Academic literature on the topic 'Kurzkettige Fettsäuren'

ZUSAMMENFASSUNGDie Multiple Sklerose (MS) ist eine autoimmunvermittelte Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die in Deutschland ca. 230000 Menschen betrifft. Bis heute existiert für die MS keine Heilung. Als Ursachen werden genetische und Umwelt-Risikofaktoren angenommen, wobei letztere mit ca. 70 % des Risikos den Hauptanteil einnehmen. In diesem Zusammenhang weisen neuere Studien auf eine wichtige Rolle des Darms, des intestinalen Mikrobioms, d. h. der Gesamtheit aller Darmbakterien, und der Diät zur Erkrankungsmodulation hin. Hierdurch könnten neue Therapieansätze geliefert werden. In dieser Übersichtsarbeit diskutieren wir aktuelle Erkenntnisse zur Bedeutung des Darms und der Ernährung aus präklinischen Modellen der MS sowie aus translationalen Studien mit MS-Patienten. Diese Studien zeigen, dass Darmbakterien eine wichtige Rolle für die Entstehung und Erkrankungsprogression spielen können. Darüber hinaus existiert eine komplexe Interaktion zwischen der Diät und dem Mikrobiom sowie dem Immunsystem, was auf die Möglichkeit einer Modulation der MS auf diesem Wege hinweist. Diätetische Ansätze wie kurzkettige gesättigte Fettsäuren und Fasten können die MS und ihre experimentellen Modelle günstig beeinflussen. Derartige diätetische oder probiotische Ansätze werden in randomisierten klinischen Studien getestet.

ZusammenfassungEine gestörte Mikrobiota kann – neben Fehlernährung und Bewegungsmangel – zur Entstehung von Übergewicht und dessen Folgeerkrankungen beitragen. Ballaststoffe wie Betaglucan stabilisieren die Mikrobiota, unterstützen über die erhöhte Sättigung eine Gewichtsabnahme und vermindern hungerauslösende Blutzuckerschwankungen. Für den Menschen unverdauliche Ballaststoffe werden von Darmbakterien zu kurzkettigen Fettsäuren abgebaut, die u. a. die intestinale Darmbarriere verbessern. Ist die Schutzfunktion der Darmschleimhaut gestört, fördert dies die Entwicklung von Adipositas, nichtalkoholischer Fettleber und Typ-2-Diabetes. Die kurzkettigen Fettsäuren beeinflussen zudem Cholesterinspiegel und Blutglukosestoffwechsel positiv.

Es wird heute postuliert, dass die regelmäßige Einnahme von Prä- und Probiotika gesundheitsfördernd ist. Aufgrund der in vitro und in vivo gezeigten Effekte auf die intestinale Flora, die Darmbarriere und das Immunsystem kann dies theoretisch abgeleitet werden. Der wissenschaftliche Beweis zur Gesundheitsförderung steht aber beim Menschen noch aus. Prä- und Probiotika sind im Darm sehr aktiv und beeinflussen die intestinalen Bakterien, welche an metabolischen, trophischen und protektiven Mechanismen beteiligt sind. Präbiotika stimulieren das Wachstum von apathogenen Bakterien und erhöhen dadurch die Konzentration von kurzkettigen Fettsäuren im Darm. Die kurzkettigen Fettsäuren sind äußerst aktive Substrate im Dickdarm. Probiotika hemmen die Vermehrung von pathogenen Bakterien, verhindern die Translokation von Bakterien und Toxinen und modulieren das intestinale Immunsystem. Für einige Krankheitsbilder (Colitis ulcerosa, Pouchitis, Diarrhö) konnten therapeutische, bzw. prophylaktische Effekte mit Prä- und Probiotika nachgewiesen werden. In den nächsten Jahren werden sicher weitere Indikationen für Prä- und Probiotika einzeln oder zusammen verabreicht, dazu kommen.

