Untersuchungen zur praecaecalen Verdaulichkeit von Stärke und Fett unterschiedlicher Herkunft bei pankreasgangligierten, ileocaecal
fistulierten Miniaturschweinen
INAUGURAL– DISSERTATION
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Veterinärmedizin
-Doctor medicinae veterinariae- ( Dr. med. vet. )
vorgelegt von Nils Kramer
Nordhorn
Hannover 2010
Wissenschaftliche Betreuung: Univ-Prof. Dr. Josef Kamphues Institut für Tierernährung
1. Gutachter: Univ-Prof. Dr. Josef Kamphues
2. Gutachter: Univ-Prof. Dr. Karl-Heinz Waldmann
Tag der mündlichen Prüfung: 21.05.2010
Teile dieser Dissertation wurden bereits auf folgenden Tagungen vorgestellt:
13th Conference of the European Society of Veterinary and Comparative Nutrition Oristano, Sardinien, 15.-17.10.2009
MÖSSELER, A., KRAMER, N., KALLA, K., RUST, P., BECKER, C., GREGORY, P.-C. u.
J. KAMPHUES (2009):
Precaecal digestibility of various sources of starch (potatoe, maize, pea, wheat, rice) in minipigs (with or without an experimentally induced pancreatic insufficiency).
Proc. 13th ESVCN Congress, 77
Meiner Familie
und
Christina
1. Einleitung ... 1
2. Schrifttum ... 3
2.1 Die chronische exokrine Pankreasinsuffizienz... 3
2.2 Die Rolle der pankreatischen Verdauungsenzyme bei der Nährstoffspaltung... 4
2.3 Einfluss der exokrinen Pankreasinsuffizienz auf die Verdauung... 15
2.4 Das Schwein als Modelltier für die Verdauung des Menschen... 19
2.5 Therapie der exokrinen Pankreasinsuffizienz ... 23
2.5.1 Einsatz von Enzymen/orale Substitutionstherapie ... 23
2.5.2 Diätetische Therapieansätze ... 23
3. Eigene Untersuchungen ... 25
3.1 Material und Methoden ... 25
3.1.1 Versuchsziel ... 25
3.1.2 Versuchstiere ... 27
3.1.3 Aufstallung und Haltung der Versuchstiere ... 28
3.1.4 Versuchsfutter ... 29
3.1.4.1 „Stärke-Versuche“... 29
3.1.4.2 „Fett-Versuche“... 31
3.1.5 Versuchsdurchführung und Probenentnahme ... 37
3.1.6 Probenbearbeitung/-aufbereitung ... 40
3.1.7 Probenanalyse... 40
3.1.8 Analytik ... 41
3.1.9 Vorversuche zu den Fettversuchen ... 46
3.1.9.1 Angewandte Analyseverfahren ... 46
3.1.9.2 Rohfett im Futter ... 46
3.1.9.3 Fettsäuren im Futter ... 47
3.1.9.4 Vergleich der ermittelten Konzentrationen mittels „Ankom-Verfahren“ und FS-Analytik im Futter ... 49
3.1.9.5 Zusammenfassung ... 50
3.1.9.6 Rohfett im Chymus ... 50
3.1.9.7 Fettsäuren im Chymus... 51
3.1.9.8 Vergleich der ermittelten Konzentrationen mittels „Ankom-Verfahren“ und FS-Analytik im Chymus... 53
3.1.9.9 Zusammenfassung ... 53
3.1.10 Berechnungsformeln ... 54
3.1.11 Statistische Methoden ... 55
3.2 Eigene Ergebnisse ... 57
3.2.1 „Stärkeversuche-Screeningtest“ ... 57
3.2.1.1 Zeitpunkte der Anflutung des markerhaltigen Chymus an der ileocaecalen Fistel ... 58
3.2.1.2 Absolute Chymusmassen (g uS) ... 58
3.2.1.3 TS-Gehalt (%) im Chymus am terminalen Ileum ... 60
3.2.1.4 Absolute Chymusmassen (g TS/8h) ... 61
3.2.1.5 Chromoxidkonzentrationen im Chymus (g/kg TS) am terminalen Ileum... 62
3.2.1.6 Anflutung von Chromoxid (g im Chymus/8h) am terminalen Ileum... 63
3.2.1.7 Chromoxid-Wiederfindung (%) ... 63
3.2.1.8 Stärkekonzentrationen im Chymus am terminalen Ileum ... 64
3.2.1.9 Rohproteinkonzentrationen im Chymus am terminalen Ileum ... 66
3.2.1.10 Stärke-Anflutung am terminalen Ileum (g/8h)... 67
3.2.1.11 Rp-Anflutung am terminalen Ileum (g im Chymus/8h)... 69
3.2.1.12 TS-Verschwindensrate (%) im praecaecalen Bereich ... 70
3.2.1.13 Praecaecale Stärke-Verschwindensrate (%)... 71
3.2.1.14 Praecaecale Rohprotein-Verschwindensrate (%) ... 73
3.2.1.15 Zusammenfassung ... 73
3.2.2 „Stärkeversuche-Chymussammlung“ bei den PL-Tieren... 74
3.2.2.1 Absolute Chymusmassen (g uS/12h) ... 74
3.2.2.3 Absolute Chymusmassen (g TS/12h) ... 75
3.2.2.4 Chromoxidkonzentrationen im Chymus (g/kg TS) am terminalen Ileum... 75
3.2.2.5 Chromoxidanflutungen im Chymus (g/12h) am terminalen Ileum ... 75
3.2.2.6 Chromoxidwiederfindung (%) ... 75
3.2.2.7 Stärkekonzentrationen (g/kg TS) im Chymus am terminalen Ileum... 77
3.2.2.8 Rp-Konzentrationen (g/kg TS) im Chymus am terminalen Ileum ... 77
3.2.2.9 Anflutung von Stärke (g/12h) am terminalen Ileum ... 77
3.2.2.10 Rp-Anflutung (g/12h) am terminalen Ileum ... 77
3.2.2.11 Praecaecale Trockensubstanz-Verdaulichkeit (%)... 78
3.2.2.12 Praecaecale Stärke-Verdaulichkeit... 78
3.2.2.13 Praecaecale scheinbare Rohprotein-Verdaulichkeit ... 78
3.2.2.14 Zusammenfassung ... 78
3.2.3 „Fettversuche“ ... 80
3.2.3.1 Zeitpunkt der Anflutung des markerhaltigen Chymus an der ileocaecalen Fistel nach Aufnahme des markerhaltigen Versuchsfutters... 80
3.2.3.2 Absolute Chymusmassen (g uS/8h) ... 81
3.2.3.3 TS-Gehalt (%) im Chymus am terminalen Ileum ... 81
3.2.3.4 Absolute Chymusmassen (g TS/8h) ... 81
3.2.3.5 Chromoxidkonzentration (g/kg TS) im Chymus am terminalen Ileum ... 82
3.2.3.6 Chromoxid Anflutung (g/8h) im Chymus am terminalen Ileum... 82
3.2.3.7 Chromoxid-Wiederfindung (%) ... 83
3.2.3.8 Rfe-Konzentration (g/kg TS) im Chymus am terminalen Ileum... 83
3.2.3.9 Praecaecale Rfe-Anflutung (g/8h) am terminalen Ileum ... 84
3.2.3.10 Praecaecale TS-VR (%) ... 84
3.2.3.11 Praecaecale Rfe-VR (%) ... 85
3.2.3.12 Fettsäuren-Konzentrationen (g/kg TS) im Chymus ... 86
3.2.3.13 Anflutung der Fettsäuren (g/8h) am terminalen Ileum... 89
3.2.3.14 Praecaecale FS-VR (%)... 90
3.2.3.15 Verhältnis der ungesättigten und gesättigten FS in Futter und Chymus ... 93
3.2.3.16 Zusammenfassung ... 94
4. Diskussion ... 97
4.1 Kritik der Methode ... 97
4.1.1 Zahl der verwendeten Tiere... 97
4.1.2 Versuchsdiäten und Versuchsbedingungen... 97
4.1.3 Rohfettanalytik sowie Bestimmung einzelner FS im Futter und Chymus ... 98
4.2 Erörterung der eigenen Ergebnisse ... 102
4.2.1 SVSV und SVCS... 102
4.2.1.1 Beurteilung der Stärkeversuche (SVSV, SVCS)... 107
4.2.2 Fettversuche (FV)... 110
4.2.2.1 Vergleich der Rohfettverdaulichkeit bei Einsatz verschiedener Versuchsdiäten ... 110
4.2.2.1.1 Effekte freier Fettsäuren in der Ration auf die Rfe-Verdaulichkeit ... 112
4.2.2.1.2 Effekte von Leinöl in der Ration auf die Rfe-Verdaulichkeit ... 113
4.2.2.1.3 Effekte von Kokosöl in der Ration auf die Rfe-Verdaulichkeit... 114
4.2.2.2. Einflussfaktoren auf die Rfe-Verdauung... 115
4.2.2.3 Verdaulichkeit freier bzw. einzelner FS... 121
4.2.2.4 Beurteilung der Fettversuche im Screeningtestverfahren ... 128
5. Zusammenfassung ... 132
6. Summary ... 136
7. Literaturverzeichnis... 139
8. Tabellenanhang ... 161
Abkürzungsverzeichnis
® eingetragenes Warenzeichen
Σ Summe
C Kohlenstoff
C8 Caprylsäure
C10 Caprinsäure
C12 Laurinsäure
C 13 Tridecansäure
C14 Myristinsäure
C15 Heptadecansäure
C16 Palmitinsäure
C17 Margarinsäure
C18 Stearinsäure
C18:1 Ölsäure
C18:2 Linolsäure
C18:3 Linolensäure
C20:0 Arachinsäure
C20:4 Arachidonsäure
C20:5 Timnodonsäure
C22:5 Clupanodonsäure
C22:6 Cervonsäure
Cal Calshake®
Dö Distelöl
EM Erbsenmehl
EPI Exokrine Pankreasinsuffizienz
ES Erbsenstärke
et al. et alii
FFS freie Fettsäure(n)
FS Fettsäure(n)
FV Fettversuche
FVSV Fett-Versuche
GC Gas-Liquid-Chromatographie
Ges.-gew. Gesamtgewicht
Glyc. Glycerin
GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Hrsg. Herausgeber
K-Tiere Kontroll-Tiere
Kb Kakaobutter
KbE Koloniebildende Einheiten
KH Kohlenhydrate
KM Körpermasse
Kö Kokosöl
Konz Konzentration
KS Kartoffelstärke
LAVES Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit
LCT Langkettige Fettsäuren
Lö Leinöl
LPS Lipopolysaccharide
M57 Basisdiät der Stärkeversuche
MCT Mittelkettige Fettsäuren
m. Hy. mit Hydrolyse
MM Material und Methoden
MS Maisstärke
n Anzahl
n.n. nicht nachweisbar
o. Hy. ohne Hydrolyse
p Irrtumswahrscheinlichkeit
pH potentia hydrogenii
PL-Tiere Pankreasgangligierte Tiere
ppr. postprandial
prc. praecaecal
PVC Polyvinylchlorid
Ra Rohasche
Rfa Rohfaser
Rfe Rohfett
Rp Rohprotein
RS Reisstärke
RS1 Resistente Stärke 1
RS2 Resistente Stärke 2
RS3 Resistente Stärke 3
RS4 Resistente Stärke 4
Sb Sheabutter
SCFA Kurzkettige Fettsäuren
Sö Sonnenblumenöl
Sonnenbl. Sonnenblumenöl
sV scheinbare Verdaulichkeit
SV Stärkeversuche
SVCS Stärke-Versuche-Chymussammlung
SVSV Stärke-Versuche-Screeningverfahren
tI Fistel im terminalen Ileum
tJ Fistel im terminalen Jejunum
TS Trockensubstanz
uS ursprüngliche Substanz
VDLUFA Verband deutscher landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten
Verd. Verdünnung
VQ Verdaulichkeit
VR Verschwindensrate
Wdf Wiederfindung
WS Weizenstärke
1. Einleitung
Mit der vorliegenden Arbeit wurden im Rahmen des Projektes „Studien am pankreasgangligierten Miniaturschwein“ als Folgeprojekt vorangegangener Arbeiten (TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE- DEGE 2003; KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; BECKER 2005; ZANTZ 2006;
CLASSEN 2008; KALLA 2009) weitere Aspekte dieses Themenfeldes beleuchtet. Seit Jahren ist das pankreasgangligierte Miniaturschwein ein etabliertes Modell zur Erforschung der Auswirkungen einer chronisch exokrinen Pankreasinsuffizienz (EPI). Durch den Mangel an Pankreasenzymen kommt es zu einer Malabsorption und Maldigestion der Nahrung. Neben der Stärke- und Proteinverdauung ist vor allem die Fettverdauung eingeschränkt: die daraus resultierende Steatorrhoe gilt als Leitsymptom der EPI (GREGORY et al. 2002).
