Ulm, Univ. Diss., 2006.

Zugl.: Berlin, Freie University, Diss., 2008.

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2008.

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Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss unterschiedlich zusammengesetzter Tränken auf den Säuren-Basen-Haushalt bei Kälbern mit experimentell induzierter metabolischer Azidose zu untersuchen. Bei gesunden Kälbern konnte nachgewiesen werden, dass die Fütterung von milchbasierten ORL mit einer [SID3] ≥92 mmol/l eine Erhöhung der Plasma-[SID3] zur Folge hat (BACHMANN et al. 2009b) und damit eine alkalische Wirkung auf den SBS. Zu prüfen galt die Hypothese, ob es bei Kälbern mit experimentell induzierter metabolischer Azidose zu einem stärkeren alkalisierenden Effekt nach Gabe einer Tränke mit einer hohen [SID3] kommt. Bessere alkalisierende Eigenschaften einer Tränke könnten potentiell genutzt werden, um den Genesungsprozess von Kälbern mit metabolischer Azidose zu beschleunigen. Material und Methoden Zur Verfügung standen zwölf Kälber der Rasse Holstein-Friesian im Alter von weniger als vier Lebenswochen. Unter Verwendung von in der Literatur beschriebenen Induktionsprotokollen konnte per Infusion bei jeweils sechs Tieren eine manifeste hyperchlorämische Azidose und bei weiteren sechs Kälbern eine D-/L-Laktatazidose ausgelöst werden. Die Tiere wurden im Anschluss mit Milchaustauscher, wasser- oder milchaustauscher-basierter oraler Rehydratationslösung getränkt bzw. blieben im nüchternen Zustand. Zur Bestimmung von Stewart-Parametern des Säuren-Basen-Haushaltes im Plasma wurden nach einem festgelegten zeitlichen Schema vor und nach Induktion sowie vor und nach der Tränkegabe venöse Blutproben entnommen. Ergebnisse Bedingt durch die Einleitungsprotokolle war die Interpretation der Messergebnisse durch den starken Anstieg des Plasmavolumens bedeutend erschwert. Die eingesetzten Induktionsprotokolle sind nicht für Untersuchungen des Säuren-Basen-Haushaltes bei Kälbern nach unterschiedlicher Fütterung geeignet. Aus diesem Grund kann die aufgestellte Hypothese, dass die Verabreichung von milchaustauscher-basierter ORL zu einer besseren alkalischen Wirkung bei Kälbern mit metabolischer Azidose führt, anhand der vorliegenden Ergebnisse weder abgelehnt noch bestätigt werden. Einige Untersuchungsergebnisse zeigten positive Effekte auf Parameter des SBS bei Kälbern, denen eine Tränke verabreicht wurde, im Vergleich zu nüchternen Tieren. Diese Parameter waren die Plasma-D-Laktatkonzentration, die Strong Ion Difference [SID3] und [SID4] und ionisiertes Calcium [Ca2+]. Die Effekte waren nicht auf eine bestimmte der drei eingesetzten Tränkevarianten zurückzuführen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ein quadratischer Zusammenhang zwischen der berechneten Variable Strong Ion Gap [SIGAlb/TP] und den gemessenen D-/L-Laktatkonzentrationen im Plasma besteht. Dies könnte zukünftig genutzt werden, um Faktoren zu etablieren, welche die Ableitung der Plasma-D-/L-Laktatkonzentration bei durchfallkranken Kälbern mit ZNS-Symptomatik aus gängigen Parametern ermöglicht, ohne die Laktatkonzentration direkt messen zu müssen. Schlussfolgerungen Für zukünftige Untersuchungen dieser Art wäre ein Induktionsprotokoll wünschenswert, das sowohl eine metabolische Azidose bei gleichzeitiger Dehydratation der Kälber vereint und so die metabolischen Bedingungen durchfallkranker Kälber simuliert. Die Gabe von ORL als direkte Einmischung in Milch bzw. MAT wird kritisch betrachtet. Ein negativer Effekt bei der Gabe von MAT-basierter ORL konnte bei diesen Untersuchungen auf keinen der bestimmten Parameter des SBS im Vergleich zu den anderen Tränkezusammensetzungen festgestellt werden. Klinische Nebenwirkungen Bei dieser Untersuchung traten nach der mehrfachen Infusion von D-/L-Laktat unerwartete Nebenwirkungen auf. Die Verabreichung führte zu starken Irritationen der Vena jugularis externa und zu Ödembildungen. Erhöhte D-Laktatkonzentrationen werden beim Menschen und verschiedenen Tierarten als Marker für traumatische Prozesse, Ischämie, Diabetes, gastrointestinale und neurologische Störungen diskutiert. Die weitere gezielte Untersuchung des Einflusses der wiederholten oder anhaltenden Einwirkung von D-Laktat auf Epithelzellen könnte nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen einen weiteren Anhaltspunkt für die Aufklärung der genauen pathologischen Mechanismen des D-Laktates bieten.