Zusammenfassung. Chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED) sind durch eine inadäquate Immunantwort gegen Darmbakterien bedingt. Das Risiko für CED ist teilweise erblich und 12 % aller Patienten haben eine Familienanamnese mit CED. In grossen Genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) konnten zuletzt 240 mit CED assoziierte genetische Regionen gefunden werden. Viele dieser Gene haben eine Funktion im Immunsystem oder sind mit primären Immundefizienzen oder der Mykobakterienabwehr assoziiert. Die 240 gefundenen genetischen Regionen sind insgesamt ein hervorragender Arbeitsplan für weitere Forschungen bezüglich Pathogenesemechanismen und Therapien bei CED. GWAS konnten jedoch bis jetzt nur einen Teil des genetischen CED-Risikos aufklären. Neue Strategien wie genomweites Sequenzieren werden deshalb angewandt, um weitere (seltene) genetische Varianten zu identifizieren. Zudem wird bei wenigen Patienten CED als monogenetische Erkrankung vererbt. Hinzu kommt, dass genetische Aspekte relevant mit Umweltfaktoren interagieren können und dann nur entdeckt werden, wenn in Studien die Umwelt ebenfalls berücksichtigt wird. Interessanterweise können die bis jetzt gefundenen genetischen Varianten auch in Kombination den Krankheitsverlauf nicht voraussagen. Neue GWAS haben deshalb auf die Prognose der CED fokussiert und erste neue Erkenntnisse gebracht, es besteht jedoch weiterer Forschungsbedarf. Der Gastrointestinaltrakt beherbergt eine grosse Zahl an Mikroorganismen (Mikrobiota) und es ist eine grosse Herausforderung für das Immunsystem, diese unter Kontrolle zu behalten und trotzdem von den vielfältigen essentiellen Aktivitäten der Mikrobiota zu profitieren. Bei CED findet sich eine veränderte, dysfunktionale (dysbiotische) Mikrobiota mit verminderter Diversität und einer vermehrten Zahl potentiell pathogener Proteobacteriae, wie z. B. Escherichia coli. Die Mikrobiota ist bei CED in ihrer Zusammensetzung dynamischer (zeitlich variabler) als im gesunden Zustand und Dysbiose ist bei Morbus Crohn stärker ausgeprägt als bei Colitis ulcerosa. In Tierexperimenten konnte eine dysbiotische Mikrobiota durch intestinale Mikrobiotatransplantation (Stuhltransplantation) auf ein anderes Tier übertragen werden und damit eine Darmentzündung ausgelöst werden. Eine intakte Mikrobiota führt hingegen zu vermehrter bakterieller Produktion von kurzkettigen Fettsäuren (Short Chain Fatty Acids, SCFA), die das Immunsystem im Darm herunterregulieren können. Ausserdem weisen einige Bakterien immunsupprimierende Eigenschaften auf. Die ausserordentlich komplexe Mikrobiota und das Netzwerk aus Genetik, Immunsystem, Umwelt und Mikrobiota ist jedoch erst teilweise verstanden. Die Mikrobiota ist ein potentieller therapeutischer Angriffspunkt, der momentan mit Antibiotika, Probiotika, Präbiotika und Stuhltransplantation nur unspezifisch beeinflusst werden kann. Spezifische Interventionsmöglichkeiten könnten hier neue therapeutische Optionen eröffnen.

Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen
Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future

In einer Zeit, in der eine Zunahme von ernährungsbedingten Erkrankungen in steigendem Maße zu beobachten ist, wird dem Getreide als Grundlage der menschlichen Ernährung erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet. Ein hoher Verzehr von Ballaststoffen ist ein wesentlicher Aspekt in der präventiv-medizinischen Ernährung. Die von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung vorgeschlagene tägliche Ballaststoffzufuhr liegt bei 30 g. Die Aufnahme von Ballaststoffen ist jedoch in Deutschland deutlich unterhalb dieser empfohlenen Menge.

Getreideprodukte, besonders vom Vollkorntyp, sind die wichtigste Quelle für Ballaststoffe. Deshalb sollten im Rahmen dieser Arbeit direkt verzehrsfähige, Ballaststoff-angereicherte Haferprodukte (vorwiegend Extrudate) mit hohen Gehalten an b-Glucanen und resistenter Stärke hergestellt, analysiert und nachfolgend auf relevante ernährungsphysiologische Wirkungen geprüft werden. Als Basis für die Produkte wurden Hafermehl und Haferkleie eingesetzt.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Analyse der Haferprodukte. Diese wiesen eine hohe Wasserbindungskapazität auf. Bei den Untersuchungen am Tiermodell wurde gezeigt, dass im Dünndarm eine größere Menge an Wasser durch die Haferprodukte gebunden wurde, was zu einem höheren Feuchtigkeitsanteil der gastrointestinalen Inhalte der Tiere führte, die ballaststoffreiches Futter erhielten.

