Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zu Effekten der Substitution von Pankreasenzymen sowie besonderer Ergänzungen von Vitamin A und E bei wachsenden pankreasgangligierten Schweinen als Modell für die Pankreasinsuffizienz von Kindern

Schwarzmaier, Teresa Elisabeth

Cystic fibrosis is, with an incidence of 0.03% within the European population, one of the most common genetic diseases, and around 87% of the patients are pancreatic insufficient. This disease already occurs in childhood. Nevertheless, until now mostly adult pigs were used in studies about influences of the pancreatic exocrine insufficiency (PEI) and optimization of enzyme therapy. Therefore the aim of this study was, to analyze the influences of PEI on diverse processes of digestion and the digestibility of nutrients, as well as the growth and body composition in growing pigs. Additionally the supply with vitamin A and E under the described terms was of interest, because especially in growing individuals a hypovitaminosis must be avoided. The studies were separated in two consecutive trials (trial1 and trial2) with different focus points (trial1: digestibility; trial2: vitamin supplementation). For this purpose 28 BHZP-pigs were used. In 20 pigs the pancreatic duct was ligated at the age of 8 weeks, which induced a PEI (PL-pigs). The other 8 pigs were used as a control (C). In trial1 8 PL-pigs and 4 C-pigs were used, and 4 PL-pigs were supplemented with pancreatic enzymes (9.9g Kreon®/kg feed) while the other 4 PL-pigs (PL-0) and the C-pigs did not receive any enzymes. The feed contained per kg 986g dry matter (dm), 55g crude ash (ca), 210g crude protein (cp), 103g crude fat (cf) and 407g starch. From trial week 0 to trial week 8 the feed was offered restrictively, and from trial week 9 to 11 ad libitum. In trial2 12 PL-pigs (all with enzyme supplementation) and 4 C-pigs were used.  The effect of a higher enzyme substitution (19.8g Kreon®/kg feed) and the efficiency of vitamin A and E-supplementation with different application forms (additional parenteral vs. oral supplementation) were of special interest. The feed was equal to trial1 and was offered restrictively from trial week 0 to 5 and ad libitum from trial week 6 to 8. The feed contained per kg dm 13,393 IE vitamin A and 122mg vitamin E. This feed was the only vitamin source for the 4 C-pigs and 4 PL-pigs (PL+E). In addition to the vitamin contents in the feed, 4 PL-pigs (PL+E+Vit.par) intramuscularly received 750IE vitamin A per kg bodyweight (bw) per day and ~25.8mg vitamin E per kg bw per day (neck musculature); 4 PL-pigs (PL+E+Vit.oral) orally received per kg feed (dm) additionally to the original contents 90,000IE vitamin A and 600mg vitamin E via a product designed especially for this trial. Concentrations of vitamin A and E were measured every 14 days in serum and at the end of the trial (after 6 weeks of additional vitamin supply) in liver tissue. Results PEI resulted in a reduced ileal and (with the exeption of starch) total tract digestibility of organic matter, cp, cf and starch. Most peculiar was the reduced total tract cf-digestibility (about 60 percentage points). A substitution of pancreatic enzymes resulted in higher digestibilities, but the level of C-pigs was not reached. Doubling the enzyme dosage resulted in an enhancement of cf-digestibility of about 10 percentage points. In the chyme of distal ileum an cecum due to PEI the concentration of starch was increased, pH-value was reduced, the ratio of free fatty acids was changed and concentration of lactate was increased. The growth of PL-pigs was reduced (C: 79.7 kg bw; PL-0: 51.3kg bw at the end of the trial), enzyme substitution resulted in a significantly higher bw (PL+E: 62.9 kg bw at the end of the trial). With higher enzyme substitution significantly higher weight gains were achieved. PL-pigs were not only lighter than C-pigs, but also different regarding body composition: The GIT was longer, heavier and contained more chyme, therefore the GIT (organs + chyme) had a significantly larger share of the body mass compared to C-pigs (21% vs. 8%). In contrast, musculature and fat tissue (measured indirectly on the basis of the mass of the hind leg) had a lower share of the body mass; with the substitution of pancreatic enzymes the GIT’s proportion of the body mass was only 12%. Vitamin A-concentrations in serum did not differ between the animals of the different groups of trial2 during the complete trial. In liver tissue vitamin A-concentrations of PL-pigs without any additional vitamin supplementation were below reference value. The values of the remaining groups varied within the reference value, but large differences appeared within the group PL+E+Vit.par. Vitamin E-concentrations in serum varied within reference value at the beginning of the trial within all groups, but decreased only 2 weeks post OP in all PL-pigs. Only with an additional “special” oral vitamin supplementation the values of PL-pigs reached the reference value again. These results were certified in liver tissue. Conclusion PEI results, especially in prececal areas, in a significantly reduced digestibility, but total tract digestibility was reduced as well (except starch). Numerous chyme parameters (pH-value, free fatty acids, lactate) indicate a forced microbial digestion, especially of starch, and that already at the end of the small intestine. As a consequence of the reduced digestibility, less metabolized energy and digestible cp was available for PL-pigs, and therefore daily weight gain was reduced in these animals when compared to C-pigs. Due to the doubled enzyme substitution a higher digestibility of cf was achieved (10 percentage points). In addition, the reduced digestibility of nutrients resulted in larger amounts of chyme in the different parts of the intestine. Unexpectedly the organ mass and -length of the intestine was also  increased. Therefore higher amounts of the daily weight gain fell upon the GIT. Judging the nutritional state of patients with PEI by the body mass, leads to a misjudging, because the higher proportion of the gut partly compensates for the lower proportion of musculature and fat tissue. Furthermore PEI results in deficiencies of vitamin A and E in growing individuals despite the high vitamin contents in the feed. an additional “special” oral supplementation in high dosage with an effective emulsifier turned out to be a useful alternative to keep vitamin A and E levels in serum and liver tissue within reference value, eliminating the need for injection.

