Dissertation

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

 

 Nina Katrin Kronshage

 

 Transportwege und Regulation des gastrointestinalen Kaliumtransports bei Wiederkäuern

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109973

title (eng.)

Pathways and regulation of gastrointestinal potassium transport in ruminants

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kronshagen_ss17.pdf

abstract (deutsch)

Die Mechanismen der gastrointestinalen Kaliumaufnahme bei Wiederkäuern sind weitgehend unbekannt. Zunächst stellte sich die Frage, inwieweit die verschiedenen Abschnitte des Magendarmtraktes in der Lage sind, Kalium zu resorbieren und zwar speziell bei hohen Kaliumkonzentrationen, die die hohen Kaliumkonzentrationen im Futter wiederspiegeln. Da Wiederkäuer trotz hoher Kaliumaufnahmen Hypokaliämien entwickeln, wurde des Weiteren eine mögliche Beeinflussung der Kaliumresorption durch eine bestehende Hypokaliämie und durch Stress untersucht. Epithelien aus dem Pansen, Labmagen, Jejunum und Colon von Rindern, Schafen und Ziegen wurden mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik untersucht. Zunächst wurde der Kaliumstrom sowie die Kaliumresorption bei unterschiedlichen mukosalen Kaliumkonzentrationen (4 bis 100 mmol·l ‑1) bestimmt. Dabei wurde auch untersucht, inwieweit sich Rubidium als Ersatz für Kalium eignet. Anschließend wurden die Kaliumtransportwege mit Hilfe der Kaliumkanalblocker Verapamil und Barium und dem Blocker des parazellulären Transportweges Triaminopyrimidin untersucht. Eine Hypokaliämie wurde durch eine von 4 mmol∙l ‑1 auf 2 mmol∙l ‑1 reduzierte serosale Kaliumkonzentration simuliert, Stress durch eine Erhöhung des cAMP-Spiegels via Forskolin, beziehungsweise durch Adrenalin und den β-Agonisten Isoproterenol. Zur Unterscheidung des Forskolineffektes auf einen nichtselektiven Kationenkanal, beziehungsweise einen Kaliumkanal wurden Kalzium und Magnesium als Blocker des nichtselektiven Kationenkanals entfernt, beziehungsweise Verapamil zugegeben. Eine Erhöhung der luminalen Kaliumkonzentration bewirkte einen Kurzschlussstromanstieg (Δ Isc) über das Pansenepithel (Ziege 1.03 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, Schaf 2.53 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, Rind 1.80 μeq∙cm ‑2∙h ‑1) und das Colonepithel (Ziege 2.50 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, Schaf 3.33 μeq∙cm ‑2∙h ‑1). Am Epithel des Labmagens zeigte sich kein Effekt. Am Jejunum stieg der Isc bei der Ziege an (1.53 μeq∙cm ‑2∙h ‑1), am Epithel des Schafes dagegen nur marginal (0.40 μeq∙cm ‑2∙h ‑1). Es bestand eine positive Korrelation zwischen der mukosalen Kaliumkonzentration und dem Kurzschlussstrom. Rubidium bewirkte keine vergleichbaren Veränderungen des Kurzschlussstroms. Eine Erhöhung der mukosalen Kaliumkonzentration von 4 auf 100 mmol·l ‑1 führte ebenfalls zu einem Anstieg der Kaliumresorption. Dieser Kaliumresorptionsanstieg hatte in allen untersuchten Epithelien die gleiche Größenordnung (Pansen 2.48 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, Labmagen 3.47 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, Jejunum 4.54 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, Colon 2.91 μeq∙cm ‑2∙h ‑1), war im Jejunum gleichwohl signifikant höher, als im Pansen und Colon. Am Epithel des Pansens bewirkten sowohl die Kaliumkanalblocker Verapamil (- 68±4 %) und Barium (- 34±3 %), als auch der Blocker des parazellulären Transports Triaminopyrimidin (- 26±8 %) eine Abnahme des Kaliumstroms. Im Labmagen führte eine Bariumzugabe zu einer Reduzierung des Stroms um 28±7 %, während eine Zugabe von Triaminopyrimidin keinen Effekt hatte. Im Jejunum führten beide Blocker zu einer Kaliumstromabnahme (Barium - 44±12 %, Triaminopyrimidin - 44±12 %). Am Colonepithel hatten weder Barium, noch Triaminopyrimidin einen Effekt. Eine serosale Kaliumkonzentration von 2 mmol·l ‑1 hatte keinerlei Effekt auf die untersuchten Epithelien. Forskolin bewirkte einen Kurzschlusstromanstieg über Pansenepithelien von Schafen und bei 2 von 6 Rindern bei einer mukosalen Kaliumkonzentration von 100 mmol·l ‑1, hatte jedoch keinen Effekt in Anwesenheit von 4 mmol∙l ‑1 Kalium. Die Abwesenheit von Kalzium und Magnesium hatte keinen Einfluss auf den Forskolineffekt, während Verapamil einen Forskolineffekt verhinderte. Der vorliegenden Studie zufolge kann Kalium bei hohen Konzentrationen im Pansen, Labmagen, Jejunum und Colon resorbiert werden, wobei das Jejunum dominiert. Die zugrundeliegenden Resorptionsmechanismen sind offenbar unterschiedlich. Im Pansen dominiert ein elektrogener Kaliumtransport, etwa 70 % könnten über zelluläre, 30 % über parazelluläre Transportwege verlaufen. Der Kaliumtransport über das Labmagenepithel scheint überwiegend elektroneutral und zellulär zu sein. Auch im Jejunum wird Kalium offenbar überwiegend elektroneutral transportiert, wobei sowohl zelluläre, als auch parazelluläre Komponenten eine Rolle zu spielen scheinen. Im Colon dominiert ein elektrogener Kaliumtransport, der aber weder barium- noch triaminopyrimidinsensibel ist. Der Kaliumtransport der untersuchten Epithelien wird durch eine niedrige serosale Kaliumkonzentration offenbar nicht beeinflusst. Eine cAMP-Erhöhung bewirkt am Pansen höhere Kaliumströme durch Kaliumkanäle. β-adrenerge Rezeptoren scheinen dabei keine Rolle zu spielen.

