Tierärztliche Hochschule Hannover Physiologisches Institut
Bedeutung von Kalium und Insulin für die Motilität der Labmagenmuskulatur
INAUGURAL-DISSERTATION Zur Erlangung des Grades einer
Doktorin der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae -
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von
Gesche Türck, geb. Onken aus Hamburg
Hannover 2009
Wissenschaftliche Betreuung: PD Dr. S. Leonhard-Marek
1. Gutachter: PD Dr. S. Leonhard-Marek
2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. J. Rehage
Tag der mündlichen Prüfung: 18.05.2009
Diese Arbeit wurde mit finanziellen Mitteln der H. Wilhelm Schaumann Stiftung (Gesche Türck) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (LE 824/4 und 5) durchgeführt.
Für Nils, Matti und die Hühner
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung... 11
2 Literaturübersicht... 13
2.1 Der Labmagen ... 13
2.1.1 Anatomie des Labmagens ... 13
2.1.2 Enterisches Nervensystem ... 14
2.1.3 Glatte Muskelzellen (Textus muscularis nonstriatus) ... 14
2.1.4 Kontraktionsmechanismus ... 15
2.1.5 Labmagenmotilität... 16
2.1.5.1 Physiologie der Labmagenmotilität ... 16
2.1.5.2 Labmagenverlagerung ... 17
2.2 Kalium ... 18
2.2.1 Kaliumhomöostase... 18
2.2.1.1 Aufnahme und Elimination ... 19
2.2.1.2 Verteilung zwischen Intra- und Extrazellulärraum ... 20
2.2.1.3 Imbalancen im Kaliumhaushalt ... 21
2.2.1.3.1 Hypokaliämie ... 21
2.2.1.3.2 Hyperkaliämie ... 22
2.2.2 Regulation des Kaliumhaushaltes ... 23
2.3 Insulin... 25
2.3.1 Insulinhomöostase ... 25
2.3.1.1 Struktur und Biosynthese von Insulin ... 26
2.3.1.2 Sekretion und Abbau von Insulin ... 27
2.3.1.3 Signaltransduktion am Erfolgsorgan ... 29
2.3.2 Insulinresistenzphänomen ... 30
2.3.3 Beeinflussung der Labmagenmotilität durch Insulin ... 36
2.4 Hypothese ... 37
3 Material und Methoden... 38
3.1 In-vitro-Motilitätsmessung der Labmagenmuskulatur ... 38
3.1.1 Versuchstiere ... 38
3.1.2 Entnahme der Muskelstreifen... 38
3.1.3 Präparation der Zirkulär- und Längsmuskelstreifen... 38
3.1.4 Messung der mechanischen Aktivität der Muskelstreifen... 39
3.1.4.1 Versuchsvorrichtung ... 39
3.1.4.2 Versuchsschemata ... 40
3.1.4.3 Motilitätsparameter ... 41
3.2 In-vivo-Versuch: Bestimmung des Labmageneffluxes bei intravenöser Applikation von Insulin und Kalium ... 41
3.2.1 Versuchstiere ... 41
3.2.2 Versuchsaufbau ... 43
3.2.2.1 Vorbereitung der Versuchstiere ... 43
3.2.2.2 Vorbereitung der Infusionslösungen ... 43
3.2.2.3 Ablauf des hyperinsulinämischen, euglykämischen Clamptests mit gleichzeitiger Labmageneffluxmessung ... 44
3.2.3 Analysen ... 45
3.2.3.1 Insulin... 45
3.2.3.2 Kalium ... 46
3.2.3.3 Chrom ... 46
3.2.3.4 Berechnung des Labmageneffluxes... 47
3.3 Statistik... 49
4 Ergebnisse ... 50
4.1 In-vitro-Versuch ... 50
4.1.1 Aktivität der circulären Corpusmuskulatur... 50
4.1.1.1 Basale Aktivität der circulären Corpusmuskulatur... 50
4.1.1.2 Wirkung steigender Kaliumgaben auf die circuläre Corpusmuskulatur... 53
4.1.1.3 Wirkung steigender Insulingaben auf die circuläre Corpusmuskulatur... 62
4.1.1.4 Wirkung von Insulin bei steigenden Kaliumgaben auf die circuläre
Corpusmuskulatur... 67
4.1.1.5 Wirkung von Insulin in Anwesenheit von Barium ... 71
4.1.1.6 Wirkung von Insulin in Anwesenheit von Glybenclamid ... 74
4.1.1.7 Wirkung von Insulin in Anwesenheit von Ouabain ... 76
4.1.2 Aktivität der circulären Pylorusmuskulatur ... 78
4.1.2.1 Basale Aktivität der circulären Pylorusmuskulatur ... 78
4.1.2.2 Wirkung steigender Kaliumgaben auf die circuläre Pylorusmuskulatur ... 81
4.1.2.3 Wirkung steigender Insulingaben auf die circuläre Pylorusmuskulatur ... 89
4.1.3 Aktivität der longitudinalen Corpusmuskulatur ... 97
4.1.3.1 Wirkung steigender Insulingaben auf die longitudinale Corpusmuskulatur... 97
4.2 In-vivo-Versuch ... 99
4.2.1 Insulinkonzentrationen ... 100
4.2.2 Kaliumkonzentrationen... 101
4.2.3 Labmagenefflux... 104
5 Diskussion ... 107
5.1 In-vitro-Versuch ... 107
5.1.1 Reaktionen isolierter Labmagenmuskulatur auf Änderungen der extrazellulären Kaliumkonzentration... 108
5.1.2 Reaktionen isolierter Labmagenmuskulatur auf Änderungen der extrazellulären Insulinkonzentration ... 110
5.1.2.1 Keine Reaktion der Muskulatur auf Insulingaben... 111
5.1.2.2 Stimulation der Muskulatur durch Insulingaben ... 111
5.1.2.3 Hemmung der Muskulatur durch Insulingaben... 111
5.1.2.4 Mechanismen der Insulinhemmung ... 113
5.1.2.4.1 Wirkung von Kalium in Anwesenheit von Insulin... 113
5.1.2.4.2 Wirkung von Insulin in Anwesenheit von Barium ... 114
5.1.2.4.3 Wirkung von Insulin in Anwesenheit von Glybenclamid ... 115
5.1.2.4.4 Wirkung von Insulin in Anwesenheit von Ouabain ... 116
5.1.2.4.5 Zusammenfassung der möglichen Mechanismen... 116
5.2 In-vivo-Versuch ... 117
5.2.1 Insulinkonzentrationen ... 118
5.2.2 Kaliumkonzentrationen... 119
5.2.3 Efflux ... 121
5.2.3.1 Diskussion der Methode... 121
5.2.3.2 Diskussion der Ergebnisse... 121
6 Schlussfolgerungen ... 124
7 Zusammenfassung ... 126
8 Summary ... 129
9 Literaturverzeichnis ... 131
10 Anhang ... 168
10.1 Versuchsschemata... 168
10.1.1 Kalium ... 168
10.1.2 Insulin... 169
10.1.3 Weiterführende Untersuchungen ... 170
10.2 Verlauf der Blutglukosekonzentration im In-vivo-Versuch ... 172
10.3 Verwendete Substanzen ... 172
10.3.1 In-vitro-Versuch... 172
10.3.2 In-vivo-Versuch ... 173
11 Danksagung ... 175
Abkürzungsverzeichnis
°C Grad Celcius µg Mikrogramm µl Mikroliter µU Mikrounits a. p. ante partum
ATP Adenosin 5'-Triphosphat C Kohlenstoff
Ca2+ Kalzium
CaCl2 Kalziumchlorid Cl- Chlor
cm Zentimeter
CO2 Kohlenstoffdioxid Cr3+ Chrom CrCl3 Chromchlorid d Tag
dest. destilliert
EDTA Ethylendiamintetraessigsäure ENS Enterisches Nervensystem g Gramm
GLUT Glucosetransporter Glyb. Glybenclamid
ICC Interstitielle Zellen nach Cajal Ins. Insulin
h Stunde h2 Heritabilität H2SO4 Schwefelsäure HCl Salzsäure HCO3-
Bicarbonat
I. E. Internationale Einheiten
K+ Kalium
KCl Kaliumchlorid kg Kilogramm KGW Körpergewicht l Liter
LMV Labmagenverlagerung MgCl2 Magnesiumchlorid min Minute
ml Milliliter mM Millimolar mmol Millimol mN Millinewton mU Milliunits Na+ Natrium
NaCl Natriumchlorid NaHCO3 Natriumbicarbonat
NaH2PO4 Natriumdihydrogenphosphat NEFA Non esterified fatty acid Ouab. Ouabain
O2 Sauerstoff p.p. post partum rpm rounds per minute
SGK 1 serum and glucocorticoid-inducible kinase SSIK steady-state Insulinkonzentration
U Units
VIP Vasoaktives Intestinales Polypeptid ZNS Zentralnervensystem
1 Einleitung
Die Labmagenverlagerung ist eine der häufigsten und bedeutsamsten Erkrankungen hochleistender Milchkühe in der Frühlaktation. Aufgrund von Tierarztkosten, Milcheinbußen, Fruchtbarkeitsstörungen und Tierverlusten entstehen zum Teil erhebliche wirtschaftliche Schäden (GEISHAUSER et al. 2000). Die Pathogenese dieser Erkrankung ist bislang nur unzureichend geklärt. Neben verschiedenen anderen Faktoren wird eine Beteiligung von Imbalancen in der Kalium- und Insulinhomöostase an der Entstehung der Labmagenverlagerung diskutiert.
