Die Belastung des Energiestoffwechsels der Hochleistungskuh ist in der peripartalen Phase am größten. Die Regulation der Futteraufnahme und des Energiestoffwechsels durch den Nucleus arcuatus (ARC) des Hypothalamus spielt eine entscheidende Rolle während dieser Phase. Zahlreiche Metabolite und Hormone, wie z.B. das Peptidhormon Ghrelin, beeinflussen die Expression des orexigenen (futteraufnahmesteigernden) Neuropeptids Agouti-related Protein (AgRP) im ARC des Hypothalamus. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Zusammenhang zwischen Körperfettmobilisierung und orexigenen Signalen im peripartalen Zeitraum der Hochleistungskuh näher zu untersuchen. Hierfür wurden 20 multipare Hochleistungskühe der Rasse Deutsch-Holstein (2.-4. Laktation) 7 Wochen ante partum (ap) bis 6 Wochen post partum (pp) untersucht. Die Tiere wurden in Anbindehaltung aufgestallt und entsprechend der jeweiligen Produktionsperiode bedarfsgerecht energetisch versorgt. Die ad libitum Futteraufnahme und Milchleistung wurden täglich gemessen und die Milchzusammensetzung wöchentlich analysiert. Das Körpergewicht und die Rückenfettdicke (RFD) wurden ebenfalls wöchentlich bestimmt. Einmal wöchentlich wurden Blutproben genommen, um die Konzentration von nicht-veresterten Fettsäuren (NEFA), Triglyceriden (TG) und Aminosäuren zu bestimmen. Eine Leberbiopsie wurde am 34. Tag ap und am 3., 18. und 30. Tag pp entnommen. In der 5. Woche ap und in der 2. Woche pp wurden die Tiere in eine Respirationskammer eingestallt und darin jeweils am 1. Tag ad libitum versorgt, während ihnen am 2. Tag das Futter für 10 h entzogen wurde. Die Futteraufnahme bzw. die kompensatorische Futteraufnahme nach Futterentzug wurden ebenfalls gemessen. Mit Hilfe der indirekten Kalorimetrie wurden der Sauerstoffverbrauch, die Bildung von Kohlenstoffdioxid und Methan gemessen, und der Respiratorische Quotient (RQ), die Fettoxidation (FOX) und die Kohlenhydratoxidation (KOX) berechnet. An beiden Tagen des Aufenthaltes in der Respirationskammer wurden stündlich Blutproben entnommen und die Konzentration von Acyl- und Gesamtghrelin, NEFA und TG bestimmt. Am 40. Tag pp wurden die Tiere geschlachtet und der ARC entnommen. In Studie 1 wurden 16 Tiere, basierend auf ihren Leberfettgehalt (LFC) am 18. Tag pp in eine Gruppe mit hohem LFC (H, n=8) und eine mit niedrigem LFC (L, n=8) eingeteilt. Für die Studie 2 wurden 18 Kühe entsprechend ihrer NEFA-Blutplasmakonzentration am Schlachttag in eine Gruppe mit hoher NEFA- (H, n=9) und eine mit niedriger NEFA-Plasmakonzentration (L, n=9) eingeteilt. In Studie 1 konnte gezeigt werden, dass die Acyl- und Gesamtghrelin- Plasmakonzentrationen nicht mit der pp Futteraufnahmesteigerung von Hochleistungskühen korrelierten. H-Kühe, die im Vergleich zu L-Kühen einen höheren Leber- und Milchfettgehalt, eine größere RFD und einen geringeren RQ aufwiesen, zeigten während des 10-stündigen Futterentzuges den größeren Anstieg der Acylghrelinkonzentration sowie ein größeres Acyl- und Gesamtghrelin-Verhältnis. Signifikante Korrelationen zwischen dem präprandialen Acyl:Gesamtghrelin- Verhältnis und zahlreichen Parametern des Fettstoffwechsels, wie bspw. LFC, Milchfettgehalt, RQ und RFD, lassen einen Zusammenhang zwischen Ghrelin, dem Fettstoffwechsel und der Fettverteilung erkennen. In Studie 2 konnte nachgewiesen werden, dass die in der Frühlaktation auftretende unterschiedliche Aktivierung hypothalamischer AgRP-Neurone von H- und L-Kühen nicht mit deren Futteraufnahme assoziiert ist. Die höhere NEFA-Plasmakonzentration, die höhere RFD, die höhere FOX und der höhere Sauerstoffverbrauch der H-Kühe waren jeweils signifikant mit der geringeren Aktivierung hypothalamischer AgRP-Neurone korreliert. Diese Korrelationen belegen einen Zusammenhang zwischen dem prozentualen Anteil aktivierter AgRP-Neurone und dem Sauerstoffverbrauch sowie der Substratverstoffwechselung während der Frühlaktation. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass die untersuchten Signale des orexigenen Systems im peripartalen Zeitraum der Hochleistungskuh nicht mit der Futteraufnahme, jedoch mit dem Fett- und Energiestoffwechsel assoziiert waren. Ferner lassen die Resultate den Schluss zu, dass die Futteraufnahme bereits vor der Kalbung durch den Körperfettgehalt determiniert ist, und dass die Fettmobilisierung per se kaum einen Einfluss auf die Futteraufnahmesteigerung in der Frühlaktation besitzt.