Trotz der hydrothermischen Behandlung während der Extrusion wurden Produkte gewonnen, deren β-Glucane im hochmolekularen Zustand erhalten blieben und somit eine hohe Viskosität in wässrigen Lösungen beibehielten. In rheologischen Untersuchungen wurde bestätigt, dass die aus Haferprodukten isolierten β-Glucane ein pseudoplastisches Fließverhalten besitzen. Demgegenüber führte ein Autoklavieren der Produkte zu einer starken Depolymerisation der b-Glucane, was sich in einer Änderung der funktionellen Eigenschaften der b-Glucane widerspiegelte.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen ernährungsphysiologische In-vitro- und In-vivo-Experimente mit Extrudaten und Proben auf der Basis von Hafer, die einen erhöhten Anteil an Ballaststoffen, speziell an b-Glucan und an resistenter Stärke, besaßen und die direkt verzehrbar sind. Diese Haferprodukte zeigten eine Reihe von ernährungsphysiologisch vorteilhaften und protektiven Wirkungen in In-vitro-Experimenten. So traten sie mit Gallensäuren unter den Bedingungen des Dünndarms in Wechselwirkung und waren gut mit Faecesflora vom Menschen fermentierbar. Die In-vitro-Verdauung von Maisstärke durch Pankreatin, wurde durch die ballaststoffreichen Haferprodukte partiell gehemmt. Dieser Befund lässt eine Abschwächung des postprandialen Glukoseanstieges erwarten.

In einem sechswöchigen Fütterungsversuch erhielten Ratten Diäten, die zu 50 % aus ballaststoffreichen Haferprodukten bestanden. Diese Haferprodukte bewirkten einen erhöhten Transport von Gallensäuren und neutralen Sterolen in den unteren Intestinaltrakt sowie deren verstärkte Ausscheidung. Durch den Verzehr der ballaststoffreichen Haferprodukte kam es zu Veränderungen in der Mikroflora, wobei sich besonders die coliformen Keime verminderten und die Keimzahlen der Lactobacillen sowie die Bifidobakterien erhöhten. Die Fermentation der Ballaststoffe führte zur erhöhten Bildung von kurzkettigen Fettsäuren einschließlich von Butyrat. Die Bildung der kurzkettigen Fettsäuren geht mit einer pH-Wert-Absenkung im Caecum und Colon einher, die wiederum für eine geringere Bildung von sekundären Gallensäuren verantwortlich ist.

Die Ergebnisse des Fütterungsversuchs an Ratten wurden prinzipiell durch eine vierwöchige Pilotstudie am Menschen, in der Probanden täglich 100 g Haferextrudat erhielten, bestätigt. Das Extrudat wurde von den Probanden gut akzeptiert. In der 4. Woche wurden eine geringe Abnahme der Cholesterolfraktionen im Serum, höhere Keimzahlen für Lactobacillen, Bifidobacterien und Bacteroides, geringere pH-Werte und Trockenmassegehalte in den Faeces, eine Zunahme der individuellen und Gesamt-SCFA sowie des Butyratanteils in den Faeces, eine erhöhte Ausscheidung an Steroiden, eine Zunahme der primären Gallensäuren und eine Abnahme des prozentualen Anteils an sekundären Gallensäuren sowie der Cholesterol-Metaboliten gefunden. Diese Parameter gingen 2 Wochen nach Beendigung der Intervention mit dem Haferextrudat wieder in Richtung der Ausgangswerte (0. Woche) zurück.

