Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)TiHo eLib

Comparative study on the influence of 25-hydroxycholecalciferol and cholecalciferol on vitamin D status, mineral homeostasis, bone metabolism and locomotion of sows and their offspring fed protein- and phosphorus-reduced diets

Optimal vitamin D status, as determined by measuring serum levels of 25-hydroxycholecalciferol (25-OHD3), is critical for maintaining mineral homeostasis and bone mineralisation. In addition, human studies suggest that elevated vitamin D status may reduce the risk of decreased muscle performance and the incidence and severity of various diseases. After several studies demonstrated the non-classical effects of vitamin D, the reference values for vitamin D status in humans were adjusted.
Based on published studies, the first part of this thesis gave an overview of the findings on the uptake and synthesis as well as the metabolism and biological effects of vitamin D and its metabolites and summarised potential effects of substitution of vitamin D3 by 25-OHD3 in pig diets (publication I). Accurate reference values for the assessment of vitamin D status in pigs at different ages and reproductive stages could not be derived. Since outdoor housing systems allows endogenous synthesis, pigs kept outside have higher serum concentrations of 25-OHD3 than pigs kept indoors. However, the optimal vitamin D status of modern high-performance pigs can be questioned. This question should be investigated in future studies.
It has been clearly demonstrated in several studies that dietary supplementation of 25-OHD3 has the potential to increase serum concentrations of 25-OHD3 more than with conventional vitamin D3. This is due to advantages in absorption and metabolism. However, the effects of using of 25-OHD3 instead of vitamin D3 as a supplement are inconsistent. In healthy animals and as long as dietary requirements are met, replacing the vitamin D form in the diet appears to have no or only marginal consequences. Due to the higher efficiency in absorption of 25-OHD3, its supplementation may potentially gain importance when animals are stressed by gastrointestinal diseases, suboptimal environmental conditions, high infection pressure, or limited nutrient supply.
To reduce emissions, protein- and phosphorus-reduced feeding concepts are
Summary
increasingly used in pig farming. Both protein and phosphorus reduction can influence vitamin D metabolism. For instance, restricting the nitrogen content in the ration of growing goats resulted in impaired intestinal Ca absorption and negative effects on bone mineralisation. Furthermore, phosphorus restriction in sheep diets reduced ribonucleic acid (RNA) expression of fibroblast growth factor 23 (FGF23), a potential regulator of vitamin D metabolism.
Therefore, the aim of this thesis was to investigate the effects of supplementation of 25-OHD3 and vitamin D3 on vitamin D status, mineral homeostasis, bone metabolism and locomotion of sows (publication II) and their offspring (publication III) fed protein- and phosphorus-reduced diets.
Due to the function of vitamin D in the mineral homeostasis and bone mineralisation, vitamin D could potentially become more important when calcium and phosphate are restricted. A few research results already indicate that in the case of a reduced mineral intake or a suboptimal vitamin D status, physiological processes could be more strongly influenced by dietary supplementation with 25-OHD3. It was hypothesised that dietary supplementation of 25-OHD3 compared to vitamin D3 has a beneficial effect on vitamin D status, mineral homeostasis and bone metabolism of sows and their offspring and leads to a reduction in leg swelling (carpal/tarsal joints) and gait changes (uneven steps, abnormal stride length).
For this purpose, either vitamin D3 or 25-OHD3 was supplemented to the gestation and lactation diets of sows and/or to the creep, rearing and fattening diets of offspring. Blood samples were collected at regular intervals during the trial and the plasma concentrations of 25-OHD3, calcium and phosphate as well as CrossLaps and osteocalcin were determined. After slaughter of the offspring, bones were collected and chemical bone composition, bone density and bone mineral density were analysed. Locomotion parameters were also bonitted at regular intervals in the sows and their offspring.
