Die vielseitigen Forschungsinteressen unseres Instituts reichen von Resorption und Sekretion über Hypoxie bis zu nicht-neuronalem Acetylcholin.

Unsere Forschungsprojekte im Überblick

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 beziehungsweise 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, zum Teil auch am lebenden Tier mithilfe der Technik des vorübergehend gewaschenen und isolierten Pansens.

Der pH-Wert im Zellinneren muss in weiten Bereichen konstant gehalten werden, da unter anderem 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.

Über längere Zeit passen sich die Transportprozesse im Gastrointestinaltrakt an die luminalen Einflüsse an. So wird zum Beispiel bei den meisten Tieren die Effizienz des Glukosetransportes nach mehrtägiger Exposition gegenüber kohlenhydratreicher Nahrung erhöht. Uns 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.

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.

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.

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.

Neben den Nervenzellen sind auch viele andere Zellen im Organismus in der Lage Acetylcholin zu synthetisieren und freizusetzen. Im Colonepithel ist dieses „nicht-neuronale“ Acetylcholin essentiell für die Bildung und Aufrechterhaltung einer dichten zellulären Barriere. Unsere Untersuchungen fokussieren sich auf die Rolle des von den Colonepithelzellen selbst synthetisierten Acetylcholins bei der Bildung und Aufrechterhaltung von Tight Junctions unter physiologischen und unter pathophysiologisch relevanten Bedingungen.

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.

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.

Untersuchung von adaptiven Veränderungen des transepithelialen Nährstofftransports sowie intrazellulärer Regulationsmechanismen

Hypoxie, d.h. eine Verringerung des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) im Gewebe, spielt eine große Rolle bei verschiedenen Pathologien. Insbesondere im equinen Jejunum kommt es häufig zu strangulationsbedingten hypoxischen Perioden, die oft tödlich enden. Aber auch bei entzündlichen Erkrankungen wie der chronisch entzündlichen Darmerkrankung (IBD) kommt es sekundär zu Hypoxie im Darmepithel.

Für eine optimale Therapie dieser Erkrankungen ist eine genaue Kenntnis der intraepithelial ablaufenden Pathomechanismen notwendig, die eine Anpassung des Gewebes an den verringerten pO2 vermitteln.

Diese Anpassung erfolgt auf Protein- sowie auf Genebene. Die adaptiven Veränderungen werden zum einen auf funktioneller Ebene mit der Ussingkammer-Technik und zum anderen auf molekularer Ebene mittels qPCR und Western Blot untersucht. Dabei sollen intrazelluläre Mechanismen identifiziert werden, die diese Veränderungen mediieren und somit protektiv wirken könnten.

Chronisch entzündliche Darmerkrankungen führen zu einer erhöhten Durchlässigkeit der Darmschranke sowie zu Änderungen der funktionellen Eigenschaften des Darmepithels. Stammzellen, die bereits erfolgreich bei der Regeneration anderer Gewebe eingesetzt werden, können hier ebenfalls eine therapeutische Wirkung entfalten. Hierzu werden die funktionellen Eigenschaften einer Darmepithelzelllinie in An- bzw. Abwesenheit von Stammzellen in Kokultur untersucht.

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