Eine optimale Regulation der Koronardurchblutung ist für die Aufrechterhaltung der kardialen Pumpfunktion und damit der systemischen Perfusion von größter Bedeutung. Da Einschränkungen der Durchblutungszunahme des Herzmuskels Einschränkungen des maximalen myokardialen Sauerstoffverbrauchs und damit der Herzleistung zur Folge haben, ist es notwendig, die Koronardurchblutung kurzfristig an die jeweilige Stoffwechsellage des Herzens anzupassen (metabolische Koronarflussregulation). Die lokal-metabolischen Mechanismen gehören zu den wirksamsten Komponenten der Regulation der myokardialen Durchblutung und funktionieren auch am isolierten (denervierten) Herz. Dabei ist die hyperkapnie- und azidoseinduzierte Koronardilatation ein wesentlicher Bestandteil der metabolischen Koronarflussregulation. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Hypothese der Abhängikeit der hyperkapnieinduzierten Koronardilatation von einer intakten NO-Produktion. Das Koronarsystem des isolierten WT-Mausherzens reagiert auf akute Hyperkapnie (91 % O2, 9 % CO2) mit einer deutlichen Koronarflusssteigerung von ca. 35 % über dem Basalfluss.Es konnte gezeigt werden das Stickstoffmonoxid (NO) und ATP-abhängige Kaliumkanäle (K+ATP-Kanäle) für die Koronarflussregulation der Maus eine ausschlagebende Rolle spielen und neben der Aufrechterhaltung des Basalflusses auch an der Vermittlung der hyperkapnieinduzierten Koronardilatation maßgeblich beteiligt sind.Interessanterweise ist bei einem Fehlen der endothelialen NO-Synthase durch genetischen Knockout die hyperkapnieinduzierte Flussantwort in Kinetik und Ausmaß vollständig erhalten. Die Vermittlung kann dabei durch andere Mechanismen kompensiert werden, wie zum Beispiel einer verstärkten Aktivität der K+ATP-Kanäle. Prostaglandine und neuronale NO-Synthase scheinen sowohl beim Wildtypherzen als auch bei Herzen mit fehlender NO-Synthase für die hyperkapnieinduzierte Koronardilatation von untergeordneter Bedeutung. Nach chronischer pharmakologischer Blockade der NO-Synthase durch zweiwöchige L-NAME Tränkung bleibt die hyperkapnieinduzierte Koronardilatation erhalten durch NOS-unabhängige Mechanismen. Die hyperkapnieinduzierte Flussantwort ist bei Herzen von weiblichen eNOSKO Tieren vorhanden, erscheint jedoch gegenüber den männlichen Mäusen geringer ausgeprägt. Daher wird vermutet, dass die Mediatorsysteme der endothelabhängigen Koronarflussregulation geschlechtsspezifisch bzw. geschlechtsabhängig sind.

Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss unterschiedlich zusammengesetzter Tränken auf den Säuren-Basen-Haushalt bei Kälbern mit experimentell induzierter metabolischer Azidose zu untersuchen. Bei gesunden Kälbern konnte nachgewiesen werden, dass die Fütterung von milchbasierten ORL mit einer [SID3] ≥92 mmol/l eine Erhöhung der Plasma-[SID3] zur Folge hat (BACHMANN et al. 2009b) und damit eine alkalische Wirkung auf den SBS. Zu prüfen galt die Hypothese, ob es bei Kälbern mit experimentell induzierter metabolischer Azidose zu einem stärkeren alkalisierenden Effekt nach Gabe einer Tränke mit einer hohen [SID3] kommt. Bessere alkalisierende Eigenschaften einer Tränke könnten potentiell genutzt werden, um den Genesungsprozess von Kälbern mit metabolischer Azidose zu beschleunigen. Material und Methoden Zur Verfügung standen zwölf Kälber der Rasse Holstein-Friesian im Alter von weniger als vier Lebenswochen. Unter Verwendung von in der Literatur beschriebenen Induktionsprotokollen konnte per Infusion bei jeweils sechs Tieren eine manifeste hyperchlorämische Azidose und bei weiteren sechs Kälbern eine D-/L-Laktatazidose ausgelöst werden. Die Tiere wurden im Anschluss mit Milchaustauscher, wasser- oder milchaustauscher-basierter oraler Rehydratationslösung getränkt bzw. blieben im nüchternen Zustand. Zur Bestimmung von Stewart-Parametern des Säuren-Basen-Haushaltes im Plasma wurden nach einem festgelegten zeitlichen Schema vor und nach Induktion sowie vor und nach der Tränkegabe venöse Blutproben entnommen. Ergebnisse Bedingt durch die Einleitungsprotokolle war die Interpretation der Messergebnisse durch den starken Anstieg des Plasmavolumens bedeutend erschwert. Die eingesetzten Induktionsprotokolle sind nicht für Untersuchungen des Säuren-Basen-Haushaltes bei Kälbern nach unterschiedlicher Fütterung geeignet. Aus diesem Grund kann die aufgestellte Hypothese, dass die Verabreichung von milchaustauscher-basierter ORL zu einer besseren alkalischen Wirkung bei Kälbern mit metabolischer Azidose führt, anhand der vorliegenden Ergebnisse weder abgelehnt noch bestätigt werden. Einige Untersuchungsergebnisse zeigten positive Effekte auf Parameter des SBS bei Kälbern, denen eine Tränke verabreicht wurde, im Vergleich zu nüchternen Tieren. Diese Parameter waren die Plasma-D-Laktatkonzentration, die Strong Ion Difference [SID3] und [SID4] und ionisiertes Calcium [Ca2+]. Die Effekte waren nicht auf eine bestimmte der drei eingesetzten Tränkevarianten zurückzuführen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ein quadratischer Zusammenhang zwischen der berechneten Variable Strong Ion Gap [SIGAlb/TP] und den gemessenen D-/L-Laktatkonzentrationen im Plasma besteht. Dies könnte zukünftig genutzt werden, um Faktoren zu etablieren, welche die Ableitung der Plasma-D-/L-Laktatkonzentration bei durchfallkranken Kälbern mit ZNS-Symptomatik aus gängigen Parametern ermöglicht, ohne die Laktatkonzentration direkt messen zu müssen. Schlussfolgerungen Für zukünftige Untersuchungen dieser Art wäre ein Induktionsprotokoll wünschenswert, das sowohl eine metabolische Azidose bei gleichzeitiger Dehydratation der Kälber vereint und so die metabolischen Bedingungen durchfallkranker Kälber simuliert. Die Gabe von ORL als direkte Einmischung in Milch bzw. MAT wird kritisch betrachtet. Ein negativer Effekt bei der Gabe von MAT-basierter ORL konnte bei diesen Untersuchungen auf keinen der bestimmten Parameter des SBS im Vergleich zu den anderen Tränkezusammensetzungen festgestellt werden. Klinische Nebenwirkungen Bei dieser Untersuchung traten nach der mehrfachen Infusion von D-/L-Laktat unerwartete Nebenwirkungen auf. Die Verabreichung führte zu starken Irritationen der Vena jugularis externa und zu Ödembildungen. Erhöhte D-Laktatkonzentrationen werden beim Menschen und verschiedenen Tierarten als Marker für traumatische Prozesse, Ischämie, Diabetes, gastrointestinale und neurologische Störungen diskutiert. Die weitere gezielte Untersuchung des Einflusses der wiederholten oder anhaltenden Einwirkung von D-Laktat auf Epithelzellen könnte nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen einen weiteren Anhaltspunkt für die Aufklärung der genauen pathologischen Mechanismen des D-Laktates bieten.

