Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Vergleichende Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Oesophagus-Epithels bei Vertebraten in Bezug zur Ernährungsweise, unter besonderer Berücksichtigung der Haussäugetiere

Schönnagel, Britta

The focus of this dissertation was a comparative approach to the esophageal epithelium of four different vertebrate groups (mammalia, aves, reptilia, pisces), as related to the feeding habits of the species or breeds studied. For this analysis, samples from freshly dead animals were taken at three defined localisations of the esophagus and transferred into three different fixation media, as followed by the application of embedding and cutting techniques that avoid shinkage of the delicate material, thus preserving normal tissue structure. Besides histological staining, different histochemical methods, including immunhistochemistry, were used to better characterize the structure and specific histophysiology of the esophageal epithelium. Additionally, the number of the cell layers as well as the thickness of the vital and the non-vital part of the epithelium was assessed and statistically evaluated. Concerning its structure, the esophageal epithelium of both, the investigated mammals and the plantivorous birds studied, showed the typical construction of a cornified squamous epithelium consisting of four layers; this classification was not possible for the epithelium of carnivorous birds. However, both vertebrate groups showed a distinct increase of cornification intensity and epithelial thickness from the carnivorous to the omnivorous, and, finally, the plantivorous animals. The esophageal epithelium of the reptiles studied was non-cornified and only two different layers could be identified, whereas within the fishes a relatively homogenous, monolayered columnar esophageal epithelium could be found; within these two vertebrate groups, the structure of the epithelium showed no relation to nutrition. Concering replacement / proliferation of the esophageal epithelium as analysed with the help of proteins of the mitosis cycle (PCNA, KI-67), the carnivorous mammals, the epithelia of which showing a weak mechanical protection by cornification, revealed a higher renewal-rate than the plantivorous representatives. In the birds a contrary development became obvious, whereas the reptile and fish species studied produced less distinct results. The distribution of important connexins (Cx 26, 30, 43) as part of gap junctions of the epithelial cells verified an increasing necessity of intercellular communication to control epithelial differentiation proportional to the mechanical strain of the epithelium in mammals and birds. Such a relation could not be confirmed for the esophagus epithelium of reptiles or fishes. Cornification intensity of the esophageal epithelium was demonstrated best by studying the intraepithelial distribution of thiols and disulphides. In this way, good mechanical stability, as based also on a dense intercellular network of keratin filaments, was visible for plantivorous mammals and birds. This aspect could not be found for the reptile and fish species studied. The use of different cytokeratin antibodies (CK6, CK13, Pan-CK) generally corroborated the findings described above regarding cornification development within the esophageal epithelium. The esphagus-specific protein thrombomodulin could not be demonstrated in all the species studied. Possible defense mechanisms were evaluated immunohistochemically, and the results obtained indicated the presence of macrophages and T-cells in most animals. Substances of the unspecific defense (lysozyme, β-defensin-2, β-defensin-3) could also be detected in most of the animals. Langerhans cells as antigen-presenting cells could generally be verified for the esophagus layers of several species. The results obtained, however, showed variations in LC identification for the four vertebrate groups investigated. The measurement of the thickness of the esophageal epithelium and the counting of the number of cell layers did not verify any statistically significant relation of these parameters to the nutrition type of the different animals. In summary, basic similarities and differences concerning the structure and specific function of the esophageal epithelium of vertebrates could be demonstrated, that, at least for the amniota, confirmed relations to the general nutrition type.