Kalium wird mit der Nahrung aufgenommen und v. a. über die Niere, aber auch über die Milch abgegeben. Es spielt eine wichtige Rolle in der Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials und ist somit maßgeblich an der Erregbarkeit von Muskeln und Nerven beteiligt. Während hohe Kaliumkonzentrationen schnell zum Tod des Tieres führen, kommt es durch lang andauernde niedrige Kaliumwerte im Blut zu einer schlechten Entwicklung und einer geringen Leistungsbereitschaft, ohne dass bereits die typischen Symptome einer Hypokaliämie, wie z. B. Muskellähmungen auftreten (ROBERTS u. OMER 1965;
TELLE et al. 1964). Niedrige Blutkaliumspiegel stellen sich v. a. bei reduzierter oder absolut eingestellter Futteraufnahme ein (RABINOWITZ et al. 1988), was u. a.
infolge von Labmagenverlagerungen beobachtet wird, treten aber auch im Zusammenhang mit hohen Insulinkonzentrationen im Blut auf, da Insulin die Aufnahme von Kalium in die Körperzellen fördert (VAN MEIRHAEGHE 1988).
Hyperinsulinämien werden sehr häufig im Zusammenhang mit Labmagenverlagerungen beobachtet (OK et al. 2000). Ob die Insulinwerte allerdings bereits vor der Labmagenverlagerung ansteigen oder dies eine Folge der Erkrankung ist, ist noch nicht abschließend geklärt. Fest steht jedoch, dass Insulin nicht nur einen hemmenden Einfluss auf den Labmagenefflux hat (HOLTENIUS et al. 2000), sondern dass es auch bei Kühen mit anhaltend hohen Insulinspiegeln post operationem zu verlängerten Motilitätsstörungen des Labmagens kommt (PRAVETTONI et al. 2004).
Aufgrund der postpartalen und in besonderem Maße mit Labmagenverlagerungen beobachteten Kalium- und Insulinimbalancen und der gegenseitigen Beeinflussung dieser Faktoren ist es das Ziel dieser Arbeit, den Einfluss von Insulin und Kalium auf die Motilität der Labmagenmuskulatur durch Untersuchungen in-vitro und in-vivo darzustellen und zu klären, inwiefern eine mögliche hemmende Wirkung des Insulins auf veränderte Kaliumgradienten an der glatten Muskulatur zurückzuführen ist.
2 Literaturübersicht
2.1 Der Labmagen
2.1.1 Anatomie des Labmagens
Der rechts vom Pansen gelegene Labmagen besteht aus drei Teilen: Fundus, Corpus und Pars pylorica. Während sich der dilatierte Fundus nahezu in der Medianen direkt kaudal der Haube befindet, schiebt sich das eher konische Corpus hinter und unter den Blättermagen und wendet sich nach rechts. Die Pars pylorica zieht im Bereich des rechten Rippenbogens nach dorsal und geht schließlich am Musculus sphincter pylori in das Duodenum über (VOLLMERHAUS u. ROOS 1999).
Über das Omentum minus ist der Labmagen mit der ventralen, über das Omentum majus mit der dorsalen Bauchwand verbunden (KÖNIG et al. 1999). Die Labmagenwand besteht aus fünf verschiedenen Schichten:
• Tunica serosa
• Tela subserosa
• Tunica muscularis
- Longitudinale Muskulatur
- Zirkuläre Muskulatur
• Tela submucosa
• Tunica mucosa (LIEBICH 1999).
Die Tunica muscularis besteht aus zwei Lagen glatter Muskulatur. Die äußere Längsmuskulatur zieht vom Blättermagen her den gesamten Labmagen entlang, wird in der Pars pylorica kräftiger und geht letztlich nahtlos ins Duodenum über. Auch die innere Ringmuskulatur ist Bestandteil aller drei Labmagenabschnitte und bildet, bevor auch sie in den Dünndarm übergeht, den Musculus sphincter pylori (VOLLMERHAUS u. ROOS 1999). Die Innervation des Labmagens ist vegetativ. Der Plexus coeliacus entlässt sympathische Fasern, die u. a. den Plexus gastricus bilden, der die sympathische Versorgung des Labmagens übernimmt. Die parasympathischen Äste entstammen dem Nervus vagus und zwar sowohl aus dem dorsalen als auch aus dem ventralen Truncus vagalis (KÖNIG et al. 1999).
2.1.2 Enterisches Nervensystem
Das in der Wand des Magen-Darmtrakts lokalisierte enterische Nervensystem verfügt über eigene sensorische Neurone, Interneurone und Motoneurone, so dass es in der Lage ist, Reflexe (wie z. B. den Transport des Chymus durch Kontraktion oral gelegener Muskulatur bei gleichzeitiger aboraler Relaxation) unabhängig vom ZNS oder dem vegetativen Nervensystem zu vermitteln (GERSHON et al. 1994).
Sensorische Neurone registrieren über Chemo- oder Mechanorezeptoren verschiedene Stimuli wie Nährstoffgehalt, Osmolarität oder pH-Wert bzw.
Wandspannung, intraluminale Drücke, Scherreize oder Volumenänderungen (WOOD 1994). Vermutlich kodieren dabei afferente Nervenzellen lediglich die sensorischen Stimuli, während die Aufgabe der eigentlichen Sensorfunktion anderen Zellen, z. B.
enterochromaffinen Zellen, obliegt (SCHEMANN 2000). Interneurone stellen die Kommunikation innerhalb des enterischen Nervensystems sicher (WOOD 1994). Die hemmenden und erregenden Motoneurone schließlich modulieren Effektoren, wie die glatte Muskulatur (vor allem über ICC, interstitielle Zellen nach Cajal), sekretorische Zellen oder Blutgefäße (WOOD 1994). Bis heute sind über 20 Neurotransmitter und noch mehr Neuromodulatoren identifiziert, die an der Vermittlung der synaptischen Vorgänge im enterischen Nervensystem beteiligt sind (MC CONALOGUE u.
FURNESS 1994).
2.1.3 Glatte Muskelzellen (Textus muscularis nonstriatus)
Die glatte Muskulatur erhielt ihren Namen durch das Fehlen einer erkennbaren geordneten Myofibrillenstruktur. Bei den in der Labmagenwand vorkommenden glatten Muskelzellen handelt es sich um den „Single-unit“-Muskeltyp, bei dem die Zellen über sogenannte Nexus (gap junctions) in direkter Verbindung stehen (LIEBICH 1999).
Der Zellkern befindet sich stets zentral im Sarkoplasma, das neben zahlreichen Sarkosomen auch ein unterschiedlich stark ausgebildetes sarkoplasmatisches Retikulum enthält, das als Kalziumspeicher dient (LIEBICH 1999). Nicht kontraktile intermediäre Mikrofilamente (Desmin) bilden das Zytoskelett der Zelle. Die Myofilamente (Aktin-, Myosin- und Intermediärfilamente) verlaufen netzartig ohne
erkennbare regelmäßige Anordnung. Während die Aktin- und Intermediärfilamente an sogenannten Haftplatten inserieren, bestehen die Myosinfilamente aus löslichen Proteinen, die sich während der Kontraktion verdichten, so dass die Aktinfilamente über sie hinweggleiten können (RÜEGG 2000). Auf der Oberfläche der glatten Muskelzelle befindet sich ein Netz aus überwiegend Kollagen- und Retikulinfasern, in dem auch Fasern des ENS verlaufen. Diese ziehen direkt an das Plasmalemm der Muskelzelle, die auf der Zelloberfläche eine Vielzahl von adrenergen und cholinergen Rezeptoren aufweist.
2.1.4 Kontraktionsmechanismus
Bei einer Erregung der glatten Muskelzelle erhöht sich die intrazelluläre Kalziumkonzentration einerseits transient durch einen Einstrom von Kalzium über rezeptorgesteuerte Kanäle und durch eine IP3-vermittelte Freisetzung von Kalziumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum und andererseits langfristig durch Öffnen spannungsabhängiger Kalziumkanäle. Kalmodulin bindet das Kalzium und kann nun zum einen die Myosin-Kinase, die ihrerseits durch Phosphorylierung der Myosinfilamente die Myosin-ATPase aktiviert, und zum anderen eine Proteinkinase aktivieren, die das Hemmprotein Caldesmon der Myosinbindungsstelle des Aktins phosphoryliert und somit eine Bindung an den Kalzium-Kalmodulin- Komplex ermöglicht (RÜEGG 2000). In der Folge kommt es zu einer Interaktion zwischen Aktin und Myosin, wobei die so gebildeten Myosinquerbrücken unter ATP- Spaltung zyklisch tätig sind. Die Trennung der Filamente erfolgt durch Abkopplung der an das Myosin angehängten Phosphatgruppen durch die Myosinphosphatase.
Bei der Muskelrelaxation wird Kalzium in das sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt und durch ATP-getriebene Kalziumpumpen und Na+/Ca2+- Austauscher in den Extrazellulärraum befördert (SOMLYO u. SOMLYO 1994).
Bei den glatten Muskelzellen vom single-unit-Typ entstehen die zur Kontraktion führenden Aktionspotentiale nicht neurogen sondern myogen in sogenannten Schrittmacherzellen, den interstitiellen Zellen nach Cajal (ICC) (SANDER 1996). Man unterscheidet zwei ICC-Typen: ICC-MY, die zwischen Zirkulär- und Längsmuskulatur anzutreffen sind, und die ICC-IM, die innerhalb der Muskelbündel liegen (BURNS et al. 1995). ICC haben kein gleichbleibendes Ruhepotential sondern weisen langsame
rhythmische Schwankungen auf (SANDER 1996). Verantwortlich für die Entstehung dieser sogenannten slow waves ist die Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration, die u. a. auf einer Freisetzung aus den Mitochondrien beruht, da eine Hemmung mitochondrialer Aktivität die Frequenz der slow waves reduziert (SUZUKI et al. 2006). Slow waves führen bei den ICC zu schnellen Depolarisationen mit anschließender Plateauphase, aber nicht zwangsläufig zu Kontraktionen der glatten Muskelzellen. Allerdings konnte eine positive Korrelation zwischen der Amplitudenhöhe der slow waves und dem Auftreten von Kontraktionen der zirkulären Muskelschicht festgestellt werden (THUNEBERG 1989). Kommt es jedoch Acetylcholin-vermittelt zu einem extrazellulären Kalziumeintritt in die Schrittmacherzelle, folgt eine Depolarisation mit einem weiteren Einstrom von Kalzium durch potentialgesteuerte Kanäle, was zu einer Erhöhung und Verbreiterung des Plateaus führt. Die Dauer des Plateaus bestimmt die Dauer der Kontraktion (EHRLEIN 2000).