Einleitung: Futterrationen für Hochleistungsmilchkühe basieren häufig auf Maissilage und liefern somit nur wenig frisches Gras, was eine niedrige Zufuhr an n-3-Fettsäuren, v.a. an α-Linolensäure (ALA), bewirkt. Dies führt einerseits zu einem reduzierten Status an ALA und konjugierter Linolsäure (CLA) und andererseits zu einem hohen n-6/n-3-Verhältnis bei laktierenden Kühen. Ziel der Untersuchungen: Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die Einflüsse einer Supplementierung von essentiellen Fettsäuren (EFA, v.a. ALA) zusammen mit CLA auf den Fett- säurestatus, die Leistung, auf das antioxidative und inflammatorische System bei Milchkühen, die mit einer Mais-basierten Ration gefüttert wurden, in etablierter Laktation zu untersuchen und ver- schiede Stoffwechselwege, einschließlich der somatotropen Achse, näher zu beleuchten. Tiere, Material und Methoden: Es wurden 4 Kühe (3. Laktation, 126 ± 4 Tage in Milch) in einem 4 × 4 Latin Square untersucht. Die Kühe erhielten täglich abomasale Infusionen an Kokosöl (CTRL, 38,3 g/d; v.a. gesättigte Fettsäuren), Lein- und Distelöl (EFA, 39,1 und 1,6 g/d), Lutalin® (cis-9,trans-11 und trans-10,cis-12 CLA, jeweils 4,6 g/d) oder EFA+CLA für jeweils 6 Wochen. Die initiale Dosis wurde jeweils nach 2 Wochen verdoppelt, was in 3 Dosierungen resultierte (Dosis 1, 2 und 3). Es schloss sich eine 3-wöchige Washout-Periode an. Den Kühen wurde eine Mais-basierte Ration mit einem hohen n-6/n-3-V erhältnis (11,3:1) gefüttert. Die Trockensubstanzaufnahme und die Milchleistung wurden täglich und die Milchzusammensetzung wöchentlich gemessen. Die Fettsäuremuster im Milchfett und im Blutplasma, Plasmakonzentra- tionen von Metaboliten und Hormonen sowie von Parametern des antioxidativen Systems und der Immunantwort (nur in Woche 0 und 6) wurden jeweils in Behandlungswoche 0, 2, 4 und 6 analysiert. Lebergewebe wurde zu Beginn der Studie und jeweils nach 6 Wochen Behandlung entnommen und der Energiestoffwechsel sowie Parameter des antioxidativen Systems und der Immunantwort wurden auf Ebene der Transkription untersucht. Die statistische Auswertung wurde mittels ANOVA und der MIXED Prozedur (repeated measurements) in SAS durchgeführt, wobei Behandlung, Dosis und deren Interaktion als fixe Effekte und die Laktationswoche als Kovariable dienten. Ergebnisse: Die jeweils infundierten Fettsäuren stiegen sowohl im Plasma als auch in der Milch dosisabhängig an. Das n-6/n-3-Verhältnis des Milchfetts lag in der CTRL- und in der CLA- Gruppe höher als in den beiden EFA-Gruppen. Die Energie-korrigierte Milch und das Milchfett nahmen dosisabhängig in den beiden CLA-Gruppen ab. Es gab einen Trend für eine höhere Energiebilanz in der CLA-Gruppe. Der Milchproteingehalt war in den beiden CLA-Gruppen niedriger als in der CTRL-Gruppe und die Milchharnstoffkonzentration sank in beiden CLA- Gruppen dosisabhängig ab. Die Citratkonzentration in der Milch stieg dosisabhängig in der CLA- Gruppe an. Die Aktivität der Glutathionperoxidase im Blutplasma war in der CTRL-Gruppe ge- ringer als in der EFA-Gruppe und die Plasmakonzentration von β-Carotin stieg in beiden EFA- Gruppen mit der Dosis an. Die Plasmakonzentration des Gesamtcholesterols stieg dosisabhängig in allen Gruppen, außer der CLA-Gruppe, an. Die Plasmakonzentration des High-density- lipoprotein-Cholesterols stieg in der CTRL-Gruppe an und lag höher als in der EFA- und der CLA-Gruppe, während die Konzentrationen des Low-density-lipoprotein-Cholesterols dosisab- hängig in der EFA- und der EFA+CLA-Gruppe anstiegen und höher als in der CLA-Gruppe waren. Die hepatische Genexpression der 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA Synthase 1 wurde in allen Gruppen hochreguliert und lag in der EFA+CLA-Gruppe am höchsten. Die Genexpression des sterol regulatory element-binding factor 1 zeigte einen Trend für die niedrigsten Werte in den beiden EFA-Gruppen. Die Expression des leberspezifischen growth hormone receptor 1A (GHR1A) tendierte zu einer Erhöhung in der EFA+CLA-Gruppe im Vergleich zur CTRL-Gruppe. Die insulin-like growth factor I (IGF-I)-Plasmakonzentration stieg in der CLA-Gruppe an und der Plasmaspiegel des insulin-like growth factor binding protein 2 (IGFBP-2) lag in der EFA+CLA- Gruppe niedriger als in der CTRL-Gruppe. Die Albumin- und Harnstoffkonzentrationen im Plasma waren in der CLA-Gruppe niedriger als in der CTRL-Gruppe. Schlussfolgerungen: Die Milchfettdepression und das erhöhte Milch-Citrat weisen auf eine redu- zierte de-novo-Fettsäuresynthese und einen verbesserten oxidativen Status in der Milch durch CLA-Supplementierung hin. Weder CLA- noch EFA-Gaben zeigten eindeutige Wirkungen auf den Entzündungsstatus bei den Milchkühen. Die Supplementierung von EFA und CLA hatte Ein- fluss auf den Cholesterol- und den Fettstoffwechsel sowie deren Regulierung. Der erhöhte IGF- I-Plasma-Spiegel in der CLA-Gruppe sowie die niedrigere IGFBP-2-Plasmakonzentration und die erhöhte Genexpression des GHR1A in der Leber der EFA+CLA-Gruppe deuten auf stimulierende Effekte auf die somatotrope Achse hin. Weiterhin scheinen CLA-Gaben auch den Proteinstoffwechsel von Milchkühen zu beeinflussen.