Die untersuchten Haferprodukte erwiesen sich als gut fermentierbare Substrate für die intestinale Mikroflora und können deshalb als ein Präbiotikum mit Ballaststoffcharakter eingeschätzt werden. Diese Produkte, die mit einem erhöhten Anteil an resistenter Stärke und wertvollen Haferballaststoffen hergestellt wurden, können dazu beitragen, die Ballaststofflücke in unserer Ernährung zu schließen und positive ernährungsphysiologische Effekte zu bewirken.
Cereal products, particularly from whole grains, are the most important source of dietary fibre in the western diet. A high intake of dietary fibre, which is an essential component in nutrition, is positively related to several physiological and metabolic effects. However, the daily intake of dietary fibre is below the recommended levels (30d/day) in most industrials country. Oat (Avena sativa L.) products are well accepted in human nutrition. Oats is an excellent source of different dietary fibre types, such as β-glucan, arabinoxylans and cellulose, and it contains high levels of proteins, lipids, vitamins, antioxidants and minerals.
A series of extrudates was prepared from oat meal, oat bran and Novelose 330®, differing in concentrations of individual dietary fibre components, such as β-glucan and resistant starch, as well as total dietary fibre.

The cereal dietary fibre, β-glucan, has outstanding functional and nutritional properties, because of its viscosity in aqueous systems and in the intestinal tract. The rheological behaviour of β-glucan (concentrations: 2% and 4%) isolated from extruded oat meal and from oat bran was evaluated using oscillatory and rheological measurements. In frequency sweep, the storage and loss moduli G′ and G″ of β-glucan preparations from extruded meal and from bran increased continuously with increasing frequency, showing a dominantly viscous behaviour. With increasing frequency, the elastic properties improved.

After simulated digestion, the digested dietary fibre-rich oat-based extrudates were used to evaluate their physiological effects in vitro. A strong interaction occurred between the digested extrudates and bile acids. The binding of bile acids increased with increasing proportions of oat bran, total dietary fibre, insoluble dietary fibre and β-glucan in the extrudates. Dihydroxy-bile acid was more strongly bound to the extrudates than trihydroxy- bile acid. Interactions at pH 5.0 were greater than at pH 6.5. During fermentation of digested extrudates with human faecal samples, concentrations of short-chain fatty acid formed and the molar proportion of butyrate increased continuously. Higher short-chain fatty acid concentrations were found when extrudates contained more oat bran, soluble and insoluble dietary fibre and β-glucan. Extrudates, on the basis of oat, have several beneficial nutritional and protective effects in vitro. Therefore, physiological effects occurring in the small and large intestine are also related to the dietary fibre composition of the cereal products.

The results found in vitro was examined in feeding experiments with animal models and in nutritional studies with human subjects.

Male Wistar rats were fed either an oat-free diet (control group) or diet containing 50% oat-based products (test groups) for 6 week. In most of the test group, following effects were observed compared with control group: higher water intake; slightly decreased total and LDL cholesterol in serum; higher count of Bifidobacteria as well as lower count numbers of Coliforms; greater mass of cecum walls and cecal contents; lower pH values in intestinal contents; higher concentration of acetate, propionate and butyrate in cecal contents and greater excretion of short-chain fatty acids; significantly more total bile acids in cecal contents; higher excretion of total bile acids and primary bile acids; lower proportion of secondary bile acids as well as higher concentration of neutral sterols in cecal contents, colonic contents and feces.

In the human study 12 volunteers consumed 100 g fiber-rich oat-based product (to the habitually diet) daily for 4 week. Following results were observed in the week 4 compared with the beginning of the experiment: higher water intake; slightly decreased total cholesterol in serum; lower pH values in feces; higher concentration of acetate, propionate and butyrate in feces; higher excretion of total bile acids and primary bile acids; lower proportion of secondary bile acids as well as higher concentration of neutral sterols in feces.

In conclusion, application of the dietary fiber-rich oat-based diets had a variety of beneficial physiological and protective effects in rats and human depending on their composition and amount, their technological pre-treatment and their functional properties. The major effects connected whit fermentation of dietary fibre components and their high formation of short-chain fatty acids as well as with higher excretion of steroids.