Primäres Ziel der vorliegenden Arbeit war die vergleichende Bewertung der praecaecalen Stärkeverdaulichkeit bei intakten Kontroll-(K-) Tieren und pankreasgangligierten (PL-Tiere) Miniaturschweinen, in deren Futter eine nach Art und Herkunft unterschiedliche Stärke zum Einsatz kam. Des Weiteren sollten erstmalig diverse Fettquellen und –qualitäten (bzw. freie Fettsäuren; FFS) hinsichtlich ihrer praecaecalen Verdauung näher eruiert werden. Diese auf die Stärkeart und Fettqualität ausgerichteten Untersuchungen sind dabei zum Einen von Interesse, wenn es um die Wirksamkeitsprüfung supplementierter Enzyme geht, zum Anderen aber auch von allgemeiner Bedeutung, da z. B. mögliche Unterschiede in der praecaecalen Verdaulichkeit für diätetische Empfehlungen (unter anderem in leichten Fällen einer EPI) genutzt werden könnten. Bei der Prüfung der Wirksamkeit einer ergänzten Amylase ist eine eher „schwer“ verdauliche Stärke von Vorteil, während bei einer leichten EPI solche Fettqualitäten zu empfehlen wären, die auch schon ohne größere Lipaseeinwirkung vom Dünndarm aufgenommen werden.
2. Schrifttum
Das pankreasgangligierte Miniaturschwein hat sich in zahlreichen Studien (TABELING 1998;
FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE-DEGE 2003;
KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; BECKER 2005; ZANTZ 2006; CLASSEN 2008;
KALLA 2009) als geeignetes Modell für Studien zur exokrinen Pankreasinsuffizienz (EPI) des Menschen erwiesen.
Aufgrund der umfangreichen Vorgängerarbeiten wird im Schrifttum, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, nur kurz auf die wichtigsten Merkmale der EPI eingegangen, ergänzt um die wesentlichen Aspekte zum Hintergrund der eigenen Arbeit. Im Fokus dieser Ausführungen stehen neben der praecaecalen Stärke- und Fettverdauung auch diätetische Ansätze und Maßnahmen im Falle einer EPI.
2.1 Die chronische exokrine Pankreasinsuffizienz
An einer akuten Pankreatitis erkranken in Deutschland jährlich ca. 0,01-0,046 % der Bevölkerung. Während in ca. 1 % der Fälle diese Erkrankung tödlich endet, entwickelt sich aus 7-13 % der akuten Fälle eine chronische exokrine Pankreasinsuffizienz (EPI; MAYERLE u. LERCH 2001). Die chronische EPI führt durch den Mangel an Pankreasenzymen und Bikarbonat zu einer Maldigestion (FREUDIGER 1991). Auch Magen-Darm-Ulzera können durch die verringerte pankreatische Bicarbonat-Sekretion mit der Folge eines niedrigeren pH- Wertes im Chymus entstehen (LAYER u. HOLTMANN 1994).
Bei Tieren ist diese Erkrankung weniger häufig als beim Menschen, wobei Angaben in der Literatur vor allem über das Vorkommen bei Hunden und Katzen zu finden sind (WESTERMARCK 1980; WATSON et al. 1981). Insbesondere bei jungen Hunden wird eine Atrophie des Pankreasgewebes beschrieben (LEIDINGER 1997). Die Pankreasazini junger Collies und Deutschen Schäferhunde atrophieren beispielsweise in Folge einer autoimmun vermittelten lymphozytären Pankreatitis (WIBERG 2004). Für Katzen und Menschen ist als Auslöser der EPI hingegen eine chronische Pankreatitis beschrieben (SINGER u. MÜLLER 1995; WILLIAMS 1995).
Menschen erkranken insbesondere nach dauerhaftem Alkoholabusus. Dies ist die häufigste Ursache für die chronische exokrine Pankreasinsuffizienz in den westlichen Industrieländern, aber auch operative Eingriffe oder Traumata, akute Pankreatitis sowie Mukoviszidose und andere Gendefekte können diese Erkrankung bedingen (HOWAT u. SARLES 1979; MÜNCH
u. AMMANN 1989; LÖSER u. FÖLSCH 1995). Virale Erkrankungen, chronische Pankreatitiden, Ischämien, Toxikosen und der Einsatz bestimmter Medikamente sind weitere mögliche Ursachen der EPI (WILLIAMS 1992, 1996).
Folgen der EPI sind die Maldigestion und Malabsorption der vom Organismus aufgenommenen Nahrung durch eine mangelnde Sekretion bzw. das vollständige Fehlen der Pankreasenzyme. Hierbei ist neben der Protein- und Kohlenhydrat(KH)-verdauung insbesondere die Fettverdauung beeinträchtigt, wobei es aufgrund mangelnder Kompensationsmechanismen des Dickdarms zu einer Steatorrhoe kommt (GREGORY et al.
2002). Hinzu kommt bei bis zu 95 % der an chronischer Pankreatitis erkrankten Patienten eine Schmerzsymptomatik, die auch das einzige Symptom sein kann (AMMAN u.
MUELLHAUPT 1999).
Zu therapeutischen Zwecken werden in der Regel Pankreasenzyme substituiert. Hierzu wird vor allem pharmazeutisch behandeltes Pankreasgewebe vom Schwein verwendet (LÖSER u.
FÖLSCH 1995). Durch ein Extraktionsverfahren wird hierbei aus dem Pankreasgewebe von Schweinen Pankreatin gewonnen. Dieses ist für die EPI-Behandlung des Menschen geeignet, da das Enzymmuster des Schweinepankreas dem des Menschen am ähnlichsten ist (MÜLLER-WIELAND 1972). Ebenso können von Mikroorganismen synthetisierte Präparate genutzt werden, die in jüngster Zeit vermehrt zum Einsatz kommen (LÖSER u. FÖLSCH 1995; KALLA 2009).
Weitere Details zur EPI des Menschen können den Arbeiten von TABELING (1998), FASSMANN (2001), HELDT (2001), MANDISCHER (2002), FUENTE-DEGE (2003), KAMMLOTT (2003), KARTHOFF (2004), BECKER (2005), ZANTZ (2006), CLASSEN (2008) und KALLA (2009) entnommen werden.
2.2 Die Rolle der pankreatischen Verdauungsenzyme bei der Nährstoffspaltung
Bei Mensch und Tier sind verschiedene Sekrete diverser Organsysteme (z.B. Enzyme der Speicheldrüsen, des Magens, des Darmes) an der Aufspaltung der Nahrung für die anschließende Resorption beteiligt.
In den Azinizellen des exokrinen Anteils des Pankreas werden die Verdauungsenzyme gebildet, die über den Ausführungsgang in das Duodenum sezerniert werden (RINDERKNECHT 1993). Die wesentlichen Verdauungsenzyme pankreatischen Ursprungs sind Amylasen, Proteasen und Lipasen zur Spaltung von Stärke, Proteinen und Fetten.
Zusätzlich wird in den pankreatischen Gangzellen eine natriumbikarbonatreiche Flüssigkeit
gebildet. Diese neutralisiert die im Dünndarmchymus vorhandene Magensäure und setzt die Viskosität des Chymus herab (SCHARRER u. WOLFFRAM 2000). Nur so kann ein für die Funktion der Enzyme optimales Milieu im Dünndarm geschaffen werden, ohne dass die Gefahr einer Säuredenaturierung der Pankreasenzyme besteht.