Einleitung: Die konventionelle Milchviehhaltung muss bei steigender Leistung einer artgerechten Tierhaltung und dem Tierwohl gerecht werden. Gleichzeitig ist eine Zunahme von Schwer- und Totgeburten bei hochleistenden Milchrindern zu verzeichnen. Insbesondere Primipara weisen eine deutlich höhere Inzidenz für Dystokien und peripartale Kälberverluste auf als Multipara. Daher steht die endokrine Situation der erstkalbenden Milchrinder und ihrer Kälber im Fokus dieser Studie. Ziel der Untersuchung: Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss und Zusammenhang ausgewählter endokriner Parameter mit dem Kalbeverlauf und dem postnatalen Zustand des Kalbes darzustellen. Dafür wurden die Parameter Progesteron (P4), Östradiol-17β (E2), Cortisol, Insulin, Insulin-like growth factor 1 (IGF-1), Leptin und freie Fettsäuren (NEFA) im peripartalen Zeitraum (14 Tage (d) antepartal (a.p.) bis 3 d postpartal (p.p.) bei den Studientieren aus 4 konventionellen Milchviehbetrieben ausgewertet. Weiterhin wurde der hormonelle Status der geborenen Kälber anhand der Parameter Cortisol, Insulin und IGF-1 untersucht. Zusätzlich erfolgte ein Vergleich zwischen den 4 Milchviehbetrieben mit unterschiedlichen Dystokie- und Verlustraten. Tiere, Material und Methoden: Diese Studie wurde von März 2019 bis Mai 2020 in 4 sächsischen konventionellen Milchviehbetrieben (Betrieb (B) 1 - 4) durchgeführt. Anhand der Kälberverlustraten von 2016 bis 2019 erfolgte bereits eine Kategorisierung in problematische B (B1 und 2) und unproblematische B (B3 und 4). Insgesamt wurden 162 Färsenkalbungen in die Studie eingeschlossen. Zur Erstuntersuchung ca. 14 d a.p. wurden Körpergewicht, Rückenfettdicke (RFD) und Body Condition Score (BCS) erfasst. Die Blutprobenentnahme bei den Färsen erfolgte im Abstand von 2 - 3 d bis zur Kalbung, beim Kalb direkt p.p. sowie 2 - 3 d p.p. bei Färse und Kalb. Das Kälbergeburtsgewicht wurde erfasst und die Kalbungen nach Schwer- und Normalgeburt (SG und NG) sowie Tot- und Lebendgeburt (TG und LG) anhand der endokrinen Parameter ausgewertet. Ergebnisse: Die 162 begleiteten Kalbungen ergaben einen Anteil von 37,1 % SG (B1: 33,3 %, B2: 64,3 %, B3: 23,9 %, B4: 25,0 %; NG: 62,9 %). Die Kategorisierung konnte bestätigt werden, wobei B1 und B2 als problematisch sowie B3 und B4 als unproblematisch eingeordnet wurden. Die TG- Rate lag bei 9,3 % (B1 und B2: je 11,9 %, B3: 4,4 %, B4: 9,3 %; LG: 90,7 %). Es resultierten mehr LG aus NG (94,1 % NG vs. 85,0 % SG) und mehr TG aus SG (15,0 % SG vs. 5,9 % NG). Das Geburtsgewicht hatte keinen Einfluss auf den Kalbeverlauf (p > 0,05). Die problematischen B1 und 2 zeigten ein jüngeres Erstkalbealter mit geringerer Körpermasse und höherer Körperkondition (RFD, BCS) im Vergleich zu den unproblematischen B3 und 4 (p > 0,05). Kontrovers dazu sank mit steigender RFD die Wahrscheinlichkeit für eine SG. Die Hormone P4 und E2 zeigten einen physiologischen Verlauf im peripartalen Zeitraum für alle Studientiere ohne konkreten Zusammenhang mit Kalbeverlauf und Kälbervitalität. Cortisol war bei den Färsen der problematischen B tendenziell zu allen Zeitpunkten höher. Die höchsten Cortisolwerte wurden zur Kalbung, jedoch ohne signifikanten Zusammenhang mit dem Verlauf und Ausgang der Geburt, gemessen. Kälber aus SG hatten direkt p.p. höhere Cortisolwerte als aus NG (p < 0,05). Die stoffwechselassoziierten Parameter (Insulin, IGF-1, Leptin, NEFA) zeigten für alle Studientiere das Vorliegen einer peripartalen negativen Energiebilanz an. Kurz vor der Geburt gingen höhere IGF-1-Werte mit einer sinkenden und höhere NEFA-Werte mit einer steigenden Wahrscheinlichkeit für eine SG einher. Präpartal korrelierten Insulin, IGF-1 und Leptin positiv miteinander (p < 0,05) und negativ mit NEFA (p < 0,05) sowie die Körperkondition positiv mit Insulin (p < 0,001) und Leptin (p < 0,05). Das Insulin der Kälber stieg bis zum 2. - 3. Lebenstag an. Das Kälbergeburtsgewicht korrelierte positiv mit den IGF- 1-Werten der Kälber und den Leptin-Werten der Färsen. Schlussfolgerung: Färsen der problematischen B1 und 2 zeigten zur ersten Kalbung tendenziell eine mangelnde körperliche Entwicklung mit Überkonditionierung. Zusätzlich konnte für diese Tiere eine größere metabolische Belastung mit stärkeren Stressoren festgestellt werden. Diese Faktoren hatten in unserer Studie einen negativen Einfluss auf den Kalbeverlauf und folglich auf die Totgeburtenrate. Eine gute körperliche Entwicklung mit entsprechender Kondition, ein stabiler Stoffwechsel durch adäquate Versorgung, eine stressarme Umgebung und eine optimale prä-, intra- und postpartale Betreuung von Färse und Kalb haben einen positiven Einfluss auf den endokrinen Status der Tiere und letztlich auf die Inzidenz von Schwer- und Totgeburten.

Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen von Cytochrom P450 (CYP)-produzierten Eicosanoiden auf das Pumpen des Pharynx im Nematoden Caenorhabditis elegans und deren funktionellen Vernetzung mit dem Wirken von Neurohormonen. Bei der Erforschung der CYP-Eicosanoid-Signalübertragung konzentrierte sich diese Arbeit hauptsächlich auf die Identifizierung und Charakterisierung von Schlüsselkomponenten, welche an der Regulation der pharyngalen Aktivität des Wurms beteiligt sind, insbesondere Regio- und Stereometaboliten von EPA und AA, Neurohormone (Serotonin und Octopamin) sowie relevante GPCR. Zunächst wurde der Einfluss einer Kurzzeitbehandlung mit CYP-Eicosanoiden und Neurohormonen auf die Bildung von freien CYP-Eicosanoiden im Wildtyp und in verschiedenen Mutantenstämmen analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass 17,18-EEQ die stimulierende Wirkung von Serotonin zeigt, während 20-HETE mit der hemmenden Wirkung von Octopamin überlappt. Darüber hinaus erhöhte Serotonin den freien 17,18-EEQ-Spiegel, während Octopamin selektiv die Synthese von Hydroxymetaboliten induzierte. Zweitens wurde die Stereodiskriminierung von 17,18-EEQ getestet, um das wirksame Enantiomer in der stimulierenden Funktion auf die Pharynxmuskelzellen zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass nur 17(R),18(S)-EEQ Beeinträchtigungen des pharyngalen Pumpens beheben konnte. Darüber hinaus wurden drei Mutantenstämme, die in verschiedenen Serotonin-GPCRs defekt sind, ser-1(ok345), ser-7(tm1325) und ser-7(tm1325)ser-1(ok345), ausgewählt, um zu entschlüsseln, welcher Rezeptor am CYP-Eicosanoid-Signaltransduktionsweg beteiligt sein könnte. Tatsächlich scheint SER-7 für die 17-18-EEQ-Effekte auf die Regulierung der pharyngalen Pumpaktivität von C. elegans erforderlich zu sein. Drittens wurde mit der Identifizierung eines GPCR des vorgeschlagenen Signaltransduktionsweges stromabwärts der CYP-Eicosanoid-Produktion begonnen. NMUR-2 wurde als potenzielles Kandidaten-GPCR-Gen ausgewählt. / This thesis investigated the effects of cytochrome P450 (CYP)-produced eicosanoids on the pharyngeal pumping in the nematode Caenorhabditis elegans and their cross-link with neurohormones. Within the framework of exploring CYP-eicosanoid signaling in C. elegans this work mainly focused on identifying and characterizing key components involved in worm’s pharyngeal activity, in particular regio- and stereoisomeric metabolites of EPA (eicosapentaenoic acid, 20:5 n-3) and AA (arachidonic acid, 20:4 n-6), neurohormones, (serotonin and octopamine) as well as the involvement of relevant GPCR (G protein-coupled receptors). Firstly, the impact of short-term treatment with CYP-eicosanoids and neurohormones on CYP-eicosanoid formation in wildtype and different mutant strains was analyzed. The results showed that 17,18-EEQ (17,18-epoxyeicosatetraenoic acid) mimics the stimulatory effect of serotonin while 20-HETE (20-hydroxeicosatetraenoic acid) overlapped with the inhibitory effect of octopamine. Moreover, serotonin increased free 17,18- EEQ levels, whereas octopamine selectively induced the synthesis of hydroxy-metabolites. Secondly, stereo-discrimination of 17,18-EEQ was tested to identify the effective enantiomer in the stimulatory function on pharyngeal muscle cells. Only 17(R),18(S)-EEQ was found to rescue impairments of pharyngeal pumping. Moreover, three mutant strains defective in different serotonin GPCRs, ser-1(ok345), ser-7(tm1325) and ser-7(tm1325) ser-1(ok345), were selected to decipher which receptor might be involved in the CYP-eicosanoid signaling transduction pathway. In fact, SER-7 seems to be required for the 17-18-EEQ effects on regulation of pharyngeal pumping activity in C. elegans. Third, the identification of a GPCR of the proposed signal transduction pathway down-stream of CYP-eicosanoid production was started. NMUR-2 was selected as a potential candidate GPCR gene.

