Bei Schweinen lassen sich im Anfangsteil des Dickdarms hohe Konzentrationen an Histamin nachweisen. Zum einen wird viel exogenes Histamin in der Ingesta durch Bakterien gebildet. Zum anderen befindet sich im proximalen Kolon viel endogenes Histamin, welches in verschiedenen Populationen von Mastzellen gespeichert ist. Beide Histaminquellen stellen eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit des Tieres dar. Sollte Histamin in den vorhandenen Mengen in die Blutzirkulation übertreten, müsste mit dem Tod des Tieres gerechnet werden. Da unter normalen Bedingungen bei Schweinen keine pathophysiologischen Reaktionen auf die hohen Histaminkonzentrationen im Darm beobachtet werden können, muss auf eine effektive Darmbarriere geschlossen werden. Weil weder diese Barriere bisher untersucht wurde, noch bekannt war, welche Wirkung Histamin in diesem Darmteil des Schweins besitzt, sollte in dieser Arbeit Wirkung, Permeation und Katabolismus von Histamin an isolierten Epithelien des proximalen Kolons mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik untersucht werden. Die Zugabe von Histamin zur serosalen Seite der Epithelien führte zu einem schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Untersuchungen an Darmepithelien, in denen eine H1-vermittelte Wirkung von Histamin gefunden wurde, wurde die Wirkung am proximalen Kolon des Schweins über H2-Rezeptoren vermittelt. Die Änderung des Kurzschlussstroms nach Histaminzugabe resultierte aus einer Chloridsekretion. Eine Chloridsekretion scheint somit eine generelle Wirkung von Histamin auf Darmepithelien zu sein, unabhängig von der Art des Wirkungs-vermittelnden Rezeptortyps. Histamin wurde aus den Epithelpräparationen spontan und nach Stimulation von Mastzellen freigesetzt. Obwohl nach Mastzellstimulation eine hohe Histaminfreisetzung beobachtet werden konnte, war dieses Histamin nicht an der sich aus der Stimulation ergebenen elektrophysiologischen Reaktion des Epithels beteiligt. In Fluxstudien mit radiaktiv markiertem Histamin wurde eine konzentrationsabhängige Histaminpermeation über das Epithel festgestellt. Diese Permeation ist von mukosal nach serosal scheinbar parazellulär lokalisiert. Dagegen scheint bei der Permeation von serosal nach mukosal ein transzellulärer Anteil vorhanden zu sein, da eine aktive Sekretion von Histamin in das Darmlumen festgestellt werden konnte. Während der Permeation von Histamin über das Epithel wurde in Abhängigkeit von der vorgegebenen Konzentration zwischen 80% und 100% des permeirenden Histamins verstoffwechselt. Somit besteht eine effektive Darmbarriere gegenüber exogenem Histamin, die sich aus einer geringen Permeation und einer hohen intraepithelialen Verstoffwechselung von Histamin zusammensetzt. Beide für den Abbau von Histamin in Frage kommenden Enzyme, Diaminoxidase (DAO) und Histamin-N-Methyltransferase (HNMT), sind am Katabolismus von Histamin beteiligt. Während in der Literatur die DAO als das „bedeutendste Enzym des Histaminkatabolismus am Darm“ angegeben wird, ist am proximalen Kolon des Schweins die HNMT wichtiger für den Histaminabbau. Beide Enzyme bewerkstelligen sowohl den Abbau von endogen freigesetztem Histamin als auch von transepithelial permeierendem Histamin. Somit hätte eine Hemmung dieser Enzyme, die durch eine Vielzahl von Stoffen, darunter gebräuchliche Arzneimittel, hervorgerufen werden kann, dramatische Konsequenzen. In diesem Fall würde der Körper in hohen Maßen sowohl von endogenem als auch von exogenem Histamin aus dem Darm belastet werden. / In the oral part of pig large intestine, high amounts of luminal histamine can be found due to bacterial production. Further more, histamine is abundantly present in the intestinal wall, where it is stored in different populations of mast cells. Both sources of histamine, exogenous and endogenous, are very dangerous for the body, because histamine is able to elicit systemic effects when it is spilt over in the systemic circulation. Under normal conditions no pathophysiological reactions can be observed in pigs due to the high amounts of histamine in the gut. Therefore, it must be concluded that there is a very effective barrier against luminal histamine. However, neither the barrier function has been characterized yet, nor is there any data available on the action of histamine in this part of the porcine gut. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect, permeation and catabolism of histamine in isolated epithelia of the proximal colon by using the Ussing chamber technique. Addition of histamine to the serosal side induced a rapid rise in short-circuit current. In contrast to many studies investigating the action of histamine in other gut epithelia, in the pig proximal colon histamine acts via H2 receptors. Histamine induced a chloride secretion, which seems to be a common mechanism of gut epithelia, independent from histamine receptor type involved. Endogenous histamine was liberated spontaneously from the epithelia in small amounts. High amounts of histamine were found after a mast cell stimulation. However, this histamine did not participate in a concurrent electrophysiological reaction of the epithelia. In flux studies with radioactively labeled histamine, a transepithelial permeation of histamine was observed in a dose dependent manner. This permeation was located on the paracellular pathway in the mucosal-to-serosal direction. In the serosal-to-mucosal direction a, at least in part, transcellular pathway must be concluded from the observed histamine secretion into the gut lumen. Among 80% and 100% of histamine was catabolised dose-dependently during permeation. Therefore, the very effective gut barrier against histamine is based on a low paracellular permeation and a high intraepithelial catabolism of histamine. The histamine-degrading enzymes, diamine oxidase (DAO) and histamine N-methyltransferase (HNMT), took both part in the catabolism of histamine. While in literature DAO is called “the bottleneck of histamine degradation in the gut”, HNMT seems to be more significant in pig proximal colon. DAO and HNMT are important for the catabolism of exogenous and endogenous histamine. Therefore, inhibition of these enzymes, which is possible by numerous drugs, would have dramatic consequences. In that case, high amounts of histamine would be able to reach the systemic circulation.

Bei Schweinen lassen sich im Anfangsteil des Dickdarms hohe Konzentrationen an Histamin nachweisen. Zum einen wird viel exogenes Histamin in der Ingesta durch Bakterien gebildet. Zum anderen befindet sich im proximalen Kolon viel endogenes Histamin, welches in verschiedenen Populationen von Mastzellen gespeichert ist. Beide Histaminquellen stellen eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit des Tieres dar. Sollte Histamin in den vorhandenen Mengen in die Blutzirkulation übertreten, müsste mit dem Tod des Tieres gerechnet werden. Da unter normalen Bedingungen bei Schweinen keine pathophysiologischen Reaktionen auf die hohen Histaminkonzentrationen im Darm beobachtet werden können, muss auf eine effektive Darmbarriere geschlossen werden. Weil weder diese Barriere bisher untersucht wurde, noch bekannt war, welche Wirkung Histamin in diesem Darmteil des Schweins besitzt, sollte in dieser Arbeit Wirkung, Permeation und Katabolismus von Histamin an isolierten Epithelien des proximalen Kolons mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik untersucht werden. Die Zugabe von Histamin zur serosalen Seite der Epithelien führte zu einem schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Untersuchungen an Darmepithelien, in denen eine H1-vermittelte Wirkung von Histamin gefunden wurde, wurde die Wirkung am proximalen Kolon des Schweins über H2-Rezeptoren vermittelt. Die Änderung des Kurzschlussstroms nach Histaminzugabe resultierte aus einer Chloridsekretion. Eine Chloridsekretion scheint somit eine generelle Wirkung von Histamin auf Darmepithelien zu sein, unabhängig von der Art des Wirkungs-vermittelnden Rezeptortyps. Histamin wurde aus den Epithelpräparationen spontan und nach Stimulation von Mastzellen freigesetzt. Obwohl nach Mastzellstimulation eine hohe Histaminfreisetzung beobachtet werden konnte, war dieses Histamin nicht an der sich aus der Stimulation ergebenen elektrophysiologischen Reaktion des Epithels beteiligt. In Fluxstudien mit radiaktiv markiertem Histamin wurde eine konzentrationsabhängige Histaminpermeation über das Epithel festgestellt. Diese Permeation ist von mukosal nach serosal scheinbar parazellulär lokalisiert. Dagegen scheint