Einfluss ruminaler und duodenaler Kaliumsupplementation auf die Kalium- Kalium-exkretion

6.2.3.1. Harn

Renale Kaliumexkretion

Die Applikation von 80 g KCl (42 g elementarem Kalium) in den Pansen führte zu einem signifikanten Anstieg der Kaliumausscheidung mit dem Urin über 24 Stunden. Allerdings wurde nur etwa die Hälfte des zusätzlich aufgenommenen Kaliums mit dem Harn

ausgeschieden, sodass der Anteil des renal eliminierten Kaliums an der Kaliumaufnahme insgesamt numerisch etwas niedriger und die Retention entsprechend höher liegt. Im Gegensatz dazu sehen andere Untersucher hier höhere Werte (Dewhurst et al. 1968: 82 % des zusätzlichen Kaliums wurden innerhalb von 24 h renal eliminiert) Das könnte damit zusammenhängen, dass bei den Kühen in dieser Untersuchung insgesamt eine negative Kaliumbilanz bestand und zusätzliches Kalium deswegen möglicherweise verstärkt retiniert wurde.

Renale Kaliumexkretion im Tagesverlauf

Obwohl in dieser Untersuchung nach der Fütterung an den Kontrolltagen keine postprandiale Kaliurese (Dewhurst et al. 1968, Rabinowitz et al. 1977) nachgewiesen werden konnte, war nach zusätzlicher Gabe von 42 g elementarem Kalium (80 g KCl) in den Pansen unmittelbar nach der Fütterung ein signifikanter Anstieg der renalen Kaliumexkretion zu beobachten.

Rabinowitz (1988) führt die postprandiale Kaliurese auf spezifische Kaliumrezeptoren im Magen-Darm-Trakt zurück, die direkt die Kaliumausscheidung in der Niere beeinflussen könnten. Anders als ursprünglich angenommen (Dewhurst et al. 1968, De Fronzo et al. 1978), muss dabei nicht erst die Blutkaliumkonzentration ansteigen. Das deckt sich mit Beobachtungen anderer Untersucher, die bei verschiedenen Wiederkäuern ebenfalls postprandial eine gesteigerte Kaliumausscheidung im Urin sehen, während die Blutkalium-konzentration nicht (Wylie et al. 1985, Rugangazi und Maloiy 1988, Holtenius 1990), oder erst bei extrem hohen Kaliumdosen (Scott 1969) ansteigt. In dieser Untersuchung wurde die Kaliumkonzentration im Blut nicht bestimmt, aber eine ähnliche Arbeit aus unserer Arbeitsgruppe zeigte ebenfalls keinen Anstieg (Leonhard-Marek et al. 2010a) nach oraler Kaliumsupplementation.

Dass der postprandiale Anstieg der Kaliumausscheidung in der vorliegenden Untersuchung nur nach Supplementation von KCl in den Pansen beobachtet wurde, lässt sich möglicherweise damit erklären, dass die Kaliurese erst ab einer gewissen Kaliummenge im Futter (bzw. im Pansen) angeregt wird. Eventuell reagieren die Kaliumsensoren erst ab einem bestimmten Schwellenwert und setzen erst dann den Mechanismus in Gang, der zu einer verstärkten Kaliurese führt. Neben der Kaliummenge im Chymus scheint grundsätzlich auch die Futteraufnahme an sich ein entscheidender Auslöser der Kaliurese zu sein. Rabinowitz et

al. (1988) und Holtenius (1990) beobachten einen Anstieg der Plasmakaliumkonzentration sowie ein Ausbleiben der Kaliurese nach intraruminaler Verabreichung von KCl an gefastete Schafe bzw. Ziegen. Bei gefütterten Tieren steigt die renale Kaliumexkretion dagegen an, während der Blutkaliumspiegel konstant bleibt. Ähnliche Ergebnisse werden auch beim Monogastrier beschrieben (Lee et al. 2007).

Andererseits führte in unserer Untersuchung eine Kaliumsupplementation ins Duodenum, die die Kaliumkonzentration im Chymus genauso stark steigerte wie die KCl-Gabe in den Pansen, nicht zu einer gesteigerten Kaliurese. Dafür gibt es zwei mögliche Erklärungen. Zum Einen könnten die entsprechenden Rezeptoren beim Rind vor dem Duodenum (also im Vormagentrakt oder im Labmagen) lokalisiert sein, zum Anderen könnten sie für lokale Konzentrationsänderungen unempfindlich sein und nur auf Änderungen der absolut aufgenommenen Kaliummenge reagieren. Beispielsweise könnten entsprechende Rezeptoren in der Vena portae (Morita et al. 2000) nur auf Kaliummengen reagieren, die groß genug sind um einen Anstieg der Kaliumkonzentration im Portalvenenblut auszulösen.

