Wirkungen von Bacillus cereus variatio toyoi auf transportphysiologische Parameter des mittleren Jejunums von Ferkeln im Alter von 2 bis 8 Wochen

Abstract

Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte Metchnikoff das Konzept von probiotischen Wirkungen. Seitdem werden Wirkungen von Probiotika an Tier und Mensch erforscht. Diese Bemühungen wurden in den letzten Jahren intensiviert, da das Schwein als landwirtschaftliches Nutztier seit Januar 2006 dem EU- weiten Verbot der Verfütterung antibiotischer Leistungsförderer unterliegt. Für Probiotika als eine Möglichkeit alternativer Leistungsförderer besteht noch Forschungsbedarf zu den ihren Wirkungen zu Grunde liegenden Mechanismen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe der Ussing-Kammer-Methode untersucht, ob eine durchgehende Supplementierung des Futters der Sau (ab dem 24. Tag nach der Bedeckung) sowie nachfolgend der Ferkel mit dem Probiotikum Bacillus cereus var. toyoi einen Einfluss auf die Transport- und Barrierefunktionen des Epithels im mittleren Jejunum von Ferkeln hat. Dazu wurden sowohl absorptive als auch sekretorische Transportmechanismen sowie die passive Permeabilität des Dünndarmepithels bei Schweinen im Alter von 14, 28, 35 und 56 Tagen betrachtet. Als Modellsubstanzen für die Na+-gekoppelten Nährstoffabsorptionen wurden Glukose in den Konzentrationen 0,5 mM, 1,0 mM, 4,0 mM und 10,0 mM sowie Glutamin in der Konzentration von 12 mM eingesetzt. Die PGE2-induzierte Ionensekretion wurde als Modell für die sekretorischen Transportmechanismen ausgewählt und mit PGE2-Konzentrationen von 0,05 µM, 0,1 µM, 0,5 µM und 1,0 µM untersucht. Die Höhe der elektrogenen Reaktion auf die zugegebenen Substanzen wurde mit Hilfe der Kurzschlussstromreaktion ?Isc beurteilt. Ferner wurde die Barrierefunktion des Epithels mit der Modellsubstanz 3H-Mannit per Fluxmessung sowie durch Messung des transepithelialen Widerstandes Rt untersucht. Besondere Berücksichtigung erfuhren dabei die Untersuchung der Entwicklung dieser Transporte mit zunehmendem Alter einschließlich des mittelfristigen (nach 7 Tagen) Einflusses des Absetzens sowie darin eingeschlossen der Beeinflussung der transportkinetischen Parameter Michaelis-Menten-Konstante Km und maximale Transportgeschwindigkeit Vmax des Na+-gekoppelten Glukosetransportes und der PGE2-stimulierten Ionensekretion. Die 14 Tage alten Ferkel unterscheiden sich von den übrigen Ferkeln vor allem dadurch, dass sie eine höhere Kurzschlussstromreaktion auf PGE2 bzw. niedrigere Kurzschlussstromreaktion auf Glukose und Glutamin zeigen als die älteren Tiere. Bacillus cereus var. toyoi hat in dieser Altersgruppe eine die Sekretion abschwächende und die Absorption z.T. steigernde Wirkung. Bei 28 Tage alten Ferkeln (direkt vor dem Absetzen) bedingt Bacillus cereus var. toyoi erhöhte Empfindlichkeiten der PGE2-stimulierten Sekretion. Bei den 35 Tage alten Tieren (eine Woche nach dem Absetzen) ist diese Erhöhung gegenüber der Kontrolle bei insgesamt höherer Empfindlichkeit beider Fütterungsgruppen geringer ausgeprägt. Die 56 Tage alten Ferkel haben die geringste Differenz zwischen den beiden, sehr niedrige Empfindlichkeiten aufweisenden, Fütterungsgruppen. Die 35 Tage alten Probiotikatiere kommen dadurch 7 Tage nach dem Absetzen in den Bereich der hohen Sekretionsbereitschaft von 14 Tage alten Tieren beider Fütterungsgruppen. Am deutlichsten zeigt Bacillus cereus var. toyoi jedoch in der vorliegenden Arbeit einen interindividuell vereinheitlichenden Effekt (Abnahme der interindividuellen Streuungen) auf die zellulären Transportmechanismen Na+-gekoppelter Glukose- und Glutaminabsorption sowie PGE2-stimulierter Sekretion. Dagegen scheint Bacillus cereus var. toyoi in dieser Untersuchung keinen stabilisierenden oder vereinheitlichenden Effekt auf die Barrierefunktion des mittleren Jejunums des Schweines zu haben. Die Bedeutung der Ergebnisse, mögliche Schlussfolgerungen sowie Ausblicke auf weiteren Forschungsbedarf werden diskutiert. Die Beobachtungen legen nahe, daß eine Harmonisierung der teilweise erheblichen interindividuellen Schwankungen als hauptsächliche Wirkung von Bacillus cereus var. toyoi angenommen werden kann. Dies kann auf einen die Mikroökologie des Darmes, in der sowohl die gesamte Ingesta mit ihrer Mikrobiologie als auch die Darmwand mit ihren physiologischen Mechanismen eingeschlossen sind, stabilisierenden Effekt hinweisen.

