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Equine Metabolic Syndrome (EMS) is a unique condition of horses characterized by adiposity, insulin resistance, and an increased risk of laminitis. Reducing insulin resistance may decrease the incidence of laminitis in horses with EMS. Pioglitazone, a thiazolidinedione class of anti-diabetic drug, has proven efficacy in humans with type 2 diabetes, a syndrome of insulin resistance sharing some similarities with EMS. The ability of pioglitazone to influence insulin sensitivity in an endotoxin-infusion model of induced insulin resistance was investigated. Our hypothesis was that piogltiazone would preserve insulin sensitivity in a model of induced insulin resistance. The specific aims were to investigate the pharmacokinetics and pharmacodynamics of pioglitazone in an endotoxin infusion model of insulin resistance. 16 normal adult horses were enrolled. Pioglitazone was administered to 8 horses (1 mg/kg, PO, q24h) for 14 days, and 8 horses served as their controls. Liquid chromatography with tandem mass spectroscopy was used to quantitate plasma concentration of pioglitazone. A frequently sampled intravenous glucose tolerance test with minimum model analysis was used to compare indices of glucose and insulin dynamics prior to, and following, endotoxin infusion in horses treated with pioglitazone and their controls. Parameters of clinical examination and lipid metabolism were compared prior to, and following, endotoxin administration. Pioglitazone administered orally at 1 mg/kg q 24 h resulted in plasma concentrations lower, and more variable, compared to those considered therapeutic in humans. No significant effect of drug treatment was detected on clinical parameters or indices of insulin dynamics or lipid homeostasis following endotoxin challenge. / Master of Science

Das Equine metabolische Syndrom, das Equine Cushing Syndrom und die häufig daraus resultierende Hufrehe stellen den behandelnden Tierarzt noch immer vor Probleme bezüglich Diagnostik und Therapie. Grund hierfür sind fehlende einheitliche endokrinologische Parameter, die eine Einschätzung des Krankheitszustandes des jeweiligen Tieres ermöglichen. Für Ponys fehlt es gänzlich an statistisch validen Referenzbereichen für die, an den Krankheiten beteiligten Hormonen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Aktivität von Insulin, sowie die Konzentration von Insulinwachstumsfaktor-1 (IGF-1) und adrenocorticotropem Hormon (ACTH) im Blut von 130 klinisch gesunden, erwachsenen Ponys bestimmt. Damit liegen erstmals Ergebnisse vor, welche auf einer für die Erstellung von Referenzwerten ausreichend großen Fallzahl basieren. Die Analyse fand mittels eines immunometrischen Chemielumineszenz-Assays an drei aufeinander folgenden Tagen statt. Anhand einer Dreifachuntersuchung am ersten Untersuchungstag wurde für jedes Hormon der 95 %-Referenzbereich bestimmt. Für Insulin konnte ein Referenzbereich von 2,0 - 34,3 µU/ml ermittelt werden. Damit liegen die Werte unterhalb den für Großpferde veröffentlichen Werten, wobei ein direkter Vergleich nur bedingt möglich ist. Für Insulinwachstumsfaktor-1 wurden für Pferde noch keine Werte erhoben. Somit ist ein Vergleich zwischen Großpferden und Ponys diesbezüglich noch nicht möglich. Für Ponys liegt der hier ermittelte Referenzbereich zwischen 48,3 und 382,6 ng/ml. Für die Konzentration von adrenocorticotropem Hormon gibt es in der Literatur unterschiedliche Angaben sowohl für Ponys als auch für Großpferde. Mit dieser Studie wurde der 95 %-Referenzbereich für Ponys bei 6,5 bis 23,3 pg/ml ermittelt. Es konnte ein Zusammenhang zwischen dem Alter der Tiere und der ACTH-Konzentration nachgewiesen werden. Der Referenzbereich der Gruppe B (13 bis 32 Jahre) reicht von 7,1 pg/ml bis 27,7 pg/ml und unterscheidet sich damit signifikant von dem Referenzbereich der Gruppe A (drei bis 12 Jahre), welcher zwischen 5,9 pg/ml und 22,2 pg/ml ermittelt wurde. Durch die Bestimmung der Hormonkonzentration an drei aufeinander folgenden Tagen konnte die Empfindlichkeit der Hormone gegenüber enzymatischem Abbau überprüft werden. Die Proben wurden an Tag 1 aufgetaut und anschließend bei 4°C gelagert. Lediglich für adrenocorticotropes Hormon konnte eine signifikante Reduzierung (p< 0,001) der Werte um 5,4 % an Tag 3 im Vergleich zu Tag 1 festgestellt werden. Das Chemielumineszens-Assay-Testverfahren mit den Geräten der IMMULITE 2000-Reihe wurde hinsichtlich seiner Präzisionen überprüft, indem der Variationskoeffizient für die Intra-Assay-Untersuchung und die Inter-Assay-Untersuchung berechnet wurde. Für das Verfahren konnte eine ausreichende (Variationskoeffizienten ACTH: 5,2 % bzw. 5,4%), für die Untersuchung von Insulin und IGF-1 sogar eine hervorragende (Variationskoeffizienten Insulin: 3,9 % bzw. 4,7 %; Variationskoeffizienten IGF-1: 2,6 % bzw.2,9 %) Testgenauigkeit nachgewiesen werden.

