Dissertation

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

Svenja Starke

Impact of dietary nitrogen reduction on electrolyte homeostasis in growing goats with a focus on renal electrolyte handling

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104375

title (ger.)

Einfluss einer diätetischen Stickstoffreduktion auf die Elektrolythomöostase in wachsenden Ziegen mit einem Fokus auf den renalen Elektrolythaushalt

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/starkes_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird bei der Fütterung von Wiederkäuern die Proteinzufuhr möglichst genau an den Bedarf der Tiere angepasst. Eine Besonderheit bei Wiederkäuern ist, dass sie bei geringer Protein-, und damit bei geringer Stickstoff (N)-Zufuhr in der Lage sind, dieser diätetischen N-Reduktion durch eine Einschränkung der N-Ausscheidung und einer damit einhergehenden N-Rezyklierung entgegenzuwirken. In diesem Prozess der endogenen N-Rezyklierung spielt der Harnstofftransport in der Niere über sogenannte urea transporter (UTs) eine wichtige Rolle. Bei einem Versuch mit wachsenden Ziegen wurde festgestellt, dass eine verminderte N-Aufnahme trotz dieser endogenen N-Rezyklierung nicht nur Veränderungen des N-Stoffwechsels, sondern auch des Elektrolythaushaltes nach sich zog (MUSCHER et al. 2011). Dies äußerte sich in verminderten Plasmakonzentrationen des insulin-like growth factor-1 (IGF-1) und des 1,25-dihydroxy vitamin D3 (Calcitriol), sowie in einer erhöhten Plasmakonzentration des carboxyterminal cross-linked telopeptide of type I collagen (CTX). In der vorliegenden PhD Studie wurde in verschiedenen Experimenten sowohl die Adaptation des N- als auch des Elektrolythaushaltes an eine reduzierte diätetische N-Aufnahme in wachsenden Ziegen untersucht. Der Fokus dieser Untersuchungen lag dabei auf der Adaptation der Nieren an die reduzierte N-Aufnahme.  In diesen Untersuchungen wurde die Adaptation des renalen N-, Ca- und Pi-Stoffwechsels an die veränderten diätetischen Bedingungen in vier verschiedenen Studien genauer betrachtet.

In der ersten Studie wurde die Beeinflussung der renalen Expression von UTs durch eine reduzierte N-Aufnahme in wachsenden Ziegen untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass die mRNA-Expression der Isoform UT-A1 bei reduzierter N-Aufnahme erhöht war. Dieser Befund deutet auf eine erhöhte renale N-Resorption während einer verminderten N-Aufnahme, und damit auf eine Steigerung der endogenen N-Rezyklierung hin.

In der zweiten Studie wurde die Beteiligung des renalen Kalzium (Ca)- und Phosphat (Pi)-Transportes an der Adaptation des Elektrolythaushaltes an die reduzierte N-Aufnahme untersucht. Dazu wurde die Proteinexpression renaler Ca- und Pi-Transporter und die Expression einiger ihrer Regulationsproteine gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Proteinexpression des renalen Natrium (Na)-abhängigen Pi-Transporters Typ IIa (NaPi IIa) bei reduzierter N-Aufnahme erhöht war. Damit übereinstimmend war die Proteinexpression des renalen Parathormon-Rezeptors (PTHR) und der phosphorylierten extracellular signal regulated kinases 1 and 2 (pERK1/2), die die NaPi IIa Proteinmenge vermindern, erniedrigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass in wachsenden Ziegen neben hormonellen Veränderungen auch der renale Elektrolyttransport mit in die Adaptation an eine reduzierte N-Aufnahme einbezogen ist.

In der dritten Studie wurde untersucht, inwiefern sich diese Veränderungen der Proteinexpression im Bereich des renalen Pi-Transportes auf die renale Elektrolytausscheidung in vivo auswirken. Dazu wurden in einem Versuch mit Ziegen unter N-reduzierter Fütterung Bilanzversuche durchgeführt. Die tägliche Aufnahme und Ausscheidung von N, Ca und Phosphor (P) wurde gemessen. Des Weiteren wurde auch bei diesen Tieren die Proteinexpression der renalen Ca- und Pi-Transporter und der zugehörigen Regulationsproteine untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die tägliche N-Ausscheidung bei verminderter N-Aufnahme deutlich reduziert war, die N-Retention jedoch unverändert blieb. Auch die Ausscheidung von Ca und P war unverändert. Bezüglich der renalen Proteinexpression war bei dieser Tiergruppe allerdings lediglich die Expression des PTHR erniedrigt, während weder die Expression des NaPi IIa noch der pERK1/2 verändert war. Obwohl sich demnach die Adaptation des renalen Elektrolythaushaltes von der in der zweiten Studie unterschied, wurde auch in diesem Versuch wieder eine reduzierte Plasmakonzentration von IGF-1 und, tendenziell, von Calcitriol beobachtet. Lineare Regressionsanalysen zeigten weiterhin, dass bei wachsenden Ziegen besonders IGF-1, Calcitriol und der renale Na-abhängige Pi-Transporter Typ IIc (NaPi IIc) eine wichtige Rolle bei der Regulation des Elektrolythaushaltes spielten. Die Ergebnisse liefern insgesamt erneut Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen verminderter diätetischer N-Aufnahme und einer Adaptation des Elektrolythaushaltes bei Ziegen.