bei der Permeation von serosal nach mukosal ein transzellulärer Anteil vorhanden zu sein, da eine aktive Sekretion von Histamin in das Darmlumen festgestellt werden konnte. Während der Permeation von Histamin über das Epithel wurde in Abhängigkeit von der vorgegebenen Konzentration zwischen 80% und 100% des permeirenden Histamins verstoffwechselt. Somit besteht eine effektive Darmbarriere gegenüber exogenem Histamin, die sich aus einer geringen Permeation und einer hohen intraepithelialen Verstoffwechselung von Histamin zusammensetzt. Beide für den Abbau von Histamin in Frage kommenden Enzyme, Diaminoxidase (DAO) und Histamin-N-Methyltransferase (HNMT), sind am Katabolismus von Histamin beteiligt. Während in der Literatur die DAO als das „bedeutendste Enzym des Histaminkatabolismus am Darm“ angegeben wird, ist am proximalen Kolon des Schweins die HNMT wichtiger für den Histaminabbau. Beide Enzyme bewerkstelligen sowohl den Abbau von endogen freigesetztem Histamin als auch von transepithelial permeierendem Histamin. Somit hätte eine Hemmung dieser Enzyme, die durch eine Vielzahl von Stoffen, darunter gebräuchliche Arzneimittel, hervorgerufen werden kann, dramatische Konsequenzen. In diesem Fall würde der Körper in hohen Maßen sowohl von endogenem als auch von exogenem Histamin aus dem Darm belastet werden. / In the oral part of pig large intestine, high amounts of luminal histamine can be found due to bacterial production. Further more, histamine is abundantly present in the intestinal wall, where it is stored in different populations of mast cells. Both sources of histamine, exogenous and endogenous, are very dangerous for the body, because histamine is able to elicit systemic effects when it is spilt over in the systemic circulation. Under normal conditions no pathophysiological reactions can be observed in pigs due to the high amounts of histamine in the gut. Therefore, it must be concluded that there is a very effective barrier against luminal histamine. However, neither the barrier function has been characterized yet, nor is there any data available on the action of histamine in this part of the porcine gut. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect, permeation and catabolism of histamine in isolated epithelia of the proximal colon by using the Ussing chamber technique. Addition of histamine to the serosal side induced a rapid rise in short-circuit current. In contrast to many studies investigating the action of histamine in other gut epithelia, in the pig proximal colon histamine acts via H2 receptors. Histamine induced a chloride secretion, which seems to be a common mechanism of gut epithelia, independent from histamine receptor type involved. Endogenous histamine was liberated spontaneously from the epithelia in small amounts. High amounts of histamine were found after a mast cell stimulation. However, this histamine did not participate in a concurrent electrophysiological reaction of the epithelia. In flux studies with radioactively labeled histamine, a transepithelial permeation of histamine was observed in a dose dependent manner. This permeation was located on the paracellular pathway in the mucosal-to-serosal direction. In the serosal-to-mucosal direction a, at least in part, transcellular pathway must be concluded from the observed histamine secretion into the gut lumen. Among 80% and 100% of histamine was catabolised dose-dependently during permeation. Therefore, the very effective gut barrier against histamine is based on a low paracellular permeation and a high intraepithelial catabolism of histamine. The histamine-degrading enzymes, diamine oxidase (DAO) and histamine N-methyltransferase (HNMT), took both part in the catabolism of histamine. While in literature DAO is called “the bottleneck of histamine degradation in the gut”, HNMT seems to be more significant in pig proximal colon. DAO and HNMT are important for the catabolism of exogenous and endogenous histamine. Therefore, inhibition of these enzymes, which is possible by numerous drugs, would have dramatic consequences. In that case, high amounts of histamine would be able to reach the systemic circulation.

Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen. / Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future.