Laminitis is a crippling disease of horses that can result in chronic lameness and debilitation, and sometimes warrants euthanasia. It is a complication of inflammatory conditions such as gastrointestinal disease, and also occurs in obese, insulin-resistant horses with Equine Metabolic Syndrome (EMS). Inflammation and insulin resistance are risk factors for laminitis, and these mechanisms might converge to induce laminitis in susceptible animals. Systemic inflammation is often attributed to endotoxemia, although circulating endotoxin concentrations are not commonly measured in the clinical setting. Although a theoretic basis exists for endotoxemia in the pathogenesis of laminitis, administration of endotoxin alone does not induce the condition. This could be related to differences between experimental models and naturally occurring disease. Studies presented in this dissertation address the overall hypothesis that systemic inflammation causes laminitis and new experimental models can be developed to better represent clinical disease. Associations between systemic inflammation and laminitis were first established by measuring blood inflammatory cytokine expression during a laminitis induction model. A clinically relevant endotoxin model that induced laminitis was then sought, but endotoxin administration alone was insufficient to cause laminitis and endotoxin tolerance developed. Endotoxemia was therefore evaluated in conjunction with predisposing factors such as obesity. In horses with EMS, endotoxin infusion caused exaggerated inflammatory responses, and derangements in glucose homeostasis were more pronounced. Laminitis, however, did not develop. Repeated inflammatory events are implicated in the pathogenesis of sepsis-associated organ failure, so a final study was performed to test whether preexisting endotoxemia increased the risk of laminitis during subsequent carbohydrate overload-induced systemic inflammation. This did not occur, however systemic inflammation was more pronounced in horses that developed laminitis compared to non-responders, and tissues rather than circulating leukocytes appeared to be the major source of inflammatory mediators. Our results do not support a role for endotoxin as the causal agent of laminitis, even when combined with predisposing factors. Tissues appear to be an important source of inflammatory mediators, therefore their role in laminitis should be further characterized. Additionally, future investigations should determine whether exaggerated inflammatory responses and loss of glycemic control increase the risk of laminitis in horses with EMS.

In horses, a painful and often debilitating disease known as laminitis can result in impaired function and, in severe cases, euthanasia. Equine Metabolic Syndrome (EMS) is a syndrome in horses that results in development of laminitis and is characterized by the presence of general and/or regional adiposity (“cresty neck”), aberrations in blood lipid concentrations, insulin resistance (IR) and/ or hyperinsulinemia. Therapies have focused on improving the state of obesity and insulin resistance with the goal of diminishing the likelihood of laminitis development. A definitive cause for laminitis has not been established, but hyperinsulinemia and IR are likely candidates as experimental states of hyperinsulinemia have been shown to induce laminitis and improvements in insulin sensitivity and obesity have been associated with a decreased risk of laminitis development. This dissertation discusses associations between obesity and IR, as well as potential therapies for alleviating insulin resistance with the ultimate goal of decreasing the risk of developing laminitis. Therapies evaluated included chromium and magnesium, levothyroxine sodium, and metformin hydrochloride. Horses were treated with each supplement for 10 to 36 weeks, depending on the supplement tested, and physical measurements such as body weight, neck circumference, and body condition score were obtained. Throughout each study, blood concentrations of glucose, insulin, and plasma lipids were analyzed. Chromium and magnesium currently do not appear to have any effect on insulin sensitivity, whereas results of levothyroxine administration indicate therapeutic responses, as does metformin, though results indicate further work are required. Research contained in this dissertation focuses on the potential of identifying animals at risk of developing IR and laminitis through measurement of blood biomarkers such as adiponectin and glucagon-like peptide 1. Assays to measure markers included enzyme-linked immunosorbent assays, western blots, and radioimmunoassays. Glucagon-like peptide 1 currently does not appear to differ between healthy and IR animals, but protein band density of high-molecular weight adiponectin does appear to be lower in horses with IR when compared to healthy animals. There is still much to learn about IR in horses, and therapy appears to be dependent on a case by case basis.

Das Equine Metabolische Syndrom (EMS) beschreibt einen Cluster von metabolischen Störungen, die durch Adipositas, Insulinresistenz und Hufrehe im Zusammenhang stehen. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss einer achtwöchigen oralen Supplementierung von Chrom, Metformin beziehungsweise von einer Kombination aus Chrom und Metformin auf die Insulinsensitivität und die Glukosetoleranz bei adipösen Pferden und Ponys zu untersuchen. Für diese Studie standen 24 Pferde und Ponys (14,4 ± 3,87 Jahre, 14 Stuten und 10 Wallache) mit Adipositas, Insulinresistenz und Hufrehe zur Verfügung. Während der achtwöchigen Versuchsphase bekamen die Tiere eine Heuration (1,5 kg Heu/100 kg Körpermasse (KM)) und zweimal täglich das ihnen zugewiesene Supplement (Chrom: 25 µg/kg KM, Metformin: 15 mg/kg KM, Chrom+Metformin: 25 µg/kg KM Chrom + 15 mg/kg KM Metformin in jeweils 25 g Grünmehl/100 kg KM) verabreicht. Eine vierte Gruppe erhielt als Placebo 25 g Grünmehl/100 kg KM ohne Supplement. Vor Versuchsbeginn und nach Versuchsende durchliefen die Pferde und Ponys, an zwei aufeinanderfolgenden Tagen, nach jeweils einer zwölfstündigen Fastenperiode einen kombinierten Glukose-Insulin-Toleranztest (KGIT) zur Bestimmung der Insulinsensitivität und einen oralen Glukose-Toleranz-Test (OGTT) zur Bestimmung der Glukoseabsorption und -toleranz. Im Verlauf des Versuchszeitraums konnte bei den Pferden ein durchschnittlicher Gewichtsverlust von 2,77 ± 2,99 % verzeichnet werden (Behandlung p > 0,05). Beim OGTT zeigte sich keine signifikante Veränderung der Glukose- und Insulinreaktionen zwischen Versuchsbeginn und Versuchsende. Die Seruminsulinmaximalwerte der mit Metformin und der mit Chrom+Metformin supplementierten Gruppen waren nach der Versuchszeit numerisch gesunken (Metformin Versuchsbeginn: 452 ± 642 µU/ml, Versuchsende: 202 ± 121 µU/ml; Chrom+Metformin Versuchsbeginn: 388 ± 347 µU/ml, Versuchsende: 342 ± 164 µU/ml, Behandlung p > 0,05). Im KGIT zeigten sich bei den Glukosewerten keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Behandlungsgruppen und zwischen den Werten vor Versuchsbeginn und nach Versuchsende. Die Seruminsulinkonzentrationen lagen im KGIT vor Versuchsbeginn bei allen Probanden zum Zeitpunkt Minute 45 über 100 µU/ml. Somit gelten alle Versuchsteilnehmer per definitionem als insulinresistent. Nach den acht Wochen Supplementierung befanden sich beim KGIT zum Zeitpunkt Minute 45, mit Ausnahme eines Probanden aus der Chrom+Metformin-Gruppe, alle Seruminsulinwerte weiterhin >100 µU/ml. Somit sind die übrigen 23 Pferde und Ponys weiterhin als insulinresistent einzustufen. Weder Chrom, noch Metformin oder die Kombination von Chrom+Metformin konnte in den hier im Versuch angewandten Dosierungen die Insulinsensitivität und Glukosetoleranz der erkrankten Pferde und Ponys verbessern.

