geburtsgewicht der Ferkel hatte geringfügige Auswirkungen auf die mikrobielle Zusammensetzung und führte zu einer geringeren Konzentration einiger biogener Amine und geringerer Anzahl an IEL. Im Gegensatz zur Gln-Supplementierung und zum Geburtsgewicht hatte der Faktor Alter einen größeren Einfluss auf die histologischen und mikrobiellen Merkmale bei männlichen Saugferkeln.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die orale Supplementation von Gln und das Geburtsgewicht der Ferkel nur geringe Auswirkungen auf die beobachteten Parameter im distalen Dünndarm und im Dickdarm der Saugferkel hatten, während das Alter einen großen Einfluss spielte. Dies deutet darauf hin, dass die Entwicklung des Darms hauptsächlich durch ontogenetische Faktoren während der Säugezeit der Ferkel bestimmt wird.