Background: Research suggests that a low omega-3 index may contribute to the low heart rate variability and the increased risk of cardiovascular morbidity and mortality in bipolar disorders. However, so far, no intervention trial with EPA and DHA has been conducted in bipolar patients attempting to increase their heart rate variability. - Methods: 119 patients with bipolar disorder according to DSM-IV were screened, with 55 euthymic bipolar patients—owing to inclusion criteria (e.g. low omega-3 index (< 6%), SDNN < 60 ms.)—being enrolled in a randomized, double-blind, 12-week parallel study design with omega-3 fatty acids (4 capsules of 530 mg EPA, 150 mg DHA) or corn oil as a placebo, in addition to usual treatment. Heart rate variability as well as the omega-3 index were measured at baseline and at the endpoint of the study. - Results: A total of 42 patients (omega-3: n = 23, corn oil: n = 19) successfully completed the study after 12 weeks. There was a significant increase in the omega-3 index (value at endpoint minus value at baseline) in the omega-3 group compared to the corn oil group (p < 0.0001). However, there was no significant difference in the change of the SDNN (value at endpoint minus value at baseline) between the treatment groups (p = 0.22). In addition, no correlation between changes in SDNN and change in the omega-3 index could be detected in the omega-3 group (correlation coefficient = 0.02, p = 0.94) or the corn oil group (correlation coefficient = − 0.11, p = 0.91). Similarly, no significant differences between corn oil and omega-3 group regarding the change of LF (p = 0.19), HF (p = 0.34) and LF/HF ratio (p = 0.84) could be demonstrated. - Conclusions: In our randomized, controlled intervention trial in euthymic bipolar patients with a low omega-3 index and reduced heart rate variability no significant effect of omega-3 fatty acids on SDNN or frequency-domain measures HF, LF and LF/HF ratio could be detected. Possible reasons include, among others, the effect of psychotropic medication present in our trial and/or the genetics of bipolar disorder itself. Further research is needed to test these hypotheses.

For peanuts, roasted at 170 °C, the formation of selected glycerol-bound oxidized fatty acids (GOFAs), namely 9-oxononanoic acid (9-ONA), azelaic acid (AZA) and octanoic acid, was observed by GC-MS (EI). The content of octanoic acid as well as AZA increased with continuous roasting time (from 59 mg/kg peanut oil to 101 mg/kg peanut oil and from not detectable to 8 mg/kg peanut oil, respectively), whereas the content of 9-ONA initially decreased from 25 mg/kg peanut oil to 8 mg/kg peanut oil (20 min) and increased again up to 37 mg/kg peanut oil following roasting for 40 min. Due to its aldehyde function, 9-ONA could contribute to amino acid side chain modifications as a result of lipation, which could directly influence the functional properties of peanut proteins. Both 9-ONA and octanoic acid are potential markers of thermal processes. Furthermore, in model experiments using methyl linoleate and methyl oleate, up to 18 oxidized fatty acids could be identified as methyl esters, 9-ONA as well as octanoic acid as major components and a faster formation of GOFAs under roasting conditions (170 °C, 20 min). In addition, 9-ONA contributes to the formation of AZA and octanoic acid in both free and bound form as a result of oxidative subsequent reactions in presence of iron (III).

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The repeated usage of frying oil is hazardous due to the degradation caused by chemical reactions, which happen while heating. The total polar compounds and the free fatty acids are the main two chemical parameters affected by frying. These parameters increase significantly with the use of oil for frying and are reported as reasons for causing serious illnesses like heart diseases. For this purpose, sensor systems for oil quality assessment are necessary. In fact, changes of the composition due to frying leads to variation of its dielectric parameters. This can be measured using a capacitive sensor and the measurement of its impedance change. The main challenge thereby is that the impedance changes are very small and stray capacitances have a big influence on the measurements. In this context, this work proposes a sensor system with high accuracy able to detect the small changes that occur in the resistance and capacitance under influence of stry capacitances. Theoretical and simulation studies are carried out for different cap acitive sensors as well as meas urement procedures of its cornp lex imp edance. The sensor should provide a high sensitivity to relative perrnittivity and the electrical conductiv ity, and at the same time a small size and a high reproducibility. Interdigital electrodes sensor with a suitable design fulfils all these requirements. A deep consideration of stray capacitances is needed to realize an accurate sensor system. For t hese reasons, the design of the measurement circuit is crucial within this work. We propose, a measurernent circuit based on a combinat ion of the method of capacitance to voltage conversion and the phase shift measurement method. By cornbining both rnethods together it is possible to rneasure accurate ly the complex irnpedance of edible oil. Experimental results show that measurement systern is capable to detect small changes of dielectric parameters, which are correlated to the chemical parameters. / Die mehrfach wiederholte Verwendung von Frittieröl ist aufgrund der Qualitätsver­ schlechterung, die während des Erhitzens auftreten durch chemische Reaktionen verursacht wird, gefährlich für die Gesundheit. Die totale polaren Kompon enten und die freien Fettsäuren sind die zwei wichtigsten chemischen Komponenten, die wesentlich durch das Braten beeinflusst werden. Diese Komponenten erhöhen sich signifikant mit der Wiederverwendung von Bratöl und verursachen u. a. ernste Herzkrankheiten. Diese Arbeit zielt darauf hin, ein mobiles, kostengünstiges, einfach zu verwenden­ des Sensorsystem für die Abschätzung der Ölqualität zu entwickeln. Das System charakterisiert die Veränderung der elektrischen Parameter des Öls durch Messung der Änderung seiner komplexen elektrischen Eigenschaft en. In dieser Arbeit wurde ein Sensorelement mit interdigitalen Elektroden entwickelt, der eine hohe Empfindlichkeit auf die relative Permittivität und die elektrischen Leitfähigkeit des Öls hat und dabei einer hohe Reproduzierbarkeit erzielen kann. Es wird ein Messverfahren vorgeschlagen, das auf der Wandlung in einer Spannung und einer Phasenverschiebung basiert. Sowohl durch theoretische Überlegungen als auch durch Simulationen konnte belegt werden, dass die Kombination beider Metho­ den eine akkurate Messung der Komplexem Imped anz hochdielektrischer Materia lien ermöglichen kann. Experiment elle Ergebnisse zeige n, dass das Messsystem in der Lage ist , kleine Änderungen der dielektrischen Parameter zu erfassen, die mit den chemischen Ölparamtern stark korrelieren.