Zusammenfassung: Effekte der L-Carnitinsupplementierung auf das metabolische Profil adipöser und insulinre- sistenter Ponys im Verlaufe einer mehrwöchigen Körpergewichtsreduktion Author: Uta Schmengler Institut für Tierernährung, Ernährungsschäden und Diätetik, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im September 2012 76 S., 16 Abb., 23 Tab., 169 Lit., Anhang Einleitung: Das ”Equine Metabolische Syndrom” ist gekennzeichnet durch eine regionale oder generalisierte Adipositas, eine periphere Insulinresistenz sowie akute oder chronische Hufreheschübe. Die Ursache ist in einer bedarfsübersteigenden, hochkalorischen Fütterung und einem relativen Bewegungsmangel zu suchen, wobei auch der genetischen Prädisposition spezieller Rassen eine gewisse Bedeutung zukommt. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Effekte einer L-Carnitinsupplementierung in Kombination mit einer restriktiven Füt- terung und täglicher moderater Bewegung auf Körpermasseverlust, Insulinsensitivität und ausgewählte Parameter des Energiestoffwechsels adipöser und insulinresistenter Ponys. Material und Methoden: Für die placebokontrollierte Doppelblindstudie wurden 16 adipöse Ponys per Losverfahren in zwei Gruppen (N=8) eingeteilt. Zu Versuchsbeginn wiesen die Ponys einen mittleren Body Condition Score von 8,0±2,0 (Skala 1-9) und einen mittleren Cresty Neck Score von 4,0±1,0 (Skala 0-5) auf. Während des 14-wöchigen Körpermassere- duktionsprogramms wurden die Ponys restriktiv gefüttert mit 1 - 1,2 kg Heu/100 kg KM/d. Zusätzlich erhielten 8 Ponys eine L-Carnitin-Zulage (1,3 g/100 kg KM/2d) und 8 Tiere ein Placebo in Form einer Kieselsäureverbindung (1,3 g/100 kg KM/ 2d). Die Ergänzungen wur- den in einem Gemisch aus Grünmehl (50 g/2d) und Mineralfutter verabreicht. Über die 14-wöchige Versuchszeit wurde ein Bewegungsprogramm an sechs Tagen in der Woche durch- geführt, das 25 Minuten Schritt und 15 Minuten Trab beinhaltete. Zu Versuchsbeginn und nach Versuchsende wurde mit beiden Versuchsgruppen ein Frequently sampled intravenous glucose tolerance test (FSIGTT) zur Überprüfung der Insulinsensitivität durchgeführt. Über die gesamte Versuchszeit wurden wöchentlich Blutproben gewonnen zur Bestimmung der ba- salen Serum-Insulinaktivität und Plasma-Glucosekonzentration sowie der Konzentration der Freien Fettsäuren (FFS), Triacylglyceride (TAG), Harnstoff und Betahydroxybutyrat (BHB) im Serum. Die Körpermasseverluste wurden über wöchentliche Wägungen sowie Ermittlung von BCS und CNS kontrolliert. Die statistische Überprüfung wurde anhand parametrischer (ANOVA) und nicht-parametrischer Tests (Wilcoxon signed rank test) durchgeführt, die Kal- kulation der Insulinsensitivität erfolgte über das Minimalmodell anhand eines Computerpro- gramms (MINMOD). Ergebnisse: Im Mittel verloren die Ponys über den Versuchszeitraum von 14 Wochen 1- 3% ihrer Körpermasse pro Woche (Zeit: p < 0, 01, Behandlung: p=0,79), was einem totalen Körpermasseverlust von 14,3±% entsprach. Der BCS reduzierte sich in beiden Versuchs- gruppen um eine Differenz von 3 Einheiten, der CNS verringerte sich in der Carnitingrup- pe (GC ) um eine Differenz von 1,4 und in der Placebogruppe (GP ) um eine Differenz von 1,9 Einheiten. Der Körpermasseverlust war von einer signifikanten Verbesserung der Insu- linsensitivität (Zeit p < 0, 01, Behandlung: p=0,39) begleitet. Die Kalkulation der Insulin- sensitivität im Minimalmodell zeigte eine signifikante Erhöhung der SI-Werte am Versuch- sende in beiden Versuchsgruppen (Beginn Studie GC : 0,76±0,88 l/min/μU*10−4 und GP : 1,61±1,31 l/min/μU*10−4 ; Ende Studie GC : 5,45±0,81 l/min/μU*10−4 und GP : 6,08±2,98 l/min/μU*10−4 ). Signifikante, zeitabhängige Veränderungen wurden auch für die metabo- lischen Parameter beobachtet: Plasma-Glucose und Serum-Insulin reagierten mit einem si- gnifikanten Abfall (Glucose GC : 4,5±0,32 mmol/l vs. 4,21±0,61 mmol/l und Glucose GP : 4,34±0,62 mmol/l vs. 3,86±0,34 mmol/l; Insulin GC : 23,71±32,77 μU/ml vs. 3,67±3,94 μU/ml und GP : 13,55±12,67 μU/ml vs. 1,01±1,09 μU/ml). Dabei kam es zu einem signi- fikanten Anstieg des Serum-Harnstoffs (GC : 3,47±0,73 mmol/l vs. 4,31±1,06 mmol/l und GP : 3,71±0,79 mmol/l vs. 4,9±1,23 mmol/l) sowie der Serum-FFS (GC : 157±95 μmol/l vs. 731±138 μmol/l und GP : 113±63 μmol/l vs. 686±142 μmol/l) und Serum-TAG (GC : 0,53±0,28 mmol/l vs. 0,94±0,61 mmol/l und GP : 0,45±0,23 mmol/l vs. 0,64±0,25 mmol/l). Bezüglich der L-Carnitinsupplementierung wurden keine weiteren Effekte verzeichnet. Schlussfolgerungen: Die restriktive Energiezufuhr von 7 MJ DE/100 kg KM entspre- chend einer Heuzulage von 1 kg/100 kg KM führte zu KM-Verlusten von 1-3 %. Eine Kör- permassereduktion zeigte