Die Lokalisation und Funktion der entsprechenden Rezeptoren bei Monogastriern wird kontrovers diskutiert: Morita et al. (2000) vermuten bei Ratten Bumetanidin-sensitive Kaliumsensoren innerhalb des hepatoportalen Systems, die einen über afferente hepatische Nerven vermittelten Mechanismus stimulieren. Lee et al. (2007) gehen dagegen von einer Lokalisation innerhalb des Gastrointestinaltrakts aus. Neben einem neuronalen Regelkreis könnte die gesteigerte Kaliumexkretion nach Michell et al. (2008) auch über verschiedene Peptide oder Hormone wie das vasoactive intestinal peptide (VIP) (Dimaline et al. 1983), Gastrin (Von Schrenck et al. 2000), Neuropeptid Y (Bischoff und Michel 2000), Insulin, Insulin-like growth factor 1 (IGF-1) (Cheng und Huang 2011) oder Uroguanylin (Amorim et al. 2006) vermittelt werden.

Urinmenge

Die Supplementation mit KCl führte in der vorliegenden Untersuchung nicht zu einer höheren Urinausscheidung über 24 Stunden. Rabinowitz et al. (1988) finden bei Schafen ebenfalls keine Korrelation zwischen Kaliumausscheidung und Urinflussrate. Bei gefütterten Ziegen wurde nach Kaliumgabe ebenfalls kein Anstieg der Urinmenge beobachtet (Holtenius 1990).

Nach Infusion von 1 l 0,25 molare KCl-Lösung in den Pansen beobachten Dewhurst et al.

(1968) dagegen einen Anstieg des Harnvolumens. Dabei wurde die Kaliumlösung allerdings, im Unterschied zu unserem Versuchsaufbau, unmittelbar vor der Fütterung appliziert.

Möglicherweise entspricht diese Anordnung eher den Verhältnissen bei ungefütterten Tieren.

Urinmengen im Tagesverlauf

Die Applikation von 80 g KCl in den Pansen führte zu einem numerischen, aber nicht signifikanten Anstieg der ausgeschiedenen Urinmenge pro Zeiteinheit (siehe Abb. 49). Dies passt zu der Beobachtung, dass die Schwankungen der Urinmengen im Tagesverlauf in etwa parallel zu denen der Kaliumexkretion verlaufen. Vermutlich ist das einfach auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine Kaliumausscheidung mit dem Harn natürlich nur dann erfolgen kann, wenn auch Harn abgesetzt wird. Brobst (1986) und Liu et al. (2011) gehen ebenfalls von einem Anstieg der Kaliurese bei gesteigerter Urinmenge aus.

Nach Maloiy und Scott (1969), Scott (1979), Rugangazi und Maloiy (1988) und Rabinowitz et al. (1988) ist jedoch die Kaliumausscheidung mit dem Harn unabhängig von der Harnmenge, sofern den Tieren ausreichend Wasser zur Verfügung steht (Schott 1969, McKinley et al. 2000).

In der hier vorgelegten Untersuchung war Trinkwasser ad libitum verfügbar. Die Kaliumkonzentration im Urin zeigte ein signifikantes umgekehrt proportionales Verhältnis zur Harnmenge, wobei die Varianz der Kaliumkonzentration jedoch nur zu 13 % von der Urinmenge bestimmt wurde (Siehe Abb. 50).

Holtenius (1990) beobachtet bei ungefütterten Ziegen nach Kaliumsupplementation in den Pansen einen numerischen (aber nicht signifikanten) Anstieg der Urinmenge im Vergleich zu einer Behandlung mit Mannitol sowie zum Kontrollzeitraum. Bei gefütterten Tieren findet dieser jedoch nicht statt. Dies ist möglicherweise auf eine stärkere Reaktion ungefütterter Tiere zurückzuführen, zumal sich bei diesen Tieren ein deutlicher Anstieg der Plasma-Kalium-Konzentration darstellte. In der hier vorgelegten Untersuchung wurde das KCl jedoch unmittelbar nach der Fütterung verabreicht, sodass ein analoger Effekt sehr unwahrscheinlich erscheint.