Stärkeverdauung
Die Stärkeverdauung beginnt beim Menschen bereits mit der Nahrungsaufnahme durch die Amylase des Speichels. In der durch Kauen zerkleinerten Nahrung spaltet die α-Amylase des Speichels die α-(1,4)-Bindungen von Amylose, Amylopectin und Glykogen und reduziert die Kettenlänge der Moleküle auf weniger als acht Glucoseeinheiten, bevor die Amylase im Magen durch die Säure inaktiviert wird. Die humane Speichelamylase wird durch das Substrat und dessen Abbauprodukte in gewissem Maße vor der Denaturierung durch Magensäure und Pepsin geschützt (ROSENBLUM et al. 1988), wodurch auch im Dünndarm eine gewisse Aktivität der Speichelamylase erhalten bleibt.
Kohlenhydrate werden nur in Form von Monosacchariden resorbiert. Die in das Duodenum sezernierte α-Amylase des Pankreas unterscheidet sich chemisch nur wenig von der in den Speicheldrüsen gebildeten Amylase und spaltet die Polysaccharide in Disaccharide. Das Wirkungsoptimum entfalten diese Amylasen bei einem pH-Wert von 7,0 (DEMLING u.
PHILLIP 1978). Die Disaccharide werden von den Enzymen der Bürstensaummembran der Dünndarmmukosa in Monosaccharide gespalten, die dann über Transportmechanismen in die Blutbahn aufgenommen werden (BUDDECKE 1977; GRAY 1992; VOET u. VOET 1992;
KIDDER u. MANNERS 1978). Die Aktivität der beteiligten Enzyme ist im proximalen Drittel des Dünndarms am höchsten, so dass in diesem Darmabschnitt der Großteil der Stärkeverdauung erfolgt (SCHARRER u. WOLFRAM 2000). Vor Übertritt der Ingesta in das Ileum ist die Absorption der Monosaccharide in der Regel abgeschlossen, da die Absorption in Duodenum und Jejunum stattfindet (YEN 2001).
Einfluss der Stärkeart bzw. der chemischen Struktur der Stärke auf die Stärkeverdaulichkeit Stärke, ein Gemisch von Glucanen, ist als Depot-Polysaccharid die wichtigste Nährstoffreserve vieler Pflanzen und das wichtigste Kohlenhydrat in der humanen Ernährung (VOET u. VOET 1992). Sie liegt in den pflanzlichen Zellen in Form unlöslicher Granula, entweder als α-Amylose oder als Amylopectin vor. α-Amylose besteht aus Tausenden α-(1,4)- glycosidisch verbundenen Glucoseeinheiten. Amylopectin besteht hauptsächlich aus α-(1,4)- verknüpften Glucose-Resten, zudem befinden sich an jeder 24. bis 30. Glucoseeinheit
Verzweigungspunkte mit linearen Ästen in α-(1,6)-Bindung. Für die Pflanzenzelle ist die Speicherung als Stärke anstelle von monomeren Glucose-Einheiten ein großer Vorteil, da so der osmotische Druck massiv gesenkt werden kann (VOET u. VOET 1992). Die Stärke des Getreidekorns besteht etwa zu 20-30 % aus Amylose und zu etwa 70-80 % aus Amylopectin (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Nicht nur das makroskopische Erscheinungsbild der verschiedenen Stärketräger unterscheidet sich, auch der Aufbau der Granula ist auf mikroskopischer und biochemischer Ebene unterschiedlich. So haben die Granula der Maisstärke eine glatte Oberfläche; diese runden Granula bilden zudem fest verbundene Haufen (KIENZLE et al. 1997).
Verschiedene Züchtungen/Sorten einer Getreideart können sich ebenfalls unterscheiden.
GRANFELDT et al. (1995) konnten bei verschiedenen Gerstesorten deutliche Unterschiede im Amylosegehalt (7-44 %) feststellen.
Im Laufe der Menschheitsgeschichte haben sich die Zuchtziele für Nutzpflanzen laufend geändert. Dabei sind die hauptsächlichen Zuchtziele die Steigerung des Ertrags und die Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten. Dies gilt für die Produktion von Nahrungsmitteln ebenso wie für die energetische Nutzung der Pflanzen. Sorten mit einem möglichst hohen Stärkegehalt werden hierbei bevorzugt (HAHN 2007). In jüngster Zeit werden zudem vermehrt so genannte „Functional Foods“ entwickelt und angebaut (RAMBECK u. WEBER 2001). Sie enthalten besondere Inhaltsstoffe, die über den reinen Nähr- und Geschmackswert hinausgehen, wie z. B. Präbiotika, die aus Inhaltsstoffen (z.B.
resistenter Stärke) bestehen, die nicht durch körpereigene Enzyme abgebaut werden und so einen positiven Einfluss auf die mikrobielle Flora des Magen-Darm-Traktes haben (GIBSON u. ROBERTFROID 1995; KAMPHUES et al. 2009).
Es können drei strukturelle Ebenen im Getreidekorn unterschieden werden, die Einfluss auf die Verdaulichkeit bzw. Abbaubarkeit (enzymatisch/mikrobiell) haben (KLEFFKEN 1993;
KIENZLE et al. 1994), nämlich die - Makrostruktur, - Mikrostruktur und die - biochemische Struktur.
- Makrostruktur
Die Makro- oder auch botanische Struktur des Getreides umfasst sowohl die Frucht- und Samenschale des Korns, als auch den Aufbau des Mehlkörpers. Die Stärke liegt hier in Form unterschiedlich großer Granula (2 bis 200 µm) vor. Je nach Getreideart differiert der Aufbau
der Granula (KIENZLE et al. 1997). Sie können rund, oval, ellipsoid, abgerundet, nierenförmig, abgeflacht oder vielflächig mit allen erdenklichen Übergängen sein. Reis hat, in vielen Konglomeraten angeordnet, die kleinsten Granula (1-10 µm) in polygonaler Gestalt.
Maisgranula zeigen eine runde bis kantige Form mit einer Gröβe von 5 bis 25 µm. Bei Weizen liegen meist zwei Fraktionen von Granula unterschiedlicher Größe (2-10 µm und 20- 35 µm Durchmesser) in runder oder elliptischer Form vor. Kartoffelstärkegranula verfügen über eine eiförmige bis schalige Gestalt und haben eine Größe von 15 bis 100 µm (TEGGE 2004).
- Mikrostruktur
Den Aufbau der Stärkegranula, die mittels Wasserstoffbrücken eine relative Stabilität erlangen, beschreibt die Mikrostruktur. Strukturierte, semikristalline Anteile lassen sich dabei von lockeren, amorphen Anteilen unterscheiden (LARSSON 1991; RUBENS u.
HEREMANS 2000). Die symmetrisch verzweigten großen Amylopectinmoleküle stellen den Hauptbestandteil der semikristallinen Bereiche dar, die wasserunlöslich und gegenüber dem enzymatischen Abbau resistent sind (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Die zwischen diesen Clustern liegende amorphe Gelphase wird durch Amylose gebildet. Diese Bereiche enthalten viel freies Wasser, hier beginnt auch der enzymatische Abbau der Stärkemoleküle (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Für Maisgranula wird eine Lockerung dieser Mikrostruktur durch eine sehr intensive Vermahlung beschrieben (KIENZLE et al. 1997).
- Biochemische Struktur
Mit der biochemischen Struktur wird schließlich das molekulare Gefüge der Stärkebestandteile im Mehlkörper beschrieben. Die Eigenschaften der verschiedenen Stärken werden durch das Verhältnis von Amylose und Amylopectin ebenso beeinflusst, wie von der Länge der Glucoseketten und deren Verzweigungsgrad. Die kompakten und stark verzweigten Moleküle haben durch Wasserstoffbrücken einen festen Zusammenhalt, sind so nur schwer wasserlöslich und demzufolge auch schlecht der enzymatischen Aufspaltung zugänglich (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986).
Die Verdaulichkeit der Stärke hängt sowohl von deren botanischer Herkunft, als auch von der Behandlung im Verlauf ihrer Gewinnung ab (s. Tabelle 1).
Tabelle 1: Übersicht zur praecaecalen Verdaulichkeit von Stärke (%) unterschiedlicher Herkunft und Zubereitung bei ileum- oder jejunumfistulierten Pferden (1,3-2,0 g Stärke/kg KM; nach BOTHE 2001)
Futtermittel
(Stärkegehalt, wenn >2g/kg KM)
sb. prc.
VQ (%) Autoren
Hafer, ganz 74,0 - 93,0 ILLENSEER 1994, KIENZLE et al. 1992 (tJ), MEYER et al. 1995 (tJ), MEYER et al. 1993 (tJ), RADICKE 1990 (tI), WILKE 1992 (tJ) Hafer ganz (4 g/kg) 79,7 MEYER et al. 1995
Quetschhafer 71,0 - 99,0 ARNOLD et al. 1981 (tJ), KIENZLE et al.
1992 (tJ), MEYER et al 1995 (tJ), MEYER et al. 1993 (tJ)
Quetschhafer 48,0 HOUSEHOLDER et al. 1977 (tI)
Haferschrot 96,5 - 99,7 KIENZLE et al. 1992 (tJ), RADICKE et al.
1992 (tJ)
Hafer mikronisiert 62,4 HOUSEHOLDER et al. 1977 (tI)
Mais ganz 28,9 - 53,9 KIENZLE et al. 1992 (tJ), KLEFFKEN 1993 (tJ), MEYER et al. 1995 (tJ), MEYER et al.
1993 (tJ), WILKE 1992
Bruchmais 28,9 - 29,9 KIENZLE et al. 1992 (tJ), MEYER et al. 1995 (tJ), MEYER et al. 1993 (tJ), WILKE 1992 (tJ) Maisschrot 45,0 - 78,2 ARNOLD et al. 1981 (tI), HINKLE et al.
19831 (tI), KIENZLE et al. 1992 (tJ), KLEFFKEN 1993 (tJ), MEYER et al. 1993 (tJ), RADICKE et al. 1992 (tJ), MEYER et al.