deutliche Auswirkungen auf den Glucose- und Lipidmetabolismus und führte zu einer signifikanten Verbesserung der Insulinsensitivität, wohingegen die L- Carnitinsupplementierung keine weiteren Effekte auf den Glucosestoffwechsel herbeiführte. Eine bedarfsdeckende Eigensynthese von L-Carnitin ist beim Pony offensichtlich auch im Zu- stand der Insulinresistenz gewährleistet und reicht aus um die obligatorischen Funktionen L-Carnitins im Energiestoffwechsel zu erfüllen. / Summary: The effects of L-carnitine supplementation on body weight losses and metabolic profile in obese and insulin resistant ponies during a several weeks lasting bodyweight reduction pro- gramme Author: Uta Schmengler Institute of Animal Nutrition, Nutrition Diseases and Dietetics, Faculty of Veterinary Medi- cine, University of Leipzig Submitted in September 2012 76 p., 16 fig., 23 tab., 169 ref., appendix Introduction: Insulin resistance, local or general adiposity and the predisposition towards acute or chronical laminitis are components of the equine metabolic syndrome. Contributing factors for this syndrome are the intake and the quality of a high caloric feed by a lack of physical exersice. Howewer, the genetically predisposition of so called ”easy keepers” seems to play a role in pathogenesis. The objective of this study was to investigate the effects of L- carnitine supplementation in combination with a body weight reduction programme (BWRP) on body weight (BW) losses, insulin sensitivity and selected metabolic parameters in obese and insulin resistant ponies. Material und methods: 16 obese ponies (mean BCS = 8.0±2.0, mean CNS = 4.0±1.0) were assigned to a randomized double blind, placebo-controlled study. The ponies werde di- vided into two equal groups (N=8). During a 14 weeks lasting BWRP the ponies were fed 1.0-1.2 kg hay/100 kg BW daily. Additionally, 8 ponies were supplemented with L-carnitine (1.3g/100 kg BW) and 8 ponies were supplemented with a placebo (1.3g/100 kg BW). The supplements were offered in a mixture of 50 g grass meal and 50 g of a commercial mineral mixture, twice a day. During BWRP ponies were exercised a low-intensity protocol 6 days a week (daily 25 min walk and 15 min trot across the countryside). A frequently sampled intravenous glucose tolerance test (FSIGTT) was undertaken in order to assess insulin sen- sitivity at the beginning and the end of the study. Routine blood samples were collected for analysis of plasma glucose, serum insulin, free fatty acids (FFA), triglycerides (TG), urea and beta-hydroxybutyrate (BHB). Ponies were weighed weekly after 12 h of feed restriction by using an electronic scale for large animals. BCS and CNS were recorded weekly by the same 2 observers throughout the study. The statistical analysis was performed by parametric and non-parametric tests (ANOVA and Wilcoxon ranked test). The minimal modell calcu- lation of insulin sensitivity (SI) from FSIGTT was calculated by the computer programme (MINMOD). Results: Ponies lost 1-3% BW per week over the BWRP (time P<0.01, L-carnitine supple- mentation P=0.79), meaning a total body weight loss of 14.3%. BCS decreased in both groups with a difference of three points and CNS was reduced with a difference of 1.4-1.9 points. BW losses were accompanied by a significant improvement in insulin sensitivity (Time: P<0.01, L-carnitine supplementation: P=0.39). The calculation for SI-values by the minimalmodell showed a significant increase in L-carnitine group (GC ) and placebo group (GP ) in the end of the study. (GC : 0.76±0.88 L/min/μU*10−4 to 5.45±0.81 L/min/μU*10−4 , GP : 1.61±1.31 L/min/μU*10−4 to 6.08±2.98 L/min/μU*10−4 ). Significant time related decreases were observed for plasma glucose (GC : 4.5±0.32 mmol/L to 4.21±0.61 mmol/L, GP : 4.34±0.62 mmol/L to 3.86±0.34 mmol/L) and serum insulin (GC : 23.71±32.77 μU/mL to 3.67±3.94 μU/mL, GP : 13.55±12.67 μU/mL to 1.01±1.09 μU/mL). A significant increase was observed for serum urea (GC : 3.47±0.73 mmol/L to 4.31±1.06 mmol/L, GP : 3.71±0.79 mmol/L to 4.9±1.23 mmol/L), FFA (GC : 157±95 μmol/L to 731±138 μmol/L und GP : 113±63 μmol/L to 686±142 μmol/L) and TG (GC : 0.53±0.28 mmol/L to 0.94±0.61 mmol/L, GP : 0.45±0.23 mmol/L to 0.64±0.25 mmol/L) during BWRP. There was no further improvement in metabolic responses by L-carnitine supplementation. Conclusions: Energy intake of 7 MJ DE/100 kg BW leads to bodyweight losses of 1- 3%, herby improving insulin sensitivity and glucose metabolism. L-carnitine supplementation does not further improve glucose or fat metabolism, suggesting that endogenous L-carnitine synthesis was sufficient to facilitate energy metabolism in obese and insulin resistant ponies.

