Forschung an pankreasinsuffizienten Schweinen Möglichkeiten und Perspektiven tierexperimenteller Verdauungsstudien

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1 Forschung an pankreasinsuffizienten Schweinen Möglichkeiten und Perspektiven tierexperimenteller Verdauungsstudien Anne Mößeler, Josef Kamphues Institut für Tierernährung

2 Das Schwein als Modell für den Menschen Warum eignet sich das Schwein besonders gut für Studien zu Verdauungsvorgängen? Ominvor (pflanzliche & tierische Nahrung) Vergleichbare Anatomie (u. A. einhöliger Magen) Dick- Darm Dünndarm Magen

3 Tiermodell: Das pankreasgangligierte (PL) Schwein als Modelltier für die exokrine Pankreasinsuffizienz (EPI) Ligatur des Pankreasganges Vollständiger Verlust der exokrinen Funktion (keine Sekretion von Pankreasenzymen; Imondi et al. 1972) Kein Effekt auf die endokrine Funktion (Die Tiere sind nicht diabetisch; Kolleck et al. 2011) Einsatz des pankreasgangligierten (Mini)Schweins als Tiermodell für die Untersuchung der vielfältigen Effekte der EPI (Imondi et al. 1972; Abello et al. 1989; Gregory et al. 1999; Mößeler et al. 2015) Überprüfung der Wirksamkeit substituierter Enzyme (Tabeling et al. 1999; Gregory et al. 1999; Pierzynowski et al. 2012; Grujic et al. 2015) Optimierung der diätetischen Maßnahmen bei EPI (Kramer 2010; Schwarzmaier 2012; Redeker 2014; Mößeler et al. 2015)

4 Hintergrund: Das pankreasgangligierte Ferkel als Modell für die EPI bei Kindern Die deutlich höhere Wachstumsrate des Ferkels erlaubt die Abbildung / Überprüfung der Jugendentwicklung im Zeitraffer Bedarf an Nährstoffen ist deutlich höher schnellere Manifestation von Nährstoffdefiziten Möglichkeit der Entnahme von Gewebeproben zu definierten Zeitpunkten (Biopsien oder bei Sektion) Möglichkeit der Überprüfung von Effekten einer EPI ohne Enzymsupplementierung Geburtsgewicht (kg) 1,5 3 Faktor 80 Faktor 2,5 Körpermasse mit 6 Monaten (kg) 120 (geschlechtsreif) 7,4 (Säugling)

5 Tiermodell: Vorteil des Tiermodells Vollständige Standardisierung Tiere (Alter, Genetik) Diät (Zusammensetzung und Menge) Umgebung (Bewegungsaktivität.) Supplemente / Behandlung (Enzyme, Vitamine) Probenentnahme Blut / Gewebe (Schlachtung) Provozierung maximaler Effekte der EPI durch Verzicht auf PERT

6 Bei Vorliegen einer EPI ist die Proteinverdaulichkeit nicht wesentlich beeinträchtigt!? Steatorrhoe ist das Hauptsymptom!? Oder liegt es nur daran, dass man Protein (und Stärke) in den Faeces kaum erkennen kann? chemischer Nachweis notwendig! Picture:

7 Nährstoffverdaulichkeit was die Analyse der Faeces verrät a a Verdaulichkeit (%) b c b c Fett Protein Stärke Kontrolle PL + PERT PL a, b: p 0.05

8 Hintergrund: Praecaecale Verdaulichkeit von Nährstoffen relevant? FETT Dünndarm: Lipolyse Absorption von Fettsäuren Dickdarm: Keine Absorption von Fett geringe mikrobielle Fettsynthese Reduzierte Fettverdauung (durch EPI bedingt) wird nicht durch Dickdarmverdauung kompensiert Stuhlfettanalyse spiegelt die enzymatische Verdauung wider Keine Notwendigkeit der Bestimmung der prc. Verdaulichkeit

9 Hintergrund: Praecaecale Verdaulichkeit von Nährstoffen relevant? Stärke Mund & Dünndarm: Amylolyse Absorption der Stärke in Form von Di- und Monosacchariden Dickdarm: Fermentation; Bildung (und Absorption) von flüchtigen Fettsäuren und Gas Meteorismus, Flatulenz, fermentative Diarrhoe Eine geringere enzymatische Stärkeverdauung wird vollständig von der Fermentation im Dickdarm maskiert Überschätzung des energetischen Nutzens Analyse des Stärkegehaltes im Stuhl spiegelt nicht die enzymatische Verdauung wider. Auch bei nicht therapierter EPI wird keine Stärke ausgeschieden!