Introduction: Intestinal bacteria influence gut morphology by affecting epithelial cell proliferation, development of the lamina propria, villus length and crypt depth [1]. Gut microbiota-derived factors have been proposed to also play a role in the development of a 30 % longer intestine, that is characteristic of PRM/Alf mice compared to other mouse strains [2, 3]. Polyamines and SCFAs produced by gut bacteria are important growth factors, which possibly influence mucosal morphology, in particular villus length and crypt depth and play a role in gut lengthening in the PRM/Alf mouse. However, experimental evidence is lacking. Aim: The objective of this work was to clarify the role of bacterially-produced polyamines on crypt depth, mucosa thickness and epithelial cell proliferation. For this purpose, C3H mice associated with a simplified human microbiota (SIHUMI) were compared with mice colonized with SIHUMI complemented by the polyamine-producing Fusobacterium varium (SIHUMI + Fv). In addition, the microbial impact on gut lengthening in PRM/Alf mice was characterized and the contribution of SCFAs and polyamines to this phenotype was examined. Results: SIHUMI + Fv mice exhibited an up to 1.7 fold higher intestinal polyamine concentration compared to SIHUMI mice, which was mainly due to increased putrescine concentrations. However, no differences were observed in crypt depth, mucosa thickness and epithelial proliferation. In PRM/Alf mice, the intestine of conventional mice was 8.5 % longer compared to germfree mice. In contrast, intestinal lengths of C3H mice were similar, independent of the colonization status. The comparison of PRM/Alf and C3H mice, both associated with SIHUMI + Fv, demonstrated that PRM/Alf mice had a 35.9 % longer intestine than C3H mice. However, intestinal SCFA and polyamine concentrations of PRM/Alf mice were similar or even lower, except N acetylcadaverine, which was 3.1-fold higher in PRM/Alf mice. When germfree PRM/Alf mice were associated with a complex PRM/Alf microbiota, the intestine was one quarter longer compared to PRM/Alf mice colonized with a C3H microbiota. This gut elongation correlated with levels of the polyamine N acetylspermine. Conclusion: The intestinal microbiota is able to influence intestinal length dependent on microbial composition and on the mouse genotype. Although SCFAs do not contribute to gut elongation, an influence of the polyamines N acetylcadaverine and N acetylspermine is conceivable. In addition, the study clearly demonstrated that bacterial putrescine does not influence gut morphology in C3H mice.
Einleitung: Die intestinale Mikrobiota beeinflusst die Morphologie des Darmes durch Beeinflussung der Epithelzellproliferation, Entwicklung der Lamina Propria, Zottenlänge und Kryptentiefe [1]. Zudem stehen bakterielle Faktoren im Verdacht, die Entwicklung eines 30 % längeren Darmes in der PRM/Alf Maus gegenüber anderen Mausstämmen zu begünstigen [2, 3]. Die von der intestinalen Mikrobiota produzierten Polyamine und kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) stellen wichtige Wachstumsfaktoren dar, die bei der Ausbildung des Darmes sowie an der Darmverlängerung in der PRM/Alf Maus beteiligt sein könnten. Zielstellung: Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss von bakteriell-produzierten Polyaminen auf die Kryptentiefe, Schleimhautdicke und Epithelzellproliferation zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden keimfreie C3H Mäuse mit einer vereinfachten menschlichen Mikrobiota (SIHUMI) assoziiert und mit C3H Mäusen, die mit einer SIHUMI plus dem polyaminproduzierendem Fusobacterium varium (SIHUMI + Fv) besiedelt worden waren, verglichen. Weiterhin sollte der mikrobielle Einfluss sowie die Rolle von SCFAs und Polyaminen bei der Ausbildung eines verlängerten Darms in der PRM/Alf Maus untersucht werden. Ergebnisse: Die SIHUMI + Fv Mäuse zeigten eine bis zu 1,7 fach höhere intestinale Polyaminkonzentration im Vergleich zu SIHUMI-Mäusen, welche vor allem auf eine Erhöhung von Putrescin zurückzuführen war. Trotz der höheren Polyaminkonzentrationen wurden keine Unterschiede in der Kryptentiefe, Schleimhautdicke und Epithelzellproliferation beobachtet. Die Untersuchung der Darmlänge in PRM/Alf Mäusen in Abhängigkeit vom Besiedlungsstatus ergab einen 8,5 % längeren Darm in konventionell besiedelten PRM/Alf Mäusen im Vergleich zu keimfreien PRM/Alf Mäusen. Im Gegensatz dazu wurden in C3H-Mäusen keine Unterschiede in der Darmlänge in Abhängigkeit von der Besiedlung beobachtet. Der Vergleich zwischen PRM/Alf und C3H Mäusen, die beide mit der SIHUMI + Fv Mikrobiota assoziiert wurden, zeigte einen 35,9 % längeren Darm in PRM/Alf Mäusen. Trotz des längeren Darmes waren die intestinalen SCFA- und Polyaminkonzentrationen vergleichbar bzw. geringer als in C3H Mäusen, mit einer Ausnahme: Die Konzentration von N Acetylcadaverin war in PRM/Alf Mäusen 3,1-fach erhöht. Wurden keimfreie PRM/Alf Mäuse mit einer komplexen PRM/Alf Mikrobiota assoziiert, so war ihr Darm ein Viertel länger als bei PRM/Alf Mäusen, die mit einer C3H Mikrobiota besiedelt wurden. Dieser längere Darm korrelierte mit der N Acetylsperminkonzentration. Schlussfolgerung: Die intestinale Mikrobiota ist in der Lage, die Darmlänge abhängig von der mikrobiellen Zusammensetzung und von dem Genotyp des Wirtes zu beeinflussen. Obwohl SCFAs die Darmlänge nicht beeinflussten, ist eine Beteiligung der Polyamine N Acetylcadaverin und N Acetylspermin denkbar. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass Putrescin die Anatomie des Darmes in C3H Mäusen nicht beeinflusst.

