HABILITATIONSSCHRIFT

 


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

 

Mirja Rosmarie Wilkens

 

Vergleichende Untersuchungen zur Calcium-Homöostase des Wiederkäuers: Effekte diätetischer Interventionen, der Laktation und der Applikation verschiedener Vitamin D Metaboliten

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2765

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_wilkens16.pdf

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, am kleinen Wiederkäuer zunächst grundsätzliche Daten zur gastrointestinalen Calcium-Absorption, zur renalen Calcium-Resorption, zum Knochenstoff-wechsel und zum Vitamin D Metabolismus zu erheben, um Grundlagen für die weitere Erforschung möglicher Maßnahmen zur Prävention der Hypocalcämie der Milchkuh zu schaffen. Dabei wurde in Hinblick auf die Verwendbarkeit der beiden Spezies als Modell besonderer Wert auf tierartlich vergleichende Aspekte gelegt. Untersucht wurden neben den mit der Calcium-Homöostase und dem Knochenstoffwechsel in Verbindung stehenden Plasmaparametern die RNA und Proteinexpression der am Calcium-Transport beteiligten Gene TRPV5, TRPV6 (transient receptor potential vanilloid type 5 and 6, apikal lokalisierte Calcium-Kanäle) CaBPD9K, CaBPD28K (calbindin D9K and D28K, cytosolische Bindungsproteine), NCX1 und PMCA1 (sodium calcium exchanger 1 and plasma membrane calcium-ATPase 1, basolaterale Ausschleusung) sowie die RNA Expression von VDR (Vitamin D Rezeptor), PTHR (Parathormon Rezeptor), CYP27B1 und CYP24A1 (1α- und 24-Hydroxylase), also Rezeptoren und Enzymen, die mit dem Metabolismus und der Wirkung von Vitamin D Metaboliten in Zusammenhang stehen. Funktionelle Studien zum gastrointestinalen Calcium-Transport wurden mittels Ussingkammer-Technik durchgeführt.

Um zu überprüfen, ob die Anpassungsmechanismen der renalen und gastrointestinalen Calcium-Absorption an eine verminderte Calcium-Aufnahme beim Wiederkäuer tatsächlich so eingeschränkt sind, wie Daten aus der Literatur vermuten lassen, wurde im Unterschied zu früheren Studien mit Schafen und Ziegen gleichen Geschlechts und gleichen Alters, mit einer deutlich stärkeren Reduktion der Calcium-Gehalte in den jeweiligen Restriktions-Gruppen und einer Behandlung mit Calcitriol in pharmakologischer Dosierung gearbeitet. Es konnte für beide Spezies gezeigt werden, dass Wiederkäuer auf eine diätetische Calcium-Restriktion im Gegensatz zu monogastrischen Tieren nicht mit einer Veränderung der renalen Exkretion von Calcium und Phosphat reagieren. Der Calcium-Transport über das Pansenepithel war weder bei den Schafen, noch bei den Ziegen durch endogenes oder exogenes Calcitriol erhöht, so dass eine Vitamin D-abhängige Regulation der Calcium-Absorption für diesen Abschnitt des Gastrointestinaltraktes stark angezweifelt werden muss. Interessanterweise ergaben sich aber Hinweise auf eine mögliche Beeinflussung durch das Füttern einer Ration mit negativer DCAD (dietary cation anion difference) und die Laktation.

Im Unterschied zu Schafen scheinen sich Ziegen, vermutlich bedingt durch Unterschiede im renalen Vitamin D Metabolismus und damit einhergehenden, deutlicheren Anstiegen der Calcitriol-Konzentration, besser an eine diätetische Calcium-Restriktion durch eine Stimulation des intestinalen Calcium-Transportes anzupassen, während beim Schaf eine Kompensation offenbar hauptsächlich über eine vermehrte Knochenmobilisation stattfindet. Ähnliche Beobachtungen konnten in Bezug auf die späte Trächtigkeit und die Anpassung an das Einsetzen der Laktation gemacht werden. Da die mit dem Knochenstoffwechsel in Verbindung stehenden Plasmaparameter der Milchkuh nach der Geburt einen dem des Schafes ähnlichen Verlauf aufweisen, sollte die Verwendung der Ziege als Modell für die Kuh in Zukunft kritisch überdacht werden.