1995 (tJ)
Mais gepufft 90,1 - 95,0 KLEFFKEN 1993 (tJ), MEYER et al. 1995 (tJ), MEYER et al. 1993 (tJ)
Gerste gebrochen/ gequetscht 21,4 - 75,0 KLEFFKEN 1993 (tJ), MEYER et al. 1995 (tJ), HEINTZSCH 1995 (tJ)
Hirse gequetscht 36,0 HOUSEHOLDER et al. 1977 (tI)
Hirseschrot 94,3 ARNOLD et al. 1981 (tI)
Hirse mikronisiert 56,4 HOUSEHOLDER et al. 1977 (tI)
1 Versuche mit unterschiedlichen Maisschrot-Heu-Verhältnissen ergaben keine signifikanten Unterschiede in der sV 2 sV von Maisschrot mit Amylase liegt in dieser Studie 12,1 % höher als ohne Zusatz
3 sV von gemahlenem Mais mit Amylasezusatz liegt hier 9,3 % höher als ohne Zusatz tJ Fistel im terminalen Jejunum
tI Fistel im terminalen Ileum
Einfluss der Be- und Verarbeitung der Stärke auf die Stärkeverdaulichkeit
Mittels mechanischer Bearbeitung wie Mahlen, Brechen oder Quetschen wird die Makrostruktur zerstört und somit der Mehlkörper freigelegt. Allerdings haben diese relativ groben Zerkleinerungsformen keinen unmittelbaren Einfluss auf die Mikrostruktur der Stärkegranula. Sehr intensives Mahlen wirkt sich nach KIENZLE et al. (1997) hingegen beim Mais sehr wohl auf die Mikrostruktur aus und lockert die in fest verbundenen Haufen vorliegenden Maisgranula. Die Enzyme können die Glucoseketten besser angreifen, wenn die freie Oberfläche der Stärkegranula zunimmt (COLONNA et al. 1992).
Wenn Getreide mit Feuchtigkeit und Hitze behandelt wird, quillt die Stärke auf und geliert, die Granula schwellen an (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Mittels feuchter Hitze kommt es zu einer Lockerung des Granulagefüge im dimolekularen Bereich. COLONNA et al. (1992) beobachteten bei einer Erhitzung über 50 °C unter Zugabe von Wasser eine irreversible Veränderung der Granulastruktur. Bei dieser „Gelatinisierung“ verliert die Stärke ihre innere Ordnung und ihre kristalline Struktur geht verloren. Bei einem geringen Wassergehalt erhöht sich hingegen die Stabilität der Stärke gegen Hitzeeinwirkungen (RUBENS u. HEREMANS 2000). Es werden Temperaturen von über 180 °C benötigt, um ohne Wasserzusatz die Struktur der Getreidestärke zu verändern.
Durch verschiedene Prozesse kann die enzymatische Abbaubarkeit der Stärke im Magen- Darm-Trakt wesentlich verbessert werden. Einen positiven Effekt auf die Verdaulichkeit haben vor allem die Vergrößerung der Oberfläche, die Modifikation kristalliner Strukturen und die Depolymerisation von Amylose und Amylopectin. Die Angreifbarkeit der Molekülketten durch Enzyme wird durch diese Oberflächenvergrößerung erhöht (COLONNA et al. 1992). Das Kochen von Weizen und Kartoffeln verändert die kristalline Struktur der Stärke in eine Gel-Struktur. Aufgrund dieser Umwandlung wird die Stärke durch die Darmsekrete besser umspült, so dass die in der flüssigen Phase enthaltene α-Amylase einen höheren Wirkungsgrad hat (GRAY 1992).
Stärke, die im Dünndarm nicht verdaut wird und somit in den Dickdarm gelangt, wird auch
„resistente Stärke“ genannt; diese wird in Untergruppen eingeteilt (s. Tabelle 2) Tabelle 2: Arten von resistenter Stärke (nach TOPPING u. CLIFTON 2001) Art der resistenten Stärke Bemerkungen/Charakteristikum
RS 1 Stärke liegt in intakten Zellverbänden vor; unzerkleinerte/grob gemahlene Samen/Körner
RS 2 Stärke liegt in kompakter Form vor; grüne Bananen;
Kartoffeln (roh), z.T. Hülsenfrüchte, natürlich vorkommend RS 3, retrogradiert nach Erhitzung und Wiederabkühlung entsteht eine kompakte
Kristallstruktur; z.B. in Brot, Kartoffeln, Corn Flakes RS 4, chemisch modifiziert industriell verarbeitete Stärke
Die praecaecale Verdaulichkeit der Stärke ist beim Schwein im Allgemeinen sehr hoch und variiert zwischen 82 % und 99 % (GRAHAM et al. 1986; BEDFORD et al. 1992; SCHMITZ et al. 1993; INBORR u. SUOMI 1993; BACH KNUDSEN et al. 1993; WELHAM 1994). Sie wird unter anderem von der botanischen Herkunft sowie der thermisch/mechanischen Bearbeitung beeinflusst. In verschiedenen Studien am pankreasgangligierten Miniaturschwein (TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; KAMLOTT
2003) konnte eine praecaecale Stärkeverdaulichkeit von 89 % bis 100 % bei Tieren mit intakter Pankreasfunktion (K-Tiere) festgestellt werden, bei pankreasgangligierten Tieren (PL-Tieren) war die praecaecale Verdaulichkeit der Stärke hingegen deutlich geringer (s.
Tabelle 3).
Tabelle 3: Stärkegehalt der verwendeten Versuchsfuttermittel, praecaecale VQ und Gesamt- VQ (%) bei K- und PL-Tieren (modifiziert nach MOESSELER et al. 2007)
Stärkegehalt (g/kg TS) im Futter
Prc. VQ Gesamt-VQ Tiere Autor 97,2 – 99,7 100 K-Tiere Alle Studien
600 61,9 99,3 PL-Tiere TABELING (1998)1
562 63,5 - PL-Tiere MANDISCHER (2002)
273 63,8 - PL-Tiere HELDT (2001)
316 75,6 - PL-Tiere FUENTE-DEGE (2003)
266 87,7 99,1 PL-Tiere TABELING (1998)2
240 92,5 - PL-Tiere FASSMANN (2001)
1 stärkereiche Diät 2 fettreiche Diät
GRAY (1992) gibt als limitierenden Faktor der Verdauungsvorgänge vordringlich die Aufnahme der Glucosemoleküle in die Enterozyten an, weniger die sonstigen intraluminalen Vorgänge. Wenn die Verdauungskapazität für Kohlenhydrate im Dünndarm überschritten wird, flutet der verbleibende Anteil in den Dickdarm und wird dort durch fermentative Prozesse nahezu vollständig abgebaut (HOLMES et al. 1973; KEYS u. DEBARTHE 1974;
DROCHNER 1984; KAMPHUES 1987; MOESSELR et al. 2007). Im Falle einer längerfristigen Änderung der Kohlenhydratzufuhr kann es neben einer begrenzten Adaptation der pankreatischen Enzyme auch zu einer Adaptation der intestinalen Monosaccharidresorption kommen (SCHARRER u. WOLFFRAM 2000).
Neben der Struktur der Stärke – mit ihren verschiedenen Ebenen – haben auch so genannte Inhibitoren Einfluss auf die Verdaulichkeit der Stärke. Derartige Inhibitoren der salivarischen und pankreatischen α-Amylasen konnten in vielen Getreidearten und in Leguminosen nachgewiesen werden (JAFFE et al. 1973, BUONOCORE u. SILANO 1986, MULIMANI et al. 1994). GRANT et al. (1994) untersuchten 18 verschiedene in Europa vorkommende Samen (Schwerpunkt Leguminosen) und fanden unterschiedliche Gehalte an α-Amylase- Inhibitoren. Allerdings konnten GRANT et al. (1994) keine α-Amylase-Inhibitoren in der Erbse nachweisen. Die Behandlung der gequollenen Samen mit feuchter Hitze (100 °C) über 5 bis 10 Minuten konnte die Aktivität der Inhibitoren mindern bzw. sogar verhindern.
Bei der Fütterung von Ratten mit unterschiedlichen Konzentrationen eines aufbereiteten α- Amylase-Inhibitors aus Kidneybohnen konnten bei steigenden Inhibitor-Konzentrationen in der Diät (Maisstärke 380 g/kg; Kartoffelstärke 100 g/kg pro Versuchsfutter; davon 6 g/Tier/Tag;) negative Effekte auf die Verdaulichkeit der Stärke und sekundär auf das Wachstum der Ratten festgestellt werden (PUSZTAI et al. 1995). Die scheinbare Verdaulichkeit der Stärke sank von 98,6 % bei inhibitorfreier Diät auf 85,9 % bei einer Inhibitor-Konzentration von 40 mg pro Tier/Tag in der Diät. Die Autoren führen in dieser Studie weiter an, dass die bei höheren Inhibitor-Konzentrationen geringere Stärkeverdaulichkeit im Dünndarm einen sehr hohen Stärke-/Chymuseinstrom in den Dickdarm zur Folge hatte. Die dort einsetzende mikrobielle Umsetzung hat nicht nur energetische Nachteile gegenüber dem enzymatischen Stärkeabbau, die verfestigte Ingesta opstipierte in dieser Untersuchung das Caecum und führte zu Stresssymptomen, bei einigen Tieren durch Blutgefäßrupturen sogar zum Tod. PUSZTAI et al. (1995) warnen vor der Verwendung inhibitorreicher Diäten, die zum Beispiel durch gentechnisch veränderte Pflanzen mit hoher Inhibitorgenexpression entstehen können.
Proteinverdauung
Die im Futter enthaltenen Proteine werden im Magen im salzsäurehaltigen Milieu denaturiert und durch Pepsin gespalten. Im Duodenum erfolgt die Sekretion von neutralisierendem Bikarbonat und der Pankreasenzyme. Trypsinogen, Chymotrypsinogen und die Procarboxypeptidasen A und B werden durch begrenzte Proteolyse rasch in aktive Enzyme umgewandelt. Chymotrypsin und Trypsin sind Endopeptidasen; sie spalten Peptide in ihrem Innern, je nach ihrer jeweiligen Aminosäurespezifität (LEHNINGER 1987). Über Transportcarrier werden sowohl die freien Aminosäuren, als auch Di- und Tripeptide resorbiert. Die Spaltung am carboxy- bzw. aminoterminalen Ende übernehmen zuvor die Carboxypeptidase A und B sowie die Aminopeptidase des Dünndarms (LEHNINGER 1987).