Die im Reticulorumen als Endprodukte der mikrobiellen Fermentation in großen Mengen anfallenden und direkt resorbierten kurzkettigen Fettsäuren Acetat, Propionat und Butyrat spielen für den Wiederkäuer eine zentrale Rolle bei der Deckung seines Energiebedarfs. Trotz dieser herausragenden Bedeutung der SCFA-Resorption gibt es heute noch kein generell anerkanntes Modell für die Transportwege kurzkettiger Fettsäuren im Pansenepithel. In dieser Arbeit wurde die apikale Aufnahme von radioaktiv markiertem Acetat in das Pansenepithel gemessen. Acetat ist die mengenmäßig bedeutendste kurzkettige Fettsäure. Zusätzlich wurden elektrophysiologische Studien zur Erfassung des transepithelialen Kurzschlussstromes und der transepithelialen Leitfähigkeit mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik durchgeführt. Aufgrund der Tatsache, dass der extra- und intrazelluläre pH-Wert und die Aufnahme kurzkettiger Fettsäuren in das Pansenepithel einander gegenseitig beeinflussen, wurden zusätzlich Messungen des intrazellulären pH-Wertes an primärkultivierten Pansenepithelzellen durchgeführt. In Ergänzung der funktionellen Untersuchungen wurde das Vorhandensein potentieller SCFA-Transportproteine auf mRNA-Ebene molekularbiologisch untersucht. Bezüglich der anionischen Acetatresorption in das Pansenepithel des Schafes konnten folgende Befunde erhoben werden: ? Ein Teil der Acetataufnahme erfolgt bikarbonatabhängig. Dieser bikarbonatabhängige Mechanismus stellte sich im Rahmen der funktionellen Untersuchungen als nitrat- und nifluminsäuresensitiv dar. ? Ein weiterer Teil der Acetataufnahme erwies sich als bikarbonatunabhängig aber ebenfalls nitrat- und nifluminsäuresensitiv. ? Die Messungen des intrazellulären pH-Wertes (pHi) zeigten, dass der hemmende Einfluss von Nitrat auf die Acetataufnahme nicht durch eine Beeinflussung des pHi hervorgerufen wurde. Nifluminsäure veränderte zwar den pHi, die Untersuchungen der Acetataufnahme machten aber deutlich, dass Nifluminsäure keine additive Wirkung zu Nitrat hatte. ? Die Messung des transepithelialen Kurzschlussstromes (Isc) zeigte, dass es nach mukosaler Acetatzugabe in bikarbonatfreier Lösung zu einem signifikanten Abfall des Isc kam. Bei Berechnung der Acetatmenge, die diesem Isc-Abfall zugrunde lag, war festzustellen, dass dieser elektrogene Teil der bikarbonatunabhängigen Acetataufnahme wahrscheinlich nur ca. 3% der insgesamt erfolgten bikarbonatunabhängigen Acetataufnahme ausmacht. ? Im Rahmen der intrazellulären pH-Wertmessungen zeigte sich nach Entfernen von extrazellulärem Chlorid in HCO3--haltiger Lösung eine starke, reversible Alkalisierung der Zellen. ? Auf mRNA Ebene gelang erstmals der Nachweis der Carrierproteine DRA (SLC26A3),PAT1 (SLC26A6), SMCT1 (SLC5A8) und auch des CFTR sowie der potentiellen