Gotthold Gäbel. Institute for Veterinary Physiology

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1 Challenging the rumen epithelium during SARA periods Gotthold Gäbel Institute for Veterinary Physiology

2 Lumen Epithelium Short chain fatty acids (SCFA) and protons Butyrate Conjugated linoleic acids Biogenic amines

3 DM-Intake (40 l FCM /d) 170 MJ / d ~24 kg DM 40 l/ d

4 SCFA-Production in the Reticulorumen (40 l FCM /d) ~7kg SCFA/Tag = 90 mol/tag Carbohydrates 170 MJ / d ~24 kg DM SCFA: Acetic, Propionic, Butyric Acid Allen 1997; Martin et al. 2001; Sutton et al. 2003; Loncke et al. 2009; Penner et al l/ d

5 Release of Protons by SCFA- Production H + 90 mol/d ph SCFA - pk: 4,8 90 mol/d ph: 6-7 HSCFA 90 mol/d

6 Relative gene expression in ovine tissues: specific rumen genes = NHE3 = MCT1 = DRA Xiang et al. 2016

7 Apical Uptake of SCFA Lumen Blood H + Rumen Epithelium SCFA - SCFA - H + HSCFA DRA: Down Regulated in Adenoma NHE: Sodium Proton Exchange DRA HCO 3 - HSCFA H + NHE Na + Gäbel &. Aschenbach 2006, Aschenbach et al. 2009; Dengler et al. 2014

8 Epithel Electrophysiology ph Incubation ph 7.4 G t = I / PD t mucosal serosal Conductance ~Integrity of epithelium +/- SCFA PD t I sc

9 Conductance of Rumen Epithelium during Mucosal Acidification O 2 O 2 + SCFA CO 2 ph 4.5 H + G t [ms cm -2 ] H + SCFA - DRA HCO 3 - SCFA - H + 10 HSCFA HSCFA Time [min] (MW ± SEM, N = n = 12) Rackwitz et al. unbublished

10 SCFA-Absorption and HCO 3 - -Secretion SCFA ** HCO 3 - Sekretion Resorption Saliva CO 2 80 SCFA Hay 81% Concentrate mmol. h mmol. h SCFA 70 SCFA 0 SCFA 0 SCFA 35 Lac -40 Gäbel et al. 1991

11 Specific role of butyrate Intraruminal SARA/easily fermentable CHO Acetic/Propionic acid ; Butyric acid Epithelium Butyrate metabolism Influence on DNA camp diminution

12 Intraepithelial Butyrate Metabolism Lumen Rumen Epithelium Blood HBu Bu - Metabolism Acetoacetate D-3-Hydroxybutyrate (Lactate) H + MCT1 Müller et al. 2002; Kristensen and Harmon 2004; Dengler et al. 2014, 2015 MonoCarboxylate Transporter1

13 Butyrate as signalling molecule Lumen Rumen Epithelium Blood HBu Bu -

14 Changes of mrna and protein expression after 6 h butyrate incubation (50 mm) HBu Bu - Metabolism Acetoacetate D-3-Hydroxybutyrate (Lactate) H + MCT1 MonoCarboxylate Transporter1 Dengler et al. 2014

15 Concentrate feeding and gene expression in rumen epithelium Calves (200 kg) 91.5 % Hay versus 41% Barley (21 d) : No effect on MCT1 (Schurmann et al. 2014) Cows: 8% versus 64% concentrate (28 d) No effect on genes related to SCFA absorption (SCFA metabolism?) (Penner et al. 2009) Goats: Butyrate infusion: Upregulation of MCT 4 but not MCT1 (Malhi et al. 2013) Goats: 10% versus 35% concentrate feeding (22d): Upregulation of DRA, MCT 1 and 4, NHE (Yan et al. 2014)

16 SCFA Receptors: Localisation GPR109A Bu Rumen Epithelium SCFA-Receptor FFAR2

17 Butyrate and camp release: rumen epithelium Rumen Epithelium Bu - camp SCFA-Receptor + Forskolin camp Sodium Proton exchange (NHE) (Gäbel et al. 1991)