Über die gap junctions (Nexus) genannten niederohmigen Zellkontakte kann sich die Depolarisation einer bereits erregten Zelle elektrotonisch auf benachbarte Muskelzellen übertragen (KOMURO et al. 1999). Sobald deren Membran durch den lokal über die gap junctions fließenden Strom bis zur Schwelle der spannungsabhängigen Kalziumkanäle depolarisiert ist, erfolgt ein Aktionspotential, das daraufhin weitere elektrotonisch gekoppelte Muskelzellen erregt (RÜEGG 2000).
2.1.5 Labmagenmotilität
2.1.5.1 Physiologie der Labmagenmotilität
Unter dem Aspekt der motorischen Funktion wird am Labmagen ein Magenspeicher und eine Magenpumpe unterschieden. Die Motorik des Labmagens besteht aus Spannungsänderungen des Magenspeichers und peristaltischen Wellen, die am Magenkörper beginnen und zum Pylorus hin verlaufen. Im Bereich des Magenspeichers sind sie jedoch nur schwach an der Oberfläche bemerkbar, an der Magenpumpe hingegen werden sie zu stärkeren Einschnürungen, die sich in Ringen auf den Pylorus zubewegen (PFEFFER 1987). Bei dem Entleerungsmechanismus der Magenpumpe können drei Phasen unterschieden werden:
1. Phase des Vorschubs: während des Ablaufs der peristaltischen Wellen über die proximale Magenpumpe erschlafft der zuvor kontrahierte distale Abschnitt (EHRLEIN 2000).
2. Phase der Entleerung und Durchmischung: Erreichen die Wellen die Mitte der Magenpumpe, öffnet der M. sphincter pylori reflektorisch, während er sich bei Ankunft der Kontraktionen am Sphincter bereits verschlossen hat (HILL 1969), der Mageninhalt wird also nicht in den Darm gepresst, sondern gespült.
3. Phase der Rücktreibung und Zerkleinerung: durch den nicht vollständigen Verschluss am mittleren Abschnitt der Magenpumpe, kommt es zu einem Rückfluss von Chymus in den proximalen Teil (EHRLEIN 2000).
Diese Phasen treten aufgrund der den peristaltischen Wellen zu Grunde liegenden slow waves zwar im Allgemeinen zyklisch ein, werden jedoch in erster Linie durch vago-vagale Reflexschaltkreise moduliert (COTTRELL u. STANLEY 1992;
COTTRELL 1994). Die abomasale Effluxmenge ist durch Auslösung dieser Reflexe u. a. abhängig von der Relaxation des Magenspeichers, der Einschnürungstiefe der peristaltischen Wellen, der Weite des Pylorus, der rezeptiven Erschlaffung des Duodenums, der Art der Duodenalkontraktionen und der Intensität der Fütterung (MALBER u. RUCKEBUSCH 1991; LESTER u. BOLTON 1994). Zu einem verzögerten Übertritt von Chymus ins Duodenum kommt es z. B. durch eine langandauernde Erschlaffung des Magenspeichers, eine geringe Einschnürungstiefe der Kontraktionen, eine ungenügende Relaxation von M. sphincter pylori oder Duodenum und eine geringe Aktivität der duodenalen Muskelkontraktionen, die den Chymus von oral nach aboral transportieren (EHRLEIN 2000). Neben der Aktivität der Muskulatur des Magens selber ist also auch die des Dünndarms von Bedeutung für die Entleerung des Magens (VAUPEL 2000).
2.1.5.2 Labmagenverlagerung
Das Krankheitsbild der Labmagenverlagerung wurde 1950 das erste Mal an einem sechs Jahre alten Shorthorn-Rind (FORD 1950) beschrieben und tritt seither zunehmend häufiger vor allem bei hochleistenden Milchrindern in den ersten Wochen nach der Abkalbung auf (CONSTABLE et al. 1992). Als wesentliche, die Entstehung der Labmagenverlagerung bedingende Voraussetzung gilt eine
abomasale Gasansammlung in Kombination mit einer Atonie der Labmagenmuskulatur bei ausreichendem abdominalen Platzangebot (z. B.
großrahmige Tiere) (GEISHAUSER 1995; STÖBER u. SARATSIS 1974). Die ursächlichen Faktoren für die Entstehung von Gas und verminderter Motorik sind jedoch bislang nur unzureichend geklärt, vermutet wird ein multifaktorielles Geschehen. Als mögliche Auslöser der Atonien der Labmagenmuskulatur werden neben hohen Plasmakonzentrationen an kurzkettigen Fettsäuren (LE BLANC et al.
2005; ZADNIK 2003), Ketonkörpern (ROHRBACH et al. 1999), Hypokalzämien (DANIEL 1983), Endotoxinen (ROHRBACH et al. 1999; VLAMINCK et al. 1985), Alkalosen (POULSEN 1976) und Hyperglykämien (HOLTENIUS et al. 2000) auch hohe Insulinkonzentrationen im Zuge von Insulinresistenzen diskutiert (VAN MEIRHAEGHE et al. 1988 a). Außerdem werden im Zusammenhang mit Labmagenverlagerungen häufig niedrige Kaliumkonzentration im Blut nachgewiesen (ESPERSEN u. SIMENSEN 1961), die durch reduzierte Nahrungsaufnahme (RABINOWITZ et al. 1988), hohe Insulinkonzentrationen (VAN MEIRHAEGHE 1988) und/oder abomasalen Reflux mit folgender Alkalose bedingt sein können (ROSSOW 1995).
Die Rollen von Kalium und Insulin im Stoffwechselgeschehen mit Hinblick auf eine mögliche Beteiligung an der Pathogenese der Labmagenverlagerung werden im Folgenden ausgeführt.
2.2 Kalium
2.2.1 Kaliumhomöostase
Kalium ist ein starker Elektrolyt, der in wässriger Lösung vollständig ionisiert vorliegt und aufgrund seiner geringen Tendenz, Komplexe zu bilden, im Körper vorwiegend dem Transport von Ladungen dient. Als monovalentes Kation spielt es eine bedeutende Rolle in der Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials und somit in der neuromuskulären Erregbarkeit (PETRIDES 1997).
Die Referenzwerte der Plasma-Kaliumkonzentrationen beim Rind werden mit 3,5 bis 5,0 mmol/l (VETMEDLABOR 2007; SEJERSTED u. SJOGAARD 2000), bzw. mit 4,0
bis 5,0 mmol/l (STÖBER u. GRÜNDER 1990) angegeben. Allerdings befinden sich nur ca. zwei Prozent des Kaliums in der extrazellulären Flüssigkeit, so dass die Kaliumwerte im Plasma nicht unbedingt die Gesamtsituation im Stoffwechselgeschehen wiederspiegeln (BROBST 1986). Die große Mehrheit des Kaliumgehaltes im Körper befindet sich im intrazellulären Bereich, vor allem in den Skelettmuskelzellen, wo Kalium in Konzentrationen von ungefähr 120 – 140 mmol/l vorliegt (SEJERSTED u. SJOGAARD 2000). Demzufolge können Diffusionsprozesse den Kaliumgehalt im Plasma grundsätzlich beeinflussen. Die Konzentration von Kalium im Plasma wird also durch zwei Komponenten bestimmt: die äußere (die Differenz zwischen Aufnahme und Elimination) und die innere Kaliumbalance (die Verlagerung der Ionen zwischen Intra- und Extrazellulärflüssigkeit) (BROBST 1986).
2.2.1.1 Aufnahme und Elimination
Kalium wird mit der Nahrung aufgenommen, wobei der Gehalt im Futter bei laktierenden Kühen 0,8 % und bei güsten Tieren 0,5 % in der Trockenmasse betragen sollte. Bei Nicht-Wiederkäuern wird über 85 % des mit der Nahrung aufgenommenen Kaliums resorbiert, vorwiegend im Dünndarm und parazellulär mittels solvent drag aufgrund der großen Durchlässigkeit der Zonulae occludentes (FROMM u. HIERHOLZER 2000). Auch bei Kühen werden zwischen 72 und 97 % des aufgenommenen Kaliums resorbiert (KHORASANI et al 1997; BANNINK et al.
1999), wobei bei hohem Kaliumangebot im Futter auch präduodenale Bereiche zur Resorption beitragen können. Kalium wird bei laktierenden Kühen zu 75 % mit dem Urin, zu 13 % mit dem Kot und zu 12 % mit der Milch ausgeschieden (WARD 1966), bei nicht laktierenden Schafen werden 90 % des aufgenommenen Kaliums über die Nieren ausgeschieden (DEWHURST et al. 1968). Die Höhe der Kaliumexkretion steht in engem Zusammenhang mit der Nahrungsaufnahme. RABINOWITZ et al. (1988) konnten zeigen, dass es bei Schafen nach der Fütterung zu einer gesteigerten Kaliumausscheidung kam, wobei die Kaliumkonzentration im Urin umso größer war, je mehr Kalium mit dem Futter aufgenommen wurde. An Tagen, an denen die Tiere nicht gefüttert wurden, blieb der Peak in der Kaliumexkretion aus.
