HABILITATIONSSCHRIFT

 


Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – University of Veterinary Medicine Hannover – Foundation / Library

 

Mößeler, Anne Katrin

 

Vielfalt von Auswirkungen der exokrinen Pankreasinsuffizienz – mehr als nur eine Steatorrhoe ! Neue Erkenntnisse aus Studien am Modelltier Pankreasgang-ligiertes Schwein und daraus abgeleitete Empfehlungen für die Diätetik

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2785

Titel engl

Variety of effects of exocrine pancreatic insufficiency – more than just steatorrhea! New findings from studies using the animal model of the pancreatic duct ligated pig and subsequent recommendations for dietetic measures in patients

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2010

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_moesseler16.pdf

Zusammenfassung

Die eigenen Studien zielten auf eine nähere Charakterisierung und Präzisierung der Effekte einer exokrinen Pankreasinsuffizienz (EPI) auf diverse Verdauungsprozesse. Das Pankreasgang-ligierte (PL) Schwein diente dabei als Modelltier, in welchem eine vollständige exokrine Pankreasinsuffizienz bei Erhalt der endokrinen Funktion induziert wurde. Während üblicherweise, sowohl in der Diagnostik als auch Therapie der EPI, eine Fokussierung auf die massiv reduzierte Fettverdauung erfolgt, konzentrierten sich die vorliegenden Untersuchungen auf die Nährstofffraktionen Stärke, Protein, Ballaststoffe und Vitamine. Der Einsatz von ileo-caecal fistulierten Tieren bzw. die Gewinnung von Digestaproben nach Euthanasie von Tieren ermöglichten dabei eine differenzierte Bewertung der praecaecalen Verdauungsprozesse, insbesondere im Vergleich zur Verdaulichkeit der Nährstoffe über den gesamten Verdauungstrakt. Dies erlaubt schließlich auch eine präzise Bestimmung diverser postilealer Verdauungsprozesse und deren Auswirkungen.

Aufgrund der enormen kompensatorischen fermentativen Verdauungskapazität des Dickdarmes wird selbst bei nicht therapierter EPI nur in den seltensten Fällen Stärke über den Stuhl bzw. Kot ausgeschieden – was zu der allgemeinen Annahme verleitete, dass die Stärkeverdauung im Falle einer EPI nicht (wesentlich) beeinträchtigt ist. Die eigenen Untersuchungen belegen jedoch, dass die praecaecale Verdaulichkeit der Stärke ganz erheblich reduziert ist, wobei das Ausmaß sowohl in Abhängigkeit von der Herkunft und Behandlung der Stärke variiert. Wenngleich auch durch den mikrobiellen Abbau der Stärke im Dickdarm Energie zur Verfügung gestellt wird (in Form von flüchtigen Fettsäuren), so ist der postileale fermentative Abbau der Stärke mit einer erheblichen intraintestinalen Gasbildung verbunden, die das Wohlbefinden der Patienten beeinträchtigen kann. Mittels des Tiermodells konnten des weiteren Daten zu den Effekten der EPI auf die endogenen N-Verluste generiert werden; aus den deutlich höheren endogenen N-Verlusten ist - insbesondere in Kombination mit der verringerten Verdaulichkeit des Nahrungsproteins - die Notwendigkeit für eine höhere Proteinversorgung bei EPI-Patienten abzuleiten.

