Dissertation

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

Gesine Herm

Untersuchungen zur Bedeutung der Niere für die Aufrechterhaltung

der Calcium-Homöostase bei Schaf und Ziege

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95- 105556

title (engl.)

Studies on the importance of the kidney for the maintenance of calcium homeostasis in sheep and goats  

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hermg_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Insbesondere hochleistende Milchkühe entwickeln im peripartalen Zeitraum häufig Hypocalcämien. In Studien, die die Pathogenese und Therapie der Gebärparese der Milchkuh untersuchen, werden oftmals Schafe und Ziegen als Modelltier für das Rind eingesetzt, obwohl Hinweise darauf bestehen, dass sich die Calcium-homöostatischen Mechanismen der drei Wiederkäuerspezies in einigen Punkten unterscheiden. Darüber hinaus sind insbesondere die renalen Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Calcium-Homöostase bei Wiederkäuern bisher kaum untersucht worden. Daher wurde im Rahmen dieser Dissertation die Expression der am transzellulären renalen Calcium-Transport sowie der direkt und indirekt am renalen Vitamin D-Metabolismus beteiligten Strukturen im Nierengewebe von Calcium-restriktiv- und adäquat gefütterten, zum Teil Calcitriol-behandelten sowie von laktierenden und trockenstehenden Schafen und Ziegen untersucht, um zu überprüfen, welche Bedeutung die Niere für die Aufrechterhaltung der Calcium-Homöostase bei diesen Spezies hat. Dazu wurde die RNA-Expression von TRPV5, CaBPD28K, NCX1, NaPi2a, PTHR, VDR, CYP24A1 und CYP27B1 mittels Real Time RT PCR untersucht. Die Expression von TRPV5, CaBPD28K, NCX1, PTHR und VDR wurde zusätzlich mittels Western Blot-Analysen auf Proteinebene untersucht. Daneben konnten zum Teil auch Daten zur Höhe der Calcium-, Phosphat- und Calcitriol-Spiegel sowie der renalen Calcium- und Phosphat-Ausscheidung in die Auswertung miteinbezogen werden, welche im Rahmen bereits abgeschlossener Versuchsvorhaben gewonnen worden waren.

Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl laktierende als auch Calcium-restriktiv gefütterte Schafe und Ziegen – anders als monogastrische Spezies – nicht mit einer Steigerung der Expression Calcium-transportierender Strukturen in der Niere reagierten. Oftmals kam es sogar zu einer Abnahme der Expression von TRPV5, CaBPD28K und/oder NCX1, sodass angesichts der Tatsache, dass die renale Calcium-Exkretion dieser Tiere nicht zugenommen hatte, davon ausgegangen werden kann, dass es stattdessen zu einer kompensatorischen Steigerung der Calcium-Resorption in weiter proximal gelegenen Abschnitten gekommen war.

Obwohl eine Verminderung der Transporter-Expression zum Teil auch trotz signifikanten Anstiegs der endogenen Calcitriol-Spiegel beobachtet werden konnte, hatte die Behandlung mit Calcitriol in pharmakologischer Dosis in einigen Fällen eine signifikante Expressionssteigerung der Calcium-transportierenden Strukturen zur Folge. Dass diese lediglich auf RNA-Ebene beobachtet werden konnte, ist vermutlich auf die Kürze der Zeitspanne zwischen Behandlung und Tötung der Tiere zurückzuführen, wie durch Vergleich mit entsprechenden Daten ähnlicher Versuche gezeigt werden konnte. Letztendlich spricht der beobachtete Behandlungs-Effekt gegen die zunächst – auch vor dem Hintergrund der Ergebnisse verschiedener Bilanzstudien – aufgestellte Hypothese eines nicht durch Calcitriol regulierbaren renalen Calcium-Transports.

Was die Anpassung renaler Calcium-Transportmechanismen an Belastungen des Calcium-Haushalts betrifft, existieren also grundlegende Unterschiede zwischen monogastrischen Spezies und kleinen Wiederkäuern, wobei angesichts der der wissenschaftlichen Literatur entnommenen Daten der Mechanismus einer „renalen Calcium-Konservierung“ grundsätzlich eher von vergleichsweise geringer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Calcium-Homöostase des Wiederkäuers sein kann. Die Regulation des renalen Vitamin D-Metabolismus‘ folgt jedoch grundsätzlich ähnlichen Prinzipien und eine adäquate Erhöhung der Calcitriol-Spiegel scheint ebenso bedeutsam für den Ausgleich eines Calcium-Defizits zu sein wie beim monogastrischen Tier. Darauf wiesen bereits die Ergebnisse des Fütterungsversuches hin, in dem die Ziegen mit einem deutlich stärkeren Anstieg des Calcitriol-Spiegels auf die alimentäre Calcium-Restriktion reagiert hatten als die Schafe und in dem nur die Ziegen den Calcium-Mangel erfolgreich kompensieren konnten. Vor diesem Hintergrund sind die Ergebnisse der im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Expressionsstudien besonders interessant, da sie zeigen, dass bei der Ziege, nicht aber beim Schaf die Expression der Vitamin D-metabolisierenden Enzyme an die aktuelle Calcium-Zufuhr angepasst wurde. Womöglich lässt sich dies auf die tendenziell verminderte VDR-Dichte in der Niere der Ziegen zurückführen und erklärt den bei dieser Spezies deutlich stärkeren Anstieg der Calcitriol-Spiegel. Daher stellt sich die Frage, ob der von Labornagern bekannte Mechanismus einer PTH-vermittelten Reduktion der renalen VDR-Expression zwecks Verminderung der Calcitriol-abhängigen CYP24A1-Induktion in Calcium-Mangelsituationen auch beim Wiederkäuer eine Rolle spielt und ob in diesem Zusammenhang Speziesunterschiede existieren. Da eine reduzierte PTH-Sensitivität und eine damit einhergehende Calcitriol-Defizienz entscheidende Faktoren in der Pathogenese derHypocalcämie der Milchkuh darstellen, wäre die Untersuchung der renalen Expression des VDR und der 24-Hydroxylase sowie der Höhe der PTH-Spiegel im Blut hypocalcämischer Wiederkäuer von besonderem Interesse.