10 Hintergrund: Praecaecale Verdaulichkeit von Nährstoffen relevant? PROTEIN Dünndarm: Proteolyse Absorption von Aminosäuren und Peptiden Dickdarm: Fermentative Proteolyse; Absorption von Ammoniak, mikrobielle Proteinsynthese Die verringerte enzymatische Proteinverdauung wird durch bakteriellen Proteinabbau maskiert Ammoniak Absorption, biogene Amine (kein Nährwert, eher Belastung!) Analyse des Proteingehaltes im Stuhl spiegelt nicht die enzymatische Proteinverdauung wider Überschätzung des Nährwertes / bzw. der Aminosäuren-Versorgung

11 Tiermodell: Das ileo-caecale fistulierte Schwein zur Bestimmung der praecaecalen Verdaulichkeit der Nährstoffe Dünndarm Dickdarm Magen Faeces Enzymatische Verdauung effiziente Verdauung von Fett, Protein und Stärke/Zucker (endogene oder exogene Enzyme) Praecaecale Veraulichkeit Fermentative Verdauung Verdauung von Protein und Stärke, Produktion und Absorption von NH 3 evtl. auch biogenen Aminen Postileale Verdaulichkeit Digesta aus dem Ende des Dünndarmes (Ileum)

12 Praecaecale Verdaulichkeit von Nährstoffen relevant? Hintergrund: Dünndarm: v.a. enzymatische Verdauung der Nährstoffe Dickdarm: mikrobieller Abbau der Nährstoffe Biologische Relevanz: Nur praecaecal verdautes Protein kann (nach Absorption der Aminosäuren) vom Organismus genutzt werden (Absorption von N-Verbindungen aus dem Dickdarm v.a. in Form von Ammoniak) (Tabeling et al. 1999; Moesseler et al. 2007; 2015) Effects of EPI on digestion Stuhlanalyse Ilealer Chymus Fettgehalt Proteingehalt ( ) Stärkegehalt +/ - ( ) (Löhr 2009; Kerlin et al. 1984; Keshavarzian & Dutta 1988; Hiele et al. 1989; Nordgaard et al. 1992; Krishnamurty et al. 2009)

13 Proteinversorgung bei EPI Patienten In der Vergangenheit: keine spezifischen Empfehlungen für die Proteinversorgung (weder bezüglich der Quantität noch Qualität ( high quality )). Aktuell: Protein rückt mehr und mehr in den Fokus Engelen et al. (2014) Protein is an important but undervalued macronutrient in the nutritional care of patients with cystic fibrosis Gheorghe et al. (2015) Guidelines on exocrine pancreatic insufficiency management : daily protein intake of g/kg bw; uploads/2015/02/ Keine Empfehlungen zur Protease-Dosierung

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15 Pankreasenzym-Substitutionstherapie Enzyme: Multienzymprodukte Monoenzymprodukte Multienzymprodukte - Lipase - Protease - Amylase Dosierung der Enzyme: Angepasst an den Fettgehalt der Mahlzeit feste Dosis / Mahlzeit

16 Proteinverdaulichkeit bei EPI-Patienten relevant? Die meisten CF-Patienten weisen eine EPI auf - Pankreasenzymsubstitution (PERT) ist Standard - Die meisten Enzymprodukte (porciner Herkunft) enthalten Lipasen, Proteasen und Amylasen - Die Enzymdosis basiert auf der lipolytischen Aktivität und dem Fettgehalt der Mahlzeit oder eine fixe Dosis / Mahlzeit Da sich CF-Patienten im Allgemeinen fettreich ernähren (sollen), ist die Dosierung eines Multienzymproduktes anhand des Fettgehaltes im Allgemeinen ausreichend bzw. passend

