Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

 

 Kristin Elfers

 

 Effect of dietary nitrogen and/or calcium reduction on intestinal calcium and phosphate absorption and renal water handling in young goats

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107986

title (ger.)

Effekt einer diätetischen Stickstoff- und/oder Calciumreduktion auf die intestinale Calcium- und Phosphatabsorption und das renale Wasserhandling bei jungen Ziegen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/elfersk_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Bei der Konzipierung von Wiederkäuerdiäten wird im Hinblick auf eine ökonomisch und ökologisch effiziente Fütterung der Proteingehalt der Ration möglichst genau an den Bedarf der Tiere angepasst. Dadurch sollen der Eintrag Stickstoff (N)-haltiger Verbindungen mit dem Kot und Urin in die Umwelt sowie die Fütterungskosten minimiert werden, ohne dabei zu Leistungseinbußen bei den Tieren zu führen. Die erfolgreiche Umsetzung solcher Fütterungskonzepte basiert auf der Fähigkeit der ruminalen Mikroorganismen Nicht-Protein N-Verbindungen wie beispielsweise Harnstoff (HST) für die mikrobielle Proteinsynthese nutzen zu können und damit den wesentlichen Beitrag zur Proteinversorgung des Wirtstiers zu leisten. Während einer reduzierten diätetischen Protein- und damit N-Versorgung, kommt es zu einer verstärkten Rezyklierung endogen synthetisierten HST in den Pansen (rumino-hepatischer Kreislauf), um die mikrobielle Proteinsynthese aufrecht zu erhalten. In dieses fokussierte HST-Recycling sind unter anderem die Nieren involviert, in denen unter diesen Umständen, vermittelt durch eine erhöhte Expression von spezifischen HST-Transportern, vermehrt HST rückresorbiert wird. Durch das Vorhandensein dieser effizienten N-Recyclingmechanismen wurde angenommen, dass sich Wiederkäuer leicht an im N-Gehalt reduzierte Diäten anpassen können und damit relativ unabhängig von der direkten Proteinversorgung über die Diät sind. Allerdings konnte in vorangegangen Studien an wachsenden Ziegen bereits gezeigt werden, dass eine N-reduzierte Diät den Mineralstoffhaushalt, insbesondere die Calcium (Ca)- und Phosphat (Pi)- Homöostase beeinflusste und zu veränderten Ca- und Pi-Konzentrationen in verschiedenen Körperflüssigkeiten, sowie zu reduzierten Plasmakonzentrationen des Hormons Calcitriol und des insulin like growth factor 1 führte. Weiterhin wurde gezeigt, dass obwohl eine alleinige diätetische Ca-Reduktion zu einer stimulierten renalen Calcitriol-Synthese führte, die gleichzeitige Reduktion von N und Ca in der Diät diesen Effekt aufhob und reduzierte Plasma-Calcitriol-Spiegel die Folge waren.

Im ersten Teil des PhD-Projekts wurde aufgrund der bereits bekannten Adaptationsmechanismen der Niere in Bezug auf die HST-Rückresorption unter N-reduzierter Diät und der engen Verknüpfung der renalen HST- und Wasserhomöostase der Effekt einer N-reduzierten Diät auf renale Wasserkanäle untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass die Expression des Wasserkanals Aquaporin 2 im medullären Nierengewebe auf mRNA- und Proteinebene unter N-reduzierter Diät erhöht war. Diese Expressionserhöhung konnte zumindest teilweise auf erhöhte Werte des Expressions-regulierenden Antidiuretischen Hormons (ADH) zurückgeführt werden und war vermutlich mit einer für das Tier in der Situation der reduzierten diätetischen N-Versorgung vorteilhaften erleichterten renalen HST-Rückresorption verbunden. Diese Befunde unterstreichen dementsprechend die hohe Anpassungsfähigkeit von (kleinen) Wiederkäuern an N-reduzierte Diäten.