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Stärke-Inhibitoren sind im Pflanzenreich Protease- Inhibitoren weit verbreitet, die mit den proteinspaltenden Enzymen Komplexe eingehen und somit deren Aktivität, und damit die Verdaulichkeit der Nahrung, mindern. Vor allem in Kartoffeln und verschiedenen Leguminosen kommen diese Inhibitoren in höheren Konzentrationen vor. Da sie insbesondere das Trypsin, aber auch Chymotrypsin betreffen, werden sie auch Trypsin-Inhibitoren genannt. Durch Hitzebehandlung verlieren sie ihre Wirkung (BOLTSHAUSER u. STOLL 1991).
Fettverdauung
Die mit der Nahrung aufgenommenen Fette werden zum Teil schon im Magen durch die Triacylglycerinlipase hydrolysiert, wodurch die Emulgierung unterstützt wird (BUDDECKE 1977). Im Darm werden die Nahrungsfette mit Hilfe von Gallensäuren und Phospholipiden emulgiert. Dies ist v. a. eine Voraussetzung für die Spaltung der Triglyceride durch die Triacylglycerinlipase des Pankreas. Für ihre Aktivierung benötigt dieses Enzym weiterhin die 2-Monoacylglycerinlipase. Es entstehen als Spaltprodukte freie Fettsäuren und ß- Monoacylglycerine, die durch Diffusion in die Mukosazellen des Darmes gelangen. Linguale und gastrische Lipasen unterstützen diese Verdauungsprozesse (REGAN et al. 1977;
DIMAGNO et al. 1977; STERNBY et al. 1992).
Triacylglycerine sind mengenmäßig die wichtigsten Fettsäureverbindungen (STEHLE 2007).
Sie bilden einen Energiespeicher. Triglyceride enthalten neben dem Glycerin drei Fettsäuren, die identisch, aber auch verschieden sein können (VOET u. VOET 1992). Im Verdauungstrakt müssen die Fettsäuren vom Glycerin abgespalten werden, bevor sie resorbiert werden können.
Fettsäuren gehören zu den Lipiden und haben als Carbonsäuren einen langkettigen Kohlenwasserstoffanteil. Sie bestehen aus einer Carboxylgruppe und einer Kohlenwasserstoffkette mit mindestens vier C-Atomen. Die Fettsäuren werden aufgrund ihrer Kohlenwasserstoffkettenlänge eingeteilt: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) haben eine Länge von vier bis fünf C-Atomen, als mittelkettige Fettsäuren wird die Gruppe mit sechs bis zwölf C-Atomen bezeichnet und langkettige Fettsäuren sind schließlich jene Fettsäuren mit mehr als zwölf C-Atomen. Die letztgenannten liegen selten als freie Fettsäuren (FFS) vor, sondern sind überwiegend verestert. Zudem enthalten sie meist eine gerade Anzahl von Kohlenstoff-(C)- atomen. Über die Hälfte der in tierischen und pflanzlichen Lipiden vorhandenen Fettsäuren enthält eine oder mehrere Doppelbindungen und wird demnach als einfach oder mehrfach ungesättigt bezeichnet (VOET u. VOET 1992).
Während bei den meisten Fettsäuren die Kettenlänge durch Addition oder Reduktion von Kohlenstoffen variiert werden kann und sie somit im Organismus aus anderen Fettsäuren synthetisiert werden können, besteht diese Möglichkeit nicht für die so genannten essentiellen Fettsäuren. Als essentielle Fettsäuren sind beim Schwein/Menschen folgende Fettsäuren anzusprechen: Linolsäure, γ-Linolensäure, Arachidonsäure, α-Linolensäure, Eicosapentaensäure (C 20) und Docosahexaensäure (C 22; HEEPE u. WIGAND 2002).
Tierische Organismen können jenseits des C 9 keine Doppelbindungen einfügen und sind somit nicht in der Lage, die essentiellen Fettsäuren zu bilden (VOET u. VOET 1992), weshalb sie laut MINNICH et al. (1997) zwingend mit der Nahrung aufgenommen werden müssen.
Mit der Nahrung nimmt der Nordeuropäer im Mittel eine Fettmenge von 60-100 g am Tag auf. Dabei besteht diese Fettmenge zu 90 % aus Triglyceriden. Hinzu kommen die fettlöslichen Vitamine, Phospholipide und Cholinester (HAGFORS et al. 2005). Bei intaktem Verdauungstrakt werden über 95 % der Triglyceride im Dünndarm gespalten und stehen für die Resorption zu Verfügung (SILBERNAGEL u. DESPOPOULOS 2001). In Tabelle 4 ist die bei einer üblichen Diät von Nordeuropäern im Mittel täglich aufgenommene Menge der verschiedenen Fettsäuren sowie deren prozentualer Anteil bzw. das Fettsäurenmuster dargestellt.
Tabelle 4: Mittlere tägliche Aufnahme einzelner Fettsäuren und des FS-Muster der üblichen Nahrung von Nordeuropäern (HAGFORS et al. 2005)
FS C4 bis C10* C12* C14 C16 C16:1 C18 C18:1
g/Tag 3,51 1,67 4,68 18,5 1,25 6,58 27,6
%(Σ=100) 4,76 2,27 6,35 25,1 1,70 8,93 37,4
FS C18:2 C18:3 C20 C20:4 C20:5 C22:5 C22:6
g/Tag 7,90 1,42 0,19 0,08 0,11 0,02 0,21
%(Σ=100) 10,7 1,93 0,26 0,11 0,15 0,03 0,29
* kurz- und mittelkettige Fettsäuren, auch ohne vorherige enzymatische Abspaltung vom Triglycerid resorbierbar
Einflussfaktoren auf die Verdaulichkeit der Fette
Die Verdaulichkeit einzelner Fettsäuren unterscheidet sich dabei; ungesättigte Fettsäuren sind im Allgemeinen besser resorbierbar als gesättigte. Gesättigte Fettsäuren werden langsamer resorbiert als ungesättigte und benötigen für die Resorption eine längere Verweildauer im Dünndarm (OCKNER et al. 1972). Da bei intakter Verdauung zirka 95 % der in Tabelle 4 aufgeführten Nahrungsfette resorbiert werden (SILBERNAGEL u. DESPOPOULOS 2001), gelangt nur ein sehr geringer Teil in den Dickdarm. Der Abbau der Nahrungsbestandteile wird nicht ausschließlich durch körpereigene Enzyme bestimmt, sondern auch durch solche bakteriellen Ursprungs aus der Mikroflora des Dünndarmes, vor allem aber der des Dickdarmes (EHRLEIN 2000a, b). Dabei sind diese durch die Intestinalflora bedingten Prozesse von verschiedenen Faktoren abhängig. Dazu zählen die Lokalisation im Verdauungstrakt (SCHARRER u. WOLFFRAM 2000), die Adaptationszeit der Mikroflora an das Substrat (SCHÜRCH 1969; KIRCHGESSNER 2004), die Substratverfügbarkeit und die Passagerate der Ingesta (READ 1984; LAYER et al. 1990, 1997). Die enzymatisch nicht verdauten Fette können allerdings auch durch mikrobielle Lipasen gespalten werden.
BECKMANN und RÜFER (2000) heben in diesem Zusammenhang die residenten Clostridien
hervor. In den Dickdarm einströmende langkettige Fettsäuren werden aber trotz dieser Möglichkeit mit dem Kot ausgeschieden, da im Dickdarm nur flüchtige Fettsäuren, nicht aber Fettsäuren mit höherer C-Zahl absorbiert werden (BREVES u. DIENER 2005). Im Kot schließlich ist der Anteil gesättigter Fettsäuren durch die mikrobielle Hydrogenierung ungesättigter Fettsäuren höher als im ilealen Chymus (JØRGENSEN et al. 1993).
Effekt der EPI auf die Resorption der einzelnen Fettsäuren
In ihren Studien konnte KALLA (2009) im Chymus aus einer bezüglich der Zusammensetzung der Humanernährung (Nordeuropäer; Anteil einfach ungesättigter FS:
48,2; mehrfach ungesättigter FS: 7,13; gesättigter FS 44,7 %) nachempfundenen Diät bei pankreasgangligierten Schweinen einen Anteil gesättigter Fettsäuren von 48,1-78,2 % und ungesättigte Fettsäuren mit einem Anteil von 21,8-51,9 % nachweisen. Bei den PL-Tieren entsprach das Verhältnis von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren im praecaecal gewonnenen Chymus in etwa dem Verhältnis dieser Fettsäuren im Futterfett. Bei Enzymsubstitution ging der Anteil ungesättigter Fettsäuren zurück, während der Anteil der gesättigten Fettsäuren anstieg. Die Kontrolltiere wiesen hierbei mit 78,7 % (gesättigte FS) zu 18,5 % (ungesättigte FS) den größten Anteil an gesättigten Fettsäuren auf, d. h. die ungesättigten FS waren wesentlich effizienter aus dem Dünndarm absorbiert worden.
Bei den PL-Tieren stellte die Autorin innerhalb der ungesättigten Fettsäuren einen verringerten Anteil einfach ungesättigter Fettsäuren fest, wohingegen der Anteil der mehrfach ungesättigten Fettsäuren im Chymus erhöht war. Dieses Verhältnis war bei den Versuchsgruppen mit hoher Enzymgabe doppelt so hoch wie bei den Gruppen ohne Enzymgabe (PL-Tiere und auch K-Tiere).
KALLA (2009) vermutet, dass eine genügend große Menge aktiver Lipase im Dünndarm Voraussetzung für einen umfangreichen Abbau der Doppelbindungen mittels Hydrolasen (Hydrogenierung) oder aber eines Umbaus zu mehrfach ungesättigten Fettsäuren mittels Desaturasen ist. Durch die Substratspezifität körpereigener oder substituierter Lipasen (LÖFFLER et al. 2007) besteht die Möglichkeit, dass bei K-Tieren und PL-Tieren mit hoher Enzymgabe zu Beginn des Verdauungsprozesses die einfach ungesättigten Fettsäuren primär von den Triglyceriden gespalten werden und somit auch vermehrt resorbiert werden (KALLA 2009).
