Nachfolgend erfolgt eine kurze allgemeine Beschreibung des Magen-Darm-Traktes des Schweines. Weiterhin werden einige Aspekte hinsichtlich verdauungsphysiologischer Vorgänge im Bereich der auch von L .i.-Infektionen betroffenden Darmabschnitte näher erläutert, um die für diese Arbeit wichtigen Zusammenhänge erfassen zu können.
2.1.1 Anatomie
Das Schwein besitzt einen einhöhlig-zusammengesetzten Magen, ausgekleidet von Magenschleimhaut, die sich in eine Pars nonglandularis (Bereich drüsenloser, kutaner Schleimhaut) und eine Pars glandularis (Bereich mit Drüsenschleimhaut) aufteilt. Mit dem Dünndarm schließt sich der längste Abschnitt des Verdauungskanals an, bestehend aus Duodenum (0,7-1 m), Jejunum (15-20 m) und Ileum (1,5-2,5 m; SCHWARZE 1962;NICKEL ET AL. 1999). Den größten Anteil am Dünndarmgeschlinge nehmen mit 90 % die Jejunalschlingen ein (NICKEL et al. 1999). Das anschließende Ileum verfügt über die im gesamten Darmtrakt stärkste Muskelschicht und zudem über einen Teil des darmassoziierten Immunsystems, nämlich die beim Schwein deutlich ausgeprägten Peyer`schen Platten. Der aus Caecum, Colon und Rektum bestehende Dickdarm mit einer Gesamtlänge von 3,5 – 6 m bildet den Abschluss des Magen-Darm-Traktes (VOLLMERHAUS U.ROOS 1999).
2.1.2 Verdauungsphysiologie
Die Darmschleimhaut von Dünn- und Dickdarm weist morphologische Unterschiede auf. Das Oberflächenrelief, welches allgemein der Oberflächenvergrößerung dient, stellt sich im Dünndarm in Form von Zotten (Villi intestinales) und Krypten (Glandulae intestinales, Lieberkühn`sche Drüsen) dar. Im gesamten Dickdarm sind dagegen keine Zotten ausgebildet, die Schleimhaut weist allerdings Krypten auf (VOLLMERHAUS U.ROOS 1999). Aufgrund der Komplexität des Themas beschränken sich die Ausführungen im Folgenden schwerpunktmäßig auf die sekretorischen und absorptiven Leistungen von Dünn- und Dickdarm.
24 2.1.2.1 Dünndarm
Im Dünndarm findet der überwiegende Anteil der enzymatischen Verdauung und Absorption der Nährstoffe statt. Kohlenhydrate, Proteine und Fette werden hier zu niedermolekularen Stoffen gespalten, so dass diese (überwiegend durch Transportmechanismen) der Absorption zugänglich gemacht werden (WOLFFRAM U.SCHARRER 2010).
Die Gallenflüssigkeit gelangt über den Ductus choledochus, welcher auf der Papilla duodeni major mündet, in das Darmlumen. Der exokrine Anteil des Pankreas produziert zahlreiche Verdauungsenzyme, NaCl und NaHCO3, welche, über den Ductus pancreaticus accessorius, der auf der Papilla duodeni minor in das Lumen des Duodenums mündet, sezerniert werden (NICKEL ET. AL.1999;KÖNIG U.LIEBICH 2014). Das Alter der Tiere, die Sekretionsrate, die Zusammensetzung des Futters, die Fütterungsfrequenz und die Haltungsbedingungen üben hierbei einen Einfluss auf die Zusammensetzung und die Menge des Pankreassekretes aus (KIDDER U.MANNERS 1978;WOLFFRAM U.SCHARRER 2010).
In der Gruppe der Kohlenhydrate stellen Stärke, Saccharose und Laktose die wichtigsten beim Schwein zu verdauenden Nährstoffe dar. Die aus Glucoseeinheiten (Amylose und Amylopektin) bestehende Stärke wird vorwiegend im proximalen Drittel des Dünndarmes verdaut, da hier die Aktivität von pankreatischer Amylase und weiteren beteiligten Enzymen am größten ist (KIDDER U.MANNERS 1978;CORRING 1982;DROCHNER 1993;WOLFFRAM U. SCHARRER 2010). Im Vergleich zu anderen Tierarten weist das Schwein eine sehr effektive Stärkeverdauung auf. Wird die Verdauungskapazität im Dünndarm diesbezüglich dennoch überschritten, so findet eine (zumindest teilweise) Kompensation durch mikrobiellen Abbau von Kohlenhydraten (KH) im Dickdarm statt (CORRING 1982; WOLFFRAM U. SCHARRER 2010). Die Lactose wird durch die bürstensaummembranständige Lactase zu Glucose und Galactose hydrolysiert, während die Saccharose durch Saccharase zu Glucose und Fructose gespalten wird (CORRING 1982;DROCHNER 1993; WOLFFRAM U.SCHARRER 2010).
