Die Adaptation des Pansenepithels im zeitlichen Verlauf in Abhängigkeit von der Fütterung am Modell des Schafes

Abstract

In der vorliegenden Promotionsarbeit wurde der zeitliche Verlauf der Adaptation des Pansenepithels bei einer Futterumstellung von energiearmer Heufütterung auf energiereiche Konzentratfutter-Supplementierung auf verschiedenen Ebenen bei einer Gruppe von Schafen untersucht. Bei diesen Tieren wurden in vivo Veränderungen in der Pansenflüssigkeit und der IGF-1-Konzentration im Plasma erfasst. In vitro erfolgte anhand von Gewebestücken eine Untersuchung der Absorptionsraten von Natrium und Acetat (Ussing-Kammer-Methode) und anhand abgetrennter Zotten eine Untersuchung der mRNA-Kopienzahl verschiedener Gene. In Bezug auf die Messungen der Natrium- Absorption interessierten auf molekularer Ebene besonders die Natrium- transportierenden Proteine NHE1, NHE3 und Na-K-ATPase, sowie der NHE 3 regulating factor 1. Außerdem wurden Enzyme und Transportproteine untersucht, die für den Stoffwechsel und die pH-Regulation der Pansenepithelzellen von Bedeutung sind. In den in vivo-Untersuchungen wurden folgende Veränderungen festgestellt: \- In der Pansenflüssigkeit bestand ein fütterungsabhängiger Verlauf von NH4+-Konzentration, pH-Wert und Osmolalität. \- Die Osmolalität blieb im Gegensatz zu pH-Wert und NH4+-Konzentration im Mittel für alle untersuchten Fütterungstage gleich. \- Die Plasma-IGF-1-Konzentration zeigte eine fütterungsabhängige langsame Erhöhung bis zum 35. Tag der Konzentratfutter-Supplementierung. Die in vitro-Untersuchungen lieferten folgende Ergebnisse: \- Die Natrium-Absorption blieb nach einem deutlichen Anstieg innerhalb der ersten Woche nach Futterumstellung bis zur 6. Woche konstant erhöht. \- Die transepitheliale Aufnahme der Fettsäure Acetat steigerte sich nach der Futterumstellung nicht und sank tendenziell innerhalb der ersten Woche ab. \- Die relative mRNA-Kopienzahl der Natrium- Transportierenden Proteine NHE1, NHE3 und Na-K-ATPase, sowie des NHE 3 regulating factor 1 (NHERF1) zeigte keine Zu- oder Abnahme bei Vergleich zwischen Kontroll- und Versuchsgruppen. \- Bei den Transportproteinen AE2 und MCT1, bei der vH-ATPase und den Enzymen CA1, CA2 und ACS2 konnte auf mRNA- Ebene keine Änderung gefunden werden. Mit diesen Ergebnissen bleibt weiter unklar, welche Mechanismen auf zellulärer Ebene für die gemessene Erhöhung der Natrium-Absorption verantwortlich sind. Es steht fest, dass eine Steigerung in der Aktivität des NHE stattfinden muss, mit der sich die Pansenepithelzelle bei energiereichem Futter vor einer intrazellulären Übersäuerung schützt. Die in der Literatur beschriebene Erhöhung der Fettsäure-Absorption nach Futterumstellung lässt sich durch eine Vergrößerung der Oberfläche in vivo erklären und spricht für eine Aufnahme der Fettsäure vor allem über Diffusion. Die Steigerung der Plasma-Konzentration von IGF-1 könnte bedeuten, dass hier ein (gen-) regulativer Mechanismus vorliegt.

In the present study the time course of rumen epithelial adaptation to a dietary change from hay (low energy) to concentrate-supplementation (high energy) was studied for a group of sheep using different approaches. In vivo, changes in ruminal fluid parameters and the concentration of IGF-1 in plasma were measured. In vitro, the transport of sodium and acetate using the Ussing- chamber-method were determined and the mRNA copy number of different genes was studied. In regard to sodium-transport studies, the regulation of the sodium- transporting proteins NHE1, NHE3, Na-K-ATPase and the NHE regulating factor were the major points of interest. These studies were extended by the examination of further proteins and enzymes known to be important for the pH- regulation and the metabolism of the ruminal epithelial cell. The in vivo- experiments exhibited the following effects: \- In ruminal fluid, the time course of pH, NH4+-concentration and osmolality depends on the feed intake. \- The mean daily value of osmolality remained constant throughout the study, while pH and NH4+-concentration varied with the feeding regime. \- The concentration of IGF-1 in plasma showed a feed-dependent slow rise up to the 35th day of concentrate-supplementation. In vitro, the following results were obtained: \- In the Ussing-chamber experiments, a marked increase of the sodium-flux rates in the first week after a change of diet was observed as in previous studies. Subsequently, flux rates remained constant until the last measurement after 6 weeks. \- The absorption of acetate did not rise with energy-intake, and showed a tendency of decrease during the first week after diet change. \- The genes for the sodium-transporting proteins NHE1, NHE3 und Na-K-ATPase and NHE 3 regulating factor 1 (NHERF1) showed no significant increase in relative mRNA copy number. Furthermore, no change in mRNA-level was observed for the other transport-proteins studied (AE2, MCT1), the vacuolar H-ATPase and the enzymes CA1, CA2 and ACS2. These results do not uncover the mechanisms at cellular level, which are responsible for the diet- dependent increase in sodium-flux rates. The observed increase in activity of NHE has the capability to extrude H+, which might be the first line of defence after a rapid uptake of undissociated SCFA at high rates of rumen fermentation. The increase in the absorption of fatty acids in in vivo- experiments as reported in the literature can probably be explained by the well-known adaptational increase in size and number of ruminal papillae (enlarged surface-area). Conversely, the acetate-absorption per area as measured in Ussing-chamber experiments remained unchanged, suggesting an uptake mostly via diffusion. The increase in the IGF-1 concentration in plasma could imply a (gene-) regulative mechanism.