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Forschung

Forschungsschwerpunkte des Veterinärphysiologischen Instituts

 
     

 

Der Forschungsschwerpunkt unseres Institutes liegt im Bereich der gastrointestinalen Physiologie. Unsere Forschungsprojekte fokussieren dabei insbesondere auf Transport- und Regulationsvorgänge im Gastrointestinaltrakt von Wiederkäuern, Schweinen und Pferden sowie auf die Bioverfügbarkeit von Flavonoiden.

Im Folgenden sind unsere wichtigsten Forschungsansätze zusammengefasst.

 

       

1. Resorption von kurzkettigen Fettsäuren aus dem Vormagen

 

Kurzkettige Fettsäuren (Essig-, Propion- und Buttersäure) entstehen durch den mikrobiellen Abbau von Kohlenhydraten im Vormagen von Wiederkäuern. Diese werden großenteils direkt im Vormagen resorbiert und dienen dem Wirtstier als hauptsächliche Energieträger für den eigenen Bedarf bzw. für die Syntheseprodukte (z.B. Milchfett). Zur Deckung dieses Energiebedarfes sind daher effektive Transportmechanismen im Vormagen notwendig. Die Transportmechanismen werden auf mRNA-, Protein - und Funktionsebene charakterisiert. So konnte nachgewiesen werden, dass die Aufnahme von kurzkettigen Fettsäuren in das Pansenepithel im Austausch gegen Bikarbonat geschieht. Auf die Weise erfolgt gleichzeitig zur Resorption der Fettsäuren auch eine Pufferung des Panseninhaltes. Ein größerer Teil der aufgenommenen Fettsäuren wird im Epithel direkt weiter verstoffwechselt, vor allen Dingen zu Ketonkörpern, so dass für die Ausschleusung ins Blut spezielle auf diese Ketonkörper ausgerichtete Mechanismen notwendig sind. Die Untersuchungen werden großenteils an isolierten Pansenepithelien  durchgeführt, z.T. auch am lebenden Tier mithilfe der Technik des vorübergehend gewaschenen und isolierten Pansens

 

2. Regulation des zellulären pH-Wertes von Epithelzellen

 

Der pH-Wert im Zellinneren muss in weiten Bereichen konstant gehalten werden, da u.a. enzymatische Vorgänge hiervon abhängen. Dementsprechend sind in den meisten Zellarten redundante Systeme erhalten, um den intrazellulären pH-Wert zu stabilisieren. Neben der Präsenz puffernder Substanzen sind dies Transportproteine in der Zellmembran, die in der Lage sind, Protonen und/oder Puffersubstanzen. In den eigenen Projekten sind pH-regulative Transportprozesse in Epithelzellen des Gastrointestinaltraktes von Interesse (hier vor allem Vormagenepithel und porcines Colonepithel). Die Untersuchungen werden an kultivierten Zellen durchgeführt, an denen mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen und angeschlossenen Fluorometern der Verlauf des intrazellulären pH-Wertes verfolgt werden kann.

 

 3. Einfluss von nutritiven Faktoren auf die Expression von Transportproteinen im Gastrointestinaltrakt

 

Es ist bekannt, dass die Transportprozesse im Gastrointestinaltrakt sich über längere Zeit an die luminalen Einflüsse anpassen können. So wird z.B. bei den meisten Tieren die Effizienz des Glukosetransportes nach mehrtägiger Exposition gegenüber kohlenhydratreicher Nahrung erhöht. In der eigenen Arbeitsgruppe interessieren vor allen Dingen die regulativen Einflüsse der kurzkettigen Fettsäuren auf derartige Transportprozesse. Hierzu werden die Epithelien über längere Zeit gegenüber Fettsäuren exponiert und nach dieser Zeit die Expression der Zielgene auf mRNA- und Proteinebene charakterisiert.

 

4. Neurochemische Kodierung enterischer Nervenzellen im Colon

 

Nervenzellen des submukösen Plexus kontrollieren verschiedene Epithelfunktionen wie Sekretion, Durchblutung und epitheliale Immunabwehr durch Ausschüttung erregender und hemmender Neurotransmitter. Die Kombination an synthetisierten Neurotransmittern wird als neurochemischer Kode eines Neurons bezeichnet. Beim Schwein ist der submuköse Plexus in eine innere und äußere Schicht unterteilt. Der innere submuköse Plexus (ISP) liegt zwischen Mukosa und äußerem submukösen Plexus (ASP). Der ASP, der zwischen ISP und Zirkulärmuskulatur zu finden ist, kontrolliert vermutlich nicht nur Mukosafunktionen sondern nimmt auch Einfluss auf die gastrointestinale Muskulatur.
Solch eine histologische und vermutlich auch funktionelle Teilung des submukösen Plexus ist charakteristisch für größere  Spezies. Daher gilt das Schwein auch als geeignetes Modelltier um Nerv-Epithel-Interaktionen im humanen Gastrointestinaltrakt zu untersuchen.
Ziel unserer Untersuchungen ist es zu eruieren, inwiefern sich die unterschiedlichen Funktionen des ISP und ASP auch in einer spezifischen neurochemischen Kodierung der Nervenzellen widerspiegeln.

