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AG Gastrointestinale Physiologie

Prof. Dr. med. vet. Gerhard Breves

 

Entwicklung eines In vitro-Modells zur Erforschung der Pathogenese-Mechanismen von Zoonoseerreger-induzierten Darmerkrankungen (Msc Pascal Hoffmann)

 

Der Darm spielt für viele vom Tier auf den Menschen übertragbare Erkrankungen (sog. Zoonosen) eine entscheidende Rolle. Während verschiedene auf Zellkulturen basierende In-vitro-Systeme für die Erforschung von Krankheitsmechanismen bei Mäusen, Ratten und dem Menschen zur Verfügung stehen, ist für die Untersuchung solcher Vorgänge bei Nutztieren (z. B. bei Schweinen, Rindern oder Geflügel) immer noch die Verwendung von direkt aus dem Tier entnommenen Primärzell- oder Organkulturen oder sogar der Einsatz von Tieren notwendig.

Aus diesem Grund sind neue Ansätze zur Entwicklung von In-vitro-Modellen zur Erforschung zugrundeliegender molekularer Mechanismen von Infektionen bei Nutztieren von großem Interesse, insbesondere vor dem Hintergrund, dass Nutztiere häufig Träger bzw. Überträger zoonotischer Krankheitserreger sind. Der Zweck des vorliegenden Projektes besteht daher darin, ein Modell des Darms zu entwickeln, indem erstmalig die sog. „Colon-Simulations-Technik“ (Cositec) mit der „Ussing-Kammer-Technologie“ verknüpft wird.

 

Beeinflussung der intestinalen Barriere durch Spulwurminfektionen beim Schwein (TÄ Nicole Issel)

Es ist Ziel des Forschungsprojektes, die Wirkungen einer Infektion mit Ascaris suum beim Schwein bzw. exkretorisch-sekretorischen sowie kutikulären Antigenen des Parasiten, die mit der Darmwand in Kontakt kommen, auf den intestinalen Transport von Glucose, Aminosäuren und Dipeptide zu untersuchen. Diese Untersuchungen erfolgen über In-vitro-Messungen am intakten Epithel über den elektrophysiologischen Response nach mukosaler Zugabe der Nährstoffe sowie als Fluxstudien unter Verwendung radioaktiv markierter Substrate sowie als uptake-Studien in Membranvesikel der luminalen und basolateralen Membran von Enterozyten. Diese funktionellen Studien werden durch molekularbiologische Studien zur Expression der Transportsysteme (Quantitative RT-PCR, Western-blot und Immunhistochemie) komplettiert. Die erwarteten Erkenntnisse tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der Parasit-Wirt-Interaktion bei, sondern eröffnen auch die Möglichkeit neuartiger Therapieansätze. Hierbei erscheint nicht nur eine therapeutische Intervention bezüglich der Malabsorption bei der porcinen oder humanen Ascariose möglich, sondern auch eine potentielle Identifizierung von Zielmolekülen, die der Entwicklung von Therapeutika bei ätiologisch anders bedingten Absorptionsstörungen oder Adipositas dienen könnten.

 

Melanie Eger, PhD

 

In vitro Untersuchungen zum ruminalen Microbiom und Metabolom unter physiologischen oder pathologischen Bedingungen

In diesem Projekt wird mittels sog. Next Generation Sequencing- und Metabolomics-Techniken die bakterielle Gemeinschaft und deren Fermentationsprodukte im RUSITEC detailliert charakterisiert. Darüber hinaus werden die Auswirkungen verschiedener physiologischer und pathologischer Bedingungen auf klassische Fermentationsparameter und die mikrobielle Gemeinschaft untersucht. Hierfür wird beispielsweise ein Modell zur Erzeugung einer subklinischen Azidose im RUSITEC-System etabliert und charakterisiert.

 

Dr. rer. nat. Stefanie Klinger

 

Untersuchungen der Effekte von trans-Resveratrol auf den Nährstofftransport im porcinen Dünndarm und der zu Grunde liegenden Mechanismen

Für das Polyphenol Resveratrol (trans-3,5,4’-trihydroxystilben) wurden in den letzten Jahren verschiedene positive Effekte beschrieben. Neben anti-kanzerogenen und anti-inflammatorischen Effekten wurden positive Wirkungen im Zusammenhang mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie Obesitas und assoziierten Erkrankungen, darunter antihyperglykämische Effekte, beobachtet. Die zu Grunde liegenden Mechanismen werden intensiv erforscht, wobei eine Vielzahl von Signalwegen durch Resveratrol beeinflusst wird.