Die Mukoviszidose ist mit einer Inzidenz von 0,03% in der europäischen Bevölkerung eine der häufigsten genetisch bedingten Erkrankungen, wobei etwa 87% der Patienten pankreasinsuffizient sind. Die Erkrankung tritt bereits im Kindesalter auf. Dennoch wurden bisher in Studien zu Auswirkungen einer pankreatischen exokrinen Insuffizienz (PEI) und zur Optimierung der Enzymsubstitution als Therapie bisher fast ausschließlich adulte Versuchstiere eingesetzt. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die Auswirkungen einer PEI auf diverse Prozesse der Verdauung und die Verdaulichkeit der Nährstoffe, sowie das Wachstum und die Körperzusammensetzung bei wachsenden Schweinen zu untersuchen. Des Weiteren interessierte unter den o.g. Bedingungen die Versorgung mit Vitamin A und E, da gerade bei wachsenden Individuen eine Hypovitaminose vermieden werden muss. Die Untersuchungen gliederten sich in zwei aufeinander folgende Versuchsdurchgänge (DG 1 und DG 2) mit unterschiedlichen Schwerpunkten (DG1: Verdaulichkeit; DG 2: Vitaminversorgung). Hierfür standen insgesamt 28 BHZP-Schweine zur Verfügung. Bei 20 Tieren wurde der Pankreasgang in der 8. Lebenswoche ligiert und so eine PEI induziert (PL-Tiere). Die übrigen 8 Tiere dienten als Kontrolltiere (K-Tiere). Im 1. DG kamen 8 PL-Tiere und 4 K-Tiere zum Einsatz, wobei 4 PL-Tiere Pankreasenzyme in einer Dosierung von 9,9g Kreon®/kg Futter (uS) erhielten (PL+E), während bei den übrigen 4 PL-Tieren (PL-0) und den 4 K-Tieren keine Enzyme eingesetzt wurden. Das Versuchsfutter enthielt je kg 896g Trocken-Substanz (TS), 55g Rohasche (Ra), 210g Rohprotein (Rp), 103g Rohfett (Rfe) und 407g Stärke; das Mischfutter wurde in den Versuchswochen (VW) 0-8 restriktiv angeboten, in den VW 9-11 dagegen ad libitum. Im 2. DG wurden 12 PL-Tiere (alle mit Enzymergänzung) und 4 K-Tiere eingesetzt. Dabei wurden die Effekte einer höheren Enzymdosierung (19,8g Kreon®/kg Futter), insbesondere aber die Effizienz einer Vitamin A- und E-Ergänzung nach unterschiedlicher Applikation (zusätzliche parenterale bzw. orale Supplementierung) überprüft. Das Futter entsprach dem des 1. DG und wurde in den VW 0-5 restriktiv und in den VW 6-8 ad libitum angeboten. Das Futter enthielt je kg TS 13.393 IE Vitamin A und 122mg Vitamin E. Dieses Mischfutter war für die 4 K-Tiere und 4 PL-Tiere (PL+E) die einzige Vitaminquelle. Zusätzlich zu den originären Gehalten im Futter erhielten 4 PL-Tiere (PL+E+Vit.par) intramuskulär im Bereich des Ohrgrunds 750IE Vit. A/kg KM/Tag und ~25,8mg Vit. E/kg KM/Tag; 4 PL-Tiere (PL+E+Vit.oral) erhielten oral je kg Futter (TS) zusätzlich zu den originären Gehalten noch 90.000IE Vit. A und 600mg Vit. E über ein eigens hergestelltes Produkt mit hocheffektivem Emulgator. Die Konzentrationen an Vit. A und E wurden im Serum 14-tägig und am Versuchsende (nach 6-wöchiger unterschiedlicher Vitaminversorgung) im Lebergewebe bestimmt. Ergebnisse Die oS-, Rp-, Rfe- und Stärke-Verdaulichkeiten waren infolge der PEI ileal und mit Ausnahme von Stärke auch über den gesamten Gastrointestinaltrakt (GIT) reduziert. Am auffälligsten war dabei die Reduktion der Rfe-Verdaulichkeiten über den gesamten GIT um ca. 60 Prozentpunkte. Eine Substitution der Pankreasenzyme führte zu höheren Verdaulichkeiten, das Niveau der K-Tiere wurde jedoch nicht ganz erreicht. Mit der Verdoppelung der Enzymdosierung war eine weitere Steigerung der Rfe-Verdaulichkeit um ~10 Prozentpunkte verbunden. Im Inhalt des distalen Ileums und Caecums führte die PEI zu höheren Stärkekonzentrationen, einem niedrigeren pH-Wert, einem veränderten Fermentationsmuster (C2↓, C4↑) sowie tendenziell höheren Laktatkonzentrationen im Chymus. Die PL-Tiere zeigten ein signifikant geringeres Wachstum (K-Tiere: 79,7kg KM; PL-0-Tiere: 51,3kg KM am Versuchsende), wobei durch Enzymsubstitution eine