In Tabelle 5 sind die von KALLA (2009) im praecaecalen Bereich festgestellten
„Verschwindensraten“ bestimmter Fettsäuren sowohl bei pankreasintakten (K-Tiere), als auch bei pankreasgangligierten Tieren (PL-Tiere) dargestellt. Bei einer insgesamt niedrigen
Fettverdaulichkeit der insuffizienten Tiere konnte die Autorin für die zweifach ungesättigte Fettsäure C18:2 die höchste „Verschwindensrate“ feststellen.
Tabelle 5: Praecaecale „Verschwindensrate“ einzelner Fettsäuren (%; nach KALLA 2009) praecaecale „Verschwindensrate“
> 90 % 70 - 90 % 50 - 70 % < 50 % K-Tiere C14:0, C16:0,
C18:0; C18:1;
C18:2
— — —
PL-Tiere — —
C18:2 C14:0,16:0, C18:0, C18:1 Die Nahrungsfette selbst beeinflussen die Verdauungsvorgänge. So führen hohe Gehalte an FFS zu einer negativen Rückkopplung der Gastrinsekretion, letztere wiederum stimuliert ihrerseits die Magensäureproduktion (MAAS et al. 1996). Triglyceride haben im Gegensatz dazu einen weit weniger stark hemmenden Einfluss auf die Magensäureproduktion (SHAY et al. 1939).
Die Lipasekonzentration hat auch indirekt einen Einfluss auf den pH-Wert (Senkung von 3,3 auf 2,7) in Magen und cranialem Darmabschnitt, da aufgrund des Fehlens der pankreatischen Lipasen bei einer EPI weit weniger freie Spaltprodukte der Nahrungsfette vorhanden sind (BOROVICKA et al. 2000). Die Senkung des pH-Wertes führt, ebenso wie auch die reduzierte Bikarbonatsekretion, zu einer Verringerung der Nährstoffresorption, da das pH- Optimum für die Verdauungsenzyme nicht erreicht wird. Durch den dann vorhandenen niedrigen pH-Wert werden zudem die möglicherweise noch in geringen Mengen vorhandenen Lipasen geschädigt (DIMAGNO et al. 1977). Die längerkettigen Fettsäuren verbleiben so, im Gegensatz zu kurzkettigen Fettsäuren (< C5), die größtenteils pH-unabhängig resorbiert werden (VON ENGELHARDT et al. 1989) im Darmlumen.
Hinzu kommt eine mögliche Ausfällung von Gallensäuren durch einen niedrigen pH-Wert.
Die Mizellenbildung ist dadurch beeinträchtigt, was die Fettresorption zusätzlich negativ beeinflusst (ZENTLER-MUNRO u. NORTHFIELD 1987).
2.3 Einfluss der exokrinen Pankreasinsuffizienz auf die Verdauung
Nachfolgend ein Überblick über die Einflüsse der EPI auf die Verdauungsvorgänge.
Das Fehlen der Verdauungsenzyme pankreatischer Herkunft hat verschiedene direkte als auch indirekte Auswirkungen auf die im Magen-Darm-Trakt stattfindenden Verdauungsvorgänge, wie im vorangegangenen Abschnitt 2.2 beschrieben wurde. Durch unverdaute
Nahrungsbestandteile kann es zu einer veringerten Flüssigkeitsretention im Dickdarm kommen, die u. a. zu flüssiger Faeces führen kann (MOORE 1980).
Vor allem der Mangel an pankreatischer Lipase prägt das Bild der EPI. Jedoch entsteht erst bei einem Rückgang von 90 % der Enzymkapazität des Pankreas die Symptomatik einer klinisch manifesten Steatorrhoe (DIMAGNO et al. 1973; LÖSER u. FÖLSCH 1995). Sowohl die linguale als auch die gastrische Lipase können den Mangel an pankreatischer Lipase nur unvollständig kompensieren. Die Inaktivierung der säureempfindlichen Lipasen durch die fehlende Abpufferung des sauren Mageninhalts im Duodenum infolge reduzierter Bikarbonatsekretion aus dem Pankreas steigert die Fettmalabsorption (REGAN et al. 1977;
DIMAGNO et al. 1977; STERNBY et al. 1992; NAKAMURA et. al. 1994). Bei gesunden Menschen ist die gastrische Lipase nur zu 10 % an der Fettverdauung beteiligt und wirkt bis in das Duodenum an der Lipolyse mit (CARRIERE et al. 1993). Die pankreasinsuffizienten Patienten setzen übel riechenden und voluminösen Kot ab, der, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung, oftmals sehr fettreich ist. Als Leitsymptom der EPI gilt daher die Steatorrhoe. Deren Intensität ist zum einen abhängig von der aufgenommenen Fettmenge im Verhältnis zur noch vorhandenen Lipaseaktivität, zum anderen aber auch von der Länge der aufgenommenen Fettsäuren. Dabei werden kurz- und mittelkettige Fettsäuren (< C 12) trotz Mangel an pankreatischer Lipase direkt von den Enterozyten des Dünndarms resorbiert (SHIAU 1987; BEITZ u. ALLEN 1993). Wenn für die Verdauung nur eine geringe lipolytische Aktivität (wie bei einer EPI) zur Verfügung steht, kommt es zu einer unvollständigen Aufspaltung der Triglyceride. Es entstehen im Chymus nur geringe Mengen an freien Fettsäuren, jedoch vermehrt Diglyceride (KALSER et al. 1968;
NAKAMURA et al. 1995). In der Bürstensaummembran gibt es keine Enzyme zur Spaltung der Triglyceride, so dass keine freien Fettsäuren entstehen, welche resorbiert werden können (STERNBY et al. 1992). Hiervon ist vor allem die Aufspaltung langkettiger Triglyceride betroffen, die - im Gegensatz zu Fettsäuren mit 12 oder weniger C-Atomen - ohne pankreatische Enzyme weniger schnell hydrolysiert werden (CALIARI et al. 1995). Bis zu dieser Länge können die Fettsäuren aufgrund ihrer höheren Wasserlöslichkeit auch ohne enzymatische Abspaltung vom Glycerinmolekül und ohne die Hilfe von Gallensalzen als Triglycerid in die Mukosazellen gelangen (CHOW et al. 1990; KASPER 2004). Somit kommt es bei einer EPI zu einer relativen Anreicherung von langkettigen Triglyceriden im Chymus, da die Triglyceride mit kurz- und mittelkettigen Fettsäuren im Verhältnis dazu noch relativ gut resorbierbar sind. Nicht resorbierte Lipide können nicht nur Ursache für Durchfall und
Steatorrhoe sein, sie stehen zudem in Verdacht, die Tumorentwicklung zu fördern (VONK et al. 1997).
Mit verschiedenen Maßnahmen soll beim EPI-Patienten die Resorption von Fettsäuren erhöht werden. Hier ist in erster Linie die Substitutionstherapie zu nennen, hinzu kommen weitere diätetische Maßnahmen. So soll durch die Zufuhr von mittelkettigen Triglyceriden (MCT = medium chain triglyceride), die ohne pankreatische Lipasen resorbierbar sind, die in der Nahrung (siehe Kapitel 2.5.2 „Diätetik“) zur Resorption zur Verfügung stehende Menge an mittelkettigen Fettsäuren erhöht werden. Zum anderen wurden auch im Rahmen dieses Forschungsprojektes (Beginn 1996) verschiedene Studien zur Wirksamkeit substituierter Lipasen (pankreatischen oder mikrobiellen Ursprungs) durchgeführt (TABELING 1998;
FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE-DEGE 2003;
KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; ZANTZ 2006; CLASSEN 2008; KALLA 2009).
Die substituierte Lipase übernimmt die Aufgabe der natürlichen pankreatischen Lipase und spaltet die Triglyceride, so dass die Fettsäuren resorbiert werden können.
Die bei einer EPI mangelhafte Resorption der Fettsäuren betrifft auch die essentiellen Fettsäuren. Wenn die im Körper vorhandenen Reserven verbraucht sind, kommt es nicht selten zu Krankheitssymptomen. Beim Hund sind für den Mangel an essentiellen Fettsäuren nach MEYER und ZENTEK (2005) unter anderem ein glanzloses Fell und Schuppenbildung sowie nach GROSS et al. (2002) Alopezie und feuchte Dermatitis beschrieben. Eine Supplementierung dieser Fettsäuren erscheint im Falle einer EPI also angezeigt und wird empfohlen.
Neben der Fettverdauung sind bei der EPI auch die Stärke- und Proteinverdauung eingeschränkt. Die Speichelamylase und die Oligosaccharidasen des Bürstensaumes können die aufgrund der EPI reduzierte Stärkeverdauung in beträchtlichem Umfang kompensieren, ebenso wie enterale Proteasen den Mangel pankreatischer Proteasen in Teilen auffangen (LAYER et al. 1986; LADAS et al. 1993; LÖSER u. FÖLSCH 1995; LAYER u. KELLER 1999; 2003). Die Speichelamylase übersteht dabei in gewissen Anteilen auch die Magenpassage und bedingt im Dünndarm immerhin noch ca. 11 % der Gesamtamylaseaktivität (ROSENBLUM et al. 1988; FRIED et al. 1987). HOLMES et al.
(1974) geben bei Tieren mit EPI für den praeduodenalen Stärkeabbau Werte von 41-53 % an, während KEYS und DEBARTHE (1974) den praeduodenalen Stärkeabbau sogar mit 45-76 % der insgesamt erreichten Stärkeverdaulichkeit beziffern. Dennoch darf die KH-Malabsorption nicht unterschätzt werden, da bei EPI- Patienten trotz der angesprochenen Kompensation eine
ungenügende Energieversorgung auftreten kann. Die erhöhte Ausscheidung von Kohlenhydraten und deren Abbauprodukten ist möglicherweise eine Ursache für Diarrhöen (HAMMER et al. 1990). Limitierender Faktor für die KH-Resorption ist vermutlich die eingeschränkte Stärke-Hydrolyse und nicht eine verminderte Absorption der Monosaccharide (MACKIE et al. 1981; HIELE et al. 1989). Wenn die Verdauungskapazität für „komplexe“
Kohlenhydrate im Dünndarm überschritten wird, kommt es durch die im Dickdarm vorhandenen Mikroorganismen in der Regel zu einem vollständigen fermentativen Abbau der anflutenden leicht verfügbaren Kohlenhydrate (HOLMES et al. 1973; KEYS u. DEBARTHE 1974; DROCHNER 1984; KAMPHUES 1987). Allerdings ist zu beachten, dass im Gegensatz zum enzymatischen Abbau bei einer mikrobiellen Umsetzung der Nährstoffe geringe energetische Verluste (100:80-90 %) in Form von Wärme und Gasbildung auftreten (KAMPHUES et al. 2009).