In der vierten Studie sollte festgestellt werden, ob die beobachteten Veränderungen aus den vorherigen Versuchen ziegenspezifische Adaptationsmechanismen an eine reduzierte N-Aufnahme darstellten. Für diese vergleichende Betrachtung wurde ein dem Ziegenversuch möglichst ähnlicher Fütterungsversuch an Ratten durchgeführt, wobei die nötigen spezies-spezifischen Fütterungsbedingungen beachtet wurden. Auch den Ratten wurde eine Diät mit reduziertem N-Gehalt gefüttert und die gleichen Parameter wie im Ziegenversuch wurden gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass auch bei den Ratten bei verminderter N-Aufnahme die N-Ausscheidung erniedrigt war. Die N-Retention war trotz einer vermeintlich weniger starken N-Rezyklierung unverändert, während in Ziegen unter Bezug der Daten auf das metabolische Körpergewicht sogar eine tendenziell erniedrigte N-Retention beobachtet wurde. Auch die Beeinflussung der Ca-Exkretion durch die reduzierte N-Aufnahme unterschied sich zwischen beiden Tierarten. Während die renale Ca-Exkretion bei Ziegen in Bezug auf das metabolische Körpergewicht erniedrigt war, war die Ca-Konzentration im Harn der Ratten erhöht. Auch eine Veränderung der untersuchten Hormone und der Expression der renalen Transportproteine wurde bei Ratten im Gegensatz zu den Ziegen nicht nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen daher, dass die Adaptation des Elektrolythaushaltes, wie sie in den vorhergehenden Versuchen beobachtet wurde, ziegenspezifisch war. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die genauen, zugrunde liegenden Regulationsmechanismen dieser Adaptation des Elektrolythaushaltes an eine reduzierte N-Aufnahme aufzuklären.

 

abstract (englisch)

For economical and ecological reasons, in the feeding of ruminant livestock precisely adjusted protein content is aspired. Ruminants have a unique ability to counterbalance low protein, and therefore low dietary nitrogen (N) intake by decreasing N excretion due to endogenous N recycling. Within this recycling process urea reabsorption in the kidneys by urea transporters (UTs) plays a central role. However, despite this endogenous N recycling, in was shown in growing goats that low N intake did not only impact N metabolism, but also electrolyte homeostasis (MUSCHER et al. 2011). This was reflected by decreased plasma concentrations of insulin-like growth factor-1 (IGF-1), 1,25-dihydroxy vitamin D3 (calcitriol) and increased plasma concentrations of carboxyterminal cross-linked telopeptide of type I collagen (CTX). In the present PhD project, the adaptation of both N and electrolyte homeostasis to low dietary N intake was investigated in growing goats with special emphasis on examination of renal adaptation to low N intake. The response of renal N and electrolyte handling to the changing dietary conditions was investigated in four different studies.

In the first study the impact of low N intake on renal UT expression in growing goats was investigated. The results showed the mRNA expression of the UT isoform UT-A1 to be increased due to low N intake. This finding indicates an enhanced renal capacity for reabsorption of N and thus, a more efficient endogenous N recycling due to low N intake also in goats.

In the second study the involvement of renal calcium (Ca) and phosphate (Pi) transport in the adaptation of electrolyte homeostasis to low N intake was investigated. Therefore, renal expression of Ca and Pi transporters and of some of their regulatory proteins was measured. The results showed that the protein expression of the renal sodium (Na)-dependent Pi transporter type IIa (NaPi IIa) was increased upon low N intake. Accordingly, protein expressions of the renal parathyroid hormone receptor (PTHR) and of the phosphorylated extracellular signal regulated kinases 1 and 2 (pERK1/2), which are known to reduce NaPi IIa protein amounts, was decreased. These findings suggest that not only adaptation of hormones, but also of renal Pi transport pathways occurred due to low N intake in growing goats.

In the third study the question was raised, whether the observed alterations in renal Pi transporter expression influenced electrolyte excretion in vivo. Therefore, balance trials were performed in goats fed low N content and daily intake and excretion of N, Ca and phosphorus (P) were measured. Also in these animals the protein expression of renal Ca and Pi transporters and their regulatory proteins was examined. Low N intake resulted in reduced daily N excretion, but unchanged N retention. However, the excretion of Ca and P remained unchanged. On the level of renal protein expression, only the amount of PTHR was decreased, but neither NaPi IIa nor pERK1/2 protein amount was altered. Although adaptation of renal electrolyte handling appeared to differ from that in the second study, again lower plasma IGF-1 and a trend towards lower plasma calcitriol concentrations were observed. Furthermore, linear regression analyses indicated IGF-1, calcitriol and the renal Na-dependent Pi transporter type IIc (NaPi IIc) to play a major role in the regulation of electrolyte handling in growing goats. These findings further emphasize a connection between low N intake and adaptive responses of electrolyte handling.

In the fourth study it was investigated whether the adaptive responses of electrolyte handling to low N intake, as observed in the previous experiments, were goat-specific. Thus, a comparative feeding experiment similar to that in goats was performed in rats, carefully considering species-specific peculiarities in the digestive physiology and metabolism. Rats were fed a diet reduced in N content and the same parameters as in the goat experiments were determined. For a comparative analysis all data were related to metabolic body size in rats and goats. The results showed that also in rats N excretion decreased due to low N intake. N retention in rats remained unchanged, despite a putative less effective N recycling, whereas in goats N retention was slightly, but not significantly decreased, when related to metabolic body size. Also the influence of low N intake on renal Ca excretion differed between the two species. Whilst in goats renal Ca excretion decreased in relation to metabolic body size, the urinary Ca concentration was increased in rats. Furthermore, in contrast to goats, the hormone concentrations and the expression of the detected renal proteins were not altered by low N intake in rats. Thus, the results showed that the adaptation of electrolyte handling to low N intake, as it was observed in the previous studies, was goat-specific.  Further research is needed to elucidate the exact metabolic pathways leading to adaptation of electrolyte handling to low N intake.

 

keywords

Stickstoff, Ziege, Elektrolythaushalt; nitrogen, goats, electrolyte homeostasis

kb

620