In der Niere wird Kalium in den Glomerula filtriert und der größte Teil im proximalen Tubulus und der Henle-Schleife wieder resorbiert, um schließlich in die Lumina der
distalen Tubuli und der Sammelgänge sezerniert zu werden. Die Exkretion ist ein aktiver ATP-abhängiger Austausch gegen Natrium bzw. Wasserstoff (SWEENEY 1999).
2.2.1.2 Verteilung zwischen Intra- und Extrazellulärraum
Eine wichtige Voraussetzung für alle Lebensvorgänge ist die Aufrechterhaltung einer hohen extrazellulären Natrium- sowie einer hohen intrazellulären Kaliumkonzentration. Da die Zellmembran für geladene Ionen nur schwer permeabel ist, wird diese Ionenverteilung durch die Aktivität der Na+/K+-ATPase erreicht, die den aktiven Transport von drei Natrium- und zwei Kaliumionen durch die Zellmembran katalysiert. Bei dieser Ionenpumpe handelt es sich um ein tetrameres Protein mit zwei α- und zwei β-Untereinheiten. Erstere enthalten die Bindungsstelle für Natrium, Kalium und ATP (STRYER 1999). Da sowohl die α- als auch die β-Untereinheiten in drei Subtypen vorkommen, entsteht eine Familie von Isoenzymen, die sich unterscheiden durch:
- ihre Affinität zu Natriumionen
- ihre hormonelle Regulierbarkeit (z. B. durch Schilddrüsenhormone, Insulin oder Glucocorticoide) und
- ihre zelluläre Lokalisation (PETRIDES 1997).
Aus dem Zellinneren kann Kalium über verschiedene Kanäle in den Extrazellularraum diffundieren. Kaliumkanäle stellen Homo- oder Heterotetramere dar. Die Monomeruntereinheiten werden von mindestens zehn Genen kodiert, von denen einzelne zusätzlich durch Spleißing unterschiedliche Domänenstrukruren hervorrufen können. Durch vielfältige Kombinationen dieser unterschiedlichen Genprodukte entsteht eine Vielzahl verschiedener Kaliumkanal-Isoformen (STRYER 1999). Damit ist die lokale Verteilung von Kaliumionen abhängig von der Anflutung mit dem Blut, der Aktivität der Na+/K+-ATPase und der Offenwahrscheinlichkeit und Leitfähigkeit der vorhandenen Kaliumkanäle.
2.2.1.3 Imbalancen im Kaliumhaushalt
Störungen im Kalium-Gleichgewicht zwischen Aufnahme und Elimination und zwischen Intra- und Extrazellulärraum können zu Hypo- und Hyperkaliämien führen, ohne dass der absolute Kaliumgehalt im Körper stark verändert ist. Insbesondere Störungen des Säure-Basen-Haushaltes und Hunger beeinflussen die Kaliumhomöostase (BROBST 1986; LUNN u. MC GUIRK 1990). Abbildung 1 gibt dazu eine Übersicht.
2.2.1.3.1 Hypokaliämie
Hypokaliämien durch Imbalancen im extrazellulären Raum können zum einen durch eine verminderte Kaliumaufnahme und zum anderen durch eine forcierte Ausscheidung entstehen. Eine zu geringe Kaliumkonzentration im Futter ist sehr selten und kann lediglich bei hochleistenden Milchkühen vorkommen, die überwiegend konzentratreiche Nahrung erhalten (WARD 1966). Weit häufiger sind niedrige Blutkaliumwerte im Zusammenhang mit unzureichender Futteraufnahme (z. B. durch Krankheit) zu beobachten. Insbesondere Tiere, die an kaliumreiche Nahrung adaptiert sind, können bei plötzlich ausbleibender Kaliumaufnahme die Ausscheidung nicht schnell und weit genug herunterregulieren, so dass es zur Entstehung von Hypokaliämien kommt. Diese sind allerdings in der Regel nicht so
K+ K+
K+
Intracellular Potassium Extracellular Potassium Acidosis
Excretion
Alkalosis Dietary intake
Abbildung 1: Faktoren, die das intra- und extrazelluläre Kalium-Gleichgewicht beeinflussen (SWEENEY 1999)
stark ausgeprägt, dass sie zu klinischen Symptomen führen (SWEENEY 1999).
Passagestörungen im Magendarmtrakt, wie sie unter anderem bei Labmagenverlagerungen auftreten, ziehen ebenfalls durch eine verminderte Resorptionsrate im Dünndarm geringe Blutkaliumspiegel nach sich (DELGADO- LECAROZ et al. 2000; TAGUCHI 1995).
Auch Gaben von Diuretika oder Niereninsuffizienzen können durch eine unzureichende Rückresorption des in der Niere filtrierten Kaliums zu einer Hypokaliämie führen (vermehrte Ausscheidung) (BROBST 1986; LUNN u. MC GUIRK 1990). Im Zuge von metabolischen Alkalosen kommt es ebenfalls zu einem Absinken der Kaliumspiegel im Blut (WARD et al. 1994) durch eine verstärkte Aufnahme von Kalium in die Zelle. Wasserstoff wird dabei im Antiport gegen Natrium aus der Zelle transportiert, welches wiederum über die Na+/K+-ATPase die Zellen verlässt. Auf gleichem Wege entsteht im Nierenepithel der distalen Tubuli zusätzlich ein größerer Diffusionsgradient für Kalium. Durch die zusätzlich verminderte Aktivität des K+/H+-Antiporters, um die Sekretion der H+-Ionen zu reduzieren, kommt es schließlich zu einer erhöhten Kaliumausscheidung (LUNN u. MC GUIRK 1990; MC GUIRK u. BUTLER 1980).
Auf zellulärer Ebene haben geringe Kaliumspiegel im Plasma und der extrazellulären Flüssigkeit ein vermehrtes Ausströmen von Kalium aus der Zelle über die verschiedenen Kaliumkanäle zur Folge, so dass die Zelle hyperpolarisiert. Ein Erreichen des Schwellenwertes zur Öffnung spannungsabhängiger Natrium- (Nerven- und Skelettmuskelzelle) oder Kalziumkanäle (glatte Muskelzelle), das zur Auslösung von Aktionspotentialen und Muskelkontraktionen führt, ist damit seltener (PETRIDES 1997).
Klinisch äußert sich eine Hypokaliämie demzufolge in erster Linie in Herzrhythmusstörungen und Skelettmuskelschwäche, die letztlich zu Festliegen in autauskultatorischer Haltung führt (SIELMAN et al. 1997).
2.2.1.3.2 Hyperkaliämie
Bei ausreichender Wasseraufnahme und funktionstüchtigen Nieren ist der Wiederkäuerstoffwechsel vor einer Hyperkaliämie durch eine schnell anpassungsfähige renale Kaliumausscheidung gut geschützt (SWEENEY 1999).
Daher liegen in den meisten Fällen hoher Kaliumkonzentrationen im Blut eine eingeschränkte Nierentätigkeit oder eine verminderte Aufnahme von Kalium in die Zellen vor. Azidosen z. B. werden im Körper unter anderem dadurch abgepuffert, dass bei hohen H+-Konzentrationen im Blut die Aktivität der Na+/H+-Transporter und im weiteren Verlauf auch die der Na+/K+-ATPasen reduziert ist, so dass weniger Kalium in die Zellen aufgenommen wird (TREMBLAY 1990).
Generell ist bei hohen Kaliumkonzentrationen in der extrazellulären Flüssigkeit die Diffusion von Kalium aus der Zelle durch die Kaliumkanäle vermindert. Das Zellinnere und damit das Membranpotential wird aufgrund dessen positiver, so dass das Schwellenpotential eher erreicht wird (PETRIDES 1997). Da jedoch die spannungsabhängigen Natrium- bzw. Kalziumkanäle nach ihrer Öffnung und zeitabhängigen Schließung zunächst refraktär sind, haben Hyperkaliämien im Endeffekt ähnliche klinische Symptome zur Folge wie Hypokaliämien, bradykarde Herzrhythmusstörungen stehen allerdings zunächst im Vordergrund (SWEENEY 1999). Bei Kühen führte eine experimentelle orale Applikation von 650 g KCl zum Tod der Tiere (DENNIS u. HARBAUGH 1948).
2.2.2 Regulation des Kaliumhaushaltes
Zur Vermeidung starker, ggf. lebensbedrohlicher Schwankungen der Blutkaliumwerte wird der (extrazelluläre) Kaliumhaushalt streng reguliert, insbesondere und primär über die Niere. Dabei scheint es zusätzlich zum klassischen Feedback-System bei der Regulation der Kaliumhomöostase einen weiteren Mechanismus zu geben, der einen Anstieg des Blutkaliums nach einer Mahlzeit verhindert: Postprandial kommt es zu einem Anstieg der renalen Kaliumexkretion, wobei genau die Menge ausgeschieden wird, die zuvor mit der Nahrung aufgenommen wurde (YOUN u.
MCDONOUGH 2009). Wie dieses „Feedforward-System“ genau funktioniert, ist ungeklärt. Denkbar wären Sensoren im Magendarmtrakt, die die resorbierte Kaliummenge registrieren und in entsprechendem Maße die renale Exkretion verstärken (YOUN u. MCDONOUGH 2009), nicht aber die Ausscheidungsmenge mit dem Kot verändern (ANDERSON u. PICKERING 1962; DEWHURST et al. 1968).