Die Proteinverdauung beginnt bereits im sauren Milieu des Magens mit der Denaturierung durch Peptidasen. Die weitere Verdauung der Proteine durch Peptidasen des Magen- und Pankreassekrets sowie der Bürstensaummembran findet vorwiegend im Dünndarm statt (WOLFFRAM U.SCHARRER 2010). Es entstehen kurzkettige Peptide und Aminosäuren die überwiegend durch aktiven Transport resorbiert werden (SAUER U.OZIMEK 1986).
Ein nicht unbedeutender Anteil der Proteinverdauung entfällt auf die Verdauung und
Resorption endogenen Proteins. Dieses besteht vor allem aus Muzinen, Enzymen und abgeschilferten Epithelzellen und entspricht quantitativ in etwa der pro Tag über das Futter zugeführten Proteinmenge (CORRING 1982;SAUER U.OZIMEK 1986;WOLFFRAM U.SCHARRER 2010). Ein wichtiger Umstand hierbei ist, dass die Muzine und Verdauungsenzyme vorwiegend im Ileum und Dickdarm durch bakterielle Peptidasen verdaut werden. Die Aufnahme der meisten Aminosäuren erfolgt auf der luminalen Seite der Enterozyten durch einen Na+-Cotransporter. Peptide, Iminosäuren und einige kurzkettige AS können zusätzlich über einen H+-Cotransporter aufgenommen werden, basische AS auch über erleichterte Diffusion. Auf der basolateralen Seite erfolgt der Übergang von Peptiden und AS dann über eine erleichterte Diffusion ins Blut (WOLFFRAM U.SCHARRER 2010).
Die wichtigsten aus der Nahrung aufgenommenen Fette sind Triacylglycerine (mengenmäßig größter Anteil), Phospholipide und Cholesterine (KIDDER U.MANNERS 1978; DOREAU U. CHILLIARD 1997). Eine Verdauung der Triacylglycerine beginnt bereits im Magen mittels gastraler und lingualer Lipase. Hierbei entstehen Diacylglycerine, Monoacylglycerine und Fettsäuren.
Die im Magen nicht vorverdauten Triacylglycerine werden im Dünndarm durch konjugierte Gallensäuren und Phospholipide emulgiert, so dass Komplexe aus aktivierten Lipasen/Colipasen die Fette weiter zu Monoacylglycerinen und Fettsäuren spalten können.
Als Mizellen, bestehend aus konjugierten Gallensäuren und Monoacylglycerinen/Fettsäuren, halten sich diese im Darmlumen zunächst in wässriger Lösung, bevor sie an der Bürstensaummembran des Dünndarmepithels diffundieren (DOREAU U. CHILLIARD 1997;
WOLFFRAM U.SCHARRER 2010).
Die Aufnahme der konjugierten Gallensäuren durch Diffusion ins Epithel des Dünndarms ist gering, ihre Aufnahme erfolgt erst im Ileum durch einen Na+-abhängigen, sekundär aktiven Transport (WOLFFRAM U.SCHARRER 2010).
2.1.2.2 Dickdarm
Die Verdauungsphysiologie des Dickdarms ist im Wesentlichen durch mikrobielle Stoffwechselleistungen geprägt. Zudem findet hier der epitheliale Transport von Wasser und Elektrolyten statt. Speziell beim Schwein findet sich ein großer Teil des gesamten Darminhalts im Dickdarm (5 % des KGW; HORST 1956).
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Die von proximal nach distal im Darmtrakt ansteigenden Keimzahlen erreichen im Colon Werte von bis zu 1011 Keimen/g Darminhalt (AMTSBERG 1984;GASKINS 2001; HUIJSDENS ET AL. 2002). Als Substrat für deren Wachstum dienen in erster Linie pflanzliche Zellwandbestandteile, die im Dünndarm nicht enzymatisch abgebaut werden konnten (ANGUITA ET AL. 2006). Hinzu kommen nicht vollständig enzymatisch verdaute Kohlenhydrate. Nach Fermentation der gesamten Kohlenydratfraktion entstehen Endprodukte wie Acetat, Propionat und Butyrat, also kurzkettige Fettsäuren (ANGUITA ET AL.2006). Im Hinblick auf die postileale Stärkeverdaulichkeit besitzt der Dickdarm eine herausragende Kapazität, so dass es beim Schwein kaum zu einer verringerten Gesamtverdaulichkeit der Stärke kommen kann (VAGT 2014).