18 Lumen Epithelium: Conjugated linoleic acids Ovine rumen epithelial cells kept in culture Relative mrna expression 48 h incubation cis-9, trans-11 CLA (c9t11) trans-10, cis-12 CLA (t10c12) MCT: MonoCarboxylate Transporter SCD: Stearoyl-CoA Desaturase Masur et al. 2016

19 Lumen Epithelium: Biogenic amines Isolated ovine rumen epithelia Histamine degradation during permeation Luminal ph 7.4: > 95 % Luminal ph 5.1 < 75% ph 7.4 ph 5.1 Aschenbach et al. 2000

20 Role of ruminal epithelium during SARA (H)SCFA absorption and bicarbonate secretion enhances buffering capacity of ruminal fluid ph as indicator of intraruminal alterations? Protons need vehicle (SCFA) to cause epithelial damage ph as indicator of epithelial damages induced by SARA? SARA as SCFA dysbalance? Butyric Acid... represents energetic fuel for epithelium alters gene expression (histone deacetylation) functions as messenger molecule (FA-receptors, camp) Critical luminal concentration during SARA? Conjugated Linoleic Acids alter gene expression Interaction with butyric acid? Biogenic Amines are degraded in the rumen epithelium Detoxifying capacity during SARA?

21 Invitation

22 Sauer ist nicht immer lustig: Kann sich der Vormagen gegen die Säurebelastung verteidigen? VMF Leipzig Gotthold Gäbel, Reiko Rackwitz Veterinär- Physiologisches Institut FB Vet. Med. Berlin Jörg Aschenbach Gotthold Gäbel Gotthold Gäbel

23 Kohlenhydratverdauung Stärke/Cellulose Mikroorg. SCFA SCFA = short chain fatty acids: Essigsäure >> > Propionsäure > Buttersäure

24 SCFA-Produktion im Vormagen Angaben uneinheitlich abhängig von Methode abhängig von Fütterung Größenordnung 4,4-7,9 mol SCFA / kg TM = 5,3 9,5 MJ ME / kg TM Rind trockenstehend ~30 mol SCFA/Tag Rind laktierend (40 kg FCM) > 90 mol SCFA/Tag Allen 1997; Martin et al. 2001; Sutton et al. 2003; Loncke et al. 2009;Penner et al. 2009

25 Rumen Epithelium Bu SCFA-Receptor

26 perrmeationsvermittler und among scfa butyrat besonere rolle

27 Warum Kritisch scfa als protonen carrier; Bild permeation bilder ssingkammer und gt Verläfe aus Unterscuhungen reiko; dann wieter mit folie 16

28 Protonenfreisetzung durch SCFA 90 mol/tag SCFA - HSCFA % pk: 4,8 Pansen 75 H + pk: 4,8 ph: ph SCFA - % HSCFA 90 mol/tag

29 Protonenelimination: Hydrogenphosphat im Speichel 90 mol/tag HPO 2- H + 4 H 2 PO 4 - SCFA - HSCFA 90 mol/tag

30 Hydrogenphosphat im Speichel: Berechnungsgrundlagen Phosphatkonzentration Speichel mmol/l Speicheleinstrom 250 l/tag Phosphateinstrom in Pansen 6 mol/tag pk HPO 4 2- / H 2 PO 4-7,21 ph Speichel 8.2 H 2 PO 4 - % Pansen ph Speichel pk: 7, HPO 4 2- % Bailey u. Balch 1961, Erdmann 1988, Aschenbach et al 2011

31 Hydrogenphosphat im Speichel: Quantitativ 6 mol/tag HPO mol/tag H + SCFA - H 2 PO 4-5 mol/tag 85 mol/tag HSCFA 90 mol/tag

32 Protonenelimination: Hydrogencarbonat im Speichel 30 mol/tag HCO 3-85 mol/tag H + 5 mol/tag H 2 PO 4 - SCFA - CO 2 30 mol/tag H 2 CO 3 H 2 O 55 mol/tag HSCFA 90 mol/tag Bailey u. Balch 1961, Erdmann 1988, Aschenbach et al 2011