6.2.3.2. Kot

Nach Applikation von Kalium in den Pansen wurde numerisch eine höhere fäkale Kalium-exkretion gemessen als an den Kontrolltagen (30,08 g vs. 29,16 g bzw. 27,04 g). Dieser

geringe Unterschied ist aber statistisch nicht signifikant. Es wird daher davon ausgegangen, dass die höhere Kaliumaufnahme keinen unmittelbaren Anstieg der Kaliumexkretion im Kot mit sich zieht. Ähnliche Ergebnisse werden auch in anderen Untersuchungen bestätigt. So zeigen Dewhurst (1968) sowie Wylie et al. (1985) bei Infusion von Kaliumchlorid bzw.

Kaliumbicarbonat in Pansen oder Labmagen keinen Anstieg der absoluten Kaliumexkretion im Kot.

Die Retentionszeit des Nahrungsbreis im Magen-Darm-Trakt ist beim Wiederkäuer relativ lang, sodass ein etwaiger Anstieg der Kaliumausscheidung mit dem Kot als Reaktion auf die Kaliumsupplementation in den Pansen ggf. erst nach mehreren Tagen sichtbar werden sollte.

Mambrini und Peyraud (1994) sehen eine durchschnittliche Gesamtretentionszeit im Magen-Darm-Trakt von Rindern von 32,9 h. Hristov et al. (2003) beschreiben eine durchschnittliche Retentionszeit im gesamten Magen-Darm-Trakt von 49,0h bzw. 59,6 h, abhängig von der Partikelgröße. Davon beträgt die Verweildauer im Pansen, abhängig von der Zusammensetzung des Futters, in etwa zwischen 18 und 25 h (Poorkasegaran und Teimouri Yansari 2014). Laut Kaske und von Engelhardt (1990) liegt die Retentionszeit distal des Reticulorumens bei 16 h für Flüssigkeiten und 18-19 h für feste Partikel.

In der hier vorgelegten Untersuchung wurde nach der Applikation von Kalium in den Pansen die Kaliumausscheidung mit dem Kot noch 95 h lang bestimmt (in zweistündigen Abständen, mit Sammelproben über Nacht), nach Applikation von KCl ins Duodenum noch 71 h lang.

Während dieser Zeit wurden keine signifikanten Veränderungen gesehen (vgl. Abb. 47).

6.2.3.3. Milch

Nach Supplementation von KCl in den Pansen blieb der Kaliumgehalt der Milch konstant.

Auch in der Literatur wird in der Regel kein Einfluss der Kaliumaufnahme auf den Kaliumgehalt der Milch gesehen (Dennis und Hemken 1978, Schneider et al. 1986, Gaucheron 2005). Die mit der Milch ausgeschiedene Kaliummenge steigt linear mit der Milchmenge an (Bannink et al. 1999). Mit Einsetzen der Laktation steigt daher der Kaliumbedarf abrupt an, was das Auftreten von Hypokaliämien in dieser Zeit begünstigen könnte (Sattler et al. 1998 bzw. 2001) Besonders unter Hitzebelastung kann eine Kaliumsupplementation zu einem Anstieg der Milchmenge führen (Schneider et al. 1984, Schneider et al. 1986, Silanikove et al. 1997, Harrison et al. 2012), sodass Kalium als ein

limitierender Faktor für die Milchproduktion angesehen werden könnte.

6.2.3.4. Kaliumretention und Gesamtbilanz

Nach ruminaler Supplementation von 42 g Kalium (80 g KCl) wurde etwa die Hälfte des zugesetzten Kaliums im Körper retiniert, der Rest wurde mit dem Urin ausgeschieden.

Übereinstimmend sehen Stillings et al. (1964) bei Schafen sowie Greene et al. (1983) bei Fleischrindern – trotz positiver Gesamtbilanz – eine etwas höhere Kaliumretention bei höherer Kaliumaufnahme. In einer parallelen Untersuchung unserer Arbeitsgruppe führte die orale Verabreichung von je 21 g Kalium (40 g KCl) im Abstand von zwölf Stunden nicht zu einem Anstieg der Kaliumausscheidung mit dem Urin, während die Kaliumretention anstieg (Leonhard-Marek et al. 2010a) Wagener et al. 2011). Diesen Effekt könnte man sich in der Therapie hypokaliämischer Rinder zunutze machen, indem oral verabreichte Kaliumsalze auf mehrere kleinere Gaben verteil werden.