This is the first study to investigate dietary supplementation with vitamin D3 and the metabolite 25-OHD3 in sows and their offspring at all stages of pig reproduction and development under protein- and phosphorus-reduced feeding conditions. It can be summarised that dietary supplementation with 25-OHD3 increased the plasma concentrations of 25-OHD3 in sows, piglets and fattening pigs. The locomotion problems in sows and offspring, which increased with age in all groups, were reduced
Summary
in groups fed with 25-OHD3. The analyses performed showed no clear effects of the vitamin D form on mineral homeostasis and bone metabolism in protein- and phosphorus-reduced fed sows, piglets and fattening pigs. It remained open which mechanisms led to a reduction in locomotion problems. In terms of animal health and welfare, the present results should be verified in future studies and possible influences on muscle strength and regeneration and on the immune system should be investigated.

Ein optimaler Vitamin-D-Status, der durch die Messung des Serumspiegels von 25-Hydroxycholecalciferol (25-OHD3) bestimmt wird, ist entscheidend für die Aufrecht-erhaltung der Mineralstoffhomöostase und der Knochenmineralisierung. Darüber hinaus deuten Studien am Menschen darauf hin, dass ein erhöhter Vitamin-D-Status das Risiko einer verminderten Muskelleistung sowie das Auftreten und die Schwere verschiedener Krankheiten verringern kann. Nachdem mehrere Studien die nicht-klassischen Wirkungen von Vitamin D nachgewiesen hatten, wurden die Referenz-werte für den Vitamin-D-Status beim Menschen angepasst.
Auf der Grundlage von veröffentlichten Studien wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein Überblick über die Erkenntnisse der Aufnahme und Synthese sowie den Stoffwechsel und die biologischen Wirkungen von Vitamin D und seinen Metaboliten gegeben und mögliche Auswirkungen eines Austausches von Vitamin D3 durch 25-OHD3 in der Schweinefütterung zusammengefasst (Publikation I). Genaue Referenzwerte für die Bewertung des Vitamin-D-Status bei Schweinen in verschiedenen Alters- und Fortpflanzungsstadien konnten nicht abgeleitet werden. Da Schweine in Freiland-haltung, die eine körpereigene Synthese ermöglicht, offenbar höhere Serumkonzentra-tionen von 25-OHD3 aufweisen als Schweine in Stallhaltung, stellt sich die Frage nach dem optimalen Vitamin-D-Status moderner Hochleistungsschweine. Diese Frage sollte in künftigen Studien untersucht werden.
In mehreren Studien wurde eindeutig nachgewiesen, dass eine Nahrungsergänzung mit 25-OHD3 das Potenzial hat, die Serumkonzentration von 25-OHD3 stärker zu erhöhen als mit herkömmlichem Vitamin D3. Dies ist auf Vorteile bei der Absorption und dem Stoffwechsel zurückzuführen. Allerdings sind die Auswirkungen der Verwen-dung von 25-OHD3 anstelle von Vitamin D3 als Nahrungsergänzungsmittel sehr uneinheitlich. Bei gesunden Tieren und solange der Nahrungsbedarf gedeckt ist,
scheint der Ersatz der Vitamin-D-Form in der Nahrung keine oder nur geringe Auswirkungen zu haben. Aufgrund der höheren Absorptionseffizienz von 25-OHD3, kann deren Supplementierung möglicherweise an Bedeutung gewinnen, wenn die Tiere durch Magen-Darm-Erkrankungen, suboptimale Umweltbedingungen, hohen Infektionsdruck oder einer begrenzten Nährstoffversorgung belastet sind.
Um die Emissionen zu reduzieren, werden in der Schweinehaltung zunehmend protein- und phosphorreduzierte Fütterungskonzepte eingesetzt. Sowohl die Protein- als auch die Phosphorreduktion können den Vitamin-D-Stoffwechsel beeinflussen. So führte die Einschränkung des Stickstoffgehalts in der Ration wachsender Ziegen zu einer Beeinträchtigung der intestinalen Ca-Aufnahme und zu negativen Auswirkungen auf die Knochenmineralisierung. Außerdem verringerte die Phosphorbeschränkung in der Fütterung von Schafen die Ribonukleinsäure (RNA)-Expression des Fibroblasten-Wachstumsfaktors 23 (FGF23), welcher ein potenzieller Regulator des Vitamin-D-Stoffwechsels darstellt.