Dem Spurenelement Chrom wird seit mehreren Jahrzehnten eine maßgebliche Funktion im Glucosestoffwechsel zugeschrieben. In der vorliegenden placebokontrollierten Studie wurden die Effekte einer Chromhefezulage bei insulinresistenten Ponies und Pferden untersucht. Aus dem Patientenklientel der Pferdeklinik an der Rennbahn wurden mittels eines Stärketoleranztest 27 Ponies und Pferde ausgewählt, welche einen veränderten Glucosestoffwechsel aufwiesen. Die Versuchsprobanden waren 13,9 ± 4,8 Jahre alt, wiesen eine mittlere Körpermasse von 422 ± 138 kg und einen mittleren Body Condition Score von 7,6 ± 0,8 (Skala 1-9) auf. Die 27 Ponies und Pferde wurden nach dem Zufallsprinzip in 2 Gruppen unterteilt. Die Chromgruppe (N=15) erhielt über einen Zeitraum von 28 ± 7 Tagen eine Chromhefezulage in einer täglichen Dosierung von 25 μg/kg KM, die Placebogruppe (N=12) erhielt eine Hefezulage ohne Chrom in derselben Hefemenge wie die Chromgruppe. Während des Versuchszeitraumes wurden alle Probanden mit Heu 1,5 kg /100 kg KM gefüttert. Zu Beginn und am Ende des Versuchszeitraumes wurde jeweils ein Stärketoleranztest (1,5 g Stärke/kg KM) über eine Dauer von 420 min durchgeführt. Die Blutproben wurden postprandial in definierten Intervallen entnommen. In beiden Gruppen konnte ein deutlicher Gewichtsverlust über die vierwöchige Versuchszeit beobachtet werden. Dabei wurde ein signifikanter Gewichtsverlust bei der chromsupplementierten Gruppe von 3,8 ± 4,3 % (p < 0,05) und ein ebenfalls signifikanter Gewichtsverlust bei der Placebogruppe von 2,1 ± 3,2 % (p < 0,05) verzeichnet. Unterschiede zwischen den Behandlungsgruppen konnten aber nicht mit p < 0,05 abgesichert werden. Die Ruheglucosekonzentrationen bewegten sich bei den chromsupplementierten Tieren im Mittel bei 6,3 ± 2,1 mmol/l, die placebosupplementierte Gruppe wies mittlere Werte von 5,5 ± 0,9 mmol/l auf. Nach der Behandlung konnten Ruheglucosekonzentrationen von 6,0 ± 2,0 mmol/l für die chromsupplementierten Tiere und Ruheglucosekonzentrationen von 5,6 ± 0,5 mmol/l für die placebosupplementierten Probanden gemessen werden. Die Nüchterninsulinkonzentrationen im Plasma lagen vor der Supplementierung bei 63,7 ± 81,9 μU/ml für die Chromgruppe und bei 42,9 ± 47,8 μU/ml für die Placebogruppe. Nach der Behandlung konnten Nüchterinsulinkonzentrationen bei den chromsupplementierten Pferden und Ponies von 33,2 ± 35,7 μU/ml sowie bei den placebosupplementierten Tieren von 14,4 ± 8,7 μU/ml verzeichnet werden. Diese Veränderung der Nüchterninsulinwerte innerhalb der beiden Behandlungsgruppen war jedoch nicht signifikant. Beim 1. Stärketoleranztest erreichte die Chromgruppe eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 12,4 ± 2,6 mmol/l mit Einzelwerten bis zu 19,3 mmol/l, die Placebogruppe wies eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 11,8 ± 2,0 mmol/l mit Einzelwerten bis 16,3 mmol/l auf. Die Plasmainsulinkonzentrationen stiegen im 1. Stärketoleranztest bei der Chromgruppe auf mittlere maximale Werte von 1902 ± 1393 μU /ml sowie in der Placebogruppe auf 1158 ± 753 μU/ml. Im 2. Stärketoleranztest erreichte die Chromgruppe eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 11,0 ± 3,0 mmol/l und die Placebogruppe wies eine mittlere maximale Plasmaglucosekonzentration von 10,7 ± 2,6 mmol/l auf (Behandlung und Zeit: nicht signifikant). Die Plasmainsulinkonzentrationen der Chromgruppe stiegen im 2. Stärketoleranztest auf mittlere maximale Plasamainsulinkonzentrationen von 1277 ± 856 μU/ml, für die placebosupplementierte Gruppe wurden mittlere Maximalwerte von 883 ± 725 μU/ml ermittelt; diese Unterschiede waren jedoch nicht signifikant. Der beobachtete Körpergewichtsverlust scheint für beide Gruppen von Bedeutung für die Verbesserung der Insulinresistenz zu sein. Nach der vierwöchigen Supplementierungsphase konnte allerdings bei den Tieren die Cr erhielten, eine deutlichere Reduktion bei der Insulinreaktion im Verlaufe des 2. STT beobachtet werden, wohingegen die Placebopferde nur eine moderate Veränderung in der Insulinreaktion aufwiesen.