abstract (englisch)

Cows that suffer from abomasal displacement often show a hypokalemia. This drop in plasma potassium might play a role in the pathogenesis. Since our knowledge about the mechanisms of gastrointestinal K absorption in ruminants is very limited, I investigated the possible contribution of the rumen, abomasum, jejunum and colon to potassium absorption, especially at high luminal potassium concentrations, which reflects the high alimentary intake. In a second step the possible influences of a hypokalemia and stress on the K absorption were investigated. The study was performed with the Ussing chamber technique and epithelia from goat, sheep and cattle. The potassium current and the potassium absorption were investigated with mucosal potassium concentrations from 4 to 100 mmol·l ‑1. Additionally, the suitability of rubidium as a tracer for potassium was examined. To investigate the pathways of potassium transport, the potassium channel blockers verapamil and barium and the paracellular blocker triaminopyrimidine were used. To simulate a hypokalemia the serosal K concentration was changed from 4 mmol∙l ‑1 to 2 mmol∙l ‑1. To investigate an effect of stress the cAMP level was increased via forskolin or adrenaline and the β agonist isoproterenole were added to rumen epithelia. To differentiate between an effect of forskolin on a potassium channel or the nonselective cation channel verapamil was added or calcium and magnesium were removed, respectively. Increasing the luminal potassium concentration resulted in an increase of current (Δ Isc) across the rumen (goat 1.03 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, sheep 2.53 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, cattle 1.80 μeq∙cm ‑2∙h ‑1) and colon (goat 2.50 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, sheep 3.33 μeq∙cm ‑2∙h ‑1), but not across the abomasum. In jejunum, the Isc increased in goats (1.53 μeq∙cm ‑2∙h ‑1), but only marginal in sheep. The currents were positively correlated with the mucosal potassium concentration. Rubidium did not show the same increase of current as potassium. The potassium absorption increased after increasing the luminal potassium concentration from 4 to 100 mmol·l ‑1 (rumen 2.48 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, abomasum 3.47 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, jejunum 4.54 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, colon 2.91 μeq∙cm ‑2∙h ‑1). This Increase had the same order of magnitude across the different gastrointestinal segments. However, this increase was significantly higher in jejunum than in rumen and colon. In rumen and colon, the increase in potassium absorption was equivalent to the parallel Δ Isc. In abomasum and jejunum it was much higher. The potassium current across the rumen was verapamil and barium sensitive, as well as triaminopyrimidine sensitive. The abomasal current was barium sensitive. In jejunum, triaminopyrimidine and barium decreased the potassium current. The potassium current across the colon was nether triaminopyrimidine, nor barium sensitive. A simulated hypokalemia had no effect on the current in none of the tested epithelia. Forskolin caused an increase in current at mucosal K concentrations of 100 mmol∙l ‑1 in sheep and in two of 6 cattle, while it had no effect at mucosal K concentrations of 4 mmol∙l ‑1. Removal of Calcium and Magnesium as blockers of the nonselective cation channel increased the K current but did not change the effect of forskolin. Addition of verapamil abolished the forskolin effect. The mechanisms of potassium absorption are apparently different. Presumably, the electrogenic potassium transport dominates in the rumen, of which 70 % could be via cellular, and 30 via paracellular pathways. The abomasal potassium transport seems to be mainly electroneutral via cellular pathways. The electroneutral potassium transport seems to dominate in the jejunum as well, with both, paracellular and cellular components. The potassium absorption across the colon appears electrogenic, but nether triaminopyrimidine, nor barium sensitive. Serosal potassium concentrations obviously have no effect on the potassium transport across the investigated epithelia. In rumen epithelia cAMP seems to increase the K current via K channels. Addition of adrenaline and isoproterenole had no effect on the K currents across rumen epithelia, which excludes the involvement of ß-adrenergic receptors in the cAMP effect. Cows that suffer from abomasal displacement often