Bei dieser Dissertation lag der Schwerpunkt auf der vergleichenden Darstellung des Oesophagus-Epithels von vier verschiedenen Vertebraten-Gruppen (Mammalia,   Aves, Reptilia, Pisces), in Abhängigkeit von der Ernährungsbiologie der untersuchten Arten bzw. Rassen. Für die Arbeit wurden von frischtoten Tieren Proben an drei definierten Stellen des Oesophagus genommen und in drei verschiedene Fixationsmedien überführt; im Anschluß daran kamen Einbettungs- und Schneideverfahren zum Einsatz, die eine Schrumpfung der empfindlichen Gewebe verhinderten und ihre natürliche Struktur weitgehend erhielten. Neben histologischen Übersichtsfärbungen wurden histochemische, einschließlich immunhistochemischer Methoden angewendet, um die Struktur und spezielle Funktion der Oesophagus-Epithelien der vier Vertebraten-Gruppen besser zu charakterisieren. Außerdem wurde die Anzahl der Zelllagen sowie die Dicke des vitalen und des non-vitalen Anteils der Epithelien bestimmt und die Ergebnisse statistisch ausgewertet. Für die Struktur des Oesophagus-Epithels ergab sich sowohl für die untersuchten Säugetiere also auch für die plantivoren Vögel der typische Aufbau eines verhornten Plattenepithels aus vier verschiedenen Schichten; diese Einteilung war bei den carnivoren Vögeln nicht erkennbar. Bei beiden Tiergruppen war allerdings eine deutliche Zunahme sowohl der Verhornungsintensität als auch der Epitheldicke von den Fleischfressern über die Alles- zu den Pflanzenfressern hin festzustellen. Im Vergleich dazu wurde bei den untersuchten Reptilien eine Einteilung des nicht-verhornten Epithels in nur noch zwei Schichten deutlich, während die Gruppe der Fische ein relativ einheitliches, einschichtiges, hochprismatisches Oesophagus-Epithel zeigte; in den beiden letzteren Vertebraten-Gruppen war keine Abhängigkeit der Epithelstruktur von der Ernährungsweise der Tiere ersichtlich. Die Erneuerungsrate des Oesophagus-Epithels, die mittels zweier verschiedener AK gegen Proteine des Mitose-Zyklus (PCNA, KI-67) untersucht wurde, war bei den carnivoren Säugern, deren Epithel weniger mechanischen Schutz durch Verhornung genießt, höher als bei den untersuchten plantivoren Vertretern. Eine genau entgegengesetzte Aussage ließen die Vertreter der Vögel erkennen, während die Ergebnisse dieses Nachweises sowohl bei den Vertretern der Reptilien als auch bei denen der untersuchten Fische aufgrund der noch nicht optimalen AK als fraglich beurteilt werden müssen. Die immunhistochemische Untersuchung zur Verteilung von wichtigen Connexinen (Cx 26, 30, 43) als Bestandteilen von gap junctions der Epithelzellen ließ bei Säugetieren und Vögeln eine Steigerung der Notwendigkeit der interzellulären Kommunikation zur Steuerung der epithelialen Differenzierung proportional zur mechanischen Belastung des Epithels erkennen. Ein solcher, kausaler Zusammenhang zwischen der Ausprägung von epithelialen Kommunikationsstrukturen und der Ernährungsweise konnte weder bei den Reptilien, noch bei den Fischen beobachtet werden. Die Verhornungsintensität des Oesophagus-Epithels ließ sich am besten durch die Betrachtung der Verteilung von Thiol- und Disulphidgruppen aufzeigen, durch die bei den plantivoren Säugetieren und Vögeln die größte mechanische Stabilität des Epithels durch stärkste Vernetzung der zellulären Keratin-Filamente deutlich wurde. Dieser Zusammenhang konnte allerdings bei den untersuchten Reptilien- und Fisch-Spezies nicht beobachtet werden. Die durch den Einsatz verschiedener Zytokeratin-AK (CK6, CK13, Pan-CK) erhaltenen Aussagen bezüglich der Verhornungsintensität bedürfen aufgrund der Problematik relevanter Antikörper noch weiterführender Untersuchungen. Das Oesophagus-spezifische Protein Thrombomodulin konnte mit dem hier eingesetzten AK bei keiner untersuchten Spezies nachgewiesen werden. Das mögliche Auftreten von Makrophagen im Rahmen der Untersuchung von Abwehreinrichtungen des Oesophagus-Epithels war mittels des hier verwendeten AK (MAC387) nicht ausreichend zu klären; im Gegensatz dazu verlief die Darstellung von T-Zellen bei den meisten der untersuchten Tiere positiv. Auch der Nachweis von Substanzen der unspezifischen Abwehr (Lysozym, β-Defensin-2, β-Defensin-3) war bei fast allen untersuchten Tierarten möglich. Das Auftreten von Langerhans-Zellen als AG-präsentierende Zellen konnte für den Oesophagus verschiedener Tiere be-stätigt werden. Da die erhaltenen Ergebnisse etwas voneinander abwichen, ist davon auszugehen, dass diese Zellen wahrscheinlich auch bei den Tieren, die im Rahmen dieser Arbeit keine Reaktionen zeigten, durchaus vorhanden sein könnten, jedoch methodisch nicht zu erfassen waren. Die Messung der Schichtdicken und die Ermittlung der einzelnen Schichtzahlen des Oesophagus-Epithels erbrachten bei allen unteruchten Spezies bzw. Rassen keine statistisch signifikanten Beziehungen zum Ernährungstyp. Zusammenfassend läßt sich sagen, dass mit dieser Arbeit grundlegende Kenntnisse zu den Ähnlichkeiten und Unterschieden in der Struktur und speziellen Funktion des Oesophagus-Epithels von vier verschiedenen Vertebratengruppen erarbeitet wurden, wodurch eine Basis für weitergehende Untersuchungen der ernährungsbedingten Abhängigkeiten dieses Anteils des Gastrointestinaltraktes gelegt wurde.

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Schönnagel, Britta: Vergleichende Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Oesophagus-Epithels bei Vertebraten in Bezug zur Ernährungsweise, unter besonderer Berücksichtigung der Haussäugetiere. Hannover 2005. Tierärztliche Hochschule.

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