Das Equine Metabolische Syndrom (EMS) beschreibt einen Cluster von metabolischen Störungen, die durch Adipositas, Insulinresistenz und Hufrehe im Zusammenhang stehen. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss einer achtwöchigen oralen Supplementierung von Chrom, Metformin beziehungsweise von einer Kombination aus Chrom und Metformin auf die Insulinsensitivität und die Glukosetoleranz bei adipösen Pferden und Ponys zu untersuchen. Für diese Studie standen 24 Pferde und Ponys (14,4 ± 3,87 Jahre, 14 Stuten und 10 Wallache) mit Adipositas, Insulinresistenz und Hufrehe zur Verfügung. Während der achtwöchigen Versuchsphase bekamen die Tiere eine Heuration (1,5 kg Heu/100 kg Körpermasse (KM)) und zweimal täglich das ihnen zugewiesene Supplement (Chrom: 25 µg/kg KM, Metformin: 15 mg/kg KM, Chrom+Metformin: 25 µg/kg KM Chrom + 15 mg/kg KM Metformin in jeweils 25 g Grünmehl/100 kg KM) verabreicht. Eine vierte Gruppe erhielt als Placebo 25 g Grünmehl/100 kg KM ohne Supplement. Vor Versuchsbeginn und nach Versuchsende durchliefen die Pferde und Ponys, an zwei aufeinanderfolgenden Tagen, nach jeweils einer zwölfstündigen Fastenperiode einen kombinierten Glukose-Insulin-Toleranztest (KGIT) zur Bestimmung der Insulinsensitivität und einen oralen Glukose-Toleranz-Test (OGTT) zur Bestimmung der Glukoseabsorption und -toleranz. Im Verlauf des Versuchszeitraums konnte bei den Pferden ein durchschnittlicher Gewichtsverlust von 2,77 ± 2,99 % verzeichnet werden (Behandlung p > 0,05). Beim OGTT zeigte sich keine signifikante Veränderung der Glukose- und Insulinreaktionen zwischen Versuchsbeginn und Versuchsende. Die Seruminsulinmaximalwerte der mit Metformin und der mit Chrom+Metformin supplementierten Gruppen waren nach der Versuchszeit numerisch gesunken (Metformin Versuchsbeginn: 452 ± 642 µU/ml, Versuchsende: 202 ± 121 µU/ml; Chrom+Metformin Versuchsbeginn: 388 ± 347 µU/ml, Versuchsende: 342 ± 164 µU/ml, Behandlung p > 0,05). Im KGIT zeigten sich bei den Glukosewerten keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Behandlungsgruppen und zwischen den Werten vor Versuchsbeginn und nach Versuchsende. Die Seruminsulinkonzentrationen lagen im KGIT vor Versuchsbeginn bei allen Probanden zum Zeitpunkt Minute 45 über 100 µU/ml. Somit gelten alle Versuchsteilnehmer per definitionem als insulinresistent. Nach den acht Wochen Supplementierung befanden sich beim KGIT zum Zeitpunkt Minute 45, mit Ausnahme eines Probanden aus der Chrom+Metformin-Gruppe, alle Seruminsulinwerte weiterhin >100 µU/ml. Somit sind die übrigen 23 Pferde und Ponys weiterhin als insulinresistent einzustufen. Weder Chrom, noch Metformin oder die Kombination von Chrom+Metformin konnte in den hier im Versuch angewandten Dosierungen die Insulinsensitivität und Glukosetoleranz der erkrankten Pferde und Ponys verbessern.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Das Equine Metabolische Syndrom (EMS) 2 2.1.1 Definition 2 2.1.1.1 Adipositas 3 2.1.2 Diagnostische Methoden 6 2.1.3 Beeinflussung der Insulinresistenz und der Adipositas 12 3 Material und Methode 23 3.1 Versuchsziel 23 3.2 Versuchsaufbau 23 3.3 Vorversuch 23 3.4 Versuchstiere 24 3.5 Versuchsdurchführung 24 3.5.2 Fütterung 25 3.5.3 Gruppeneinteilung 26 3.5.4 Oraler Glukosetoleranztest vor und nach der Supplementierungsphase 26 3.5.5 Kombinierter Glukosetoleranztest vor und nach der Supplementierungsphase 27 3.5.6 Scoring 28 3.5.7 Wägung 29 3.6 Analysen 29 3.6.1 Vorversuch 29 3.6.2 Hauptversuch 30 3.7 Statistik 31 4 Ergebnisse 33 4.1 Einschlusskriterien 33 4.2 Hauptversuch 34 4.2.1 Gesundheitszustand der Pferde und Ponys 34 4.2.2 Gewichtsentwicklung der Pferde und Ponys 35 4.2.4 Blutparameter 36 5 Diskussion 54 5.1 Kritik der Methoden 54 5.2 Diskussion der Ergebnisse 58 5.2.1 Effekte der vier verschiedenen Supplementierungen auf die Insulinsensitivität 58 5.3 Abschließende Betrachtung 61 6 Zusammenfassung 63 7 Summary 65 8 Literaturverzeichnis 67 9 Anhang 79