 

5. Einfluss des enterischen Nervensystems auf Transportvorgänge im Colonepithel

 

Sekretorische Prozesse im Colonepithel erfahren eine maßgebliche Steuerung und Modulation durch von submukösen Nervenzellen freigesetzte Neurotransmitter. Dies spielt sowohl beim gesunden Tier, als auch bei der Pathogenese sekretorischer Diarrhoen eine Rolle. Unsere Untersuchungen haben zum Ziel das Zusammenspiel verschiedener erregender und hemmender Neurotransmittersubstanzen an isolierten Präparationen aus Epithel und submukösem Plexus im Detail auf Zell- und Gewebe-Ebene einzugrenzen.

 

6. Langfristige Modulation der epithelialen Barriere durch enterische Neurotransmitter

 

Die langfristige Kontrolle der epithelialen Integrität  ist für die Funktion des Gastrointestinaltraktes sowie für die Gesunderhaltung des gesamten Organismus von essentieller Bedeutung. Durch submuköse Neurone freigesetzte Neurotransmitter scheinen hierbei eine wichtige Rolle zu spielen. In vorhergegangenen Untersuchungen konnten wir für verschiedene Neurotransmittersubstanzen eine Modulation der Proliferation oder der Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten bei primärkultivierten Kolonepithelzellen nachweisen. In Folge dieser Untersuchungen fokussieren wir zurzeit insbesondere auf die Wirkungsweise des Acetylcholins. Von Interesse ist hier im Speziellen welche Zelltypen im Gastrointestinaltrakt in der Lage sind Acetylcholin zu synthetisieren und über welche Mechanismen eine Wirkung auf die Epithelzellen vermittelt wird.

 

 7. Nerv-Muskel Interaktionen im Colon

 

Die Steuerung der gastrointestinalen Motilität wird im Wesentlichen durch das enterische Nervensystem realisiert. Insbesondere Nervenzellen, die im myenterischen Plexus lokalisiert sind tragen maßgeblich durch die Ausschüttung erregender und hemmender Neurotransmitter zur Modulation der intestinalen Motorik bei. In vitro wurden solche Nerv- Muskel-Interaktionen bisher haupsächlich durch eindimensionale Messungen an isolierten Präparationen aus Muskulatur und myenterischen Plexus untersucht. Durch Entwicklung eines neuen Messsystems ist es uns nun möglich die Reaktionen der Zirkulär- und der Longitudinalmuskulatur auf die Stimulation myenterischer Nervenzellen zeitgleich an mehreren benachbarten Stellen zu erfassen. Somit kann sowohl das Zusammenwirken der beiden unterschiedlich ausgerichteten Muskulaturschichten untersucht, als auch die Größe der zugrunde liegenden Reflexschaltkreise abgeschätzt werden.

 

8. Bioverfügbarkeit von Flavonoiden

 

Flavonoide kommen als Sekundärmetabolite in fast allen Pflanzen vor. In den letzten Jahren Zeit werden sie aufgrund postulierter gesundheitsprotektiver Wirkungen vermehrt als Zusatzstoffe in Futtermitteln eingesetzt. Gegenstand der Untersuchungen sind Studien zur Bioverfügbarkeit von Flavonoiden bei verschiedenen Spezies sowie die Mechanismen deren intestinaler Absorption, um die für die Verfügbarkeit entscheidenden Faktoren zu identifizieren. Hierzu werden pharmakokinetische Studien bei verschiedenen Spezies durchgeführt.

 

9. Hypoxie im equinen Jejunum –
Charakterisierung von Pathomechanismen auf funktioneller und molekularer Ebene

 

Hypoxie, d.h. eine Verringerung des Sauerstoffpartialdrucks (pO2), spielt eine große Rolle bei verschiedenen Pathologien. Insbesondere im equinen Jejunum kommt es häufig zu strangulationsbedingten hypoxischen Perioden, die oft tödlich enden. Für eine optimale Therapie dieser Hypoxie ist eine genaue Kenntnis der intraepithelial ablaufenden Pathomechanismen notwendig, die eine Anpassung des Gewebes an den verringerten pO2 vermitteln. Dabei kommt es zu Veränderungen auf Protein- sowie auf Genebene. Diese Veränderungen werden zum einen auf funktioneller Ebene mit der Ussingkammer-Technik und zum anderen auf molekularer Ebene mittels qPCR und Western Blot untersucht. Teilweise wird als Modelltier für das Pferd das Kaninchen eingesetzt. Des Weiteren wird eine Zellkultur aus equinen Jejunumepithelzellen etabliert.

 

10. Stammzellen in der Sehnenregeneration

 

Sehnenerkrankungen kommen sowohl in der Veterinär- als auch in der Humanmedizin häufig vor und führen besonders bei Sportlern wie auch älteren Patienten zu langfristigen Einschränkungen. Die Entwicklung einer zellbasierten regenerativen Therapie soll veterinärmedizinischen Patienten sowie in der Zukunft auch Menschen helfen. Methodische Schwerpunkte bilden einerseits Zellkulturmodelle zur Erforschung grundlegender Fragen, andererseits dient das Pferd als Großtiermodell und Patient der Erforschung klinisch orientierter Fragestellungen. 


Ziel ist zum einen die Charakterisierung einer therapeutisch geeigneten, qualitativ hochwertigen adulten Vorläuferzellpopulation, zum anderen ein gutes Verständnis ihrer Wirkungsweise, Anwendungssicherheit und Wirksamkeit.