Die am Modelltier PL-Schwein erhobenen Daten ermöglichen somit eine wissenschaftlich fundierte, sehr differenzierte Bewertung praecaecaler Verdauungsprozesse für alle Nährstoffe – und eröffnen damit die Möglichkeit einer Optimierung der Enzymsubstitutionstherapie. Wenngleich bislang die Dosierung der substituierten Enzyme im Wesentlichen anhand der lipolytischen Aktivität des Produktes erfolgt, so ist eine Zufuhr von Amylasen und Proteasen bei EPI-Patienten für eine möglichst hohe praecaecale Verdaulichkeit von Stärke und Protein unabdingbar. Dies ist zum einen aus energetischer Sicht, zum anderen zur Vermeidung von Störungen durch einen forcierten postilealen Abbau der Nährstoffe notwendig. Die Tatsache, dass präzise Daten zur praecaecalen Verdaulichkeit der Nährstoffe nur an fistulierten Individuen generiert werden können, verdeutlicht die Notwendigkeit des Einsatzes geeigneter Tiermodelle, um konkrete Empfehlungen für die Ernährung, diätetische Maßnahmen und Therapie von EPI-Patienten abzuleiten. Vorliegende Untersuchungsergebnisse belegen unbestreitbar die reduzierte praecaecale Verdaulichkeit von Stärke und Protein, sodass in der Therapie der EPI stets Enzyme zum Einsatz kommen sollten, die neben Lipasen auch Amylasen und Proteasen enthalten (wie bei den meisten Enzympräparaten üblich). Zu betonen ist dabei, dass die Dosierung eben nicht ausschließlich anhand des Fettgehaltes der Mahlzeit vorgenommen werden sollte, um auch für die Verdauung der Stärke und Proteine eine ausreichende enzymatische Aktivität sicherzustellen. Anhand der im Tiermodell generierten Daten können als Orientierungswerte 250 I.E. Protease / g Protein und 400 I.E. Amylase / g Stärke abgeleitet werden (Variation in Abhängigkeit von verwendetem Enzymprodukt, Substrat und dessen Zubereitung).

Mittels in-vitro Untersuchungen wurde die Gasbildung beim mikrobiellen Abbau verschiedener Faserquellen („Ballaststoffe“) bei Vorliegen einer EPI geprüft – während die Erbsenfaser eine erhebliche Gasbildung zur Folge hatte, waren z.B. die Lignocellulose-Produkte diesbezüglich weniger problematisch. Die Verwendung von Faeces in in-vitro Untersuchungen ermöglicht es, die Dickdarmverdauung zu simulieren und geeignete Faserquellen auszuwählen, die einerseits gewünschte mechanische Effekte auf die Darmpassage entfalten, andererseits jedoch nicht zu Meteorismus und Flatulenz führen.

Die Untersuchungen zur Optimierung der Versorgung von EPI-Patienten mit den fettlöslichen Vitaminen A und E ergab eine große Variation der ermittelten Konzentrationen in Serum und Lebergewebe, wenn die Applikation parenteral (mittels intramuskulärer Injektion) erfolgte – wohingegen die Streuung innerhalb der Behandlungsgruppe deutlich geringer war, wenn die Supplementierung oral erfolgte. Bei Einsatz einer speziellen galenischen Zubereitung (durch Zusatz eines hocheffizienten Emulgators waren die fettlöslichen Vitamine in eine „wasserlösliche“ Form gebracht worden) konnte eine deutliche Steigerung der Verfügbarkeit erreicht werden. Bei entsprechend hoher Dosierung und spezieller galenischer Zubereitung ist die Verfügbarkeit von Vitamin E bei Applikation über die Nahrung demnach auch bei EPI-Patienten der Applikation per injectionem überlegen. Durch parallele Untersuchung von Blutproben und Lebergewebe konnte zudem die begrenzte Aussagekraft der Blutwerte belegt werden – aufgrund der Speicherung der fettlöslichen Vitamine in der Leber werden Situationen des Mangels bzw. der Überversorgung erst im Blut messbar, wenn die Speicher der Leber vollständig entleert bzw. gefüllt sind.

In den Untersuchungen zu Effekten einer EPI auf das Wachstum juveniler Schweine war die signifikante Massenzunahme des Magendarmtraktes (resultierend sowohl aus der verstärkten Füllung durch unverdaute Nährstoffe als auch aus der bisher nicht in der Literatur beschriebenen Verlängerung des Dünndarmes im Falle der EPI) bemerkenswert. Diese Befunde sind von großer klinischer Relevanz, da aus der ausschließlichen Berücksichtigung der Körpermasse bei EPI-Patienten eine Überschätzung des Ernährungszustandes resultiert, da die Körpermasse erheblich durch die vermehrte Darmfüllung durch unverdaute Nährstoffe gesteigert wird.