Eine optimale Regulation der Koronardurchblutung ist für die Aufrechterhaltung der kardialen Pumpfunktion und damit der systemischen Perfusion von größter Bedeutung. Da Einschränkungen der Durchblutungszunahme des Herzmuskels Einschränkungen des maximalen myokardialen Sauerstoffverbrauchs und damit der Herzleistung zur Folge haben, ist es notwendig, die Koronardurchblutung kurzfristig an die jeweilige Stoffwechsellage des Herzens anzupassen (metabolische Koronarflussregulation). Die lokal-metabolischen Mechanismen gehören zu den wirksamsten Komponenten der Regulation der myokardialen Durchblutung und funktionieren auch am isolierten (denervierten) Herz. Dabei ist die hyperkapnie- und azidoseinduzierte Koronardilatation ein wesentlicher Bestandteil der metabolischen Koronarflussregulation. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Hypothese der Abhängikeit der hyperkapnieinduzierten Koronardilatation von einer intakten NO-Produktion. Das Koronarsystem des isolierten WT-Mausherzens reagiert auf akute Hyperkapnie (91 % O2, 9 % CO2) mit einer deutlichen Koronarflusssteigerung von ca. 35 % über dem Basalfluss.Es konnte gezeigt werden das Stickstoffmonoxid (NO) und ATP-abhängige Kaliumkanäle (K+ATP-Kanäle) für die Koronarflussregulation der Maus eine ausschlagebende Rolle spielen und neben der Aufrechterhaltung des Basalflusses auch an der Vermittlung der hyperkapnieinduzierten Koronardilatation maßgeblich beteiligt sind.Interessanterweise ist bei einem Fehlen der endothelialen NO-Synthase durch genetischen Knockout die hyperkapnieinduzierte Flussantwort in Kinetik und Ausmaß vollständig erhalten. Die Vermittlung kann dabei durch andere Mechanismen kompensiert werden, wie zum Beispiel einer verstärkten Aktivität der K+ATP-Kanäle. Prostaglandine und neuronale NO-Synthase scheinen sowohl beim Wildtypherzen als auch bei Herzen mit fehlender NO-Synthase für die hyperkapnieinduzierte Koronardilatation von untergeordneter Bedeutung. Nach chronischer pharmakologischer Blockade der NO-Synthase durch zweiwöchige L-NAME Tränkung bleibt die hyperkapnieinduzierte Koronardilatation erhalten durch NOS-unabhängige Mechanismen. Die hyperkapnieinduzierte Flussantwort ist bei Herzen von weiblichen eNOSKO Tieren vorhanden, erscheint jedoch gegenüber den männlichen Mäusen geringer ausgeprägt. Daher wird vermutet, dass die Mediatorsysteme der endothelabhängigen Koronarflussregulation geschlechtsspezifisch bzw. geschlechtsabhängig sind.