Wahrscheinlich ist diese stimulierte Ausscheidung über die Niere nicht auf das Mineralocorticoid Aldosteron zurückzuführen (GREEN u. RABINOWITZ 1979;
RABINOWITZ et al. 1984 a; RABINOWITZ u. SARASON 1980; RABINOWITZ, SARASON u. YAMAUCHI 1981). Zwar verstärkt Aldosteron im distalen Tubulus die Kaliumsekretion durch Stimulation der Na+/K+-ATPase (SWEENEY 1999), und auch RABINOWITZ et al. (1985) zeigten einen potenten kaliuretischen Effekt des Aldosterons am Schaf bei hohen Plasmakaliumwerten. Allerdings waren diese Werte nur durch KCl-Infusionen zu erzielen und konnten nicht im Zuge der Nahrungsaufnahme beobachtet werden.
Auch eine Beteiligung von HCO3-
und Glukagon an der postprandialen Kaliumexkretion ist unwahrscheinlich, da beides zumindest bei Schafen nicht bzw.
erst in pharmakologischen Dosen zu einer vermehrten Ausscheidung von Kalium über die Nieren führte (RABINOWITZ et al. 1984 b). Hingegen konnten RABINOWITZ et al. (1984 b) mit intravenösen Infusionen von Propionat und Acetat sowohl sinkende Kaliumspiegel im Plasma als auch eine verstärkte (Aldosteron- unabhängige) Kaliumexkretion erzielen. Eine mögliche Erklärung sehen die Autoren darin, dass die vermehrte Bereitstellung von Energie zu einer stärkeren (ATP- abhängigen) Kaliumsekretion in der Niere führen könnte. Propionat könnte allerdings auch über eine erhöhte Freisetzung von Insulin auf den Kaliumhaushalt wirken (DE JONG 1982).
Darüber hinaus ist die Kaliumexkretion vom Urinvolumen abhängig: eine forcierte Diurese erhöht die Kaliumausscheidung und umgekehrt wird sie durch eine geringe Urinmenge gehemmt (BROBST 1986; LUNN u. MC GUIRK 1990).
Zwar ist auch Insulin vermutlich nicht die Ursache der vermehrten postprandialen Kaliumausscheidung (RABINOWITZ et al. 1984 b), trägt aber dennoch maßgeblich zur Senkung der Kaliumkonzentration im Blut bei, indem es dessen Aufnahme in die Zellen verstärkt, so dass unter dem Einfluss von Insulin die intrazellulären Kaliumgehalte in der Leber, im Fettgewebe und in der Muskulatur ansteigen (VAN MEIRHAEGHE 1988; SWEENEY 1999). Es wurde z. B. gezeigt, dass Insulin den intrazellulären Kaliumgehalt im Zwerchfell von Ratten (KAMMINGA et al. 1950;
CREESE u. NORTHOVER 1961; CREESE 1968) im Musculus soleus von Ratten (CLAUSEN u. KOHN 1977; FLATMAN u. CLAUSEN 1965) und in der Froschmuskulatur (MANERY et al. 1950, 1977; SMILLIE u. MANERY 1960;
GOURLEY 1965) erhöht. Damit verhindert postprandial ausgeschüttetes Insulin gleichfalls im Sinne einer Feedforward Reaktion das übermäßige Ansteigen der Kaliumkonzentration im Plasma.
Diese durch Insulin bedingte erhöhte Kaliumaufnahme in die Muskelzellen konnte durch Ouabain, einem Hemmer der Na+/K+-ATPase, aufgehoben werden (CLAUSEN u. KOHN 1977; GOURLEY 1965; MANERY et al. 1977; ZEMKOVA et al. 1982).
Gleichzeitig reduziert Insulin den Natriumgehalt der Muskelzellen über eine Ouabain- sensitive Steigerung des Natriumeffluxes (CLAUSEN u. KOHN 1977; CREESE u.
NORTHOVER 1961; CREESE et al. 1968; CHINET u. CLAUSEN 1984; MOORE 1973; ERLIJ u. GRINSTEIN 1976; KITASATO et al. 1980a, b, c; ERLIJ 1984).
Zudem zeigten CLAUSEN und HANSEN (1977), dass Insulin die Ouabain- Bindungsrate steigerte, was, laut Autoren, für eine höhere Turnover-Rate der Na+/K+- ATPase sprechen würde. Die Stimulation der Na+/K+-ATPase bietet also eine mögliche Erklärung dafür, wie es zu einer vermehrten Aufnahme von Kalium in die Zellen kommt.
Im Gegensatz dazu ist Insulin allerdings auch in der Lage, die Aktivität (BERWECK et al. 1993) bzw. die Offenwahrscheinlichkeit (YASUI et al. 2007) von Kaliumkanälen zu erhöhen, so dass es in einigen Geweben im Endeffekt in Anwesenheit von Insulin zu einem Ausstrom von Kalium kommt.
2.3 Insulin
2.3.1 Insulinhomöostase
Für die physiologische Insulinkonzentration im Plasma von Rindern liegen keine offiziellen Referenzwerte vor. In verschiedenen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Insulinkonzentrationen im Plasma starken Schwankungen unterliegen. Die Angaben der Autoren über die Insulinwerte gesunder, trockenstehender, tragender Tiere variieren zwischen 8,9 (±2,4) µU/ml (KRÄFT 2004) und 27 (±3) µU/ml (SANO et al. 1993 b). Innerhalb eines Tages schwanken die basalen Insulinwerte zudem abhängig von der Fütterung: 2 - 4 h nach der letzten Mahlzeit steigen die Insulinwerte an und sinken dann wieder ab mit Erreichen des Minimums 12 – 16 h nach der letzten Fütterung. Eine Kuh im Zeitraum 17 bis 11
Wochen vor der Abkalbung weist deshalb an einem Tag Insulinwerte zwischen ca.
10 und 40 µU/ml auf (STAUFENBIEL et al. 1992). So erscheint nur ein Vergleich der Insulinwerte innerhalb einer Studie und nicht zwischen den einzelnen Untersuchungen sinnvoll.
Als anaboles Hormon stellt Insulin die Nährstoffversorgung (insulinabhängiger) Gewebe sicher. Am Ende der Trächtigkeit kommt es im mütterlichen Metabolismus jedoch allmählich zu einer Verschiebung der verschiedenen Metabolite zwischen dem Eutergewebe und den übrigen Körpergeweben, die u. a. auf veränderte Insulinspiegel im Blut zurückzuführen ist (MERSMANN 1987). Milchkühe in der Spätträchtigkeit und Frühlaktation haben daher in der Regel niedrigere Insulinkonzentrationen im Plasma als Tiere in der Mittel- und Spätlaktation und der Trockenstehzeit (GRIZARD et al. 1986; MALVEN et al. 1987; BAUMANN u. CURRIE 1980; BLUM et al. 1972). Außerdem treten Hypoinsulinämien im Hungerzustand auf (HOVE 1978 b; PETTERSON et al. 1994).
Hyperinsulinämien hingegen werden bei adipösen Tieren (MC CANN und REIMERS 1985; MC CANN et al. 1986), bei Tieren mit Laminitis, Mastitis oder Metritis (HOLTENIUS u. HOLTENIUS 1996) und bei Kühen mit Labmagenverlagerung beobachtet (OK et al. 2000; SEN et al. 2006).
2.3.1.1 Struktur und Biosynthese von Insulin
Das Proteohormon Insulin besteht aus zwei Peptidketten, einer sauren (A) und einer basischen (B), die an verschiedenen Positionen über Disulphidbrücken miteinander verbunden sind (siehe Abbildung 2).
S S A-Kette
Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn 5 10 15 21 S
S B-Kette
Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala 5 10 15 20 25 30
Abbildung 2: Die Aminosäuresequenz von Rinderinsulin (STRYER 1999)
Insulin wird in den β-Zellen des Langerhansschen Inselapparates gebildet und gespeichert (MARTIN u. CRUMP 2003): Nach Transkription der mRNA im Zellkern und Translation im rauen endoplasmatischen Retikulum wird zunächst ein Insulinvorläufer, das Präproinsulin, gebildet, bei dem die A- und B-Kette über ein sogenanntes „connecting peptide“ (C-Peptid) miteinander verbunden sind. Dieses C- Peptid ist in seiner Aminosäurenzusammensetzung, im Gegensatz zum restlichen Protein, bei den verschiedenen Säugetieren höchst variabel. Es folgt die Spaltung von Arginin-Arginin und Lysin-Arginin-Resten am C-Peptid durch Trypsin-like und Carboxypeptidase-like Enzyme sowie die Bildung von Disulphidbrücken zwischen der A- und B-Kette. Das daraus entstehende Proinsulin wird vom rauen endoplasmatischen Retikulum in den Golgi-Apparat überführt. Es wird in zytosolischen Granula bis zur Freisetzung gespeichert. Die definitive Überführung des Proinsulins in Insulin erfolgt durch Abspaltung der die beiden Kettenenden verbindenden Brücke (MARTIN u. CRUMP 2003).
2.3.1.2 Sekretion und Abbau von Insulin
Faktoren, die die Insulinsekretion stimulieren, sind Nährstoffe (z. B. Glukose, Galaktose, Mannose, Arginin, Lysin, Leucin, Alanin, Fettsäuren, Kalium und Kalzium), gastrointestinale Hormone (z. B. Glukagon, Sekretin und Cholezystokinin) und parasympathische oder β-adrenerge Stimuli. Auslöser für eine Hemmung der Insulinsekretion sind u. a. Fasten, Aufregung, Hypokalzämien, α-adrenerge Aktivität und gastrointestinale Hormone (z. B. Galanin und Somatostatin) (MARTIN u.
CRUMP 2003).