Die fehlende bakterizide Wirkung der Pankreasenzyme und das erhöhte Nährstoffangebot können bei EPI-Patienten zu einem „bacterial overgrowth“ mit nachfolgendem Meteorismus führen (PONGPRASOBCHAI u. DIMAGNO 2002). Dieser „bacterial overgrowth“ führt neben einer gesteigerten bakteriellen Fermentation der mit der Nahrung aufgenommenen Nährstoffe zudem zu einem verstärkten Abbau von Gallensalzen und somit zu Einbußen bei der Fettresorption (GRACEY 1981).
In den vorangegangenen Arbeiten konnten TABELING (1998) und MANDISCHER (2002) beim pankreasgangligierten Minischwein eine - im Vergleich zum Kontrolltier mit intaktem Pankreas - höhere Keimzahl im praecaecalen Darmabschnitt anhand indirekter Marker nachweisen (s. Tabelle 6). TABELING 1998, HELDT 2001, MANDISCHER 2002 und KAMMLOTT 2003 erreichten durch Enzymsubstitution beim PL-Schwein eine Reduktion der bei EPI erhöhten Keimzahlen (s. Tabelle 7). Auch beim Hund wurden im Dünndarm bei Vorliegen einer Pankreasinsuffizienz erhöhte Keimzahlen nachgewiesen (WESTERMARK et al. 1993). Auch bei dieser Spezies wurden durch Substitution von Pankreasenzymen die Keimzahlen im Duodenum auf die Werte gesunder Kontrolltiere gesenkt (SIMPSON et al.
1989).
Tabelle 6: Mittlerer LPS-Gehalt in Ileumchymus und Faeces von KT- und PL-Tieren (µg/g uS)
Ileumchymus Kot Autor
Kontrolltiere PL-Tiere Kontrolltiere PL-Tiere
29,0 a 634 b 58,7 a 1353 b TABELING (1998)
7,10 a 202 b 17,2 a 102 b HELDT (2001)
12,6 a 576 b 21,3 a 215 b FASSMANN (2001)
15,7 a 120 b 15,4 a 193 b MANDISCHER (2002)
3,98 a 335 b k.A. k.A. KAMMLOTT (2003)
(Signifikanzberechnung innerhalb einer Matrix (K- vs. PL-Tier))
Tabelle 7: Mittlerer LPS-Gehalt (µ g/g uS) in Ileumchymus bei Kontroll- und PL-Tieren ohne bzw. mit Enzymsubstitution (24 Kapseln Kreon®)
pankreasgangligierte Tiere Kontrolltiere Autor ohne
Enzymsubstitution
mit
Enzymsubstitution
634 b 30,5 a 29,0 a TABELING (1998)
202 b 31,0 b 7,10 a HELDT (2001)
120 a 14,9 a 15,7 a MANDISCHER (2002)
335 b 8,91 ab 3,98 a KAMMLOTT (2003)
Signifikanzberechnung innerhalb einer Datenzeile
Die durch Maldigestion und Malabsorption bedingte höhere Nährstoffdichte im Chymus kann die mikrobielle Flora im Dünndarm, besonders aber im Dickdarm verändern (LAYER et al.
1986; LADAS et al. 1993; LÖSER u. FÖLSCH 1995; LAYER u. KELLER 1999). Dabei sind im Gegensatz zu den FFS nicht alle aus mikrobiellen Umsetzungen entstehende Fermentationsprodukte von Nutzen. Andere, wie zum Beispiel Ammoniak, stellen hingegen eher eine Belastung für den Stoffwechsel des Patienten dar (TABELING 1998).
2.4 Das Schwein als Modelltier für die Verdauung des Menschen
Im Forschungsprojekt „Studien am pankreasgangligierten Miniaturschwein“ hat sich das pankreasgangligierte, ileocaecal fistulierte Schwein als Modelltier für den an einer exokrinen Pankreasinsuffizienz erkrankten Menschen in zahlreichen Studien bewährt (TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE-DEGE 2003;
KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; BECKER 2005; ZANTZ 2006; CLASSEN 2008;
KALLA 2009). Im Laufe dieser Untersuchungen wurde mit den etablierten Methoden der Bestimmung der Verdaulichkeit (praecaecal/gesamt) bei Einsatz verschiedener Versuchsdiäten die Wirksamkeit zahlreicher Enzyme und Enzymkombinationen in variierenden Dosierungen getestet. Neben diesen Versuchen wurde in den Arbeiten von
BECKER (2005), ZANTZ (2006) und CLASSEN (2008) beim Schwein ein so genannter
„Screeningtest“ als Schnelltest zur Überprüfung der Wirksamkeit von substituierten Enzymen in vivo entwickelt bzw. angewendet.
Da vor allem die Fettverdauung bei der EPI beeinträchtigt ist, muss bei der Auswahl geeigneter Modelle auf eine Ähnlichkeit der (Fett-)Verdauung zwischen Modelltier und Mensch geachtet werden. Die Versuche am pankreasgangligierten Schwein können aufgrund der Ähnlichkeiten in Anatomie und Physiologie des Verdauungstraktes als Modell zur Erforschung der EPI des Menschen dienen (POND u. HOUPT 1978; PITKÄRANTA et al.
1989; TABELING 1998). Gerade das Miniaturschwein erweist sich aufgrund geringerer Haltungskosten, aber vor allem aufgrund des einfachen Handlings, der Trainierbarkeit und der vergleichsweise einfach durchzuführenden chirurgischen Eingriffe als ideal. Dabei erlaubt die Größe des neugeborenen Ferkels im Unterschied z. B. zu Kaninchen, Ratten oder Mäusen eine einfache prae- und postnatale Studiendurchführung in Bezug auf die Synthese und Sekretion von Verdauungsenzymen und die Entwicklung des Darmes (SHULMAN et al.
1987). Nach MOUGHAN et al. (1994) können drei Wochen alte Ferkel als Modell für die Verdauung drei Monate alter Babys eingesetzt werden, da die enzymatische Verdauungskapazität bei neugeborenen Ferkeln zwar geringer ausgeprägt ist als bei Babys, sich im Anschluss aber wesentlich schneller entwickelt. JENSEN et al. (1996) beobachteten nach dem Absetzen der Ferkel zunächst einen Abfall der intraluminalen Pankreaslipasekonzentration und der Co-Lipase, sowie einen Anstieg der gastrischen Lipase.
Die Gesamt-Lipaseaktivität nimmt dann mit zunehmendem Alter der Ferkel zu (FROBISH et al. 1971), bis das Niveau Adulter erreicht ist. Adulte Schweine können dann in Bezug auf ihre Verdauungsvorgänge mit erwachsenen Menschen verglichen werden (POND u. HOUPT 1978; MOUGHAN et al. 1994).
Als omnivore Monogastrier sind sowohl der Mensch als auch das Schwein von der enzymatischen Verdauung der aufgenommenen Nahrung abhängig. Die Effizienz der Verdauung ist vergleichbar (MILLER u. ULLREY 1987). Auch die Passagezeit der Ingesta und die Aktivität der Pankreasenzyme sind vergleichbar. Die Zusammensetzung und Sekretionsrate/-menge der Gallenflüssigkeit zeigen ebenfalls eine große Übereinstimmung (MOUGHAN et al. 1994). Bei Schwein und Mensch ist der Dünndarm morphologisch identisch, dies trifft ebenfalls auf weite Teile des Dickdarms zu. Praecaecal stehen enzymatische Verdauungsvorgänge im Vordergrund, während postileal Fermentationsprozesse bedeutend sind. Die bedeutendsten humanen und porcinen Verdauungsenzyme weisen eine vergleichbare Aktivität auf und haben auch vergleichbare
pH-Optima (MOUGHAN et al. 1994). Über den gesamten intakten Verdauungstrakt erreichen sowohl das Schwein (CLASSEN 2008) als auch der Mensch (SCHMÜLLING 1992) bei geeigneter Fettqualität und -quantität eine scheinbare Rohfett-Verdaulichkeit (Rfe-VQ) von 90 % bis 95 %.
Nichtsdestotrotz müssen auch die Unterschiede zwischen beiden Spezies der Vollständigkeit halber Erwähnung finden. Die Oberfläche der Drüsenregion des Schweinemagens fällt aufgrund der Pars nonglandularis und des Diverticulums in der Fundusregion kleiner aus als jene des Menschen (MOUGHAN et al. 1994). Das Verhältnis vom Dünndarm zu Dickdarm beträgt beim Menschen zirka 1,51:1 (SILBERNAGEL u. DESPOPOULOS 2001), beim Schwein beträgt das Verhältnis laut COLIN (1871) hingegen zirka 3,5:1. Der menschliche Dünndarm stellt damit den größten Verdauungsraum im Magen-Darm-Trakt dar, während dies beim Schwein der Dickdarm ist (ARGENZIO 1984). Hinzu kommt ein differierendes Verhältnis von Körper- zu Darmlänge, das beim Menschen 1:6, beim Schwein 1:14 beträgt.
Ein weiterer Unterschied ist zum Beispiel, dass nach entsprechender Fütterung beim Schwein kaum Lactulose im Dickdarm anflutet, während dies beim Menschen sehr wohl der Fall ist (KAMPHUES et al. 2003). Beim Schwein werden pro kg aufgenommener Trockenmasse 25 bis 50 % mehr Pankreassekret sezerniert als beim Menschen (MAKKINK u. VERSTEEGEN 1990). Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Sekretionsrate an pankreatischer Lipase beim Menschen in etwa das Fünffache der adulten porcinen Sekretion erreicht. Die Verdauungsprozesse des Menschen werden in geringem Umfang von lingualer Lipase unterstützt, während die praeduodenale Lipase der Schweine ihren Ursprung überwiegend in der Kardiadrüsenzone des Magens hat (JENSEN et al. 1996). Die vorhandenen Unterschiede der Spezies Mensch und Schwein dürfen nicht vernachlässigt werden, so dass der Einsatz von Schweinen als Modell nur dann zulässig ist, wenn die Durchführung von Forschungsvorhaben am Menschen aus ethischen oder praktischen Gründen nicht in Frage kommt (MOUGHAN et al. 1994). Eine Fistulierung des Menschen zu Versuchszwecken ist ethisch nicht vertretbar, genauso wenig wie eine Testung von Enzymprodukten im frühen Entwicklungsstadium am Menschen (KALLA 2009).
