Effects of dietary nitrogen and / or calcium on renal calcium and phosphate transport and modulation of calcitriol- and IGF1-synthesis in young goats

Im Rahmen intensiver Nutztierhaltung tragen Wiederkäuer große Mengen Stickstoff (N) in Form von Ammoniak in die Umwelt ein. Eine diätetische Protein- und damit N-Versorgung nah am Bedarf der Tiere, ist ein Ansatz, der ökonomische sowie ökologische Ziele verfolgt. Der Wiederkäuer kann aufgrund der Wiederverwertung durch den ruminohepatischen Kreislauf Harnstoff effektiv als endogene N-Quelle nutzen. Ruminale Mikroorganismen synthetisieren mikrobielles Protein, welches die Hauptproteinquelle für Wiederkäuer darstellt, und können dafür Nicht-Protein-N (NPN)-Quellen wie Harnstoff nutzen. Im Fall einer verminderten N-Aufnahme über das Futter wird weniger Harnstoff renal ausgeschieden und gelangt stattdessen über die Speicheldrüsen in die Blutbahn und durch das Pansenepithel zurück in den Pansen. In vorangegangenen Studien führte eine verminderte N-Aufnahme zu einer reduzierten intestinalen Ca-Absorption und infolgedessen zu erniedrigten Blutkonzentrationen von Ca. Ursächlich für eine verminderte intestinale Ca-Aufnahme sind verringerte Expressionen der Ca-transportierenden Proteine infolge reduzierter Konzentrationen von 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 (Calcitriol), da die intestinalen Ca‑transportierenden Proteine in ihrer Expression durch Calcitriol moduliert werden. Der Grund für eine Reduzierung der Calcitriol-Spiegel könnte eine Minderung der Konzentrationen des Insulinähnlichen Wachstumsfaktors 1 (IGF1) sein, da IGF1 eine stimulierende Wirkung auf die renale Calcitriolsynthese hat. IGF1 wird vornehmlich in der Leber synthetisiert infolge pulsatiler Stimulation durch das Wachstumshormon (GH), welches aus dem Hypophysenvorderlappen ausgeschüttet wird. Das GH bindet an zwei GH‑Rezeptoren (GHR) und initiiert auf diese Weise eine intrazelluläre Signalkaskade, die Januskinase-Signal-transducers-and-Activators-of-Transkription (JAK‑STAT)-Kaskade, welche die IGF1-Synthese einleitet. Der JAK-STAT-Signalweg wird über einen negativen Feedback‑Mechanismus durch Supressor-of-cytokine-signalling (SOCS)-Proteine gehemmt. Es wird vermutet, dass IGF1 die Verbindung zwischen einer N-reduzierten Fütterung und erniedrigten Calcitriolspiegeln darstellt. Im ersten Teil des PhD-Projektes wurde der Effekt einer N- und / oder Ca-reduzierten Fütterung auf renale Ca- und Phosphat (Pi)-transportierende Proteine untersucht. Es wurde gezeigt, dass es durch eine N-reduzierte Fütterung zu einer Modulation der Expression renaler Ca-transportierender Proteine kommt, welche zu erniedrigten Ca-Spiegeln beitragen. Im Gegensatz dazu, führt eine Ca-reduzierte Fütterung nicht zu einer Modulation der untersuchten Proteine. Es kommt durch eine diätetische Ca-Reduktion zu einer kompensatorischen Erhöhung der Calcitriolsynthese. Die Proteinexpression des renalen Ca‑Transporters Transient-receptor-potential-cation-channel-subfamily-V-member-5 war infolge der N-reduzierten Fütterung erniedrigt, wohingegen es zu keiner Modulation der Expression durch die Ca-reduzierte Diät kam. Die mRNA- und Proteinexpressionen des Calcium-binding-proteins-D28K (CaBPD28K) und des Natrium-Ca-Austauschers (NCX1) waren bei den Tieren erniedrigt, die eine Fütterung mit erniedrigten