33 Apikale Aufnahme von SCFA Lumen Blut Epithel H + SCFA - DRA/ MCT Gäbel u. Aschenbach 2006 HCO 3 - HSCFA

34 SCFA-Resorption und HCO 3 - -Sekretion SCFA ** HCO 3 - Sekretion Resorption Saliva CO 2 80 SCFA Hay 81% Concentrate mmol. h mmol. h SCFA 70 SCFA 0 SCFA 0 SCFA 35 Lac -40 Gäbel et al. 1991

35 Resorption: Einzelschritte SCFA Lumen Aufnahme Epithel Blut Ausschleusung Metabolismus Metaboliten Hülsenberger Gespräche 2010

36 Apikale Aufnahme von SCFA Lumen Blut Epithel SCFA - H + SCFA - DRA/ PAT/ MCT HCO 3 - HSCFA Hülsenberger Gespräche 2010

37 Acetat-Aufnahme ins Pansenepithel Mucosal (Luminal) ph 7,4 6,1 [HCO 3- ] : 0 mmol/l Acetat Aufnahme 29% 37 C serosaler Inkubationspuffer Puffer 37 C mukosaler Inkubationspuffer Puffer Mucosal (Luminal) ph 7,4 6,1 [HCO 3- ]: 22,5 1,1 mmol/l Ac Gas Lumen Blut Acetat Aufnahme 141% Aschenbach et al Hülsenberger Gespräche 2010

38 Basolaterale Ausschleusung von SCFA Lumen Blut Epithel SCFA - SCFA - H + SCFA - DRA/ PAT/ MCT H + SCFA - HCO 3 - HSCFA HSCFA Hülsenberger Gespräche 2010

39 Intraepithelialer SCFA-Metabolismus Lumen Epithel Blut HSCFA SCFA - Metabolismus Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat H + MCT1 MonoCarboxylat Transporter1 Hülsenberger Gespräche 2010

40 Immunohistochemischer Nachweis des MCT1 apical Blut 100 µm Lumen 25 µm basolateral Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat Müller et al MCT1 H + Hülsenberger Gespräche 2010

41 SCFA Rezeptoren, daten lisa

42 Long term effects butyrate, aber auch auf gegetielige untersuchungen eigehen: malhi, steele, penner

43 Long term effects gt bei daptierten tieren, hier evdenteull auch auf hco3 sekretion eingehen erst hier, d.h. daten von 1991, hier auch noch daten aus habil s. 66 na resorption; hier event auch noch daten von penner aschenbach, beserer scfa uptake pro mg protein

44 CLA effects als zweiter long term effect

45 Summary Epitehl: defense mecahnsis, reulation of intrarumnal ph

46 SCFA-Clearance im Vormagen (Kuh) 60 mol/tag SCFA - /HCO 3-30 mol/tag 30 mol/tag SCFA HSCFA 30 mol/tag Gäbel et al mol/tag Allen et al. 2000, Martin et al. 2001, Resende Júnior et al. 2006, Penner et al. 2009

47 Protonenelimination: Gesamtkalkulation 30 mol/tag 30 mol/tag 60 mol/tag 60 mol/tag 30 mol/ Tag HCO 3-60 mol/tag H + SCFA - H 2 CO 3 30 mol/tag CO 2 60 mol/tag H 2 O HSCFA 90 mol/tag 0 mol/tag Gäbel et al. 1991, Allen et al. 2000, Martin et al. 2001, Resende Júnior et al. 2006, Penner et al. 2009, Aschenbach et al. 2011

48 Wie beeinflusst NH 3 / NH 4 + das Milieu? NH 4 + % Pansen pk: 9, ph NH 3 %

49 Protonenelimination: NH 3 aus Harnstoff Signifikanter Einfluss von intraruminalen Harnstoffinfusionen auf intraruminalen ph-wert nicht eindeutig nachgewiesen? NH 4 +? 2,5 mol/ Tag H + NH 3 Urease Harnstoff Kennedy 1980; Gäbel u. Martens, 1986; Marini et al Leber 2,5 mol/ Tag