Daher war es das Ziel dieser Dissertation, die Auswirkungen einer Supplementierung von 25-OHD3 und Vitamin D3 auf den Vitamin-D-Status, die Mineralstoffhomöostase, den Knochenstoffwechsel und die Fortbewegung von Sauen (Publikation II) und deren Nachkommen (Publikation III) bei einer protein- und phosphorreduzierten Fütterung zu untersuchen.
Aufgrund der Funktion von Vitamin D bei der Mineralstoffhomöostase und der Knochenmineralisierung könnte Vitamin D bei einer eingeschränkten Calcium- und Phosphatversorgung möglicherweise an Bedeutung gewinnen. Einige Forschungs-ergebnisse deuten bereits darauf hin, dass im Falle einer reduzierten Mineralstoff-zufuhr oder eines suboptimalen Vitamin-D-Status physiologische Prozesse durch eine Nahrungsergänzung mit 25-OHD3 stärker beeinflusst werden könnten. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Nahrungsergänzung mit 25-OHD3 im Vergleich zu Vitamin D3 einen positiven Effekt auf den Vitamin-D-Status, die Mineralstoffhomöos-tase und den Knochenstoffwechsel von Sauen und ihren Nachkommen hat und zu einer Verringerung von Beinschwellungen (Karpal-/Tarsalgelenke) und Gangverände-rungen (ungleichmäßige Schritte, abnorme Schrittlänge) führt.
Zu diesem Zweck wurde entweder Vitamin D3 oder 25-OHD3 dem Trächtigkeits- und Laktationsfutter der Sauen und/oder dem Bei-, Aufzucht- und Mastfutter der Nach-kommen zugesetzt. Während des Versuchs wurden in regelmäßigen Abständen Blut-
proben entnommen und die Plasmakonzentrationen von 25-OHD3, Calcium und Phosphat sowie von CrossLaps und Osteocalcin bestimmt. Nach der Schlachtung der Nachkommen wurden Knochen entnommen und die mineralische Knochen-zusammensetzung, die Knochendichte und die Knochenmineraldichte analysiert. Außerdem wurden in regelmäßigen Abständen Bewegungsparameter bei den Sauen und ihren Nachkommen bonitiert.
Dies ist die erste Studie, in der eine Nahrungsergänzung mit Vitamin D3 und dem Metaboliten 25-OHD3 bei Sauen und ihren Nachkommen in allen Phasen der Repro-duktion und Entwicklung von Schweinen unter protein- und phosphorreduzierten Fütterungsbedingungen untersucht wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Nahrungsergänzung mit 25-OHD3 die Plasmakonzentrationen von 25-OHD3 bei Sauen, Aufzuchtferkeln und Mastschweinen erhöhte. Bewegungsprobleme bei Sauen und Nachkommen, die mit dem Alter in allen Gruppen zunahmen, traten in den mit 25-OHD3 gefütterten Gruppen weniger auf. Die durchgeführten Analysen zeigten keine eindeutigen Auswirkungen der Vitamin-D-Form auf die Mineralstoffhomöostase und den Knochenstoffwechsel bei protein- und phosphorreduziert gefütterten Sauen, Ferkeln und Mastschweinen. Offen blieb, welche Mechanismen zu einer Verringerung von Bewegungsproblemen führen. Im Sinne der Tiergesundheit und des Tierschutzes sollten die vorliegenden Ergebnisse in zukünftigen Studien verifiziert und mögliche Einflüsse auf die Muskelkraft und -regeneration sowie auf das Immunsystem untersucht werden.

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