Die Verdauung des Nahrungsproteins wird zumeist im Dünndarm abgeschlossen, so dass der N-Umsatz im Dickdarm vorwiegend durch die Aktivität der Bakterienpopulation bestimmt wird, die ihr Wachstum aus N-Quellen endogener oder exogener Herkunft bestreitet (YEN 2001;BREVES U.DIENER 2010).
2.1.3 Mikroflora des MDT
Im MDT des Schweines kommen extrem viele Bakterienarten vor. Bezifferte man die Zahl vor einigen Jahren noch auf etwa 400 (SIMON 2007), so wird heute von über 800 Spezies ausgegangen (KIM ET AL. 2011; LOOFT ET AL. 2014; LE BON 2014). Abhängig von der Lokalisation im MDT wird die Gesamtzahl an Bakterien pro Gramm Darminhalt mit 103 - 1012 angegeben (EWING U.COLE 1994;JANSEN ET. AL.1999;DU TOIT ET AL.2003), wobei die Zusammensetzung der Mikroflora in strenger Relation zur Futterzusammensetzung steht, die den pH-Wert des Darminhalts beeinflusst (GASKINS 2003). Ferner bestimmen Lokalisation und die dort jeweils herrschenden physiologischen Bedingungen wie die Passagerate, das Vorhandensein von Enzymen, Salzsäure und Gallenflüssigkeit die Zusammensetzung der Mikroflora. Im Magen und oberen Abschnitt des Dünndarms kommen relativ wenige Mikroorganismen aufgrund der physiologischen Bedingungen (niedriger pH-Wert, hohe Passagerate) vor. Die dominate Gruppe sind hier die Milchsäurebakterien der Gattung Lactobacillus sowie Streptokokken, während Enterobacteria, Clostridium, Eubacterium und Bifidobacterium eine geringere Prävalenz aufweisen (CONWAY 1994;JENSEN 2001;MELIN 2001). Ferner finden sich im MDT Bakterien der Gattung Bacteroides und Escherichia
(AMTSBERG 1984). Diese gehören alle der autochthonen Flora des MDT an und sind dessen ständige Bewohner. Sie vermehren sich dort in einem Maße, dass die Balance durch den natürlichen Verdauungsvorgang nicht deutlich beeinträchtigt wird. Bereits das Ileum bietet günstigere Lebensbedingungen für die Mikroflora als die vorhergehenden Abschnitte, was sich in einer größeren Vielfalt an Mikroorganismen zeigt. Es konnten dort Lactobacillus, Streptococcus, Clostridium, Enterobakterien, Bacillus und Bacteroides nachgewiesen werden (CONWAY 1994; JENSEN 2001; HILL ET AL. 2005). Der Dickdarm bietet die besten Bedingungen für die Darmflora, was sich sowohl in der Menge, der Vielfalt als auch der Stabilität der Mikroorganismenpopulation ausdrückt (JENSEN U.JORGENSEN 1994;EWING U. COLE 1994). Nach AMTSBERG (1984) kommen außerdem apathogene oder fakultativ pathogene Spezies wie z.B. Klebsiellen, Pseudomonaden und Staphylokokken in verhälnismäßig geringen Mengen im Darm vor, welche der transienten, also den Darmtrakt passierenden Flora angehören.
Physiologischerweise befindet sich die Magen-Darm-Flora im Zustand der Eubiose, d.h. die quantitativen Anteile liegen im Gleichgewicht vor (HAENEL 1960). Wird dieses Gleichgewicht durch Einflussfaktoren wie eine Fütterungsumstellung, eine antibiotische Behandlung (LOOFT ET AL. 2014) oder aber allgemein eine Funktionsstörung des MDT verändert, kann eine Dysbiose entstehen (HAENEL 1982;KAMPHUES 2010) in deren Folge es zu einer Besiedelung des Darmes mit pathogenen Mikroorganismen kommen kann. Auch GEDEK ET AL. (1992) konnten in einer Studie zum Einfluss verschiedener Wirkstoffe (Fumarsäure, Salzsäure, Natriumformiat, Tylosin und Toyocerin) auf die Mikroflora des Gastrointestinaltraktes feststellen, dass u.a. Tylosin die Summe der Repräsentanten der Hauptflora im Ileum gesichert reduzierte.
VAN DER WAAIJ ET AL. (1971) beschrieben ein „colonization resistance“ genanntes Phänomen, in dessen Zuge die stabile residente Flora die Ansiedlung pathogener Mikroorganismen verhindert.