Das pankreasgangligierte Schwein als Modelltier für die humane EPI
Das Schwein diente nach induzierter EPI, herbeigeführt durch Ligatur des porcinen Pankreasgangs, in zahlreichen Studien als Modell für die Erforschung der EPI des Menschen (unter anderem ANDERSON u. ASH 1971; CORRING u. BOURDON 1977; PITKÄRANTA et al. 1989; TABELING 1998). Der Ductus pancreaticus accessorius wird hierbei ligiert und
durchtrennt, so dass der Rückstau der Sekrete im Pankreasdrüsengewebe zu einer Atrophie des exokrinen Drüsengewebe mit daraus resultierender EPI führt. Der Ductus pancreaticus accessorius ist beim Schwein in der Regel der einzige Ausführungsgang und verläuft zudem getrennt vom Gallengang, so dass eine sichere Unterbrechung der Bauchspeichelsekretion ohne Beeinträchtigung der Gallesekretion vergleichsweise einfach durchzuführen ist (LAMBERT 1965). Bei anderen Versuchstieren lässt sich oftmals eine Vielzahl von Ausführungsgängen (bei der Ratte bis zu 40) nachweisen. Durch die Ligatur des Pankreasausführungsganges wird beim Schwein nur die Funktion des exokrinen Drüsengewebes ausgelöscht, so dass es nicht, wie bei anderen Tierarten, zu einem Diabetes kommt (PITKÄRANTA et al. 1989).
Einsatz von fistulierten Tieren zur Quantifizierung praecaecaler Verdauungsprozesse
Die Implantation einer Umleitungsfistel zwischen Dünn- und Dickdarm erlaubt es, die enzymatischen Verdauungsprozesse isoliert für den cranialen Darmabschnitt zu beurteilen.
Des Weiteren können mit Hilfe der Fisteltechnik auch Aussagen über die Wirkung neuer Enzyme (z.B. deren Effekt auf die Stärke-VQ) getroffen werden. Die Verdaulichkeit über den gesamten Verdauungstrakt entspricht im Fall der Stärke- und Proteinverdauung eben nicht deren Verdaulichkeit im Dünndarm (FUENTE-DEGE 2003). Die Rfe-VQ über den gesamten Verdauungstrakt liefert hingegen ausreichend genaue Werte zur Beurteilung der praecaecalen Rfe-VQ.
Einsatz des Screeningtestverfahrens im Projekt „pankreasgangligiertes, fistuliertes Miniaturschwein“
Mit dem von BECKER (2005), ZANTZ (2006) und CLASSEN (2008) entwickelten Screeningverfahren ist es möglich, Enzym- und Materialverbrauch, Zeit- und Arbeitsaufwand, sowie die Anzahl der benötigten Versuchstiere zu minimieren. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist der – im Vergleich zu „klassischen Verdauungsversuchen mit Anfütterungsphase“
viel geringere Enzymverbrauch, der eine Überprüfung der Wirksamkeit der Enzyme in einem sehr frühen Stadium der Enzym- und Produktentwicklung ermöglicht. Im Screeningtest- Verfahren wird auf die sonst bei Schweinen übliche 5 bis 10tägige Anfütterung verzichtet und durch eine nur einmalige Fütterung der Testmahlzeit ersetzt. Der Screeningtest bietet die Möglichkeit einer Rangierung der erzielten Ergebnisse und gibt eine Orientierung hinsichtlich der Wirksamkeit der getesteten Enzympräparate. So besteht der Vorteil, dass innerhalb kürzester Zeit eine vergleichende Einschätzung der Effektivität von Enzympräparaten
erfolgen kann. Dies ist besonders von Nutzen, da in der frühen Phase der Produktentwicklung selten größere Mengen der zu testenden Enzyme zur Verfügung stehen. Voraussetzung dafür ist die Verwendung eines geeigneten Markers und einer geeigneten Diät mit parallelem Nährstofffluss einschließlich eines Markers (BECKER 2005; ZANTZ 2006; CLASSEN 2008).
2.5 Therapie der exokrinen Pankreasinsuffizienz 2.5.1 Einsatz von Enzymen/orale Substitutionstherapie
Zur Therapie der EPI werden die unzureichend produzierten oder gänzlich fehlenden Pankreasenzyme, vor allem die Lipase, oral substituiert. Dabei ist ein therapeutisches Eingreifen nach LÖSER u. FÖLSCH (1995) insbesondere dann angezeigt, wenn klinische Symptome einer EPI auftreten. Zudem sollen die Krankheitsursachen (z. B. Alkoholismus) abgestellt und der Krankheitsverlauf durch diätetische Maßnahmen unterstützt werden.
Im Jahr 1859 isolierte BERNARD erstmals das auch heute in der EPI-Therapie eingesetzte Extrakt „Pankreatin“ aus dem Pankreas von Schlachtschweinen. Heute werden die porcinen Pankreasenzyme (gecoatet/ungecoatet) als Pulver, Granulat, Tabletten, Mikrosphären und Minimikrosphären angeboten (DOMINGUEZ-MUNOZ 2007). Darüber hinaus stehen Enzyme mikrobieller Herkunft zur Verfügung, die gezielt modifiziert werden können (WEETE 2002). So gibt es eine Vielzahl mikrobieller Monoenzympräparate, die als Einzelprodukte oder als Ergänzung zu etablierten Produkten zum Einsatz kommen. Eine Reihe dieser Produkte mikrobiellen Ursprungs wurde bereits in Versuchen mit fistulierten, pankreasgangligierten Schweinen getestet (BECKER 2005; ZANTZ 2006; CLASSEN 2008;
KALLA 2009).
2.5.2 Diätetische Therapieansätze
Zur Unterstützung der Therapie der EPI des Menschen (exkl. Mukoviszidose) ist eine Fettreduktion in der aufgenommenen Nahrung angezeigt (MAROTTA u. FLOCH 1989;
RADUN et al. 1997, SOMMER 1997). Es sollte lediglich eine moderate Rohfettmenge von max. 70 g pro Tag aufgenommen werden (MÖSSNER et al. 1995; DOMINGUEZ-MUNOZ 2007).
Bei leichten Erkrankungen kann ein lediglich diätetisch orientierter Behandlungsansatz angezeigt sein. Eine entsprechende Ernährung sollte aus hochverdaulichen Komponenten
bestehen und kohlenhydrat- und proteinreich sein (MEIER 2002). Proteinquellen sind hierbei z. B. mageres Geflügel- oder Kalbfleisch, hochverdauliche Eierspeisen, Fisch, (fettarme) Milch(-produkte) und Sojaprodukte. Die KH-Versorgung kann über gekochte Produkte aus Reis und Kartoffeln, Getreide sowie über Zucker, Honig und Früchte erfolgen (WELSCH 1986). Durch die Anreicherung der Diät mit leichtverdaulichen Kohlenhydraten (65-70 % der täglichen Energiemenge) soll der Gefahr einer ungenügenden Energiezufuhr infolge der reduzierten Fettaufnahme begegnet werden. BRUNO et al. (1995) empfehlen bei Gewichtsverlust der Patienten auf die Fettreduktion in der Nahrung zu verzichten.
Ein wesentlicher Aspekt bei der diätetischen Unterstützung von EPI-Patienten ist die mehrmalige Nahrungsaufnahme bzw. hohe Mahlzeitenfrequenz bei geringer Mahlzeitengröße (WELSCH 1986; MEIER 2002). Ergänzend zu den diätetischen Maßnahmen und der Enzymtherapie soll in jedem Fall eine Supplementierung von fettlöslichen Vitaminen erfolgen (SOMMER 1997; KOLETZKO u. REINHARDT 2001; MEIER 2002). Zudem sollten Calcium, Magnesium und Eisen über entsprechende Präparate supplementiert werden, wenn bei Patienten ein entsprechender Mangel besteht (WILLIG 2008).
Sollte trotz einer Therapie mittels Enzymsubstitution und diätetischer Maßnahmen die Steatorrhoe weiterhin bestehenden bleiben, wird der Austausch/Ersatz des Nahrungsfettes (mit langkettigen FS) durch mittelkettige Triglyceride (MCT) empfohlen (BRUNO et al.
1995; RADUN u. MALFERTHEINER 1997; SOMMER 1997; KLING 2001; MEIER 2002).
Der Vorteil dieser MCT besteht in der schnelleren Spaltung durch Lipasen, der höheren Wasserlöslichkeit und vor allem dadurch, dass sie als intakte Triglyceride absorbierbar sind (SOMMER 1997). MEIER (2002) beschreibt eine erhebliche Resorption der MCT sogar ohne jede Einwirkung von Lipase, Colipase und Gallensalzen. Für eine optimale Absorption ist jedoch eine entsprechende Lipaseaktivität von Nöten (SOMMER 1997). Ein Nachteil der MCT ist ihr im Vergleich zu den langkettigen Fettsäuren (LCT) etwas geringerer Energiegehalt (33 kJ/g; HAVALA 1989; MEIER 2002). SOMMER (1997) berichtet über Erbrechen, Kopfschmerzen und abdominale Beschwerden bei einigen Patienten. Die Umstellung der Patienten auf MCT muss deshalb langsam erfolgen. Hinzu kommt der schlechte Geschmack.
Um eine Unterversorgung mit essentiellen Fettsäuen zu vermeiden, wird bei Einsatz von MCT die Diät mit zirka 3 % Linolsäure angereichert (SOMMER 1997; MEIER 2002).
CALIARI et al. (1996) fanden in einer Studie zum Einsatz von MCT bei gleichzeitiger Enzymgabe allerdings keinen Vorteil gegenüber langkettigen Fetten (LCT).