7. Schlussfolgerungen

Zusammenhang zwischen Pansenazidose, Hypokaliämie und LMV

Nach den vorgelegten Ergebnissen führt ein mukosaler saurer pH zu einem Absinken des kaliumabhängigen Kurzschlussstroms durch das Pansenepithel bei hoher mukosaler Kaliumkonzentration (100 mmol/l). Dieser Effekt wurde in Anwesenheit von SCFA noch verstärkt. Wenn bei Rindern mit Labmagenverlagerung die Ingestapassage über die Vormägen hinaus reduziert und bei abomasalem Volvulus sogar ganz unterbunden ist, kann Kalium nur noch im Pansen resorbiert werden. Ist dieser Transport beeinträchtigt, könnte eine Hypokaliämie resultieren, oder verstärkt werden. Ein niedriger Pansen-pH könnte daher die Entstehung einer Hypokaliämie bei Rindern mit Labmagenverlagerung (LMV) begünstigen.

Zusammenhang zwischen Kalium- und Magnesiumtransport im Pansenepithel

Die Ergebnisse der hier vorgestellten Untersuchungen an Pansenepithel lassen sich entweder über pH-sensitive Kaliumkanäle oder über einen Zusammenhang des Kaliumtransports mit dem Magnesiumtransport erklären. Eine mukosale Ansäuerung und die Gegenwart von SCFA stimulieren die apikale Magnesiumaufnahme. Magnesiumionen könnten die apikale Kaliumaufnahme über eine nicht-selektive Kationen-Leitfähigkeit (NSCC) hemmen (Bödeker und Kemkowski 1996, Leonhard-Marek 2002, Leonhard-Marek et al. 2005) und damit den transepithelialen Kaliumtransport reduzieren.

Bedeutung von Insulin für die ruminale Kaliumresorption

Insulin hatte in dieser Untersuchung keinen signifikanten Effekt auf den kaliumabhängigen Kurzschlussstrom im Pansen. Daher ergeben sich keine Hinweise auf einen Einfluss des

"Overnutrition Syndrome" der Milchkühe (Janovick et al. 2011), mit Überkonditionierung und Insulinresistenz, auf den Kaliumtransport im Pansen. Zur näheren Untersuchung dieses potentiellen Zusammenhangs wäre die Erhebung entsprechender Tierdaten vor Durchführung von in vitro-Versuchen nützlich.

Kaliumtransport im Labmagen

Anders als im Pansen oder im Colon scheint der induzierbare Ionenstrom über das

Labmagenepithel nicht von der luminalen Kaliumkonzentration abzuhängen. Vielmehr könnte es sich bei dem dargestelleten Strom um eine Chloridsekretion handeln. Auf der basolateralen Membran des Labmagenepithels von Rindern und Schafen scheinen bariumsensitive Kaliumkanäle lokalisiert zu sein. Ob diese unter bestimmten Bedingungen zur Resorption von Kalium beitragen könnten, kann anhand der vorliegenden Ergebnisse nicht beantwortet werden.

Kaliumtransport im Colon

Der Kaliumtransport im Colon von Rindern und Schafen scheint von der luminalen Kaliumkonzentration abzuhängen. Dies stimmt mit den Ergebnissen von Kronshage et al.

(2009) überein. Auf der apikalen Membran von Colonepithelzellen von Schafen könnten verapamilsensitive Kaliumkanäle lokalisiert sein. Wie von McKie et al. (1991) vermutet, könnte beim Rind der Ionentransport im Vergleich zum Schaf verstärkt parazellulär erfolgen.

Es wurden weder Hinweise auf eine apikal lokalisierte, ouabain-sensitive Na/K-ATPase, noch auf eine apikal lokalisierte, omeprazolsensitive H/K-ATPase gefunden. Das DMSO, das als Lösungsmittel für Omeprazol verwendet wurde, hatte keinen Einfluss auf den Kaliumstrom.

