Dissertation

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

Maren Wagener

Kalium-Ströme über Epithelien im Verdauungstrakt von Wiederkäuern und Ausscheidungswege für supplementiertes Kalium bei Milchkühen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-111032

title (eng.)

Potassium currents along the digestive tract of ruminants and pathways of elimination for orally ingested potassium in dairy cows

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wagenerm_ws17.pdf

abstract (deutsch)

1. Kalium-Ströme im Verdauungstrakt von Wiederkäuern (in vitro)

Rinder mit Labmagenverlagerung (LMV) zeigen häufig Hypokaliämie, obwohl im Pansen i. d. R. große Mengen Kalium (K) zur Verfügung stehen. K kann im Pansen resorbiert werden (Wylie et al. 1985, Khorasani et al. 1997). Begleitfaktoren der LMV wie Pansenazidose, me­ta­bolische Alkalose und Hyperinsulinämie könnten den K-Transport im Pan­sen­epithel der be­trof­fenen Tiere beeinträchtigen. Ziel dieser Untersuchungen war die genaue Cha­rak­terisierung der K-Transport­prozesse im Pansenepithel im Hinblick auf diese Be­gleit­faktoren. Zu­dem soll­ten K-Transportprozesse in Labmagen und Colon identifiziert und genauer definiert werden.

Epi­thelien frischgeschlachteter Tiere wurden in Ussingkammern inkubiert. Kurzschluss­strom (Isc) und Leitfähigkeit (Gt) wurden kontinuier­lich aufgezeichnet. Der mu­ko­sale Puffer war natri­um­frei. Um einen K-abhängigen Isc zu induzieren, wurde die muko­sa­le K-Kon­zen­tra­tion ([Kmuc]) im Austausch gegen N-Methyl-D-Glucamin (NMDG) von 4 mmol/l auf 100 mmol/l erhöht; dies führte in Pansen und Colon, nicht aber im Labmagen, zuverlässig zu einem signifikanten Anstieg von Isc und Gt.

Bei 100 mmol/l [Kmuc] fiel der Isc bei mukosalem Pufferwechsel von pH 7,4 auf pH 5,0 sig­ni­fi­kant ab. Dieser pH-Effekt war reversibel. Gt zeigte keine eindeutigen Ver­än­de­run­gen. Der An­stieg des Isc bei Anheben der [Kmuc] von 4 mmol/l auf 100 mmol/l fiel bei ei­nem mukosalen pH von 5,5 bzw. 5,0 geringer aus. Die pH-Effekte waren bei mukosalem Zu­satz von SCFA stärker ausgeprägt. Bei Anheben des serosalen pH von 7,4 auf 8,0 stieg der Isc sig­ni­fi­kant an; der Effekt war reversibel. Gt zeigte keine Veränderungen. Bei niedriger [Kmuc] von 4 mmol/l waren keine pH-Effekte darstellbar. Der serosale Zusatz von Insulin in suk­zes­si­ven Endkonzentrationen von 27, 54 und 81 µU/ml, bei [Kmuc] = 100 mmol/l bewirkte keine signi­fi­kan­ten Ände­rungen von Isc oder Gt.

Am Labmagenepithel von Ziegen wurde der Isc durch Anheben der [Kmuc] von 4 mmol/l auf 100 mmol/l nicht beeinflusst, während die Gt anstieg. Im Sinne eines Zeiteffekts fiel der Isc im Ver­suchs­verlauf kontinuierlich ab. Serosaler Zusatz von Bariumchlorid (1,5 mmol/l) senkte Isc und Gt signi­fikant.