Die Azidose gehört zu den stärksten dilatatorischen Stimuli zerebraler Arterien. Obwohl schon 1890 von Roy und Sherrington beschrieben, sind die Faktoren, die die Vasodilatation zerebraler Arterien auf Azidose vermitteln, bis heute nicht bekannt. Untersuchungen über die Rolle des schnell flüchtigen Bioradikals Stickstoffmonoxid (NO) haben gezeigt, daß NO bei der azidotischen Vasodilatation zerebraler Arterien als Modulator agiert. Darüber hinaus nimmt NO in der neurovaskulären Kopplung, d.h. bei der Vermittlung der regionalen Blutflußantwort nach neuronaler Stimulation, eine permissive Funktion ein. Die Vasodilatation auf Azidose wurde in der vorliegenden Arbeit als Modellstimulus zur Untersuchung der NO-abhängigen Dilatation zerebraler Arterien verwendet. Dabei wurde die Rolle der Kaliumkanäle und die Funktion des cGMP an der Vasodilatation auf Azidose mittels spezifischer Inhibitoren untersucht. Die Experimente erfolgten an der isolierten und perfundierten A. cerebri media der Ratte. Bei der Untersuchung der Signaltransduktion von NO auf Ebene des cGMP wurde eine ausgeprägte Abhängigkeit der azidotischen Vasodilatation von cGMP beobachtet. Durch Restitution des basalen cGMP-Spiegels nach vorheriger Inhibition der löslichen Guanylatzyklase wurde gezeigt, daß NO über cGMP bei der Vermittlung dieser Reaktion als Modulator wirkt. Unter Blockade der einzelnen Kaliumkanalfamilien konnte eine Beteiligung der KCa an der Vasodilatation auf Azidose sowie am Gefäßtonus unter Ruhebedingungen beobachtet werden. Für eine Beteiligung der KATP, der KV und der Kir an diesen Reaktionen wurden dagegen keine Hinweise gefunden. Ebenso sprechen die Untersuchungen unter Blockade der Na+/K+-ATPase gegen eine Beteiligung dieses Enzyms an der Azidosereaktivität zerebraler Arterien. Um ein mögliches Zusammenwirken der Kaliumkanäle zu erfassen, wurde die Vasodilatation auf Azidose unter Blockade von jeweils zwei Kaliumkanaltypen untersucht. Unter Hemmung der KCa und der KATP, sowie unter Hemmung der BKCa und der KATP wurde keine Vasodilatation mehr auf Azidose beobachtet. Die Ergebnisse sprechen dafür, daß die Vasodilatation der A. cerebri media auf Azidose durch BKCa und KATP in redundanter Weise vermittelt wird. Dabei scheinen KCa die Funktion der KATP vollständig substituieren zu können. Die Resultate dieser Arbeit bilden den Ausgangspunkt für derzeit laufenden Untersuchungen über die funktionelle Modulation der KATP und der BKCa durch das NO/cGMP-System. Weiterhin bilden die vorliegenden Untersuchungen eine wichtige Grundlage zur Überprüfung der zentralen Rolle der KCa und der KATP auf weitere, durch das NO/cGMP-System modulierten Stimuli, wie z.B. der funktionellen Stimulation. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 507), der Hermann und Lilly Schilling Stiftung, sowie der Humboldt Universität zu Berlin gefördert. / Acidosis is one of the most potent vasodilators in the cerebral circulation. Although first described 1890 by Roy and Sherrington the mechanisms of vasodilation to acidosis are still unknown. Experimental data show, that nitric oxide (NO) is a modulator but not a mediator of cerebral arterial pH reactivity. NO also acts as a modulator of neurovascular coupling in the rat somatosensory cortex. We used the experimental in vitro model of the isolated and perfused middle cerebral artery (MCA) to elucidate the general mechanisms of NO-modulated dilations. The present study was performed to clarify the role of cGMP and potassium channels for mediation of acidosis-induced dilation of cerebral arteries. The results indicate, that vasodilation to acidosis is mediated by cGMP. Restoring the basal cGMP-level we could demonstrate a permissive role of cGMP in the vasodilation to acidosis. We could also show that KCa are active under resting conditions and are able to contribute to the relaxation of the MCA to acidosis. Other potassium channels like KATP, Kir, KV and the Na+/K+ATPase appeared not to be involved in the process of dilation to acidosis. After administration of a selective inhibitor of KATP in addition to an inhibitor of KCa the relaxation to acidosis was completely abolished. Simultaneous application of selective inhibitors of KATP and BKCa also prevented from vasodilation to acidosis. These results indicate, that relaxation to acidosis is mediated by activation of KATP and BKCa. This potassium channels seem to have a redundant activity, in such a way that KCa could substitute for KATP. The present findings are a starting point for further studies concerning the modulation of KATP and BKCa by the NO/cGMP-System. This studies are a basis for coming experiments to determine the role of KATP and BKCa in the neurovascular coupling.