Insgesamt lassen sich die Ergebnisse der Studien und die daraus abgeleiteten Empfehlungen für die Diätetik von EPI-Patienten zusammenfassen:

Deutliche reduzierte praecaecale Verdaulichkeit von Stärke und Protein

à Förderung der praecaecalen Verdaulichkeit von Stärke und Protein durch

Einsatz von per se praecaecal hochverdaulichen Nahrungsmitteln

      (ggf. gezielte Steigerung der Verdaulichkeit durch thermische Behandlung)

Einsatz von Amylasen und Proteasen bzw. Einsatz von Multienzymprodukten insbesondere auch bei Aufnahme von fettarmen Mahlzeiten sinnvoll und notwendig

Höhere endogene N-Verluste bzw. Proteinverluste

à Erhöhung der Proteinzufuhr (im Vergleich zu Gesunden)

à Berücksichtigung der Eiweißqualität bzw. der Aminosäurenversorgung

Erhebliche Gasbildung bei in-vitro-Fermentation von bestimmten Ballaststoffen

à Auswahl von hochkonzentrierten Faserquellen mit geringer Gasbildung zur

     Minimierung unerwünschter Nebenwirkungen (Meteorismus und Flatulenz)

Hohes Risiko für Mangel an fettlöslichen Vitaminen (trotz bedarfsdeckender bzw. sogar bedarfsüberschreitender Versorgung über die Nahrung und Einsatz effizienter Pankreasenzymtherapie) bei wachsenden Individuen

à Vitaminpräparate mit entsprechender Galenik und hoher Bioverfügbarkeit als Nahrungsergänzung waren der parenteralen Applikation (intramuskuläre Injektion) bezüglich der Effizienz überlegen

à Aussagekraft der Blutwerte durch Reserven in der Leber begrenzt

Vermehrte Füllung des Magendarmtraktes (aufgrund der Maldigestion und Malabsorption)

à Überschätzung des Ernährungszustandes (wenn ausschließlich die Körpermasse oder der BMI herangezogen werden)

Nutzung weiterer Parameter für die Bewertung des Ernährungszustandes (z.B. Serumleptinkonzentration)

 

Zusammenfassend ist zu konstatieren, dass die EPI eben nicht nur massive Einschränkungen der Fettverdauung zur Folge hat, sondern auch die Verdauung der anderen Nährstoffe sowohl quantitativ als auch qualitativ maßgeblich beeinflusst. Aus der Tatsache, dass die faecale Ausscheidung an Stärke und Protein bei EPI-Patienten im Vergleich zu Gesunden nicht bzw. lediglich in geringerem Umfang verändert ist, darf demnach nicht geschlossen werden, dass die Verdauung dieser Nährstoffe unbeeinträchtigt ist. Aufgrund der negativen Effekte des postilealen fermentativen Abbaus (energetische Verluste, Meteorismus, ggf. Produktion biogener Amine) ist eine Maximierung der praecaecalen Verdaulichkeit anzustreben. Aufgrund der Tatsache, dass dies nur bedingt durch Auswahl hochverdaulicher Nahrungsmittel erreicht werden kann, ist der Einsatz von entsprechenden (Multi-) Enzymprodukten zu jeder Mahlzeit unabdingbar. Da im Allgemeinen trotz Enzymsubstitutionstherapie der Einstrom von Nährstoffen in den Dickdarm deutlich höher ist als bei Gesunden, ist die Versorgung der intestinalen Mikroflora mit Substrat mehr als gesichert. Die ggf. intendierte mechanische Wirkung von Ballaststoffen kann bei EPI-Patienten vermutlich am besten durch Rohfaserkonzentrate erreicht werden, die nicht fermentativ abgebaut werden.

Im Tiermodell war es durch Einsatz fistulierter Tiere (bzw. die Gewinnung von Dünndarminhalt während der Sektion der Tiere) möglich, die Auswirkungen der EPI auf die Verdaulichkeit der verschiedensten Nährstoffe zu quantifizieren, die bei ausschließlicher Nutzung von Faeces als Untersuchungsmatrix nicht möglich gewesen wären. Wenngleich das klinisch markanteste Symptom der EPI die Steatorrhoe ist, so ist zu betonen, dass die Auswirkungen der EPI deutlich vielfältiger und weitreichender sind (u.a. endokrinologische Parameter betreffend) – so dass sich die Empfehlungen für Therapie und diätetische Maßnahmen nicht nur auf die Lipasesubstitution und den Fettgehalt der Nahrung beschränken dürfen.