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

Einleitung: Ruminal werden Futterpflanzen zu kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) abgebaut. Diese bilden die Hauptenergiequelle für den Wiederkäuerorganismus. Da diese Fettsäuren jedoch auch maßgeblich die pH-Homöostase der Vormagenschleimhaut beeinflussen, muss das Pansenepithel in der Lage sein, Änderungen im Substrat- und Protonenangebot festzustellen und anschließend regulative Prozesse anzupassen, um Stoffwechselentgleisungen und so auch einer Pansenazidose vorzubeugen. In anderen Spezies erwiesen sich sogenannte „Freie Fettsäurerezeptoren“ (FFARs) als potenzielle Sensoren veränderter SCFA-Mengen im Darmlumen, die u. a. durch Modulation der intrazellulären Spiegel an zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) ihre Wirkung vermitteln. Ziele der Untersuchungen: Es sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob FFARs im Pansenepithel des Schafes vorkommen und durch SCFAs aktiviert sowie intrazelluläre Signalwege über cAMP moduliert werden können. Im Anschluss sollte erarbeitet werden, inwiefern der nachgewiesene Einfluss von Butyrat auf die epithelialen cAMP-Spiegel Auswirkungen auf die epitheliale pH-Modulation infolge einer veränderten Aktivität von Monocarboxylattransportern (MCTs) und Na+/H+-Austauschern (NHEs) hat. Tiere, Material und Methoden: Sämtliche Untersuchungen wurden an Geweben des Vormagens von Schafen (Ovis gmelini aries) durchgeführt. Mittels Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) und immunhistochemischer Färbungen wurde das Vorliegen verschiedener FFARs in nativem Pansengewebe untersucht. Zur funktionellen Charakterisierung wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack in Ussing-Kammern inkubiert und anschließend die cAMP-Spiegel im Epithel mittels einer quantitativen, kompetitiven Analyse bestimmt. Dabei wurde der Einfluss von Forskolin (ein Stimulator der cAMP-synthetisierenden Adenylylzyklasen), von Butyrat sowie von Niacin (ein FFAR-Agonist) betrachtet. Mithilfe von radioaktiv markiertem Azetat wurde der Effekt variierender cAMP-Spiegel auf die Transportaktivität von MCTs unter Zuhilfenahme von zwei verschiedenen MCT-Hemmstoffen (Cyanohydroxyzimtsäure und p-Hydroxymercuribenzoesäure) in Ussing-Kammern evaluiert. Die Aktivität der NHEs wurde an kultivierten Pansenepithelzellen durch Messung des intrazellulären pH-Wertes mittels Spektrofluorometrie unter Einfluss des NHE-Inhibitors 5-N-Ethyl-N-Isopropyl Amilorid ermittelt. Auch hierbei wurden in den Zellen unterschiedliche cAMP-Spiegel durch Forskolin-Applikation induziert. Die Daten der verschiedenen Untersuchungen wurden an 5-8 Tieren je Versuchsansatz erhoben. Die Normalverteilung wurde mittels Kolmogorov–Smirnov-Test ermittelt. Ein Friedman-Test mit anschließendem Dunn-Test wurde für die Analyse der cAMP-Experimente genutzt. MCT und NHE Experimente wurden mithilfe einer einfachen, geblockten Varianzanalyse und anschließendem Tukey-Test ausgewertet. Ergebnisse: Die FFARs GPR109A und FFAR2 konnten an allen untersuchten Lokalisationen (Netzmagen, Pansenvorhof, dorsaler und ventraler Pansensack, Psalter) über RT-PCR bzw. im ventralen Pansensack auch über die immunhistochemischen Färbungen detektiert werden, wohingegen FFAR3 lediglich als mRNA im Vorhof nachweisbar war. Dies lässt die beiden Rezeptoren GPR109A und FFAR2 als mögliche Strukturen zur Detektion von SCFAs im Pansenepithel erscheinen. Die Analyse der intrazellulären cAMP-Spiegel in Epithelien aus dem ventralen Pansensack konnte einen hemmenden Einfluss von Butyrat auf diesen Botenstoff darlegen, was auf eine Beteiligung der genannten FFARs hindeutet. Die Applikation des GPR109A-Agonisten Niacin hatte jedoch keinen Effekt auf die cAMP-Spiegel, sodass eine Wirkungsvermittlung von Butyrat über diesen Rezeptor unwahrscheinlich scheint. Mit Blick auf die funktionellen Auswirkungen dieser cAMP-Modulation hatten variierende cAMP-Level im Kontrast zu Erkenntnissen aus Nicht-Wiederkäuerspezies keinen Einfluss auf die Transportaktivität des ruminalen MCT1 unter den gewählten in vitro-Versuchsbedingungen. Andererseits konnte die Regulation des intrazellulären pH-Wertes von kultivierten Pansenepithelzellen tendenziell durch erhöhte cAMP-Spiegel gehemmt werden, was auf einer Hemmung von NHEs durch den second