Beim Monogastrier gilt ein Anstieg des Blutzuckerspiegels als wichtigster Auslöser für den Mechanismus der Insulinfreisetzung. Mit der steigenden Konzentration im Blut wird vermehrt Glukose in die β-Zellen aufgenommen. Durch eine unmittelbare Metabolisierung der Glukose (durch eine hohe Glukokinaseaktivität), steigt die zytosolische ATP-Konzentration, die eine Reduktion der Offenwahrscheinlichkeit ATP-abhängiger Kaliumkanäle bedingt. Durch die verminderte Kaliumleitfähigkeit kommt es zu einer Anhebung des Ruhemembranpotentials und damit zu einer erhöhten Öffnungsrate spannungsabhängiger Kalziumkanäle. Der folgende
Kalziumeinstrom führt zu einer gesteigerten Exozytose der Insulingranula und damit zur Sekretion in die Blutbahn (LÖFFLER u. PETRIDES 1997).
Auch beim Wiederkäuer liegen verschiedene Untersuchungen über die Faktoren vor, die auf die Insulinsekretion Einfluss nehmen:
TRENKLE (1971) konnte zeigen, dass sowohl die basalen Insulinspiegel als auch die Insulinsekretionsrate bei gefütterten Schafen signifikant höher waren als die fastender Tiere, wohingegen sich bei der Eliminationsrate keine Unterschiede ergaben. Zumindest prepartum ist die Menge der Insulinsekretion nach Glukoseinfusionen dabei abhängig von der Fütterungsintensität: Sie nahm mit der Intensität der Fütterung zu (bei 71 MJ umsetzbarer Energie geringere Insulinsekretion als bei 177 MJ) (HOLTENIUS et al. 2003). Verschiedene Autoren konnten nachweisen, dass die Insulinsekretion vor allem von der Propionatkonzentration im Portalblut und einem prandial erhöhten Vagotonus abhängig ist (MANNS u. BODA 1967; MANNS et al. 1967; BLOOM u. EDWARDS 1981; SARTIN et al. 1985; MINEO et al. 1990; WEEKES 1991; GRIINARI et al.
1997). Darüber hinaus wurde in verschiedenen Studien die Insulinsekretion nach Infusion unterschiedlicher Substanzen überprüft. So konnte durch intravenöse.
Glukoseapplikationen bei Milchkühen der Insulingehalt im Blut erhöht werden (GIESECKE 1986), wobei SAKAI et al. (1996) eine stärkere Insulinantwort durch Xylitolgaben erzielten (Xylitol ist ein intermediär vorkommendes Pentose-Derivat, das keine Erhöhung des Blutzuckerspiegels bewirkt und daher auch „Diabetiker-Zucker“
genannt). Auch Fettsäureninfusionen, neben Propionat auch n-Butyrat und n-Valerat (nicht hingegen Acetat), hatten ansteigende Insulinkonzentrationen im Blut zur Folge (DE JONG 1982). Auch HORINO et al. (1968) zeigten einen Anstieg der Plasmainsulinspiegel durch Infusion von Fettsäuren mit drei bis acht C-Atomen.
Interessant dabei war, dass es zu keiner Erhöhung der Glukosekonzentration im Blut kam, die Fettsäuren also direkt und nicht etwa über eine Stimulierung der Glukoneogese die Insulinsekretion verstärkte. Die Autoren ziehen aus ihrer Studie den Schluss, dass Fettsäuren mit oben genannter Länge bei Wiederkäuern potentere Stimulatoren der Insulinsekretion sind als Glukose. Im Gegensatz dazu zeigten KNOWLTON et al. (1998) eine tendenziell stärkere Insulinantwort auf eine
abomasale als auf eine ruminale Stärkeinfusion. Des Weiteren konnten ODA et al.
(1986) an Ziegen den Nachweis erbringen, dass durch β-adrenerge Substanzen eine Insulinsekretion ausgelöst wird. Auch intravenöse Glukagonapplikationen erhöhen den Insulingehalt im Plasma (HOLTENIUS u. TRAVEN 1990).
Nach Stimulation der Insulinsekretion kommt es zu einem biphasischen Anstieg der Plasmakonzentration, der vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass zunächst eine Ausschüttung der Reserven erfolgt und dann eine Neuproduktion mit anschließender Freisetzung; bei hungernden Kühen ist nur ein monophasischer Anstieg des Insulingehaltes im Plasma festzustellen (HOVE 1978 b).
Neben reduzierten Insulinspiegeln im Hungerzustand (HOVE 1978 b) wurde nach Gabe von α-Adrenergika (ODA et al. 1986) eine Hemmung der Insulinfreisetzung beobachtet. Diese binden an α2-Rezeptoren der Plasmamembran der β-Zellen im Pankreas und hemmen den Kalziumeinstrom in die Zelle und damit die Freisetzung von Insulin (BROCKMAN 1986). In diesem Zusammenhang ist auch die mit Hypokalzämien (GOFF 1999) einhergehende verminderte Insulinsekretion zu sehen.
Zudem konnte Somatostatin bei Ziegen eine Glukose-induzierte Insulinsekretion kurzzeitig verhindern (MAGLAD et al. 1983), indem es Kaliumkanäle aktiviert und damit eine Depolarisation der β-Zellen verhindert (BROCKMAN 1986).
Abgebaut wird das in der Blutbahn zirkulierende Insulin enzymatisch in der Leber. Es hat im Serum eine Halbwertszeit von 10-15 Minuten. Bei der Bindung des Insulins an die Insulinrezeptoren der Zielzellen kommt es im Zuge der Signaltransduktion zu einer Internalisierung des Komplexes und zu einem anschließenden Abbau durch lysosomale Enzyme. Dabei werden die Disulphidbrücken durch die Glutathion- Insulin-Transhydrogenase gespalten und die entstandenen Ketten proteolytisch abgebaut (LÖFFLER u. PETRIDES 1997).
2.3.1.3 Signaltransduktion am Erfolgsorgan
Bei der Signaltransduktion werden drei Stadien unterschieden: Phosphorylierung des Insulinrezeptors, intrazelluläre Signalkaskade über second messenger und Translokation z. B. der Glukosetransporter.
Der Insulinrezeptor ist ein dimeres Molekül aus jeweils zwei gleichen α- und β- Untereinheiten, die über eine Disulphidbrücke miteinander verknüpft sind. Während die α-Untereinheiten auf der Zelloberfläche lokalisiert sind, befinden sich die β- Anteile v. a. im Zellinneren, haben allerdings auch transmembranäre und extrazelluläre Anteile (TORNQUIST u. AVRUCH 1988; TAYLOR 1991; LÖFFLER u.
PETRIDES 1997). Sie sind zudem mit einer Tyrosinkinase-Domäne ausgestattet (KAHN 1994). Die Bindung von Insulin an die α-Untereinheit führt zu einer Konformationsänderung der Untereinheiten und im Zuge dessen zu einem Wegfall der Hemmwirkung der α-Untereinheit auf die Tyrosinkinase der β-Untereinheit. Im weiteren Verlauf kommt es zu einer Autophosphorylierung einiger Tyrosylreste an der β-Untereinheit und in der Folge zu einer Internalisierung des Insulin-Rezeptor- Komplexes. Dieser Prozess löst durch sich intrazellulär ausbreitende second messenger-Systeme eine Kaskade an Phosphorylierungen und Dephosphorylierungen aus. Die entstehenden Botenstoffe sind in ihrer Wirkung auf das Endergebnis spezifisch. Die Phosphorylierung des Insulinrezeptorsubstrates stimuliert beispielsweise die Glykogensynthese, die des Guanosintriphosphats fördert Wachstum und Genexpression und die der Phosphoinositolphosphat-Kinase die Lipogenese, Proteinsynthese und die Translokation von Glukosetransportern (KAHN 1994).
2.3.2 Insulinresistenzphänomen
KAHN (1978) beschreibt die Insulinresistenz als einen Zustand, in dem die physiologische Insulinkonzentration eine verminderte Antwort erzeugt. BERSON und YALOW (1970) sehen in ihr eine Situation, in der eine größere Insulinmenge benötigt wird, um eine normale Reaktion hervorzurufen. Man spricht in diesem Fall von einer verminderten Insulinsensitivität, bei der eine höhere Insulinkonzentration nötig ist, um einen halbmaximalen biologischen Effekt (km-Wert) zu erzielen. Die Höhe des maximalen biologischen Effektes bleibt unverändert. Bei einer reduzierten Insulin- Response, die auch einer Insulinresistenz zugrunde liegen kann, ist hingegen der maximale Effekt des Insulins bei unverändertem km-Wert vermindert (RIZZA et al.
1981; SANO et al. 1991).
Auf molekularer Ebene können Abweichungen der Insulinwirkung im Körper an drei verschiedenen Lokalisationen ihren Ursprung nehmen:
1. Im Prärezeptor-Level (Insulinsekretionsrate reduziert)
2. Im Rezeptor-Level (verminderte Dichte oder Ansprechbarkeit der Rezeptoren) 3. Im Postrezeptor-Level (intrazelluläre Signalkaskade unterbrochen) (VERNON
u. SASAKI 1991)
Ein Defekt im Prärezeptor-Level bedingt in der Regel eine Hypoinsulinämie. Eine herabgesetzte Insulin-Response nimmt im Allgemeinen ihren Ursprung im Rezeptor- Level, während eine fehlerhafte Signalübertragung im Postrezeptor-Level Ursache einer reduzierten Insulin-Sensitivität ist.
HOLTENIUS und HOLTENIUS (1996) beschreiben bei der hochleistenden Milchkuh zwei verschiedene Diabetesformen:
1. Typ-I-Diabetes: Hypoinsulinämische und –glykämische Tiere (in der Frühlaktation bei negativer Energiebalance)
2. Typ-II-Diabetes: Hyperinsulinämische und –glykämische Tiere (häufig mit Krankheit wie Metritis, Mastitis oder Laminitis einhergehend)
Zur Prüfung der Insulin-Resistenzlage werden euglykämische Insulinclamps oder Glukosetoleranztests (GTT) durchgeführt. Im GTT, bei der Glukose intravenös verabreicht wird, können z. B. basale und maximale Plasmainsulinkonzentrationen, Glukose-Clearance, Verhältnis von Plasma-Glukose zu Plasma-Insulin und die Zeit bis zum Wiedererreichen normaler Glukosewerte bestimmt werden (HAYIRLI et al.