An Colonepithelien von Rindern und Schafen wurde, wie im Pansen, durch Anheben der [Kmuc] ein signifikanter Anstieg von Isc und Gt induziert. Im Versuchsverlauf fiel der Isc je­doch kon­ti­nuierlich ab (Zeiteffekt), während die Gt in etwa konstant blieb. Die Zu­ga­be ver­schie­de­ner Kaliumtransportblocker in folgender Reihenfolge: Ouabain mukosal (End­kon­z.: 10-6, 10-4 und 10-3 mol/l), BaCl2 serosal (1,5 mmol/l) und Verapamil sero­sal (10-4 mol/l) sowie die Zu­gabe von Omeprazol (10-3 mol/l; gelöst in DMSO) oder reinem DMSO mukosal hatten kei­nen signifikanten Effekt auf Isc oder Gt. Bei Zugabe von Verapamil (10-4 mol/l) mukosal fielen Isc und Gt beim Schaf ab, beim Rind nicht eindeutig.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass azidotische Verhältnisse im Pansen, v.a. in An­we­sen­heit von SCFA, bei Tieren mit LMV den Ausgleich des K-Haushalts durch Be­ein­träch­ti­gung der K-Absorption im Pansen erschweren und damit mitverantwortlich für das Auf­treten einer Hy­po­ka­liämie sein könnten. Eine Alkalisierung der serosalen Seite, im Sinne ei­ner Blut­al­ka­lo­se, müsste nach diesen Ergebnissen den K-Transport eher geringfügig erleich­tern. Ein Ein­fluss einer Hyperinsulinämie auf den K-Transport im Pansen wurde nicht ge­se­hen. Im Lab­ma­gen könnten bariumsensitive K-Kanäle eine Rolle für den transepithelialen K-Trans­port spie­len. Im Colon konnte zuverlässig ein K-abhängiger Isc induziert werden. Die Co­lo­nmukosa könn­te beim Schaf, nicht aber beim Rind, auf der luminalen Seite verapamil­sen­si­tive K-Trans­port­mechanismen besitzen. Ein Hinweis auf omeprazol- oder ouabain­sen­si­ti­ve Mecha­nis­men wurde nicht gefunden.

 

2. Ausscheidungswege für supplementiertes Kalium bei Milchkühen

Hypokaliämische Kühe werden i. d. R. durch orale Gabe von Kaliumsalzen wie KCl be­han­delt. Falls allerdings, wie Rabinowitz (1988) u. a. vermuten, überschüssiges Kalium über spe­ziel­le Rezeptoren im Gastrointestinaltrakt, unter Umgehung des Blut­kaliumspiegels, eine renale Kaliurese auslösen sollte, wäre dieser Therapieansatz u. U. unwirk­sam. An sechs lak­tie­ren­den Milchkühen wurde daher eine Untersuchung zur K-Bilan­zierung durchgeführt. Dazu wurden die Ausscheidungen der Tiere (Kot, Urin, Milch) über fünf Tage vollständig auf­ge­fan­gen, in kurzen Abständen beprobt und zusammen mit den Futterkomponenten auf ihren K-Gehalt unter­sucht. An zwei Kontrolltagen wurde die basale K-Exkretion über die ver­schie­de­nen Ausscheidungswege er­mit­telt. An drei Behandlungstagen wurden entweder 80 g KCl in 4 l Wasser über Pansen­fisteln direkt in den Pansen appliziert, oder 1,49 g KCl in 100 ml Wasser, bzw. eine äquimolare Menge NaCl zur Volumenkontrolle über Duodenalkanülen appliziert. Die ins Duodenum applizierte K-Menge war so gewählt, dass die er­war­tete Kon­zen­tra­tions­differenz im Duodenum derjenigen im Pansen entsprach.