Da etliche der Effekte der EPI auf die Verdauungsprozesse nicht durch Untersuchungen der Faeces detektiert werden können, ist die Nutzung geeigneter Tiermodelle, die eine Charakterisierung der Dünndarmverdaulichkeit erlauben, unabdingbar, um die Therapie und diätetische Maßnahmen bei EPI-Patienten zu optimieren. Die Kombination von Tiermodell und ex-vivo bzw. in-vitro Untersuchungen eröffnen damit vielfältigste Möglichkeiten zur weiteren differenzierten Prüfung und Optimierung von diätetischen Maßnahmen und Therapien.

 

Summary

The present studies aimed to characterise the effects of exocrine pancreatic insufficiency (EPI) on diverse digestive processes more precisely and in depth. The pancreatic duct ligated (PL) pig was used as an animal model, this enabling the inducing of a complete exocrine pancreatic insufficiency while unaffecting the endocrine function. Whereas the focus in diagnostics as well as in therapy of EPI is usually on impaired fat digestion, these studies concentrated on the nutrients starch, protein, fibre and vitamins. The use of ileo-caecal fistulated animals or sampling of digesta from different parts of the gastrointestinal tract (GIT) after euthanasia of the pigs enables a more differentiated evaluation of digestive processes in the praecaecal part of the GIT as well as in the postileal parts of the GIT (by calculating the difference between the total tract and praecaecal digestibility).

Due to the enormous compensatory fermentative capacity of the hindgut, starch is not excreted via faeces in most cases even in the absence of an enzyme replacement therapy – resulting in the assumption that starch digestibility is not relevantly affected in the event of EPI. The studies performed in PL-pigs reveal a marked reduction in praecaecal digestibility of starch to a varying extent depending on the botanical source and thermal treatment of the starch used. Even though fermentation of starch in the hindgut is of energetic value for the host (via short chain fatty acid production), it is accompanied by a considerable gas production in the GIT which is worth mentioning as it might impair the wellbeing of the patient. By using the animal model additional data regarding the effects of EPI on endogenous N-losses were generated – the markedly increased endogenous N-losses combined with reduced praecaecal digestibility of crude protein impressively demonstrating the need for a higher protein supply for EPI-patients.

The data generated in the animal model of the pancreatic duct ligated pig enable a more differentiated evaluation of the praecaecal digestive processes for all nutrients – and allow for a further optimisation of pancreatic enzyme replacement therapy. While dosage of substituted enzymes is mainly based on lipolytic activity of the product, the supply of amylolytic and proteolytic enzymes is crucial in EPI patients to maximise praecaecal digestibility of starch and protein. This is of utmost importance regarding energetic aspects but also to minimise negative side effects of postileal fermentation. The fact that data of praecaecal digestibility of nutrients can only be generated by use of fistulated individuals illustrates the need for adequate animal models to make recommendations for nutrition, dietetic measures and therapy of EPI patients. The present results clearly prove beyond dispute the reduced praecaecal digestibility of starch and protein. Therefore, enzymes containing amylases and proteases besides lipases (most available enzyme products do contain all three classes of enzymes) should be used in therapy of EPI. It needs to be emphasised that the dosage of the enzyme product should not be adjusted only regarding the fat content of the meal to ensure a sufficient enzymatic activity for the digestion of starch and protein. From the data generated in the animal model, 250 I.U. of protease / g protein and 400 I.U. of amylase / g starch can be derived as a rough benchmark (with variation depending on enzyme product, substrate and its treatment).

By using in-vitro methods the gas production during microbial degradation of different fibre sources in the event of EPI was tested. Fibre from peas resulted in a marked gas production, while the lignocellulose products were less problematic and did not lead to a relevant gas production. The use of faeces in in-vitro investigations offers the possibility to screen for appropriate fibre sources which have the intended mechanical effects on passage rate without resulting in meteorism and flatulence.