messenger beruhen könnte. Schlussfolgerungen: Die Expression von GPR109A und FFAR2 lassen diese zwei FFARs als potenzielle Sensoren der intraruminalen bzw. intraepithelialen Nährstoffkonditionen erscheinen. Dabei deuten die vorliegenden Untersuchungen auf eine Aktivierung des FFAR2 durch Butyrat und dessen Metaboliten in den basalen Schichten des Pansenepithels hin. Infolge der Rezeptoraktivierung kommt es vermutlich zu einer Verminderung der intraepithelialen cAMP-Spiegel, welche wiederum einen (schwachen) Einfluss auf die Regulation des intrazellulären pH-Wertes mithilfe von NHEs zu haben scheinen. Entgegen unserer Ausgangshypothese scheinen aber die FFARs des ovinen Pansenepithels die pH-Homöostase des Epithels nur geringfügig zu beeinflussen. Ihre genaue physiologische Bedeutung – insbesondere des GPR109A – bleibt somit noch spekulativ.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für den Wiederkäuer 3 2.2 Transport kurzkettiger Fettsäuren über das Pansenepithel 3 2.2.1 Apikale Aufnahme in das Pansenepithel 4 2.2.2 Basolaterale Ausschleusung in den Blutstrom 6 2.3 Metabolisierung kurzkettiger Fettsäuren im Pansenepithel 8 2.4 pH-Homöostase 9 2.4.1 pH-Regulation des Pansenlumens 9 2.4.2 pH-Regulation des Pansenepithels 10 2.5 Anpassungsmechanismen des Pansenepithels 12 2.6 Rolle des Butyrats 15 2.7 Fettsäurerezeptoren 16 2.7.1 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 17 2.7.2 GPRs für SCFAs 17 2.7.2.1 FFAR2 17 2.7.2.2 FFAR3 18 2.7.2.3 GPR109A 19 2.7.3 FFARs im Wiederkäuerorganismus 20 2.8 Monocarboxylattransporter 22 2.8.1 Die Familie der MCTs 22 2.8.2 Regulation der MCTs 23 2.8.3 MCTs im Pansenepithel 24 2.9 Natrium-Protonen-Austauscher 26 2.9.1 Die Familie der NHEs 26 2.9.2 Regulation der NHEs 27 2.9.3 NHEs im Pansenepithel 28 2.10 Fragestellungen der vorliegenden Arbeit 30 3 Publikationen 32 3.1 Publikation 1 32 3.2 Publikation 2 41 3.2.1 Supporting Information 56 4 Diskussion 57 4.1 Nachweis von FFARs im Pansenepithel 57 4.1.1 Regulation intrazellulärer Signalwege durch FFARs 59 4.1.2 GPR109A als potenzieller Butyrat-Rezeptor im Pansenepithel 62 4.1.3 FFAR2 als potenzieller Rezeptor für Butyrat 63 4.2 Seitenabhängigkeit der Butyrat-Effekte 64 4.3 pH-Abhängigkeit der cAMP-Spiegel 66 4.4 Einfluss von cAMP auf die Aktivität der MCTs 68 4.5 Einfluss von cAMP auf die NHE-Aktivität 70 4.6 Schlussfolgerungen 73 5 Zusammenfassung 75 6 Summary 77 7 Literaturverzeichnis 79 8 Anhang 101 8.1 Im Rahmen dieser Dissertation gehaltene Präsentationen 101 Danksagung 103 / Introduction: Forage plants are ruminally degraded to short chain fatty acids (SCFAs). These serve as the main energy source for ruminants. As SCFAs also influence the pH-homeostasis of the ruminal mucosa, the epithelium must be able to detect changes of both substrate and proton accumulation and adapt transport processes accordingly, in order to prevent metabolic dysfunction and thus the risk of ruminal acidosis. Studies in non-ruminant species detected so-called ‘free fatty acid receptors’ (FFARs) as potential SCFA-sensors in the gut lumen. It has been shown that these receptors transduce their information by modulation of intracellular levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP). Aim: This study intended to investigate if FFARs are located in the ovine ruminal epithelium. It should further be evaluated if FFARs can be stimulated by SCFAs leading to a modulation of intracellular pathways via cAMP. Finally, the study aimed to elucidate the influence of low epithelial cAMP-levels after butyrate application on the regulation of pH-homeostasis in the ruminal epithelium by modulating the activity of transport proteins such as monocarboxylate transporters (MCTs) and Na+/H+ exchangers (NHEs). Animals, material, and methods: All experiments were conducted with ovine (Ovis aries) ruminal tissues. The expression of different FFARs was investigated in native tissues using a reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and immunohistochemical staining. For functional analysis, epithelial cAMP levels were determined by a quantitative and competitive assay after incubation of epithelia of the ruminal ventral sac in Ussing chambers. The influence of forskolin (a stimulator of the adenylyl cyclases), butyrate, as well as niacin (an FFAR agonist) was evaluated. Further, the