2001). Beim euglykämischen Clamp wird eine bestimmte Menge an Insulin infundiert und dabei der Glukosespiegel konstant gehalten. Aus verbrauchter Glukosemenge und infundierter Insulinkonzentration kann der biologische Effekt abgeleitet werden (SANO et al. 1991, 1993 a).
Die Entwicklung einer Insulinresistenz ist ein multikausales Geschehen. Im Folgenden sind einige Faktoren aufgeführt.
Reproduktionsstadium:
Insulinresistenzen werden häufig im Zusammenhang mit fortgeschrittenen Trächtigkeiten und einsetzender Laktation beobachtet (PRIOR u. CHRISTENSON 1978; DEBRASS et al. 1989; FAULKNER u. POLLOCK 1990; PETTERSON et al.
1994). Der Nährstoffbedarf des wachsenden Fetus und später die einsetzende Laktation fordern einen flexiblen mütterlichen Metabolismus. Bei Schafen beträgt die fetale Glukoseaufnahme 42-50 % der mütterlichen Glukoseproduktion bzw. wird die uterine Glukoseaufnahme mit 18 mg/kg Fetus/min angegeben (PRIOR u.
CHRISTENSON 1978). Der Glukosetransport in der Plazenta, die uterine Glukoseaufnahme sowie die Glukosesekretion ins Euter sind dabei (anders als der Transfer von Glukose in das mütterliche Muskel- oder Fettgewebe) weitestgehend insulinunabhängig (HOVE 1978 a; HAY et al. 1984). Die Umverteilung dieser Nährstoffe in Richtung Plazenta und Euter wird daher vor allem über eine geringere Insulinsekretion und eine geringere Ansprechbarkeit des Körpergewebes auf Insulin erzielt. STAUFENBIEL et al. (1992) haben die Insulin- und Glukoseregulation bei der Milchkuh mittels Tagesprofilen im Zeitraum von 17 Wochen ante partum bis 52 Wochen post partum beurteilt. Dabei wurden die niedrigsten Insulinwerte im Tagesprofil in der 23. Woche p.p. gemessen bei einer generellen Abnahme ab der 7.
Woche a. p.. Auch SANO et al. (1993 b) erbrachten den Nachweis, dass bei laktierenden Kühen die Insulinsekretion nach Infusion von Glukose geringer ist als bei Tockenstehern (23 vs. 102 µU/ml). Hingegen konnten sie im Glukoseverbrauch bei hyperinsulinämischen Clamps keinen Unterschied zwischen laktierenden und trockenstehenden Tieren feststellen. GIESECKE (1986) hat die Insulinantwort nach einer Glukoseinfusion gemessen. Zu sehen war eine deutliche Abnahme der Insulinspiegel 6 Wochen ante partum bis 6 Wochen post partum, was der Autor auf eine verminderte Sekretion zurückführte. In einer weiteren Untersuchung zeigte er im gleichen Zeitfenster zusätzlich an Erythrocyten eine Affinitätsabnahme für Insulin.
Vorausgesetzt, dass sich die an den Erythrocyten gewonnenen Erkenntnisse auf andere Gewebe übertragen lassen, bedeutet das, dass neben reduzierten Insulinspiegeln im Blut peripartal außerdem eine verminderte Ansprechbarkeit der Gewebe auf Insulin vorliegen könnte.
KRÄFT (2004) hingegen demonstrierte, dass Milchkühe in der Frühlaktation im Gegensatz zu trockenstehenden Kühen eine hohe Insulin-Sensitivität und -Response aufweisen, was einer Unterversorgung extramammärer Gewebe bei niedrigen Insulinspiegeln entgegen wirkt. So besteht eine grundsätzliche Übereinstimmung
hinsichtlich der verminderten Insulinsekretion nach Glukoseapplikation in der Spätträchtigkeit und Frühlaktation, wohingegen es gegenläufige Ergebnisse in Bezug auf die Ansprechbarkeit der Gewebe auf Insulin in diesem Zeitraum gibt.
Der Effekt von Insulin auf den Fettstoffwechsel während der Trächtigkeit und der Frühlaktation wurde von GUESNET et al. (1991) am Schaf untersucht. In den ersten drei Monaten der Trächtigkeit konnten die Autoren eine verstärkte Lipogenese, eine reduzierte Reaktion auf einen ß-lipolytischen Stimulus mittels Isoproterenol und eine erhöhte Anzahl von Insulinrezeptoren mit hoher Affinität feststellen. Im letzten Drittel der Trächtigkeit und in der Laktation kam es zu einem umgekehrten Bild. V. a. in der Laktation war die Anzahl der Insulinrezeptoren vermindert und die Insulin-stimulierte Lipogenese wurde unzureichend. Analysen von Dosiswirkungskurven im Zuge von Insulininfusionen bei tragenden und nicht-tragenden Schafen zeigten, dass die maximale Insulin-vermittelte Reduzierung von NEFAs und Glycerol im Plasma bei tragenden Schafen signifikant geringer ist als bei den nicht-tragenden Tieren. Das bedeutet, dass es bei Schafen während der Trächtigkeit zu einer verminderten Ansprechbarkeit des Fettgewebes auf Insulin kommt (PETTERSON et al. 1994).
Während der späten Trächtigkeit sind u. a. die Konzentrationen von Progesteron, Cortisol und Prolaktin im Plasma erhöht. RYAN und ENNS (1988) haben den Effekt dieser Hormone auf die Insulinwirkung (maximale Insulinbindung und Glukosetransportrate) an isolierten Fettgewebszellen von Ratten untersucht. Dabei stellten sie fest, dass die Gabe von Prolactin den Glukosetransport hemmte und Progesteron und Cortisol beides reduzierten. Das vor allem zu Beginn der Laktation ebenfalls erhöhte Estradiol erzeugte hingegen eine gesteigerte maximale Insulinbindung.
Ernährungszustand:
In einer Vielzahl von Untersuchungen an Wiederkäuern und Monogastriern konnte gezeigt werden, dass mit Adipositas häufig Stoffwechselstörungen vergesellschaftet sind. Erhöhte Konzentrationen an NEFAs im Blut korrelieren mit einer gestörten intrazellulären Signalkaskade (ZIERATH et al. 1998; LE MARCHAND-BRUSTEL et al. 1999), einer reduzierten Anzahl an GLUT-4-Transportern (VAN EPPS-FUNG et al. 1997) und einer Hemmung der Insulin-stimulierten Glukoseaufnahme des
peripheren Gewebes (KOOPMANS et al. 1996). GRIZARD und SZCZYGIEL (1983) konnten an Schafen eine mit steigendem Körpergewicht abnehmende Insulinbindung an Hepatocyten nachweisen. Es kommt im Zusammenhang mit Fettleibigkeit auch zu Insulinresistenzen, die mit Hyperinsulinämien einhergehen. MC CANN und REIMERS (1985) und MC CANN et al. (1986) konnten zeigen, dass es sowohl bei adipösen Schafen als auch bei fettleibigen Färsen im Vergleich zu normal konditionierten Tieren zu einer Reduktion der Glukoseregulation und zu erhöhten Insulinspiegeln kam. Allerdings beschreiben z. B. HAYIRLI et al. (2002), GARNSWORTHY und TOPPS (1982) und TREACHER et al. (1986) bei obesen Wiederkäuern im Gegensatz zu monogastrischen Tieren einen verminderten Appetit.
HAYIRLI (2006) folgert daraus, dass Adipositas bei Nicht-Wiederkäuern mit Hyperglykämie und –insulinämie und bei Wiederkäuern mit Hypoglykämie und – insulinämie vergesellschaftet ist.
Eine moderate, kurzfristige Unterernährung hatte bei Schafen keine Auswirkungen auf die Insulin-vermittelte Reduktion von NEFAs und Glycerol im Blut (PETTERSON et al. 1994). Eine andere Untersuchung hingegen zeigt, dass bei gesunden Kühen nach Infusion von Glukose höhere Insulinspiegel erzielt wurden als bei hungernden Tieren (HOVE 1978 b). Die Autoren erklären dies zum einen mit einem durch HALSE (1960) an Milchkühen dokumentierten Abfall der Plasma-Kalziumspiegel um 20 % nach 48 Stunden Fasten. Zum anderen halten die Autoren den beim fastenden Menschen nachgewiesenen Norepinephrin-Anstieg für einen möglichen hemmenden Faktor. Zusätzlich bietet sich eine weitere Erklärungsmöglichkeit in dem durch die reduzierte Futteraufnahme verminderten Propionatspiegel sowie der dadurch bedingten Hypoglykämie (HERDT 2000; OSTERGAARD u. GRÖHN 1999).
Mineralstoffimbalancen:
In verschiedenen Untersuchungen konnte ein Zusammenhang zwischen Hypokalzämien und verminderter Insulinsekretion nachgewiesen werden (LITTLEDIKE et al. 1968; GOFF 1999). Beim Schaf ist bei bestehender Hypokalzämie zusätzlich zur herabgesetzten Sekretion auch eine Hemmung der Insulin-Clearance nachgewiesen (SCHLUMBOHM et al. 1997).