Aufgrund eines möglichen Einsatzes von Resveratrol als Nahrungsergänzungsmittel wurde bislang im Hinblick auf die Bioverfügbarkeit die intestinale Metabolisierung von Resveratrol untersucht, es liegen jedoch wenige Studien zu Einflüssen von Resveratrol auf die intestinale Nährstoff- und Elektrolytaufnahme vor.

In diesem Projekt wird deswegen zu einen untersucht, ob neben dem intestinalen Glucosetransport weitere Elektrolyt- und Nährstofftransportsysteme durch Resveratrol beeinflusst werden. Zum anderen soll der zu Grunde liegende Mechanismus weiter aufgeklärt werden. Dazu werden sowohl Studien an intakten Epithelien (Ussing Kammer Technik) durchführt als auch die Expressionsveränderung beteiligter Proteine durch Western Blot Analysen erfasst.   

Dr. rer. nat. Alexandra Muscher Banse

 

Einfluss einer Protein-Reduktion auf die Modulation der Calcitriol- und IGF1-Synthese bei wachsenden Ziegen

Eine Protein-Reduktion führt bei wachsenden Ziegen zu verminderten Calcitriol- und IGF1-Konzentrationen, einer verminderten intestinalen Calcium (Ca)-Absorption und somit zur Reduktion der Blut-Ca-Spiegel. Die zugrunde liegenden Mechanismen der Modulation der hepatischen IGF1-Bildung bei wachsenden Ziegen mit diätetischer Protein-Reduktion sind unbekannt. Da IGF1 ein Bestandteil der somatotropen Achse ist, werden Teile dieser untersucht, um Ursachen für die reduzierten IGF1-Spiegel zu identifizieren. Die Untersuchungen sollen zu einem besseren Verständnis möglicher Veränderungen des hypothalamisch-hypophysär kontrollierten Hormonhaushalts (insbesondere Wachstumshormon und IGF1) als potentiell zugrunde liegende Mechanismen der bereits bekannten Veränderungen der Calcitriolsynthese bei wachsenden Ziegen unter Protein-reduzierter Diät beitragen. So können die Folgen der reduzierten Calcitriolspiegel, wie die verminderte intestinale Ca-Aufnahme und die daraus resultierende Abnahme der Blut-Ca-Spiegel, die u.a. am Knochen modulierend wirken können, besser verstanden werden.


Dr. rer. nat. Susanne Riede

 

Glypho-Bak-Projekt

Im landwirtschaftlichen Sektor werden seit rund 40 Jahren glyphosathaltige Herbizide eingesetzt. Der Wirkstoff Glyphosat inhibiert das Enzym 5-Enolpyruvlyshikimate-3-Phosphate Synthase (EPSPS), welches an der Biosynthese von aromatischen Aminosäuren in Pflanzen beteiligt ist, und führt so zum Sterben der Pflanze. Da das Enzym EPSPS auch in Bakterien und Pilzen vorhanden ist, welche im Vormagen von Wiederkäuern den mikrobiellen Aufschluss und Abbau des aufgenommenen Futters übernehmen, wird in diesem Projekt der Einfluss von glyphosathaltigen Herbiziden auf den bovinen Vormagenstoffwechsel in vitro untersucht. Als Untersuchungsmethode wird die Rumen Simulation Technique (RUSITEC) angewendet.

 

PD Dr. med. vet. habil. Mirja Wilkens

 

Ca-Haushalt bei Legehennen

In Kooperation mit dem Institut für Nutztiergenetik des FLI Mariensee wird untersucht, inwieweit sich vier verschiedene Legehennenlinien (WLA: hochleistende Weißleger,  R11: minderleistende Weißleger, BLA: hochleistende Braunleger, L68: minderleistende Braunleger) in ihrer Anpassung an eine vorüberhegende Belastung des Ca-Haushaltes unterscheiden. Im Vordergrund steht dabei die Frage, ob die Selektion auf Leistung zu einer Aufrechterhaltung der Legeleistung unter ungünstigen Bedingungen auf Kosten des eigenen Organismus geführt hat.

 

Nicht-klassische Effekte einer Supplementierung mit verschiedenen Vitamin D Metaboliten

Die Supplementierung mit verschiedenen Vitamin D Metaboliten ist nicht nur in der Humanmedizin sondern auch im Nutztierbereich weit verbreitet. Nachdem erste Ergebnisse an Schafen gezeigt hatten, dass solche Behandlungen eventuell auch die Metabolisierung und Elimination von Hormonen und Pharmaka beeinflussen können, werden nun diesbezüglich systematische Untersuchungen an Ratten durchgeführt.