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Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für Wiederkäuer 3 2.2 Metabolismus von SCFA im Pansenepithel 4 2.2.1 Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten vom Pansenlumen ins Epithel 4 2.2.2 Produktion von HCO3- aus CO2 durch die Carboanhydrase 5 2.2.3 Bereitstellung von Energie für die Epithelzellen 5 2.2.4 Bereitstellung von wasserlöslichen, glukosesparenden Energiesubstraten für die periphere Zirkulation 5 2.2.5 Verhinderung möglicher Schädigungen durch Butyrat 6 2.3 Transportmechanismen für kurzkettige Fettsäuren 7 2.3.1 Para- versus transzelluläre Resorption 7 2.3.2 Transzelluläre Resorption mittels lipophiler Diffusion 7 2.3.3 Proteinvermittelte SCFA-Permeation 9 2.3.4 Permeation von SCFA aus dem Epithel ins Blut 11 2.4 Beeinflussung der SCFA-Resorption auf Genexpressionsebene 17 2.4.1 Beeinflussung der Genexpression durch Butyrat 17 2.4.2 Beeinflussung der Genexpression durch Hypoxie 20 2.4.3 Mechanismen für die Regulation der Genexpression durch Butyrat (-Metaboliten) und Hypoxie 21 2.5 Fragestellungen dieser Arbeit 26 3 Ergebnisse 28 3.1 Publikation 1 28 3.2 Publikation 2 41 4 Diskussion 54 4.1 Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels 54 4.1.1 Transport mittels lipophiler Diffusion 57 4.1.2 SCFA werden bevorzugt über die basolaterale Membran transportiert 58 4.1.3 SCFA(-Metaboliten) werden bikarbonatabhängig über die basolaterale Membran transportiert 59 4.1.4 SCFA(-Metaboliten) werden durch einen Anionenaustauschmechanismus ins Blut ausgeschleust 61 4.1.5 Azetat wird durch einen pHMB- und CHC-sensitiven Mechanismus transportiert 63 4.2 Der Transport von SCFA über das Pansenepithel unterliegt regulativen Einflüssen 68 4.2.1 Einfluss von Butyrat(-Metaboliten) auf die Expression von potentiellen SCFA Transportern 68 4.2.2 Mechanismen für die Regulation der Expression durch Butyrat(-Metaboliten) 72 4.3 Theoretisches Modell des SCFA-Transports und dessen Regulation auf Genexpressionsebene auf Grundlage der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit 74 5 Zusammenfassung 76 6 Summary 78 7 Literaturverzeichnis 80 Danksagung 98 / Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für Wiederkäuer 3 2.2 Metabolismus von SCFA im Pansenepithel 4 2.2.1 Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten vom Pansenlumen ins Epithel 4 2.2.2 Produktion von HCO3- aus CO2 durch die Carboanhydrase 5 2.2.3 Bereitstellung von Energie für die Epithelzellen 5 2.2.4 Bereitstellung von wasserlöslichen, glukosesparenden Energiesubstraten für die periphere Zirkulation 5 2.2.5 Verhinderung möglicher Schädigungen durch Butyrat 6 2.3 Transportmechanismen für kurzkettige Fettsäuren 7 2.3.1 Para- versus transzelluläre Resorption 7 2.3.2 Transzelluläre Resorption mittels lipophiler Diffusion 7 2.3.3 Proteinvermittelte SCFA-Permeation 9 2.3.4 Permeation von SCFA aus dem Epithel ins Blut 11 2.4 Beeinflussung der SCFA-Resorption auf Genexpressionsebene 17 2.4.1 Beeinflussung der Genexpression durch Butyrat 17 2.4.2 Beeinflussung der Genexpression durch Hypoxie 20 2.4.3 Mechanismen für die Regulation der Genexpression durch Butyrat (-Metaboliten) und Hypoxie 21 2.5 Fragestellungen dieser Arbeit 26 3 Ergebnisse 28 3.1 Publikation 1 28 3.2 Publikation 2 41 4 Diskussion 54 4.1 Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels 54 4.1.1 Transport mittels lipophiler Diffusion 57 4.1.2 SCFA werden bevorzugt über die basolaterale Membran transportiert 58 4.1.3 SCFA(-Metaboliten) werden bikarbonatabhängig über die basolaterale Membran transportiert 59 4.1.4 SCFA(-Metaboliten) werden durch einen Anionenaustauschmechanismus ins Blut ausgeschleust 61 4.1.5 Azetat wird durch einen pHMB- und CHC-sensitiven Mechanismus transportiert 63 4.2 Der Transport von SCFA über das Pansenepithel unterliegt regulativen Einflüssen 68 4.2.1 Einfluss von Butyrat(-Metaboliten) auf die Expression von potentiellen SCFA Transportern 68 4.2.2 Mechanismen für die Regulation der Expression durch Butyrat(-Metaboliten) 72 4.3 Theoretisches Modell des SCFA-Transports und dessen Regulation auf Genexpressionsebene auf Grundlage der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit 74 5 Zusammenfassung 76 6 Summary 78 7 Literaturverzeichnis 80 Danksagung 98