Kaliumsensoren im Gastrointestinaltrakt

Die von Rabinowitz et al. (1977) beschriebene postprandiale Kaliurese konnte in dieser Untersuchung nur bei ruminaler Verabreichung von 42 g Kalium (80 g KCl), zusätzlich zum Futter, beobachtet werden. In Kombination mit einer parallelen Studie unserer Arbeitsgruppe, in der nach oraler Kaliumgabe kein Anstieg der Blutkaliumkonzentration gesehen wurde (Leonhard-Marek et al. 2010a), untermauert dies die These von Rabinowitz (1988), dass im Magen-Darm-Trakt spezifische Kaliumsensoren bei hoher Kaliumzufuhr mit dem Futter eine verstärkte Kaliurese auslösen. Allerdings deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass dieser Mechanismus möglicherweise erst bei größeren Kaliummengen im Futter ausgelöst wird.

Zudem zeigt der ausbleibende Anstieg nach Applikation von KCl ins Duodenum, dass entsprechende Kaliumsensoren beim Wiederkäuer entweder proximal des Duodenums lokalisiert sein könnten, oder aber nicht auf die Kaliumkonzentration im Chymus, sondern auf die insgesamt aufgenommene Kaliummenge ansprechen könnten. Dies wäre bei einer Lokalisation im Portalvenensystem (Morita et al. 2000) der Fall, wobei die Rezeptoren erst

reagieren würden, wenn ausreichend Kalium resorbiert wurde, um den Blutkaliumspiegel im Portalsystem zu steigern.

Ersatz der fraktionellen Exkretion durch einen [K]/[Krea]-Quotienten im Urin

Da in der vorliegenden Untersuchung keine Blutproben genommen wurden, konnte die fraktionelle Exkretion nicht bestimmt werden. Als Ersatz wurde der Quotient aus Kalium- und Kreatininkonzentrationen im Urin herangezogen. Wie in Kapitel 6.2.2.2. dargestellt, erwies sich diese Methode allerdings als sehr ungenau.

Kaliumgehalt in der Milchviehfütterung

Wie in Kapitel 4.2.1. dargelegt müssten nach den hier vorgestellten Ergebnissen neue Empfehlungen für die Kaliumversorgung von Milchkühen ausgesprochen werden. In dieser Untersuchung führte ein Futterkaliumgehalt von 0,8 % bei Milchkühen in der Mitt- bis Spätlaktation zu einer deutlich negativen Kaliumbilanz. Die bestehenden Empfehlungen zwischen 0,5 % und 0,8 % (Adams 1975, Durand und Kawashima 1980, Sweeney 1999, NRC 2001) erscheinen daher deutlich zu niedrig.

Da Kalium die Resorption von Magnesium im Magen-Darm-Trakt stören und damit die Verdaulichkeit herabsetzen sowie das Auftreten der Weidetetanie begünstigen kann (Metson et al. 1966, Lentz et al. 1976, Miller et al. 1980, Schonewille et al. 2008), empfiehlt Weiss (2004) bei Erhöhen der Kaliumkonzentration im Futter über 1 % pro zusätzlichem Prozentpunkt die Zufütterung von 18 g Magnesium.

Therapie hypokaliämischer Rinder

Die Therapie von Rindern mit Hypokaliämie erfolgt in der Regel durch die orale Verabreichung von Kaliumsalzen wie z.B. KCl. In unserer Untersuchung wurden einmalig mit der morgendlichen Fütterung 42 g elementares Kalium (80 g KCl) in den Pansen von – klinisch gesunden – Rindern mit einer negativen Kaliumbilanz appliziert. Obwohl das Kaliumdefizit dieser Tiere bei ca. 42 g / d lag, wurde nur etwa die Hälfte des zusätzlichen Kaliums retiniert, der Rest wurde schnell renal eliminiert. Eine Beteiligung von Kaliumrezeptoren im Magen-Darm-Trakt, die unter Umgehung des Blutkaliumspiegels die Kaliurese anregen, erscheint nicht unwahrscheinlich. In einer parallelen Untersuchung unserer

Arbeitsgruppe (Leonhard-Marek et al. 2010a, Wagener et al. 2011) wurde Milchkühen eine identische Menge KCl auf zwei Portionen verteilt im Abstand von 12 Stunden oral eingegeben und vollständig retiniert. Es erscheint daher sinnvoll, die orale Kaliumgabe bei hypokaliämischen Rindern auf mehrere kleinere Portionen zu verteilen um eine kurzfristige Ausscheidung über den Urin zu vermeiden.

8. Zusammenfassung

Kalium-Ströme über Epithelien im Verdauungstrakt von Wiederkäuern und Ausschei-dungswege für supplementiertes Kalium bei Milchkühen

von Maren Wagener