Dissertation

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

Sandra Vagt

In-vivo - und in-vitro - Untersuchungen zur praecaecalen Stärkeverdaulichkeit in Abhängigkeit von der Stärkeart und -behandlung bei Miniaturschweinen mit induzierter exokriner Pankreasinsuffizienz

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-105292

title (engl.)

In-vivo and in-vitro investigations on prececal starch digestion (related to source of starch and thermal treatment) in pancreatic duct ligated minipigs – used as a model for human exocrine pancreatic insufficiency

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/vagts_ss14.pdf

abstract (deutsch)

Bei Patienten mit exokriner Pankreasinsuffizienz (EPI) ist es ein vorrangiges Ziel der Diätetik, die Energie- und Nährstoffversorgung zu optimieren. Stärke spielt hierbei als Energiequelle eine besondere Rolle, da sie auch bei völligem Fehlen der exokrinen Pankreasfunktion - über den gesamten Verdauungstrakt betrachtet - zu fast 100 % verdaut worden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die hohe Stärkeverdaulichkeit nicht ausschließlich durch körpereigene Enzyme erreicht wird. Praecaecal (prc.) unverdaute Stärke gelangt in den Dickdarm und unterliegt hier einem mikrobiellen Abbau. Daher erlaubt erst die Bestimmung der prc. Verdaulichkeit eine Differenzierung zwischen dem primär enzymatischen Nährstoffabbau im Dünndarm und dem fermentativen Abbau im Dickdarm. Dies ist insoweit relevant, da anfallende Fermentationsprodukte (insbesondere diverse Gase) zu einer Beeinträchtigung des Wohlbefindens der EPI-Patienten führen. Umso bedeutender wird dieser Umstand, da es aufgrund des fehlenden antimikrobiellen Pankreassekretes und höherer Nährstoffdichten häufig zu einer bakteriellen Überbesiedelung des Dünndarms kommt, die u.a. Beschwerden wie Meteorismus, Diarrhoe und Abdominalschmerzen zur Folge hat, was wiederum zu einer verringerten Nahrungsaufnahme führen kann. Daher war das Ziel der vorliegenden Studie die nähere Charakterisierung der Stärkeverdauung im prc. Bereich bei Vorliegen einer EPI. Insbesondere sollten dabei die Effekte der Stärkeart und ihrer thermischen Behandlung (Kochen) auf die prc. Stärke-Verdaulichkeit quantifiziert werden. Zur Klärung dieser Fragen wurden sowohl in-vivo - (Screening-Tests mit pankreasgangligierten Miniaturschweinen; PL) als auch in-vitro - Untersuchungen (Gasbildung im inkubierten Dünndarmchymus in Inkubationsversuchen) durchgeführt. Hierdurch sollte das „Schicksal“ der Stärke im Dünndarm von EPI-Patienten näher charakterisiert werden. Zu diesem Zweck standen 16 weibliche ileo-caecal fistulierte Miniaturschweine zur Verfügung. Bei 12 dieser Tiere wurde durch eine Pankreasgangligatur eine EPI ausgelöst, während die Pankreasfunktion von 4 Tieren unbeeinflusst blieb (Kontroll-(K)-Tiere). Die Bestimmung der prc. Stärkeverdaulichkeit erfolgte für Reis-, Kartoffel- und Erbsenstärke sowie für Amaranth-Vollkornmehl und Maisschrot. Alle Stärken (Ausnahme: Maisschrot nur roh geprüft) wurden sowohl roh als auch gekocht (20 Minuten in Wasser bei 100 °C) verwendet. Die eingesetzte Testmahlzeit bestand aus 150 g der zu testenden Stärke, 25 ml Olivenöl, 30 g Methocel und 0,625 g Chromoxid. In den in-vitro-Versuchen wurde Ileumchymus von K- und PL-Tieren mit einem Puffer versetzt und nach entsprechender Aufbereitung mit je 1 g der oben genannten Stärken (Ausnahme: Maisschrot) für 24 Stunden inkubiert (39 °C). Während dieser 24-stündigen Inkubation erfolgte die kontinuierliche Erfassung der Gasbildung im ANKOM® Gas-Production-System. Im Screening-Test wurde bei Einsatz von rohen Stärken stets eine prc. Stärke-Verschwindensrate von > 96 % bei den K-Tieren ermittelt, während der Einsatz der rohen Kartoffelstärke zu einem geringeren Wert (61,5 %) führte. Die PL-Tiere zeigten hingegen erheblich niedrigere Werte (47,8 bis 69,3 %). Bei Einsatz von Amaranth-Vollkornmehl ergaben sich allerdings auffallend günstige Werte von über 90 %. Nach thermischer Behandlung stieg die Stärke-VR bei den PL-Tieren sehr deutlich an und variierte zwischen 81,0 und 89,5 %. Bei den K-Tieren führte die thermische Behandlung lediglich bei der Kartoffelstärke zu einer höheren prc. Stärke-VR (> 90 %). In den Inkubationsversuchen (K- und PL-Tiere als Chymus-Spender) verursachte der Zusatz gekochter Stärken eine höhere Gasbildung in beiden Gruppen. Erhielten PL-Tiere keinerlei Enzymergänzung, so zeigte die Chymussuspension eine um den Faktor 28 höhere Gasproduktion im Vergleich zu den K-Tieren. Innerhalb der ersten 6-8 Stunden einer Inkubation wurden aus 1 g Stärke bei K- und PL-Tieren bis zu 50 ml Gas gebildet. Ein Kochen der verschiedenen Stärken hatte nicht nur einen Einfluss auf die insgesamt in 24 Stunden erreichte Gasbildung, sondern auch auf die Kinetik des Stärkeumsatzes (besonders früh wurde eine Gasbildung bei Einsatz von Reisstärke und Amaranth beobachtet). Schließlich wurde die Frage der Adaptation der Chymus-Spendertiere näher bearbeitet. Nach Einsatz einer kartoffelstärke-betonten Diät über einen Zeitraum von zehn Tagen, ergab sich sowohl bei K- als auch bei PL-Tieren eine deutlich geringere Gasproduktion (< 30 %) bei Zulage von roher Reisstärke. Hingegen wurde am Ende der Anfütterung bei den K-Tieren eine um 44 % höhere Gasbildung nach Zulage von Kartoffelstärke ermittelt, während diese bei den PL-Tieren auch nach zehn Tagen der Anfütterung konstant blieb. Wann immer eine Stärke von Natur aus oder durch eine Behandlung effizienter durch körpereigene Enzyme abbaubar ist, ist diese auch für den mikrobiellen Abbau leichter zugänglich. Das hier erstmalig genutzte Gas-Production-System dürfte sich auch zur Klärung anderer Fragen aus der Diätetik einer Pankreasinsuffizienz bei Menschen eignen: mit der Nutzung des Chymus von PL-Tieren in Kombination mit Inkubationsversuchen ließen sich u.a. diverse Lebens- und Genussmittel hinsichtlich einer möglichen Förderung der intestinalen Gasbildung oder auch Additive und Pharmaka bezüglich ihrer therapeutischen Wirksamkeit prüfen.