N-Gehalten erhalten haben. Im Gegensatz dazu, kam es während einer Ca-reduzierten Fütterung zu einer Zunahme der mRNA‑Expression des CaBPD28K und des NCX1. Die mRNA- und Proteinexpression des Parathyroidhormonrezeptors war infolge der N-reduzierten Diät verringert. Die Expression des renalen Na-abhängigen Pi-Transporters IIa war durch das N-reduzierte Futter erhöht und ging mit konstanten Pi Konzentrationen einher. Eine kombinierte N- und Ca‑reduzierte Diät führte sogar zu einer Erhöhung der Pi-Gehalte im Plasma. Im zweiten Teil dieses Projektes wurde der Einfluss einer proteinarmen Fütterung auf den Vitamin-D- und Cholesterinstoffwechsel sowie die somatotrope Achse in Hinblick auf eine mögliche Modulation durch eine proteinreduzierte Fütterung untersucht. Es wurde zunächst gezeigt, dass hepatische Enzyme des Vitamin‑D- und Cholesterinstoffwechsels durch eine proteinreduzierte Fütterung in ihrer Expression moduliert werden. Da IGF1 eine stimulierende Wirkung auf die Calcitriolsynthese hat, wurde angenommen, dass der Einfluss einer proteinreduzierten Fütterung auf die GH-IGF1-Achse ursächlich für verringerte Ca‑Spiegel ist. Neben einer Messung der GH-Konzentrationen über einen Zeitraum von 24 Stunden wurden Komponenten, die an der Signalvermittlung der somatotropen Achse beteiligt sind, untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es durch eine proteinreduzierte Fütterung nicht zu einer Veränderung der GH-Ausschüttung über 24 Stunden kommt, allerdings zu einer Minderung der Expression des hepatischen GHR. Zudem waren die Konzentrationen von Ca, Calcitriol und Insulin erniedrigt. Die mRNA-Expression von JAK2 und STAT5B, sowie die Proteinexpression von JAK2 und STAT1 wurden nicht beeinflusst infolge dieser Diät. Die Proteinexpression von STAT3 und STAT5B war durch die proteinreduzierte Fütterung tendenziell erhöht. Die Expression von SOCS1 wurde durch die proteinreduzierte Fütterung nicht beeinflusst, während die Expression von SOCS2 und SOCS3 erhöht war. Die Ergebnisse dieses Projektes lassen den Schluss zu, dass es durch eine proteinreduzierte Fütterung wachsender Ziegen, vermittelt durch eine Modulation der Expression des hepatischen GHR, zu einer Entkopplung der somatotropen Achse kommt. Ursächlich für eine erniedrigte Expression des GHR können erniedrigte Insulinkonzentrationen sein, welche infolge der proteinreduzierten Fütterung auftraten, da Insulin eine Rolle in der Expression des GHR spielt. Die Insulinsekretion ist unter anderem abhängig von Ca, so dass vermutet wird, dass die verringerten Konzentrationen von Ca ursächlich für erniedrigte Insulinwerte sind. Die Ergebnisse dieser PhD-Arbeit stellen die Grenzen der Anpassungsfähigkeit wachsender Ziegen an erniedrigte Proteingehalte dar. In weiterführenden Untersuchungen sollte eine mögliche Beeinflussung regulatorischer Mechanismen der GH‑Sekretion durch eine proteinreduzierte Fütterung untersucht werden, da reduzierte IGF1‑Konzentrationen über einen Feedback-Mechanismus einen Einfluss auf die GH-Ausschüttung haben könnten. Es gilt festzustellen, ob es zu einer Erniedrigung des gesamten IGF1 kommt oder ob die Gehalte an freiem IGF1 möglicherweise unbeeinflusst bleiben. Zudem sollte der Einfluss erniedrigter Insulinwerte und eine Modulation der Calcitriolsynthese durch andere Regulationswege einbezogen werden.