Investigations to optimise the nutritional supply for EPI patients with the fat soluble vitamins A and E showed a high individual variation of the vitamin levels in serum and liver tissue in the case of parenteral (intramuscular injection) application – while variation was much lower when supplementation was done via top dressing to the diet. The use of galenic formulation (the principles of preparing and compounding medicines in order to optimise their absorption, the fat soluble vitamins being transformed into a water-soluble form by use of a highly efficient emulsifier), resulted in a distinct increase in availability of the vitamins. When this vitamin product was used at a high dosage the effect on vitamin E status was greater than for the parenteral application. The parallel analysis of blood samples and liver tissue underlined the limited diagnostic value of blood samples – due to storage of fat soluble vitamins in tissue, an over- or undersupply is only seen in blood if storage tissues are empty or completely filled up.

The investigations on the effects of EPI on the growth of juvenile pigs did show a significant increase in mass of the gastrointestinal tract (GIT). This is rooted in the higher digesta mass within the GIT due to maldigestion and malabsorption, but also results from an enlargement of the small intestine (which had not been described before in literature in the context of EPI). This observation concerning a higher mass of GIT is of great clinical relevance as the exclusive use of body weight results in an overestimation of the nutritional status of the patient.

 

The findings of the studies and the derived consequences and recommendations thereof can be summarised as follows:

Marked reduction in praecaecal digestibility of starch and protein

→ optimisation of praecaecal digestibility of starch and protein

use of food of high digestibility (possibly increasing digestibility by thermal treatment)

use of amylolytic and proteolytic enzymes or use of multienzyme products, particularly to be used although a meal is low in fat

Markedly higher endogenous N-losses or protein losses

→ increase protein supply (compared to recommendations for healthy individuals)

→ taking into account the protein quality and the amino acid supply

Relevant gas production in in-vitro fermentation of some fibre sources

→ use of high concentrated fibre sources resulting in low gas production to minimise undesirable adverse effects (meteorism and flatulence)

High risk of deficiency of fat soluble vitamins in growing individuals (despite fulfilling recommendations or even when supply exceeds the demanded recommendations in combination with an efficient pancreatic enzyme replacement therapy)

→ vitamin products with special pharmaceutical formulation and high bioavailability should be used for oral supplementation because these additives were found to be superior in their efficiency compared to parenteral application (intramuscular injection)

→ limited diagnostic value of blood samples due to storage in tissue should be considered

Increased gut fill (due to maldigestion and malabsorption)

→ Overestimation of nutritional status (if only body weight or BMI are used as parameters)

Use of additional parameters for judging the nutritional status (e.g. serum leptin concentration) is suggested

All in all, it should be stated that EPI does not only result in a massively impaired fat digestibility, but also relevantly affects the digestion of the other nutrients, both quantitatively as well as qualitatively. The fact that there is no or only little effect on faecal excretion of starch and protein in EPI patients compared to healthy ones should not lead to the conclusion that the digestion of these nutrients is unaffected. As a result of the negative side effects of postileal fermentative degradation (energetic losses, meteorism, and production of biogenic amines) maximising praecaecal digestibility should be aspired. Due to the fact that this cannot be achieved only by selection of highly digestible food the use of multienzyme products with every meal is imperative. As the nutrient passage into the hindgut is higher in EPI patients compared to the controls even when pancreatic enzyme therapy is performed the intestinal microflora is sufficiently supplied with substrate. The intended mechanical effects of fibre can best be achieved by using fibre concentrates that are not digested fermentatively.

The use of fistulated animals (or sampling of small intestinal digesta during dissection of animals) enabled quantification of the effects of EPI on digestibility of different nutrients, which would not have been possible if faeces had been the only investigative matrix.

Although steatorrhea is the most relevant clinical symptom of EPI, it must be emphasised that the effects of EPI are much more diverse and complex (e.g. endocrinological effects) – therefore recommendations for therapy and dietetic measures should not be limited to lipase substitution and fat content of the diet.

As several effects of EPI on digestive processes cannot be detected by analysing faeces the use of suitable animal models enabling the characterisation of the praecaecal digestibility is crucial to optimise therapy and dietetic measures in EPI patients. The combination of an animal model and ex-vivo or in-vitro methods opens up many possibilities to test and optimise dietetic and therapeutic measures in a sophisticated manner.

 

keywords

Exokrine Pankreasinsuffizienz, Tiermodell, Diätik, exocrine pancreatic insufficiency, animal model, dietetic measures

kb

14.846