Im zweiten Teil der Arbeit wurden die möglichen zugrundeliegenden Ursachen der bereits bekannten Veränderungen im Mineralstoffhaushalt N- und /oder Ca-reduziert gefütterter, wachsender Ziegen untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Absorptionskapazität des caprinen intestinalen Epithels für Ca und Pi, die in vitro in Ussing-Kammern bestimmt wurde. Die Ergebnisse dieses Teils zeigten, dass eine Reduktion des diätetischen N-Gehalts, auch in Kombination mit einer Ca-Reduktion zu einer verminderten Ca-Absorption im vorderen Dünndarm in vitro führte. Diese Reduktion der Absorptionskapazität war zumindest zum Teil auf verringerte Expressionslevel der für den Ca-Transport verantwortlichen Strukturen in den intestinalen Epithelien zurückzuführen, was vermutlich durch die gleichzeitig verminderten Calcitriol-Werte vermittelt wurde. Diese Ergebnisse demonstrieren demnach eine Grenze der Anpassungsfähigkeit wachsender Ziegen an reduzierte N-Gehalte in der Diät.

In weiteren Untersuchungen müssen die (hormonellen) Mechanismen, die den Veränderungen der renalen Wasser-Homöostase bei diätetischer N-Reduktion zugrunde liegen sowie die Mechanismen, die für den Abfall der renalen Calcitriol-Produktion verantwortlich sind und die entsprechenden Veränderungen in der intestinalen Ca-Resorption nach sich ziehen, aufgeklärt werden. Des Weiteren müssen Organe, die in die Aufrechterhaltung der Ca-Homöostase involviert sind wie z.B. der Knochen hinsichtlich ihrer Beteiligung an der Kompensation einer N-reduzierten Diät bei der wachsenden Ziege mit einbezogen werden.

 

abstract (englisch)

In feeding ruminants, dietary protein and hence nitrogen (N) levels as low as possible are desirable for environmental and economic reasons to reduce urinary N output and feeding costs without negatively affecting animals’ performance. Such feeding systems are viable due to the unique potential of ruminants, particularly their ruminal microbes to use non-protein N compounds such as urea for microbial protein synthesis as the most important protein source for the host. In times of low dietary N supply endogenously synthesised urea is shifted back to the rumen (rumino hepatic cycle) serving as an endogenous N source contributing to the maintenance of an adequate microbial protein synthesis. These urea recycling mechanisms include several organs, especially the kidneys where urea reabsorption is upregulated during dietary N reduction based on increased expression of urea transporters. Possessing the above described effective N recycling mechanisms ruminants like goats were thought to be relatively independent from dietary protein/N supply and to cope easily with reduced N diets without negative effects on their performance. However, it was shown in previous studies that feeding an N reduced diet to young goats affected mineral, particularly calcium (Ca) and phosphate (Pi) homeostasis including altered concentrations of Ca and Pi in several body fluids, reduced plasma calcitriol (1,25-dihydroxy vitamin D3) and plasma insulin like growth factor 1 concentrations. Furthermore, though a single dietary Ca reduction stimulated renal calcitriol synthesis and hence intestinal Ca absorption in adult goats, the concomitant reduction of both, N and Ca, abolished this stimulating effect and resulted in decreased plasma calcitriol concentrations.

In the first part of the current PhD project, the effect of a dietary N reduction on renal water homeostasis was investigated due to the close connection between renal water and urea handling and the already known effects on urea reabsorption during such a dietary intervention. It was shown that renal medullary aquaporin 2 mRNA and protein expression was increased at least partly based on elevated plasma concentrations of the antidiuretic hormone/vasopressin in N reduced fed goats. This was probably connected with an enhanced renal urea reabsorption underlying the great capacity of small ruminants to compensate for low dietary N intake by increasing endogenous urea recycling.

In the second part of the current PhD study, the potential reason(s) for the already known changes in mineral homeostasis occurring during dietary N reduction in young goats were examined with an emphasis on the quantification of the absorption capacity of caprine intestinal epithelia in Ussing chambers of goats fed a dietary N and/or Ca reduction. The results showed that a reduced dietary N supply or combined with a low dietary Ca content led to a decrease in intestinal Ca absorption in the upper part of the small intestines. This decrease was at least partly based on diminished expression of involved Ca transporting structures mediated by decreased plasma calcitriol concentrations. Thus, these results indicated a limitation of the adaptive capacity of young goats to a reduced dietary N intake especially when dietary Ca is limited simultaneously.

Further research is needed to clarify (hormonal) mechanisms mediating the observed changes in renal water homeostasis and the mechanisms responsible for the decrease in renal calcitriol production leading to the observed changes in intestinal Ca absorption. In addition, organs involved in the maintenance of Ca homeostasis, e.g. bone tissue, should be examined regarding their response to low dietary N supply in young goats.

 

keywords

calcium, goat, nitrogen reduction, Calcium, Ziege, Stickstoffreduktion

kb

1.130