effect of varying cAMP levels on transport activity of MCTs was characterised on Ussing chamber-mounted epithelia with radioactively labelled acetate and two MCT inhibitors (cyano-hydroxycinnamic acid and p-hydroxymercuribenzoic acid). Finally, the activity of NHEs was assessed in cultured ruminal epithelial cells. The intracellular pH was evaluated by spectrofluorometry while the cells were incubated with forskolin (to modify intracellular cAMP levels) or the NHE inhibitor 5-(N-ethyl-N-isopropyl)-amiloride. The data for the different set-ups were acquired from 5-8 animals each. Kolmogorov–Smirnov test was used for testing normality. For cAMP level analyses, the Friedman test followed by Dunn's test was performed. MCT and NHE measurements were analysed using one-way randomized block analysis of variance followed by Tukey's test. Results: GPR109A and FFAR2 were detected in all ovine ruminal epithelia examined (reticulum, atrium ruminis, ruminal ventral and dorsal sac, omasum) by RT-PCR and in ruminal ventral sac also by immunohistochemical staining. FFAR3, however, was detected solely on mRNA level in tissues of the ovine atrium ruminis. Thus, the two immunohistochemically detected receptors may serve as potential sensors for SCFAs in the ruminal epithelium. The analysis of intraepithelial cAMP levels revealed an inhibiting influence of butyrate application on cAMP pointing to an activation of FFARs by this SCFA. Nonetheless, the incubation with the GPR109A agonist niacin did not show any effect on cAMP levels. This finding contradicts the theory of an activation of GPR109A by butyrate. Looking at functional consequences of varying cAMP levels, in contrast to studies on non-ruminant species ruminal MCT1 activity was not influenced by different cAMP levels, at least under the conditions chosen in this in vitro study. However, regulation of intracellular pH in cultured ruminal epithelial cells tended to decrease with augmented cAMP levels. This might be mediated by an inhibition of NHEs. Conclusions: The expression of GPR109A and FFAR2 points at a participation of these receptors in sensing intraruminal and intraepithelial energy status. The present data hint at an activation of FFAR2 by butyrate or its metabolites in the basal layers of the epithelium. Activation of the receptor leads to decreased cAMP levels. This in turn seems to slightly modify the regulation of intracellular pH via NHEs. Contradicting our initial hypothesis, ovine ruminal FFARs seem to play only a minor role in modulation of epithelial pH homeostasis. The main physiological role of ruminal FFARs – especially of GPR109A – remains to be clarified.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für den Wiederkäuer 3 2.2 Transport kurzkettiger Fettsäuren über das Pansenepithel 3 2.2.1 Apikale Aufnahme in das Pansenepithel 4 2.2.2 Basolaterale Ausschleusung in den Blutstrom 6 2.3 Metabolisierung kurzkettiger Fettsäuren im Pansenepithel 8 2.4 pH-Homöostase 9 2.4.1 pH-Regulation des Pansenlumens 9 2.4.2 pH-Regulation des Pansenepithels 10 2.5 Anpassungsmechanismen des Pansenepithels 12 2.6 Rolle des Butyrats 15 2.7 Fettsäurerezeptoren 16 2.7.1 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 17 2.7.2 GPRs für SCFAs 17 2.7.2.1 FFAR2 17 2.7.2.2 FFAR3 18 2.7.2.3 GPR109A 19 2.7.3 FFARs im Wiederkäuerorganismus 20 2.8 Monocarboxylattransporter 22 2.8.1 Die Familie der MCTs 22 2.8.2 Regulation der MCTs 23 2.8.3 MCTs im Pansenepithel 24 2.9 Natrium-Protonen-Austauscher 26 2.9.1 Die Familie der NHEs 26 2.9.2 Regulation der NHEs 27 2.9.3 NHEs im Pansenepithel 28 2.10 Fragestellungen der vorliegenden Arbeit 30 3 Publikationen 32 3.1 Publikation 1 32 3.2 Publikation 2 41 3.2.1 Supporting Information 56 4 Diskussion 57 4.1 Nachweis von FFARs im Pansenepithel 57 4.1.1 Regulation intrazellulärer Signalwege durch FFARs 59 4.1.2 GPR109A als potenzieller Butyrat-Rezeptor im Pansenepithel 62 4.1.3 FFAR2 als potenzieller Rezeptor für Butyrat 63 4.2 Seitenabhängigkeit der Butyrat-Effekte 64 4.3 pH-Abhängigkeit der cAMP-Spiegel 66 4.4 Einfluss von cAMP auf die Aktivität der MCTs 68 4.5 Einfluss von cAMP auf die NHE-Aktivität 70 4.6 Schlussfolgerungen 73 5 Zusammenfassung 75 6 Summary 77 7 Literaturverzeichnis 79 8 Anhang 101 8.1 Im Rahmen dieser Dissertation gehaltene Präsentationen 101 Danksagung 103