Examination of the time course of rumen epithelium adaptation

Deckblatt-Impressum Abkürzungen und Definitionen Inhaltsverzeichnis Einleitung und Literatur Material und Methoden Ergebnisse Diskussion Zusammenfassung Summary Literaturverzeichnis Anhang Danksagung Eidesstattliche ErklärungStruktur und Transportfunktionen des Pansenepithels von Wiederkäuern verändern sich in Abhängigkeit von der Fütterung. Bei vermehrter Aufnahme von Kraftfutter, die erhebliche Veränderungen der Pansenflüssigkeit nach sich zieht (erhöhte Konzentration von kurzkettigen Fettsäuren (SCFA-), pH- Absenkung, Zunahme des osmotischen Drucks), nimmt die Anzahl und Größe der Zotten zu, die Verhornung wird stärker und Transportleistungen für Ionen werden erhöht. Der Ablauf und die Regulation dieser sehr komplexen Adaptationsvorgänge werden bislang nur unzureichend verstanden und wurden in dieser Promotionsarbeit untersucht. Zunächst wurde die funktionelle Adaptation anhand von Natriumfluxraten in Ussing-Kammer-Experimenten untersucht. In den Ussing-Kammer-Experimenten konnte festgestellt werden, daß die Natriumresorption bereits nach einer kurzen Konzentratfütterungsperiode deutlich ansteigt und anschließend konstant bleibt. Die Ergebnisse der Ussingkammer-Versuche gaben Anlass, den Adaptationsprozess des Pansenepithels auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Hierfür war es nötig verschiedene potentiell am Adaptationsvorgang beteiligte Transportproteine auszuwählen. In Real-Time-PCR-Experimenten wurden anschließend Genexpressionsprofile ausgewählter Transportproteine an Nativproben (Pansenepithelgewebe) und permanent kultivierten Pansenepithelzellen (REC) erstellt. In den Nativproben wurde eine Aufregulation der Expression des Natrium-Protonen-Austauschers 3 gemessen, die allerdings deutlich später als die in den Ussingkammer- Experimenten beobachtete funktionelle Veränderung, auftrat. Anhand der an REC erstellten Genexpressionsprofile wurden Hinweise auf eine Rolle der Genregulation bei der Adaptation des Pansenepithels gefunden. Die gemessene Aufregulation des apikalen Anionenaustauschers 2 (AE2) dient möglicherweise der erhöhten Aufnahmekapazität kurzkettiger Fettsäuren in dissoziierter Form. Die beobachtete Expressionsinduktion der vakuolären H-ATPase durch Laktat und Butyrat sowie durch die Wachstumsfaktoren IGF1 und EGF lässt vermuten, daß die vHATPase sowohl am Prozess der pH-Homeostase als auch an der Aufrechterhaltung eines für passive Transportprozesse essentiellen elektrischen Gradienten beteiligt ist. Ähnlich lässt sich auch die Aufregulation der vakuolären HATPasen (Untereinheit B und E) und des basolateralen NHE1 als Mechanismus der pH-Homeostase im Rahmen entzündlicher Prozesse sowie infolge einer reduzierten NHE3-Aktivität nach Inkubation mit PGE2 und cAMP interpretieren.Structure and function of the ruminal epithelium vary according to the diet. Increased amounts of concentrate fodder result in considerable changes of the rumen fluid (increased concentration of short-chain fatty acids (SCFA), decrease in pH, increased osmotic pressure), increase in the number and size of ruminal papillae, hornification becomes more pronounced and the transport rate for different ions is increased. The chronological sequence and regulation of these complex adaptation processes are not yet fully understood and were investigated in the thesis presented here. Functional adaptation was investigated on the basis of sodium flux rates in ussing chamber experiments. It was established that sodium flux rates increase markedly shortly after diet change and remain relatively constant in the following weeks. The results thus obtained prompted the examination of the adaptation process on a cellular level. To that end, it became necessary to select various transport proteins potentially involved in the adaptation process. Subsequently, gene expression profiles of the selected transport proteines were determined using real time PCR experiments in tissue samples (ruminal epithelium tissue) and in permanently cultivated ruminal epithelium cells (REC). Tissue samples exhibited an upregulation in the transcription of the sodium-hydrogen- exchanger 3. However, this occurred distinctly later than the functional changes observed in the ussing chamber experiments using tissue samples from the same animals. On the basis of gene expression profiles determined in REC, effects reported in previous studies could be confirmed and information concerning the role of gene regulation in the adaptation of the ruminal epithelium was obtained. The upregulation of the apical anion exchanger 2 (AE2) which was measured may possibly serve to increase the intake capacity of short-chain fatty acids in their dissociated form. In addition, the expression induction of the vacuolar HATPase by lactate and by butyrate as well as by the growth factors IGF1 and EGF demonstrated in these experiments suggests that the vHATPase is involved both in the process of the pH homeostasis and in maintaining an electrical gradient essential for numerous passive transport processes. Similarly, the upregulation of vHATPase and NHE1 may be interpreted as mechanisms to ensure pH-homeostasis during inflammatory processes mediated by PGE2