Anionenleitfähigkeiten ClC2, ClC4 und ClC5 im Pansenepithel des Schafes. ? Mit Hilfe der Semiquantifizierung konnte eine unterschiedliche Expression von NBC, MCT1,DRA und PAT1 auf mRNA-Ebene im Pansengewebe und in den primärkultivierten Pansenepithelzellen nachgewiesen werden. Dabei waren DRA und MCT1 im Pansengewebe, NBC und PAT1 hingegen in den kultivierten Pansenepithelzellen signifikant stärker exprimiert. Bei NHE1 und AE2 zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen Pansengewebe und kultivierten Pansenepithelzellen. Die Sensitivität der bikarbonatabhängigen und der bikarbonatunabhängigen Acetataufnahme gegenüber Nitrat und Nifluminsäure zeigte, dass an beiden Transportwegen ein (oder mehrere)Protein(e) beteiligt ist (sind). Damit konnte mit Hilfe der Uptake-Technik die Existenz eines SCFA-/HCO3--Austauschers weiter verifiziert werden. Der funktionelle Nachweis einer bikarbonatunabhängigen proteinvermittelten apikalen SCFA-Aufnahme stellt für das Pansenepithel eine völlig neue Erkenntnis dar. An den kultivierten Pansenepithelzellen konnten Hinweise für die Existenz eines Cl-/HCO3--Austauschers erhoben werden. Das Vorhandensein eines SCFA-/HCO3--Austauschers in den kultivierten Zellen kann aufgrund der hier durchgeführten Untersuchungen nicht eindeutig bestätigt werden, da die Veränderungen des pHi auch auf die Diffusion der undissoziierten Säure zurückgeführt werden können. Möglicherweise ist ein SCFA-/HCO3--Austauscher in den kultivierten Pansenepithelzellen aufgrund des Fehlens von SCFA im Kulturmedium herabreguliert.In der vorliegenden Arbeit konnten verschiedene Proteine (DRA, PAT1, CFTR, ClC2, 4 und 5 sowie SMCT1) erstmals auf mRNA-Ebene im Pansenepithel des Schafes nachgewiesen werden. Alle diese Proteine könnten potentiell am Transport von SCFA durch das Pansenepithel beteiligt sein. Eine vollständige Struktur-Funktions-Beziehung konnte in der vorliegenden Arbeit nicht geklärt werden. Bezieht man aber die Ergebnisse der Semiquantifizierung in die Betrachtung der Ergebnisse der pHi-Messung und der Ussing-Kammer Untersuchung mit ein, so wäre ein Modell denkbar, in dem der PAT1 vorwiegend als Cl-/HCO3--Austauscher, der DRA, der in den kultivierten Pansenepithelzellen im Rahmen der Semiquantifizierung nicht nachgewiesen werden konnte,hingegen vorwiegend als apikaler SCFA-/HCO3--Austauscher fungiert. Die bikarbonatunabhängige proteinvermittelte apikale Acetataufnahme scheint zum größten Teil elektroneutral zu erfolgen. Als Protein könnte eine MCT-Isoform daran beteiligt sein. Ein geringer Anteil der transepithelialen bikarbonatunabhängigen Acetatresorption scheint elektrogen zu erfolgen. Hier wäre sowohl die Beteiligung einer Anionenleitfähigkeit (z.B. der CFTR) als auch die Beteiligung eines elektrogenen Carriers (z.B. der SMCT1) denkbar.