Nach Gabe von KCl in den Pansen stieg die mit dem Urin ausgeschiedene K-Menge pro 24 h sig­ni­fikant an (im Mittel um ca. 24 %). Dieser Anstieg war bei Applikation von KCl ins Duo­de­num nicht zu beobachten. Ein unmittelbarer signifikanter Anstieg der K-Exkretion mit dem Urin nach der Fütterung (postprandiale Kaliurese) zeigte sich nur nach ruminaler K-Sub­sti­tu­tion. Die ausgeschiedenen Urinmengen verhielten sich im Tagesverlauf in etwa ana­log zur K-Ex­kre­tion. Die Varianz der K-Kon­zen­tra­tion im Urin lässt sich jedoch nur zu etwa 13 % über die Urinmengen erklären. Eine Be­rech­nung des Quotienten [K]/[Krea] im Urin als Ersatz für die fraktionelle Exkretion erwies sich als eher unzuverlässig. Die K-Ausscheidung über die Milch blieb unabhängig von den Behandlungen relativ konstant. Die Kühe zeigten, bei einem K-Gehalt im Futter von ca. 0,8 %, insgesamt eine negative K-Bilanz, die durch die Appli­ka­tion von 80 g KCl in den Pansen abgemildert wurde, aber negativ blieb. Eine mögliche Er­klä­rung hierfür könn­te sich aus der relativ großen Hitzebelastung während der Versuchswoche (Mit­te August) erge­ben. Eine Belastung des K-Haushalts durch die permanente Ausscheidung von Milch, deren K-Gehalt keine Behandlungseffekte zeigte, erscheint zudem plau­si­bel. Gän­gi­ge Em­pfeh­lun­gen für den K-Ge­halt der Ra­tion in der Milch­kuh­füt­te­rung könn­ten zur Ent­ste­hung von K-Man­gel­si­tua­tio­nen bei­tra­gen. Die Auf­tei­lung the­ra­peu­ti­scher K-Do­sen auf meh­re­re klei­ne­re Por­tio­nen könn­te die Re­ten­tion stei­gern. Ei­ne Sti­mu­la­tion der Ka­liu­re­se mit­tels spe­ziel­ler K-Sen­so­ren im Gas­tro­in­tes­ti­nal­trakt er­scheint mög­lich. Die­se könn­ten ent­we­der pro­xi­mal des Duo­de­nums lo­ka­li­siert sein, oder auch ex­tra­in­tes­ti­nal, so­dass sie eher auf die ab­so­lut ver­ab­reich­te K-Men­ge rea­gie­ren, als auf die Kon­zen­tra­tion im Chy­mus.

abstract (englisch)

1. Potassium absorption in the digestive tract of ruminants

Cattle with displaced abomasum (DA) frequently show hypokalemia, although an ample sup­ply of potassium (K) is usually available in the rumen. K can be absorbed from rumen con­tent (Wylie et al. 1985, Khorasani et al. 1997). Conditions commonly accompanying DA, such as rumen acidosis, metabolic alkalosis and hyperinsulinemia could disturb K transport mecha­nisms in rumen epithelium of affected animals. This study aimed to define the impact of these conditions on K transport mechanisms in the rumen epithelium. In addition, K transport mechanisms in the abomasum and colon were examined.

Epithelia of freshly slaughtered animals were incubated in Ussing chambers. Short circuit current (Isc) and tissue conductance (Gt) were recorded continuously. Mucosal buffer solution was sodium free. In order to induce a K dependent Isc, mucosal K concentration ([Kmuc]) was in­creased from 4 mmol/l to 100 mmol/l, in exchange for N-methyl-D-glucamine (NMDG). This consistently led to a significant increase of both Isc and Gt in rumen and colon, but not in the abomasum.

In the presence of 100 mmol/l [Kmuc], Isc dropped significantly after a buffer change reducing mucosal pH from 7.4 to 5.0. This pH-effect was reversible. Gt did not show a distinct reaction. The rise of Isc upon increase of [Kmuc] from 4 mmol/l to 100 mmol/l was less pronounced, when mucosal pH was 5.0 or 5.5, respectively. PH effects were more pronounced, when SCFA were added to the mucosal buffer. Raising serosal pH from 7.4 to 8.0 induced a significant increase in Isc; the effect was reversible. Gt did not react. No pH effects could be observed in a low K buffer ([Kmuc] = 4 mmol/l). Serosal application of insulin in successive final concentrations of 27, 54 and 81 µU/ml, with [Kmuc] = 100 mmol/l, did not induce significant changes of either Isc or Gt.