17 Protease-Dosierung eine Beispielkalkulation 31 g Protein / 100 g 3,6 g Fett / 100 g 23 g Protein / 100 g 14 g Fett / 100 g Dosierung des Multienzymproduktes anhand der Fettmenge 2000 IE Lipase / g Fett Verhältnis von Lipase / Protease / Amylase (Peschke 1991) 1 : 0,04 : 0,72 Enzymdosis: IE Lipase IE Lipase 400 IE Protease 12,9 IE Protease / g Protein Enzymdosis: IE Lipase IE Lipase 1200 IE Protease 52,2 IE Protease / g Protein

18 Übersicht Ergebnisse aus Minipig-Studien Protein Gehalt (%) Diät Prc. Verdaulichkeit (%) Komponenten Kontrolle PL 12,8 Soja 79,1 27,3 Tabeling (1998) 16,3 Soja 82,3 33,7 Heldt (2001) 14,4 Soja 80,8 26,1 Fassmann (2001) 16,7 Soja 81,9 40,9 Fuente-Dege (2003) 21,2 Geflügelfleisch, 81,3 30,5 Mandischer (2002) 18,3 Fisch, Kasein 79,7 30,9 Kammlott (2003) 19,0-32,2 Karthoff (2004) 14,6 Geflügelfleisch, 82,4 33,7 Classen (2008) 15,6 Erbsenprotein, 81,2 24,8 Kalla (2009) Kasein 15,4 79,9 31,9 Stefaniak (2015)

19 Übersicht Ergebnisse aus Minipig-Studien Protein Gehalt (%) Diät Prc. Verdaulichkeit (%) Komponenten Kontrolle PL 12,8 Soja 79,1 27,3 Tabeling (1998) 16,3 Soja 82,3 33,7 Heldt (2001) 14,4 Soja 80,8 26,1 Fassmann (2001) 16,7 Soja 81,9 40,9 Fuente-Dege (2003) 21,2 Geflügelfleisch, 81,3 30,5 Mandischer (2002) 18,3 Fisch, Kasein ~ 80 % ~ 30 % 79,7 30,9 Kammlott (2003) 19,0-32,2 Karthoff (2004) 14,6 Geflügelfleisch, 82,4 33,7 Classen (2008) 15,6 Erbsenprotein, 81,2 24,8 Kalla (2009) Kasein 15,4 79,9 31,9 Stefaniak (2015)

20 Übertragung der Ergebnisse auf die Humanernährung Kontrolle PL Prc. Verdaulichkeit des Proteins ~ 80 % ~ 30 % Prc. Verdaulichkeit des Proteins (1 Ei = 7,3 g Protein) 5,84 g 2,19 g Prc. Verdaulichkeit des Proteins einer Bockwurst (15 g Proteinaufnahme) 12 g 4,5 g

21 Übertragung der Ergebnisse auf die Humanernährung Anzahl von Eiern, die gegessen werden müssen, um 10 g prc. verdauliches Eiweiß (= absorbierbare Aminosäuren) aufzunehmen Gesunder 1,7 x EPI Patient ohne PERT 4,6 x

22 Übertragung der Ergebnisse auf die Humanernährung Menge an Bockwurst, die benötigt wird, um 10 g prc. verdauliches Eiweiß (= absorbierbare Aminosäuren) aufzunehmen Gesunder 80 g EPI Patient ohne PERT 222 g

23 Flüssignahrung In welchem Umfang wird das Protein dieser Drinks bei EPI-Patienten praecaecal verdaut? Werden proteolytische Enzyme benötigt? Picture:

24 Studien design: Chemische Zusammensetzung der Diäten Testdiäten: 5 kommerziell verfügbare hochkalorische Drinks verschiedener Hersteller (anonymisierte Darstellung; Produkte A-E) Nährstoff- und Energiedichte (je 100 ml) Diät A B C D E Fett gesamt (g) 9,33 9,3 5,0 5,8 9,35 Protein (g) 6,25 9,6 5,6 5,6 10,2 kj / kcal 631 / / / / / 240