Already at the beginning of the 20th century Metchnikoff developed a first concept of probiotic effects. Since then, the effects of probiotics on animals and humans have been under research. Recently, their study has been intensified, due to the prohibition of antibiotics as a food supplement since January 2006. However, for probiotics to serve as alternative growth promoters there is still some research to be done to elucidate the mechanisms behind their effects. In this thesis the Ussing chamber method was used to investigate if supplementing the feed of sows (starting on the 24th day after mating) and of the piglets with the probiotic strain Bacillus cereus var. toyoi has an influence on the transport and barrier functions of the jejunum epithelium in piglets. To do so, absorptive and secretory transport effects as well as the passive permeability of the jejunum epithelium in pigs aged 14, 28, 35 and 56 days were examined. For the Na+-coupled nutrient absorption, glucose with concentrations of 0,5 mM, 1,0 mM, 4,0 mM and 10,0 mM and l-glutamine with a concentration of 12 mM were used. PGE2 was used as a model for the secretion with concentrations of 0,05 µM, 0,1 µM, 0,5 µM and 1,0 µM. Electrogenic responses to the substances employed were estimated using the short circuit reaction ΔIsc. Furthermore, the barrier function of the epithelium was examined by measuring flux rates with the model substance 3H- mannitol and by measuring transepithelial resistance Rt. Special attention was devoted to the development of the transport mechanisms during the piglets' development, including the influence of weaning, and, as part thereof, the influence on the kinetic parameters of the Michaelis-Menten constant Km and the maximal transport speed Vmax of both the Na+-coupled glucose transport, and the PGE2-stimulated ion secretion. Fourteen days old piglets differ from older ones predominantly in exhibiting a higher short circuit reaction to PGE2 and a lower short circuit reaction to glucose and l-glutamine. Bacillus cereus var. toyoi lowers the secretion and partly enhances the absorption in this age group. In piglets 28 days of age (directly before weaning), Bacillus cereus var. toyoi enhances the sensitivity of the PGE2-stimulated secretion. One week after weaning (piglets aged 35 days), the difference in sensitivity is smaller between the control and the probiotic group but in both groups the absolute sensitivity is higher than the week before. At the age of 56 days, the difference between the feeding groups, which both exhibit very low absolute sensitivities, is the smallest. All in all, the piglets 35 days of age in the probiotic group, 7 days after weaning, are in the range of the high secretory readiness displayed by 14-days-old piglets of both groups. The clearest effect Bacillus cereus var. toyoi seems to produce is to decrease variations between the piglets in terms of the cellular transport mechanisms of Na+-coupled glucose- and l-glutamine absorption and PGE2-stimulated secretion. In contrast, Bacillus cereus var. toyoi does not seem to have a stabilising or harmonising effect on the barrier function of the pig s jejunum. The significance of and possible conclusions from the results is discussed, and an outlook is given on the aspects further research needs to address. The observations suggest that the harmonising effect on the sometimes very large interindividual variations may be the main effect of Bacillus cereus var. toyoi. This could be interpreted as an indication for a stabilising effect on the microecology of the intestinum, including the ingesta with its microbiology and the intestinal wall with its physiologic mechanisms.