In goat abomasum, Isc could not be influenced by raising [Kmuc] from 4 mmol/l to 100 mmol/l, while Gt increased. Isc dropped continuously throughout the experiments, indicating a time ef­fect. Serosal application of barium chloride (1.5 mmol/l) reduced both Isc and Gt significantly.

Colon epithelia from sheep and cattle showed an increase in Isc and Gt when raising [Kmuc] from 4 mmol/l to 100 mmol/l, as observed in the rumen. In the course of the experiment, Isc dropped continuously (time effect), while Gt remained relatively constant. Consecutive application of K transport blocker in the following order: mucosal ouabain (final con­cen­tra­tions 10-6, 10-4 and 10-3 mol/l), serosal BaCl2 (1.5 mmol/l) and serosal verapamil (10-4 mol/l) did not have a significant effect on Isc or Gt, nor did the mucosal addition of omeprazole (10-3 mol/l; in DMSO), or pure DMSO. Mucosal application of verapamil (10-4 mol/l) induced a clear decrease in Isc and Gt in sheep, but not in cattle.

These results indicate, that acidic rumen content could impair adjustment of potassium balance in cattle affected by DA, especially in the presence of SCFA. This could play a part in causing hypokalemia. Alkalisation on the serosal side, mocking blood alkalosis, on the other hand, might slightly ease potassium absorption, according to these results. No impact of hyperinsulinemia on ruminal K transport was observed. In the abomasum, barium sensitive K channels might be involved in transepithelial K transport. In the colon, a K dependent Isc could be induced consistently. Colon mucosa might contain verapamil sensitive K transport mechanisms on the luminal side in sheep, but not in cattle. No evidence was found of omeprazole or ouabain sensitive mechanisms.

 

2. Pathways of elimination for orally ingested potassium in dairy cows

Hypokalemic cattle are often treated orally with potassium salts such as KCl. However, as postulated by Rabinowitz (1988), surplus potassium might induce renal kaliuresis by means of specific receptors located in the gastrointestinal tract. This mechanism might circumvent blood potassium levels, causing the therapy to be ineffective.

A study was therefore conducted to measure the K balance of six lactating dairy cows. All ex­cre­tions of the animals (feces, urine and milk) were collected over the course of five con­secu­tive days. Samples were taken in short intervals and analyzed for K, along with sam­ples of diet components. On two control days, basic K excretion via the different path­ways was measured. On three treatment days, either 80 g KCl in 4 l of water were applied directly into the rumen via fistulae, or 1.49 g KCl in 100 ml of water, or an equimolar amount of NaCl (volume control) were applied via duodenal cannulae. The amount of K applied to the duo­denum was chosen to induce an equal concentration difference in rumen and duodenum.

After application of KCl into the rumen, the amount of K excreted with the urine increased significantly (by 24 % on average). This increase was not observed after application into the duodenum. An immediate significant rise of K excretion after feeding (postprandial kaliu­resis) was observed only after ruminal addition of K. The amount of urine excreted approximately paralleled K excretion, but only 13 % of the variance in urine K concentrations depended on urine volume. Calculating the [K]/[Krea] ratio in the urine to estimate fractional excretion proved to be rather unreliable. K excretion with milk remained relatively constant, independent of treatment. With rations containing 0.8 % potassium in total, all six cows showed a negative K balance overall; this was somewhat alleviated when adding K to the rumen, but remained negative. This may have been caused by relatively high temperatures during the experiment period (in mid August), which could have led to increased K turnover rates. As K excreted with milk did not show any variation with treatment, high K losses with milk might plausibly strain K balance. Usual recommendations for K content in dairy cow rations might promote the development of K deficiencies. Dividing therapeutic doses into several smaller portions might help increase K retention. Stimulation of kaliuresis by means of K sensors in the gastrointestinal tract seems plausible. These might be located proximally to the duodenum, or possibly extraintestinally, and seem to respond to the overall amount of K, rather than to K concentration in chyme.

keywords

Kalium, Labmagenverlagerung, Wiederkäuer ; potassium, abomasal displacement, ruminant

kb

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