Eine Hypokaliämie kann ähnlich hemmende Auswirkungen auf die Insulinsekretion haben, da es bei niedrigen Kaliumspiegeln allgemein zu einem vermehrten Ausstrom von Kalium aus der Zelle kommt. Dadurch wird deren Ruhemembranpotential negativer und als Konsequenz kann die Zelle nicht mehr so leicht depolarisiert werden. Dies ist allerdings die Voraussetzung dafür, dass die potentialabhängigen Kalziumkanäle öffnen. Im Endeffekt wird also die Insulinsekretion gehemmt (PETRIDES 1997). In die gleiche Richtung zielen Beobachtungen bei diabetischen Menschen mit gleichzeitig bestehender Hypokaliämie, bei denen die Glukosetoleranz durch Anhebung der Kaliumspiegel verbessert werden konnte (TOURNIAIRE et al.
1988).
Labmagenverlagerung und Ketose:
Auch verschiedene Erkrankungen bei Milchkühen können mit Insulinresistenzen zusammen auftreten. Bei ketotischen Tieren kommt es bei unveränderten (VAN MEIRHAEGHE et al. 1988 b) oder verminderten (BROCKMAN 1979; KRÄFT 2004) basalen Insulinspiegeln zu einer geringeren Insulinsekretion als Antwort auf Glukoseinfusionen verglichen mit gesunden Tieren im gleichen Laktationsstadium.
Auch HOVE (1978 b) erzielte in gesunden Kühen nach Infusion von Glukose höhere Insulinspiegel als in ketotischen. Den geringen Anstieg der Insulinspiegel der ketotischen Tiere erklärten die Autoren mit einer verminderten sekretorischen Kapazität der ß-Zellen, herrührend von der Tage oder Wochen andauernden Phase der die Ketose begleitenden Hypoglykämie. SAKAI et al. (1996) erzielten ähnliche Ergebnisse: bei gesunden Kühen war nach Infusion von 500 ml einer 50 %igen Glukoselösung die Insulinkonzentration im Plasma 7 mal, bei ketotischen Tieren nur 3 mal höher. Jedoch zeigte die Infusion von Xylitol ein anderes Bild: bei gesunden Kühen war nach der Infusion von 1000 ml einer 25 %iger Xylitollösung die Insulinkonzentration 9 mal, bei ketotischen Tieren hingegen 12 mal höher. Die Autoren erklären diesen Insulinanstieg entweder mit einem verminderten Abbau von Insulin, da die Diffusion von Xylitol ins periphere Gewebe Insulin unabhängig verläuft, oder aber mit einer gesteigerten Synthese und Freisetzung. BECK et al. (1983) erbrachten außerdem den Nachweis, dass ketotische Kühe neben einer verminderten Insulinsekretion auch eine reduzierte Insulin-Sensitivität aufweisen.
Tiere mit bestehender Labmagenverlagerung hingegen weisen signifikant höhere Insulin- und Glukosewerte auf als gesunde Kühe. Auch auf eine Glukoseinfusion reagieren erstere mit einer langanhaltenden erhöhten Insulinsekretion (VAN MEIRHAEGHE et al. 1988 b; HOLTENIUS u. TRAVEN 1990). Tiere, die sowohl ketotisch sind als auch an einer Labmagenverlagerung leiden, reagierten in dieser Studie überwiegend mit einer starken Insulinantwort (VAN MEIRHAEGHE et al. 1988 b). OK et al. (2000) zeigten zudem, dass Kühe mit rechtsseitiger Labmagenverlagerung noch höhere Insulinspiegel haben als solche mit linksseitiger.
2.3.3 Beeinflussung der Labmagenmotilität durch Insulin
Verschiedene Studien belegen, dass Insulin einen hemmenden Einfluss auf den Labmagen hat. VAN MEIRHAEGE et al. (1988 a) demonstrierten eine Reduktion des abomasalen Effluxes nach einer Insulin-Injektion von 0,2 U/kg KGW, obwohl der hypoglykämische Effekt durch Gaben von Glukose oder Adrenalin abgepuffert wurde. Insulin wirkt also unabhängig vom Blutglukosespiegel. Auch SUSTRONCK (2000) und HOLTENIUS et al. (2000) konnten eine klare Korrelation zwischen bestehender Hyperinsulinämie und verzögerter Labmagenentleerung zeigen, die Glukose-unabhängig war.
Es blieb allerdings unklar, ob und inwiefern es sich bei der Hemmung um eine Beeinflussung der Labmagenmuskulatur oder um einen sekundären Effekt (beispielsweise durch verminderten Vorschub aus dem Pansen) handelte. Zu diesem Zweck setzten PRAVETTONI et al. (2004, 2007) Kühen bei der Labmagenoperation abomaso-duodenale Elektroden ein. Untersucht wurden Kühe mit Labmagenverlagerung zu Beginn ihrer Laktation. Alle Tiere wiesen dabei erhöhte Insulinspiegel auf. Nach der chirurgischen Korrektur sanken die Blutspiegel ab, was eine langsame Erhöhung der abomaso-duodenalen myogenen Aktivität nach sich zog. Aufgrund der unterschiedlich hohen Insulinspiegel nach der Operation wurden die Tiere zudem in zwei gleich große Gruppen geteilt: Tiere mit hohen und solche mit niedrigen Insulinspiegeln. Kühe mit hohen Plasmakonzentrationen zeigten sieben Tage nach der Operation eine signifikant niedrigere myogene Aktivität als die Tiere mit niedrigen Plasmainsulinwerten (PRAVETTONI et al. 2004).
2.4 Hypothese
Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob und auf welche Weise Insulin und Kalium einzeln oder in Kombination auf isolierte Labmagenmuskulatur wirken und inwieweit sich die daraus gewonnenen Ergebnisse in In-vivo-Untersuchungen bestätigen lassen.
Gesichert ist, dass experimentelle Insulininfusionen unter normoglykämischen Bedingungen den Efflux von Ingesta aus dem Labmagen vermindern (HOLTENIUS et al. 2004). Dies könnte bedeuten, dass Insulin direkt, also Glucose-unabhängig, auf die Labmagenmotilität wirkt. Zudem wurde eine Korrelation zwischen verlängerter postoperativer Labmagenatonie und hohen Insulinspiegeln festgestellt (PRAVETTONI et al. 2004).
Ferner ist bewiesen, dass Insulin nach Futteraufnahme zu einer erhöhten Aufnahme von Kalium in Zellen der Skelettmuskulatur führt. Insulin ist also in der Lage, Kaliumgradienten über Zellmembranen zu beeinflussen. Ob die Insulinwirkung an der Muskulatur des Labmagens über lokale Änderungen von Kaliumgradienten zustande kommt, ist bisher nicht untersucht. Denkbar wäre eine Insulin-bedingte Stimulation der Na+/K+-ATPase in Analogie zu den Vorgängen an der Skelettmuskelzelle oder eine Aktivierung von Kaliumkanälen, wie es an Pericyten retinaler Kapillaren (BERWECK et al. 1993) und glatten Muskelzellen der thorakalen Aorta von Rattenembryonen (YASUI et al. 2007) nachgewiesen werden konnte.
Daraus ergeben sich folgende Fragestellungen:
1. Wie reagiert isolierte Labmagenmuskulatur auf Veränderungen der extrazellulären Kalium-Konzentration?
2. Wie reagiert sie auf steigende Insulingaben?
3. Gibt es Hinweise für eine Beteiligung der Kalium-Leitfähigkeit oder der Na+/K+- ATPase an dem Insulineffekt auf die Labmagenmuskulatur?
4. Lassen sich die Ergebnisse auf Untersuchungen in-vivo übertragen?
3 Material und Methoden
3.1 In-vitro-Motilitätsmessung der Labmagenmuskulatur
3.1.1 Versuchstiere
Das Probenmaterial stammte einerseits von 22 gleichaltrigen, definiert gehaltenen und gefütterten Ziegenböcken, die im Rahmen eines anderen Versuches am hiesigen Institut geschlachtet wurden. Andererseits wurde Labmagenmaterial von 74 nichttragenden schwarzbunten Milchkühen aus dem Schlachthof in Gleidingen/Laatzen gewonnen. Ihre Schlachtkörper und Innereien wiesen keinerlei Veränderungen auf.
3.1.2 Entnahme der Muskelstreifen
Die Tiere wurden mittels Bolzenschuss betäubt und durch Entbluten getötet. Die Entnahme des Probenmaterials erfolgte ca. 15 Minuten (Ziegen) bzw. 30 Minuten (Kühe) nach der Tötung. Dabei wurden 5 x 5 cm große Präparate der Labmagenwand aus dem proximalen Drittel der Magenpumpe (Corpus) und dem Pylorus entnommen, mit erwärmter (37 °C) Pufferlösu ng gespült und schließlich darin inkubiert.
Die Lösung hatte folgende Zusammensetzung:
NaCl: 117,0 mmol/l; KCl: 4,7 mmol/l; MgCl2: 1,2 mmol/l; NaH2PO4: 1,2 mmol/l; CaCl2: 2,5 mmol/l; NaHCO3:25,0 mmol/l; Glukose: 11,0 mmol/l; pH-Wert 7,4 bei Begasung mit O2/CO2 95/5 %.
3.1.3 Präparation der Zirkulär- und Längsmuskelstreifen
Die Präparation der Muskelstreifen erfolgte 10 Minuten (Ziegen) bzw. 60 Minuten (Kühe) nach der Entnahme. Zu diesem Zweck wurden die Gewebe frisch angeschnitten und mit der mukosalen Seite nach oben in einer mit Sylgard beschichteten und mit Pufferlösung befüllten Petrischale mit Präpariernadeln aufgespannt. Mit Hilfe von Pinzette und Präparierschere wurden Mukosa und Submukosa unter dem Mikroskop (SZ40, Olympus, Hamburg) bei 10facher Vergrößerung entfernt, 0,5 cm x 1,0 cm große Muskelstreifen parallel zur benötigten