Diese Habilitationsschrift konzentriert sich auf die Evolution osteologischer Korrelate, anhand derer Rückschlüsse auf die Struktur der Haut sowie die Art der Atmung und der Nahrungsaufnahme früher Tetrapoden gezogen werden können. Die äußere Skulptur der Hautknochen früher Tetrapoden trug zur Konsolidierung der darüber liegenden Dermis bei; dies und die zahlreichen Hautverknöcherungen deuten darauf hin, dass Hautatmung im Gegensatz zu heutigen Lissamphibien keinen wesentlichen Teil des Gasaustausches ausmachen konnte. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass eine weitere Funktion der Knochenskulptur in der Pufferung von CO2-induzierter Azidose bestand, wenn sich die Tiere an Land aufhielten. Mehrere Gruppen früher Tetrapoden entwickelten unabhängig voneinander Osteoderme im Rumpf, die unter anderem die Wirbelsäule bei der Fortbewegung an Land unterstützen konnten oder als Kalzium-Reservoir dienten. Die Veränderungen in der Morphologie, Histologie und Anordnung der Dermalschuppen während des Fisch-Tetrapoden-Überganges erfolgte etwa simultan zur Entwicklung der Tetrapodenextremität und ermöglichte eine größere Flexibilität des Körpers und der Beine. Der Bau des Kiemenskeletts ihrer Fischvorfahren wurde bei einer unerwartet großen Anzahl früher Tetrapoden beibehalten. Dies zeigt, dass viele frühe Tetrapoden sowohl der Stamm- als auch der Kronengruppe als Adulte über innere Kiemen atmeten, während ihre Larven äußere Kiemen besaßen. Das Kiemenskelett und die Rekonstruktion assoziierter Muskeln zeigen, dass viele aquatische frühe Tetrapoden ihre Nahrung durch akinetisches Saugschnappen erbeuteten. Trotz spärlicher Fossilüberlieferung gibt es Hinweise darauf, dass die ersten an Land fressenden Tetrapoden noch keine bewegliche Zunge besaßen. Ein ontogenetischer Umbau des larvalen, kiementragenden Kiemenskelets in einen zungenstützenden Apparat kann bei frühen Tetrapoden nur in Ausnahmefällen belegt werden. / This habilitation thesis focuses on the evolution of skeletal correlates from which the integumentary structure and the mode of breathing and feeding in early tetrapods can be inferred. Sculpture on the external surface of dermal bones contributed to the consolidation of a dense integument; this and numerous dermal ossifications render substantial cutaneous respiration as in extant lissamphibians unlikely. It is hypothesised that a further function of dermal bone sculpture was to buffer CO2-induced acidosis while the animals were on land. Numerous early tetrapods independently developed osteoderms in the trunk that may have served among other things for support of the vertebral column in terrestrial locomotion or as a physiological calcium reservoir. The alterations in morphology, histology and arrangement of dermal scales during the fish-to-tetrapod transition occurred at roughly the same time when digits appeared and enabled greater flexibility of body and limbs. The structure of the hyobranchium of their fish-like ancestors was retained in an unexpected large number of early tetrapods, showing that many early tetrapods of both the stem- and crown-group breathed via the associated internal gills as adults, and via external gills as larvae. The hyobranchial apparatus and reconstruction of the associated musculature indicate that many aquatic early tetrapods fed by akinetic suction feeding. There is evidence that the earliest terrestrial tetrapods captured prey on land by jaw prehension rather than by tongue based feeding. Ontogenetic remodelling into a tongue supporting adult hyobranchium in early tetrapods can only be demonstrated in exceptional cases.