Zusammenfassung: Effekte der L-Carnitinsupplementierung auf das metabolische Profil adipöser und insulinre- sistenter Ponys im Verlaufe einer mehrwöchigen Körpergewichtsreduktion Author: Uta Schmengler Institut für Tierernährung, Ernährungsschäden und Diätetik, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig Eingereicht im September 2012 76 S., 16 Abb., 23 Tab., 169 Lit., Anhang Einleitung: Das ”Equine Metabolische Syndrom” ist gekennzeichnet durch eine regionale oder generalisierte Adipositas, eine periphere Insulinresistenz sowie akute oder chronische Hufreheschübe. Die Ursache ist in einer bedarfsübersteigenden, hochkalorischen Fütterung und einem relativen Bewegungsmangel zu suchen, wobei auch der genetischen Prädisposition spezieller Rassen eine gewisse Bedeutung zukommt. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Effekte einer L-Carnitinsupplementierung in Kombination mit einer restriktiven Füt- terung und täglicher moderater Bewegung auf Körpermasseverlust, Insulinsensitivität und ausgewählte Parameter des Energiestoffwechsels adipöser und insulinresistenter Ponys. Material und Methoden: Für die placebokontrollierte Doppelblindstudie wurden 16 adipöse Ponys per Losverfahren in zwei Gruppen (N=8) eingeteilt. Zu Versuchsbeginn wiesen die Ponys einen mittleren Body Condition Score von 8,0±2,0 (Skala 1-9) und einen mittleren Cresty Neck Score von 4,0±1,0 (Skala 0-5) auf. Während des 14-wöchigen Körpermassere- duktionsprogramms wurden die Ponys restriktiv gefüttert mit 1 - 1,2 kg Heu/100 kg KM/d. Zusätzlich erhielten 8 Ponys eine L-Carnitin-Zulage (1,3 g/100 kg KM/2d) und 8 Tiere ein Placebo in Form einer Kieselsäureverbindung (1,3 g/100 kg KM/ 2d). Die Ergänzungen wur- den in einem Gemisch aus Grünmehl (50 g/2d) und Mineralfutter verabreicht. Über die 14-wöchige Versuchszeit wurde ein Bewegungsprogramm an sechs Tagen in der Woche durch- geführt, das 25 Minuten Schritt und 15 Minuten Trab beinhaltete. Zu Versuchsbeginn und nach Versuchsende wurde mit beiden Versuchsgruppen ein Frequently sampled intravenous glucose tolerance test (FSIGTT) zur Überprüfung der Insulinsensitivität durchgeführt. Über die gesamte Versuchszeit wurden wöchentlich Blutproben gewonnen zur Bestimmung der ba- salen Serum-Insulinaktivität und Plasma-Glucosekonzentration sowie der Konzentration der Freien Fettsäuren (FFS), Triacylglyceride (TAG), Harnstoff und Betahydroxybutyrat (BHB) im Serum. Die Körpermasseverluste wurden über wöchentliche Wägungen sowie Ermittlung von BCS und CNS kontrolliert. Die statistische Überprüfung wurde anhand parametrischer (ANOVA) und nicht-parametrischer Tests (Wilcoxon signed rank test) durchgeführt, die Kal- kulation der Insulinsensitivität erfolgte über das Minimalmodell anhand eines Computerpro- gramms (MINMOD). Ergebnisse: Im Mittel verloren die Ponys über den Versuchszeitraum von 14 Wochen 1- 3% ihrer Körpermasse pro Woche (Zeit: p < 0, 01, Behandlung: p=0,79), was einem totalen Körpermasseverlust von 14,3±% entsprach. Der BCS reduzierte sich in beiden Versuchs- gruppen um eine Differenz von 3 Einheiten, der CNS verringerte sich in der Carnitingrup- pe (GC ) um eine Differenz von 1,4 und in der Placebogruppe (GP ) um eine Differenz von 1,9 Einheiten. Der Körpermasseverlust war von einer signifikanten Verbesserung der Insu- linsensitivität (Zeit p < 0, 01, Behandlung: p=0,39) begleitet. Die Kalkulation der Insulin- sensitivität im Minimalmodell zeigte eine signifikante Erhöhung der SI-Werte am Versuch- sende in beiden Versuchsgruppen (Beginn Studie GC : 0,76±0,88 l/min/μU*10−4 und GP : 1,61±1,31 l/min/μU*10−4 ; Ende Studie GC : 5,45±0,81 l/min/μU*10−4 und GP : 6,08±2,98 l/min/μU*10−4 ). Signifikante, zeitabhängige Veränderungen wurden auch für die metabo- lischen Parameter beobachtet: Plasma-Glucose und Serum-Insulin reagierten mit einem si- gnifikanten Abfall (Glucose GC : 4,5±0,32 mmol/l vs. 4,21±0,61 mmol/l und Glucose GP : 4,34±0,62 mmol/l vs. 3,86±0,34 mmol/l; Insulin GC : 23,71±32,77 μU/ml vs. 3,67±3,94 μU/ml und GP : 13,55±12,67 μU/ml vs. 1,01±1,09 μU/ml). Dabei kam es zu einem signi- fikanten Anstieg des Serum-Harnstoffs (GC : 3,47±0,73 mmol/l vs. 4,31±1,06 mmol/l und GP : 3,71±0,79 mmol/l vs. 4,9±1,23 mmol/l) sowie der Serum-FFS (GC : 157±95 μmol/l vs. 731±138 μmol/l und GP : 113±63 μmol/l vs. 686±142 μmol/l) und Serum-TAG (GC : 0,53±0,28 mmol/l vs. 0,94±0,61 mmol/l und GP : 0,45±0,23 mmol/l vs. 0,64±0,25 mmol/l). Bezüglich der L-Carnitinsupplementierung wurden keine weiteren Effekte verzeichnet. Schlussfolgerungen: Die restriktive Energiezufuhr von 7 MJ DE/100 kg KM entspre- chend einer Heuzulage von 1 kg/100 kg KM führte zu KM-Verlusten von 1-3 %. Eine Kör- permassereduktion zeigte deutliche Auswirkungen auf den Glucose- und Lipidmetabolismus und führte zu einer signifikanten Verbesserung der Insulinsensitivität, wohingegen die L- Carnitinsupplementierung keine weiteren Effekte auf den Glucosestoffwechsel herbeiführte. Eine