show a hypokalemia. This drop in plasma potassium might play a role in the pathogenesis. Since our knowledge about the mechanisms of gastrointestinal K absorption in ruminants is very limited, I investigated the possible contribution of the rumen, abomasum, jejunum and colon to potassium absorption, especially at high luminal potassium concentrations, which reflects the high alimentary intake. In a second step the possible influences of a hypokalemia and stress on the K absorption were investigated. The study was performed with the Ussing chamber technique and epithelia from goat, sheep and cattle. The potassium current and the potassium absorption were investigated with mucosal potassium concentrations from 4 to 100 mmol·l ‑1. Additionally, the suitability of rubidium as a tracer for potassium was examined. To investigate the pathways of potassium transport, the potassium channel blockers verapamil and barium and the paracellular blocker triaminopyrimidine were used. To simulate a hypokalemia the serosal K concentration was changed from 4 mmol∙l ‑1 to 2 mmol∙l ‑1. To investigate an effect of stress the cAMP level was increased via forskolin or adrenaline and the β agonist isoproterenole were added to rumen epithelia. To differentiate between an effect of forskolin on a potassium channel or the nonselective cation channel verapamil was added or calcium and magnesium were removed, respectively. Increasing the luminal potassium concentration resulted in an increase of current (Δ Isc) across the rumen (goat 1.03 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, sheep 2.53 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, cattle 1,80 μeq∙cm ‑2∙h ‑1) and colon (goat 2.50 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, sheep 3.33 μeq∙cm ‑2∙h ‑1), but not across the abomasum. In jejunum, the Isc increased in goats (1.53 μeq∙cm ‑2∙h ‑1), but only marginal in sheep. The currents were positively correlated with the mucosal potassium concentration. Rubidium did not show the same increase of current as potassium. The potassium absorption increased after increasing the luminal potassium concentration from 4 to 100 mmol·l ‑1(rumen 2.48 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, abomasum 3.47 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, jejunum 4.54 μeq∙cm ‑2∙h ‑1, colon 2.91 μeq∙cm ‑2∙h ‑1). This Increase had the same order of magnitude across the different gastrointestinal segments. However, this increase was significantly higher in jejunum than in rumen and colon. In rumen and colon, the increase in potassium absorption was equivalent to the parallel Δ Isc. In abomasum and jejunum it was much higher. The potassium current across the rumen was verapamil and barium sensitive, as well as triaminopyrimidine sensitive. The abomasal current was barium sensitive. In jejunum, triaminopyrimidine and barium decreased the potassium current. The potassium current across the colon was nether triaminopyrimidine, nor barium sensitive. A simulated hypokalemia had no effect on the current in none of the tested epithelia. Forskolin caused an increase in current at mucosal K concentrations of 100 mmol∙l ‑1 in sheep and in two of 6 cattle, while it had no effect at mucosal K concentrations of 4 mmol∙l ‑1. Removal of Calcium and Magnesium as blockers of the nonselective cation channel increased the K current but did not change the effect of forskolin. Addition of verapamil abolished the forskolin effect. The mechanisms of potassium absorption are apparently different. Presumably, the electrogenic potassium transport dominates in the rumen, of which 70 % could be via cellular, and 30 via paracellular pathways. The abomasal potassium transport seems to be mainly electroneutral via cellular pathways. The electroneutral potassium transport seems to dominate in the jejunum as well, with both, paracellular and cellular components. The potassium absorption across the colon appears electrogenic, but nether triaminopyrimidine, nor barium sensitive. Serosal potassium concentrations obviously have no effect on the potassium transport across the investigated epithelia. In rumen epithelia cAMP seems to increase the K current via K channels. Addition of adrenaline and isoproterenole had no effect on the K currents across rumen epithelia, which excludes the involvement of ß-adrenergic receptors in the cAMP effect.

keywords

Wiederkäuer, Kaliumresorption, Gastrointestinaltrakt, ruminants, potassium, absorption

kb

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