 

Stabilisierung der Ca-Homöostase des Wiederkäuers durch diätetische Interventionen

In verschiedenen Studien an Schafen als Modelltieren und Rindern wird in Kooperation mit dem Institut für Tierernährung, Vetsuisse-Fakultät der Universität Zürich, und der Klinik für Rinder der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover der Frage nachgegangen, inwieweit sich die gastrointestinale Absorption, die renale Exkretion und die Mobilisation von Ca und P aus dem Knochen durch  verschiedene Ca- und P-Gehalte in der Ration, die diätetische Induktion einer kompensierten metabolischen Acidose und die Supplementierung mit Vitamin D Metaboliten beeinflussen lassen. Übergeordnetes Ziel dieser Arbeiten ist dabei das genaue Verständnis, die Verbesserung und die Weiterentwicklung der derzeitig angewendeten Maßnahmen zur Stabilisierung der peripartalen Ca-Homöostase der Milchkuh.

 

 

Methodik

 

Pansensimulationstechnik (Rumen simulation technique, RUSITEC)

Die Pansensimulationstechnik (RUSITEC) stellt eine seit langem etablierte Methode dar um die mikrobielle Fermentation im Pansen in vitro zu simulieren. Die Fermenter werden hierfür zu Versuchsbeginn mit flüssigem und festem Panseninhalt von Wiederkäuern befüllt, täglich mit einer entsprechenden Futterration und kontinuierlich mit einem dem Wiederkäuerspeichel nachempfunden Puffer versorgt. Ablaufende Flüssigkeit und entstehendes Fermentationsgas werden gesammelt. Mittels dieser Methode können über mehrere Wochen die Auswirkungen von z.B. verschiedenen Futtermitteln oder Futtermittelzusatzstoffen auf die mikrobielle Fermentation (Bestimmung der Konzentration kurzkettiger Fettsäuren per Gaschromatografie, photometrische Ammoniak- und Lactat-Bestimmung, Gasproduktion (CO2 und Methan) und mikrobielle Gemeinschaft (SSCP) erfasst werden. Um die Gemeinschaft der Bakterien und Archaeen im Rusitec im Detail zu untersuchen kann die DNA für Next-Generation Sequencing verwendet werden.

 

Die Ussing Kammer Technik: Eine in vitro Methode zur Untersuchung elektro- und transportphysiologischer Mechanismen am intakten Epithel oder an Zellkultursystemen

 

 

 

Die Aufnahme von Nährstoffen  in den Körper erfolgt durch komplexe Transportvorgänge in den Epithelien der Schleimhäute des Magen-Darm-Traktes. Diese Transportvorgänge werden durch verschiedene Faktoren wie die Zusammensetzung der Nahrung, das Alter und den Hormonstatus der Tiere reguliert, können aber auch durch Erkrankungen und Infektionen verändert sein.

Da die Nährstoffaufnahme eine Grundlage der bedarfsgerechten Versorgung des Organismus darstellt, sind ihre Mechanismen und deren Regulation Gegenstand der Forschung.

Die bereits 1951 von USSING und ZERAHN vorgestellte und seitdem kontinuierlich weiterentwickelte Ussing Kammer ermöglicht es, Studien an intakten Epithelien (aus Schlacht- und Biopsiematerial, Zellkulturen) unter kontrollierten in vitro Bedingungen über mehrere Stunden durchzuführen.

 

Molekularbiologische Techniken

Um funktionelle Befunde auf zellulärer Ebene näher beleuchten zu können, werden verschiedene molekularbiologische Techniken eingesetzt. Um Änderungen in der Funktionsweise von Zellen festzustellen kann die RNA-Expression durch real-time PCR quantitativ gemessen werden oder aber die Änderung der Proteinexpression durch Western Blot Analysen erfasst werden. Proteine können zudem immunhistochemisch in Gewebeschnitten nachgewiesen werden. Zudem wird der enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) eingesetzt, um z.B. die Konzentrationen verschiedener Vitamin D Metabolite oder Knochenmarker in Plasmaproben zu bestimmen.   

Die DNA-Fingerprint Methode SSCP (single strand conformation polymorphism) basiert auf dem Nachweis mikrobieller 16S-rRNA und wird eingesetzt, um die mikrobielle Gemeinschaft der des Pansens zu charaktierisieren.

 

 

 

 

 

 

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