bedarfsdeckende Eigensynthese von L-Carnitin ist beim Pony offensichtlich auch im Zu- stand der Insulinresistenz gewährleistet und reicht aus um die obligatorischen Funktionen L-Carnitins im Energiestoffwechsel zu erfüllen. / Summary: The effects of L-carnitine supplementation on body weight losses and metabolic profile in obese and insulin resistant ponies during a several weeks lasting bodyweight reduction pro- gramme Author: Uta Schmengler Institute of Animal Nutrition, Nutrition Diseases and Dietetics, Faculty of Veterinary Medi- cine, University of Leipzig Submitted in September 2012 76 p., 16 fig., 23 tab., 169 ref., appendix Introduction: Insulin resistance, local or general adiposity and the predisposition towards acute or chronical laminitis are components of the equine metabolic syndrome. Contributing factors for this syndrome are the intake and the quality of a high caloric feed by a lack of physical exersice. Howewer, the genetically predisposition of so called ”easy keepers” seems to play a role in pathogenesis. The objective of this study was to investigate the effects of L- carnitine supplementation in combination with a body weight reduction programme (BWRP) on body weight (BW) losses, insulin sensitivity and selected metabolic parameters in obese and insulin resistant ponies. Material und methods: 16 obese ponies (mean BCS = 8.0±2.0, mean CNS = 4.0±1.0) were assigned to a randomized double blind, placebo-controlled study. The ponies werde di- vided into two equal groups (N=8). During a 14 weeks lasting BWRP the ponies were fed 1.0-1.2 kg hay/100 kg BW daily. Additionally, 8 ponies were supplemented with L-carnitine (1.3g/100 kg BW) and 8 ponies were supplemented with a placebo (1.3g/100 kg BW). The supplements were offered in a mixture of 50 g grass meal and 50 g of a commercial mineral mixture, twice a day. During BWRP ponies were exercised a low-intensity protocol 6 days a week (daily 25 min walk and 15 min trot across the countryside). A frequently sampled intravenous glucose tolerance test (FSIGTT) was undertaken in order to assess insulin sen- sitivity at the beginning and the end of the study. Routine blood samples were collected for analysis of plasma glucose, serum insulin, free fatty acids (FFA), triglycerides (TG), urea and beta-hydroxybutyrate (BHB). Ponies were weighed weekly after 12 h of feed restriction by using an electronic scale for large animals. BCS and CNS were recorded weekly by the same 2 observers throughout the study. The statistical analysis was performed by parametric and non-parametric tests (ANOVA and Wilcoxon ranked test). The minimal modell calcu- lation of insulin sensitivity (SI) from FSIGTT was calculated by the computer programme (MINMOD). Results: Ponies lost 1-3% BW per week over the BWRP (time P<0.01, L-carnitine supple- mentation P=0.79), meaning a total body weight loss of 14.3%. BCS decreased in both groups with a difference of three points and CNS was reduced with a difference of 1.4-1.9 points. BW losses were accompanied by a significant improvement in insulin sensitivity (Time: P<0.01, L-carnitine supplementation: P=0.39). The calculation for SI-values by the minimalmodell showed a significant increase in L-carnitine group (GC ) and placebo group (GP ) in the end of the study. (GC : 0.76±0.88 L/min/μU*10−4 to 5.45±0.81 L/min/μU*10−4 , GP : 1.61±1.31 L/min/μU*10−4 to 6.08±2.98 L/min/μU*10−4 ). Significant time related decreases were observed for plasma glucose (GC : 4.5±0.32 mmol/L to 4.21±0.61 mmol/L, GP : 4.34±0.62 mmol/L to 3.86±0.34 mmol/L) and serum insulin (GC : 23.71±32.77 μU/mL to 3.67±3.94 μU/mL, GP : 13.55±12.67 μU/mL to 1.01±1.09 μU/mL). A significant increase was observed for serum urea (GC : 3.47±0.73 mmol/L to 4.31±1.06 mmol/L, GP : 3.71±0.79 mmol/L to 4.9±1.23 mmol/L), FFA (GC : 157±95 μmol/L to 731±138 μmol/L und GP : 113±63 μmol/L to 686±142 μmol/L) and TG (GC : 0.53±0.28 mmol/L to 0.94±0.61 mmol/L, GP : 0.45±0.23 mmol/L to 0.64±0.25 mmol/L) during BWRP. There was no further improvement in metabolic responses by L-carnitine supplementation. Conclusions: Energy intake of 7 MJ DE/100 kg BW leads to bodyweight losses of 1- 3%, herby improving insulin sensitivity and glucose metabolism. L-carnitine supplementation does not further improve glucose or fat metabolism, suggesting that endogenous L-carnitine synthesis was sufficient to facilitate energy metabolism in obese and insulin resistant ponies.