größere KM erreicht werden konnte (PL+E: 62,9 kg KM am Versuchsende). Bei höherer Enzymdosierung wurden signifikant größere Zunahmen (ca. 7%) erreicht. Die PL-Tiere waren dabei nicht nur leichter als die K-Tiere, sondern unterschieden sich auch in der Körperzusammensetzung: So war der Darm länger, schwerer und enthielt mehr Chymus, daher hatte der GIT (Organmasse + Chymus) bei den PL-0-Tieren verglichen mit K-Tieren einen signifikant größeren Anteil an der KM (21% vs. 8%). Muskulatur und Fettgewebe (indirekt bestimmt anhand der Masse des Hinterbeins) nahmen dagegen einen geringeren Anteil an der KM ein; bei Substitution mit Enzymen betrug der Anteil des GIT an der KM nur noch 12%. Die Vit. A-Konzentrationen im Serum unterschieden sich über den gesamten Versuchsverlauf nicht zwischen den Tieren der einzelnen Gruppen des 2. DG. Im Lebergewebe waren die Vit. A-Konzentrationen bei den Tieren ohne zusätzliche Vitaminsupplementierung unterhalb des Referenzbereichs. Die Werte der Tiere in den übrigen Gruppen variierten im Referenzbereich, bei den Tieren der Gruppe PL+E+Vit.par. fielen jedoch große individuelle Unterschiede auf. Die Vit. E-Konzentrationen im Serum bewegten sich zu Versuchsbeginn bei allen Tieren im Referenzbereich, gingen bei allen PL-Tiere jedoch schon zwei Wochen post OP zurück. Nur durch eine zusätzliche „besondere“ orale Vitaminsupplementierung erreichten die Werte der PL-Tiere wieder den Referenzbereich. Im Lebergewebe wurden diese Befunde bestätigt. Schlussfolgerung Die PEI führte insbesondere im praecaecalen Bereich zu signifikant niedrigeren Nährstoffverdaulichkeiten, auch über den gesamten Verdauungstrakt waren die Verdaulichkeiten reduziert (Ausnahme: Stärke). Zahlreiche Chymusparameter (pH-Wert, FFS, Laktat) sprechen für eine forcierte mikrobielle Verdauung, insbesondere von Stärke, und zwar schon am Ende des Dünndarms. Als Folge der reduzierten Verdaulichkeit diverser Nährstoffe stand den PL-Tieren weniger umsetzbare Energie und verdauliches Rohprotein zur Verfügung, sodass die täglichen Zunahmen der PL-Tiere im Vergleich zur Kontrolle geringer waren. Bei der um den Faktor 2 höheren Enzymdosierung konnte eine höhere Rfe-Verdaulichkeit (um ~ 10 Prozentpunkte) erreicht werden. Außerdem kam es bei massiv reduzierter Nährstoffverdaulichkeit zu größeren Chymusmassen in den einzelnen Abschnitten des GIT. Unerwarteter Weise waren zusätzlich auch die Organmassen und –längen des GIT bei PL-Tieren ohne Enzymsubstitution größer als bei K-Tieren. Nach Enzymsubstitution kam es (mit Ausnahme des Dünndarms) zu einer Normalisierung der Organmassen und -längen. Als Folge der größeren Chymus- und Organmassen entfallen bei den Körpermassezunahmen höhere Anteile auf den Magen-Darm-Trakt. Beurteilt man den Ernährungszustand von Patienten mit einer PEI ausschließlich anhand der KM, kommt es zu einer Fehleinschätzung, da der größere Anteil des GIT den geringeren Anteil von Muskulatur und Fettgewebe an der KM teilweise kompensiert. Des Weiteren kommt es bei wachsenden Individuen trotz Enzymsubstitution und hohen originären Gehalten im Futter infolge der PEI zu einem Mangel an Vitamin A und E, eine zusätzliche besondere orale Supplementierung in hoher Dosierung in Kombination mit einem effektiven Emulgator erwies sich jedoch als geeignete Alternative, um die Serum- und Leberkonzentrationen im Referenzbereich zu halten, sodass auf eine Injektion verzichtet werden kann.

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Schwarzmaier, Teresa Elisabeth: Untersuchungen zu Effekten der Substitution von Pankreasenzymen sowie besonderer Ergänzungen von Vitamin A und E bei wachsenden pankreasgangligierten Schweinen als Modell für die Pankreasinsuffizienz von Kindern. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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