 

abstract (englisch)

High yielding dairy cows may suffer from peripartal hypocalcaemia. Many investigations on the pathogenesis and therapy of such hypocalcaemia have studied sheep and goats instead of cattle. However, the results of some of these investigations have identified significant differences in calcium-homeostatic mechanisms between these ruminant species. Moreover, the role of the kidney in the maintenance of calcium homeostasis in ruminants is still poorly understood. Hence, the aim of the research reported in this thesis was to clarify how renal mechanisms contribute to the maintenance of calcium homeostasis in sheep and goats and to determine whether these mechanisms differ between these species. Therefore, we examined the expression of molecular structures involved in calcium transport and vitamin D metabolism in renal tissues of sheep and goats which were a) fed calcium-restricted or calcium-adequate diets and treated with calcitriol or a placebo and b) lactating or dried-off. RNA expression of TRPV5, CaBPD28K, NCX1, NaPi2a, PTHR, VDR, CYP24A1 and CYP27B1 was determined using Real Time RT PCR. In addition, protein expression of TRPV5, CaBPD28K, NCX1, PTHR and VDR was investigated by Western Blot analysis. Furthermore, plasma levels of calcium, phosphate and calcitriol as well as the excretion rates of calcium and phosphate, which had all been obtained in the course of earlier studies, were incorporated into the overall comparison of calcium homeostasis between sheep and goats.

In contrast to monogastric species, sheep and goats did not react with an upregulation of the expression of molecular structures for renal calcium transport during lactation or dietary calcium restriction. In many cases, even downregulation of the expression of TRPV5, CaBPD28K and/or NCX1 was observed. Since renal calcium excretion of these animals had remained unchanged, it was concluded that calcium resorption must have been shifted to more proximal parts of the nephron, presumably to the thick ascending limb of the loop of Henle.

While sheep and goats were on a calcium-restricted diet, a decline in transporter expression could be observed despite increasing calcitriol plasma levels. Nevertheless, treatment with pharmacological doses of calcitriol led to a significant increase in the RNA expression of calcium transporting structures in several cases. The comparison of our data to those in published similar studies suggests that the time span between calcitriol treatment and sacrifice of our animals was too short to allow a manifestation of the effect on the level of these proteins. Regardless of this, the observed effect of our calcitriol treatment does not support the hypothesis of a calcitriol-independent renal calcium transport mechanism in small ruminants which had been proposed from the results of several published balance studies.

Consequently, the adaptation of renal calcium transport processes to stresses of calcium balance appears to differ fundamentally between monogastric species and small ruminants. Since renal calcium excretion in ruminant species is normally very low, the mechanism of renal calcium conservation cannot be of primary importance for the maintenance of calcium homeostasis in ruminants.

However, regulation of renal vitamin D metabolism seems to follow the same principles as in monogastric species and an adequate increase in calcitriol plasma levels appears to be of great importance in adaptation to a calcium deficit. This becomes obvious if one considers the results of the feeding trials: goats, in comparison to sheep responded with a significantly greater rise in calcitriol plasma levels to alimentary calcium restriction and were also able to maintain stable plasma calcium levels.

Against this background further results obtained in the course of this research are of special interest, since they indicate that in goats, but not in sheep, expression of vitamin D metabolising enzymes in the kidney varies according to the actual supply of calcium. This can possibly be attributed to the observed trend of reduction in renal VDR protein expression in the goat and may explain the greater rise of calcitriol plasma levels observed in this species. Furthermore, both lactating sheep and goats showed a slight decrease in CYP24A1 RNA expression. These observations lead to the question, of whether the mechanism in calcium deprived rodents of a PTH-induced reduction of the calcitriol-dependent induction of CYP24A1, which seems to contribute to an adequate elevation of calcitriol plasma levels in these species, might also be of importance in ruminants.

Since a reduced sensitivity to PTH and a consequent calcitriol deficiency are considered to be the main factors in the pathogenesis of hypocalcemia in dairy cows, it would be of great interest to examine the expression of VDR and CYP24A1 in renal tissues and the PTH concentrations in blood samples of ruminants suffering from peripartal paresis.

 

keywords

Calcium-Homöostase, Niere, kleiner Wiederkäuer, calcium-homeostasis, kidney, small ruminants 

kb

3.370