abstract (englisch)

In patients with exocrine pancreatic insufficiency (EPI) the main focus of dietetic measures is an optimization of energy and nutrient supply. Starch is a nutrient of special interest as its digestibility over the entire gastrointestinal tract (GIT) reaches nearly 100 %, although exocrine pancreatic function is completely lost. Such a high digestibility rate is not exclusively caused by the action of the body`s own enzymes. Starch not being digested in prececal parts of the GIT enters the hindgut and is fermented. As a result the only way to differentiate between enzymatic digestion in small intestine and fermentative digestion in the hindgut is the determination of prececal digestibility rates. Since products of fermentation (especially gas) may impair the welfare of patients such differentiation is crucial. This is of special interest as the lack of pancreatic secretion with its antibacterial properties as well as the higher nutrient density in the small intestine often lead to excessive bacterial growth in the small bowel, causing symptoms like meteorism, diarrhea and abdominal pain that may result in an appetiteless. Therefore, the aim of this study was a characterization of processes involved in starch digestion in prececal parts of the GIT in case of EPI. Effects of origin and thermal treatment (cooking) on prececal digestibility were of special interest. To prove this and to further characterize the digestion processes of starch, in-vivo (using Screening-tests in pancreatic duct ligated minipigs; PL) as well as in-vitro tests were performed (gas production in incubated ileal chyme). Altogether 16 male ileo-caecal fistulated minipigs were used in this study. In 12 of these pigs an exocrine pancreatic insufficiency was induced by pancreatic duct ligation, while the others were used as controls (C). Prececal digestibility rate of starch was determined using starch of different origin (rice, potato and pea) as well as amaranth-whole corn meal and crushed corn. All starch sources were fed raw and cooked (20 min.) except for the crushed corn which was only fed raw. The test meal consisted of 150 g of the starch to be tested, 25 ml of olive oil, 30 g of methylcellulose and 0.625 g of chromium oxide. During the in-vitro-trials, ileal chyme of C- and PL-pigs was mixed with a buffer and incubated after addition of 1 g of starch to 100 ml of chyme-buffer-mixture for 24 hours at 39°C. Gas production was measured continuously using the Gas-Production-System of ANKOM ®. On the basis of the screening test prececal disappearance rates (DR) for raw starch always exceeded 96 % in healthy C-pigs (exception: raw potato starch: 61.5 %), whereas in PL-pigs values were distinctly lower (47.8 up to 69.3 %) except for amaranth (90.1 %). Thermal treatment of starch resulted in a marked increase of starch DR in PL-pigs (except for amaranth) with values varying between 81.0 and 89.5 %, while in C-pigs only DR of potato starch was improved (> 90 %). In the in-vitro-tests a higher gas production rate was found when cooked starch was used. When PL-pigs did not receive any enzyme replacement therapy, gas production in ileal chyme was 28‑fold higher than in ileal chyme taken from C-pigs. During the first 6-8 hours up to 50 ml of gas were produced (addition of 1 g starch). Cooking of starch had an impact on the absolute volume of gas production as well as on the kinetics of starch digestion (fast gas production was observed when rice starch and amaranth were incubated). Another trial was conducted to test the effect of adaptation of the pigs (used as chyme donators) to one source of starch which was used for incubation trials. After the pigs were fed a diet rich in raw potato starch for 10 days, gas production was reduced by at least 30 % when chyme was incubated with a source of starch (raw rice starch) the animals were not adapted to. When raw potato starch – the starch the donator pigs were adapted to – was used as substrate for in-vitro-studies, gas production was distinctly higher (+ 44 %) in C-pigs, while it did not differ in PL-pigs compared to values observed on the first day of adaptation. To conclude, starch that is easily digestible in-vivo (due to origin or processing) is also fast degradable due to microbial activity. The Gas-Production-System which was used here might be useful to study further aspects regarding dietetic measures for patients suffering from EPI. By use of chyme from PL-pigs in incubation trials the effect of diverse provisions on intestinal gas production as well as the effect of additives or pharmaceuticals can be examined.

keywords

Exokrine Pankreasinsuffizienz, präcaecale Stärkeverdaulichkeit, thermische Bearbeitung; exocrine pancreatic insufficiency, starch digestion, thermal treatment

kb

3.115