25 Praecaecale scheinbare Verdaulichkeit (%) des Proteins bei PL-Tieren (ohne Enzymzulage / mit Enzymzulage) bei Einsatz von 5 verschiedenen hochkalorischen Drinks (A-E) PL PL + PERT Effekt der Enzymzulage war signifikant (p < 0.05) for all diets

26 Vergleich Protein AUFNAHME und VERDAUTES PROTEIN Diät A B C D E Protein-Aufnahme (g) 47,5 84,0 43,9 43,9 84,5 Diät A B C D E Prc. Protein VQ (%) Diät A B C D E Protein prc. verdaut (g)* * dem Organismus zur Verfügung stehend

27 Welche Effekte hat die Substitutionstherapie mit pankreatischen Verdauungsenzymen (PERT) auf die Verdauung der Nährstoffe?

28 Ergebnisse auf Studien im Minipig-Modell Praecaecale Verdaulichkeit der Nährstoffe relevant? Praecaecale Verdaulichkeit (%) Verdauliche Energie (kj) je g aufgenommenem Nährstoff Notwendige Aufnahme (g) für 1000 kj DE Kontrolle PL-Tier ohne PERT + PERT # Fett 93,9 22,7 [24,2] 84,0 [89,5] Protein 79,9 31,9 [39,9] 73,9 [92,5] Stärke 98,8 65,7 [66,5] 94,8 [96,0] Fett 36,2 8,74 [24,1] 32,3 [89,2] Protein 13,7 5,49 [40,1] 12,7 [92,7] Stärke 17,0 11,3 [66,5] 16,3 [95,9] Fett 27,6 114 [413] 31,0 [112] Protein 73,0 182 [249] 78,7 [108] Stärke 58,8 88,5 [150] 61,3 [104] # IE Lipase; IE Protease; IE Amylase / Mahlzeit; je 66,5 g Fett, 34,4 g Protein, 92,3 g Stärke; IE Lipase / g Fett; IE Amylase / g Stärke; 504 IE Protease / g Protein

29 Müssen wir der Protein-QUALITÄT in der Ernährung von EPI-Patienten ggf. mehr Beachtung schenken? Picture: www,motor-talk.de

30 Ergebnisse auf Studien im Schweine-Modell; PL-Tiere ohne Enzymsubstitution Gesamteiweiß und Albumin: KEIN EFFEKT Relative Aminosäurenkonzentration (Kontrolle = 1) Vergleich mit Daten aus der Humanmedizin Saunders et al (The Lancet) 1, ,5 PL pigs Kwashiorkor Marasmus 00 Mößeler et al. 2015

31 Juvenile Tiere Serumkonzentration Taurin (mg/dl) Kontrolle * PL Taurin ist für die Fettverdauung relevant (Bestandteil der Galle) *: p<0.05 Mößeler et al. 2016

32 Konzentrationen von Taurin und Glycin in der Galle (mg/dl) Kontrolle * PL * *: p<0.05 Mößeler et al. 2016

33 Adulte pankreasgangligierte (PL) Schweine mit EPI mit Enzymtherapie Effekt der Taurinsupplementierung auf die Fettverdauung (~ 40 mg Taurin / kg Körpermasse, 2 x / d) Taurinsupplementation einfach mal ausprobieren!? Colombo et al. 1988; Codocea 1989; Skopnik et al. 1991; de Curtis et al Mößeler et al. 2016

34 Zusammenfassung: Proteinquantität & -qualität sollten in der Diätetik von EPI-Patienten Berücksichtigung finden insbesondere bei Kindern & Jugendlichen! Protease Supplementierung ist notwendig, um die praecaecale Proteinverdauung bzw. Aminosäurenabsorption zu optimieren! Besondere Aufmerksamkeit ist bei Patienten mit vegetarischer oder veganer Ernährung notwendig! Forschungsbedarf: Proteinstatus (Aminosäurenstatus) von EPI-Patienten! Taurinsupplementierung: Einen Versuch wert!

35 Erfolgreichen Enzymtherapie Fett Lipase Stärke Amylase Protein Protease