Challenging the rumen epithelium during SARA periods Gotthold Gäbel Institute for Veterinary Physiology
Lumen Epithelium Short chain fatty acids (SCFA) and protons Butyrate Conjugated linoleic acids Biogenic amines
DM-Intake (40 l FCM /d) 170 MJ / d ~24 kg DM 40 l/ d
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. 2009 40 l/ d
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
Relative gene expression in ovine tissues: specific rumen genes = NHE3 = MCT1 = DRA Xiang et al. 2016
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
Epithel Electrophysiology ph 6.6 4.5 Incubation ph 7.4 G t = I / PD t mucosal serosal Conductance ~Integrity of epithelium +/- SCFA PD t I sc
Conductance of Rumen Epithelium during Mucosal Acidification 40 35 30 O 2 O 2 + SCFA CO 2 ph 4.5 H + G t [ms cm -2 ] 25 20 15 6.6 6.0 5.5 5.0 H + SCFA - DRA HCO 3 - SCFA - H + 10 HSCFA HSCFA 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time [min] (MW ± SEM, N = n = 12) Rackwitz et al. unbublished
SCFA-Absorption and HCO 3 - -Secretion SCFA ** HCO 3 - Sekretion Resorption Saliva CO 2 80 SCFA Hay 81% Concentrate 60 80 60 mmol. h -1 40 20 0 40 20 0 mmol. h -1-20 -20-40 70 SCFA 70 SCFA 0 SCFA 0 SCFA 35 Lac -40 Gäbel et al. 1991
Specific role of butyrate Intraruminal SARA/easily fermentable CHO Acetic/Propionic acid ; Butyric acid Epithelium Butyrate metabolism Influence on DNA camp diminution
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
Butyrate as signalling molecule Lumen Rumen Epithelium Blood HBu Bu -
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
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)
SCFA Receptors: Localisation GPR109A Bu Rumen Epithelium SCFA-Receptor FFAR2
Butyrate and camp release: rumen epithelium Rumen Epithelium Bu - camp SCFA-Receptor + Forskolin camp Sodium Proton exchange (NHE) (Gäbel et al. 1991)
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
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
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?
Invitation
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
Kohlenhydratverdauung Stärke/Cellulose Mikroorg. SCFA SCFA = short chain fatty acids: Essigsäure >> > Propionsäure > Buttersäure
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
Rumen Epithelium Bu SCFA-Receptor
perrmeationsvermittler und among scfa butyrat besonere rolle
Warum Kritisch scfa als protonen carrier; Bild permeation bilder ssingkammer und gt Verläfe aus Unterscuhungen reiko; dann wieter mit folie 16
Protonenfreisetzung durch SCFA 90 mol/tag SCFA - HSCFA % 0 25 3 4 5 6 7 100 pk: 4,8 Pansen 75 H + pk: 4,8 ph: 6-7 50 50 75 25 100 0 3 4 5 6 7 ph SCFA - % HSCFA 90 mol/tag
Protonenelimination: Hydrogenphosphat im Speichel 90 mol/tag HPO 2- H + 4 H 2 PO 4 - SCFA - HSCFA 90 mol/tag
Hydrogenphosphat im Speichel: Berechnungsgrundlagen Phosphatkonzentration Speichel 20-30 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 - % 5 6 7 8 9 0 100 25 50 75 Pansen 50 100 0 5 6 7 8 9 ph Speichel pk: 7,21 75 25 HPO 4 2- % Bailey u. Balch 1961, Erdmann 1988, Aschenbach et al 2011
Hydrogenphosphat im Speichel: Quantitativ 6 mol/tag HPO 4 2-90 mol/tag H + SCFA - H 2 PO 4-5 mol/tag 85 mol/tag HSCFA 90 mol/tag
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
Apikale Aufnahme von SCFA Lumen Blut Epithel H + SCFA - DRA/ MCT Gäbel u. Aschenbach 2006 HCO 3 - HSCFA
SCFA-Resorption und HCO 3 - -Sekretion SCFA ** HCO 3 - Sekretion Resorption Saliva CO 2 80 SCFA Hay 81% Concentrate 60 80 60 mmol. h -1 40 20 0 40 20 0 mmol. h -1-20 -20-40 70 SCFA 70 SCFA 0 SCFA 0 SCFA 35 Lac -40 Gäbel et al. 1991
Resorption: Einzelschritte SCFA Lumen Aufnahme Epithel Blut Ausschleusung Metabolismus Metaboliten Hülsenberger Gespräche 2010
Apikale Aufnahme von SCFA Lumen Blut Epithel SCFA - H + SCFA - DRA/ PAT/ MCT HCO 3 - HSCFA Hülsenberger Gespräche 2010
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. 2009 Hülsenberger Gespräche 2010
Basolaterale Ausschleusung von SCFA Lumen Blut Epithel SCFA - SCFA - H + SCFA - DRA/ PAT/ MCT H + SCFA - HCO 3 - HSCFA HSCFA Hülsenberger Gespräche 2010
Intraepithelialer SCFA-Metabolismus Lumen Epithel Blut HSCFA SCFA - Metabolismus Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat H + MCT1 MonoCarboxylat Transporter1 Hülsenberger Gespräche 2010
Immunohistochemischer Nachweis des MCT1 apical Blut 100 µm Lumen 25 µm basolateral Acetoacetat D-3-Hydroxybutyrat Lactat Müller et al. 2002 MCT1 H + Hülsenberger Gespräche 2010
SCFA Rezeptoren, daten lisa
Long term effects butyrate, aber auch auf gegetielige untersuchungen eigehen: malhi, steele, penner
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
CLA effects als zweiter long term effect
Summary Epitehl: defense mecahnsis, reulation of intrarumnal ph
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. 1991 90 mol/tag Allen et al. 2000, Martin et al. 2001, Resende Júnior et al. 2006, Penner et al. 2009
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
Wie beeinflusst NH 3 / NH 4 + das Milieu? NH 4 + % Pansen 5 6 7 8 9 0 100 25 75 50 50 75 25 pk: 9,21 100 0 7 8 9 10 11 ph NH 3 %
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. 2003 Leber 2,5 mol/ Tag