Erste Untersuchungen bezüglich der Eignung des Vitamin D Metaboliten 25-Hydroxy-cholecalciferol zur Stabilisierung der peripartalen Calcium-Homöostase der Milchkuh ergaben zwar positive Ergebnisse in Kombination mit einer Ration mit negativer DCAD, ohne diese diätetische Intervention erwies sich die Supplementierung mit diesem Vitamin D Metaboliten aber als eher nachteilig. Trotz der in einer Bilanzstudie an Schafen gezeigten Steigerung der Calcium-Verdaulichkeit traten offenbar ungünstige Effekte in Bezug auf den Vitamin D Metabolismus und die Freisetzung von Calcium aus dem Skelett auf. Da in Versuchen an Schafen zusätzlich beobachtet werden konnte, dass sich sehr hohe Plasma-Konzentrationen von 25-Hydroxycholecalciferol vermutlich auf die Expression von TRPV6, CYP27B1 und CYP24A1 nachteilig auswirken können, und darüber hinaus die Expression des an der Elimination verschiedener Pharmaka beteiligten P-glycoproteins in Leber und Darm beeinflussen, kann diese Behandlung ohne weitere Grundlagenforschung zurzeit nicht zur Prävention der Hypocalcämie empfohlen werden.

 

Summary

The first aim of this habilitation treatise was to collect general data on gastrointestinal calcium absorption, renal calcium excretion, bone and vitamin D metabolism of ruminants on different feeding regimes, at the onset and during lactation and after treatment with vitamin D metabolites. Because this research was undertaken to establish a basis for the use of small ruminants as a model for investigations of peripartal hypocalcemia of the dairy cow and its prevention, the comparative aspects were considered to be of some importance. Besides plasma parameters linked to calcium homeostasis and bone metabolism, RNA and protein expression of genes involved in calcium transport, TRPV5, TRPV6 (transient receptor potential vanilloid type 5 and 6, apically located epithelial calcium channels), CaBPD9K, CaBPD28K (calbindin D9K and D28K, crucial for cytosolic calcium transport), NCX1 and PMCA1 (sodium calcium exchanger type 1 and plasma membrane calcium ATPase, mediating extrusion at the basolateral membrane) and RNA expression of VDR (vitamin D receptor), PTHR (parathyroid hormone receptor), CYP27B1 and CYP24A1 (1α-hydroxylase, mediating transformation of 25-Hydroxycholecalciferol into calcitriol, and 24-hydroxylase, initiating the inactivation of vitamin D metabolites) were quantified. Functional studies for the characterisation of gastrointestinal calcium transport were carried out by Ussing chamber techniques.

Data from the literature suggests that ruminant species have a limited capacity for adaptation of gastrointestinal calcium absorption and renal calcium excretion. In contrast to earlier studies to verify or rebut this hypothesis, sheep and goats of the same age and sex were used, the calcium content in the calcium-restricted rations was further reduced, and calcitriol in pharmacological dosage was administered. It could be demonstrated that both these ruminant species, unlike monogastric animals, do not respond to dietary calcium restriction by altering renal excretion of calcium and phosphate. Neither in sheep nor in goats was ruminal calcium transport increased by endogenous or exogenous calcitriol. Therefore, vitamin D-dependent regulation of the preintestinal calcium absorption has to be questioned. However, indications for effects both of rations with a negative DCAD (dietary cation anion difference) and lactation were found.

In contrast to sheep, goats seem to adapt more efficiently to a calcium-restricted diet by increasing intestinal calcium absorption, probably because of slight differences in respect to vitamin D metabolism and thus, greater plasma concentrations of endogenous calcitriol. In sheep, bone mobilisation is assumed to be more important. Similar observations were made at the onset of and during lactation. As biomarkers for bone formation and resorption of the cow were more similar to those determined in goats after parturition than in sheep, the use of goats as animal models for the dairy cow should be carefully reconsidered in future studies.

Preliminary investigations on the suitability of the vitamin D metabolite 25-hydroxycholecalciferol for stabilising peripartal calcium homeostasis in dairy cows gave positive results, but only when 25-hydroxycholecalciferol was combined with a ration negative in DCAD. When cows on a positive DCAD-diet were supplemented with 25-hydroxycholecalciferol, this treatment was shown to have harmful effects, especially in older cows. Although a balance study carried out with sheep demonstrated that intestinal calcium absorption was increased, negative effects on vitamin D metabolism and mobilisation of calcium from the skeleton cannot be excluded. In addition, very high plasma concentrations of 25-hydroxycholecalciferol had a negative impact on the expression of TRPV6, CYP27B1 and CYP24A1 and altered the expression of P-glycoprotein, a transporter involved in absorption, excretion and distribution of many xenobiotics, in the liver and jejunum.  When considered together, this treatment cannot be recommended for the prevention of hypocalcemia without further research on its exact mechanisms and potential side-effects.

Keywords

Wiederkäuer, Calcium, Vitamin D; ruminant, calcium, vitamin D

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