Ernährungsstrategien gegen Hitzestress bei Nutztieren

 

... zum Schutz gegen erhöhte Anfälligkeit für entzündliche Erkrankungen

Durch die globale Klimaerwärmung und die steigende Verbrauchernachfrage nach Fleisch und Nahrungsmitteln tierischen Ursprungs, insbesondere in Schwellenländern mit heißen Klimata, wachsen die Bedenken der Öffentlichkeit hinsichtlich des Tierwohls, der langfristigen Nachhaltigkeit der tierischen Erzeugung und der Lebensmittel- und Verbrauchersicherheit (siehe Abb. 1). In diesen Ländern ist Hitzestress einer der wichtigsten Gründe für wirtschaftliche Verluste in der tierischen Erzeugung. Ein heißes, feuchtes Klima beeinträchtigt nicht nur die Qualität von Grünfutter und Futtermitteln, sondern senkt auch die Reproduktionsleistung und Produktivität von Nutztieren. Hitzestress wirkt sich außerdem auch auf die allgemeine Gesundheit von Nutztieren und ihre Anfälligkeit für Infektionskrankheiten aus. Darüber hinaus können sich Pathogene oder Vektoren aufgrund des Klimawandels auch in neue Regionen ausbreiten.

Heat stress in animals

© Twan Wiermans (Agripix): Hitzestress bei Nutztieren

 
 

Tiere verändern unter Hitzestress ihr Verhalten und ihre Physiologie, um Hitze abzuleiten und ihre Körpertemperatur zu senken (siehe Abb. 2). Bei Hitzestress nehmen Futteraufnahme und Bewegung während des Tagesverlaufs weniger, Ruhen, Wasseraufnahme und Hecheln dafür mehr Zeit in Anspruch. Offensichtliche Anzeichen von Hitzestress bei Nutztieren beinhalten eine verringerte Futteraufnahme, geringere tägliche Gewichtszunahmen, schlechtere Produktqualität (Fleisch, Eier und Milch) sowie erhöhte Morbidität und Mortalität.

 

Um diesen Herausforderungen entgegentreten zu können, ist detailliertes Wissen über die physiologischen Mechanismen von Hitzestress bei Nutztierarten erforderlich. Dieser Artikel möchte daher einen kurzen Überblick über hitzestressbedingte physiologische und molekulare Veränderungen bei Nutztieren geben. Abb. 3 fasst direkte und indirekte Folgen von Hitzestress bei Nutztieren zusammen.

 

 

Darmmorphologie

Studien zu hitzestressbedingten Veränderungen der Darmmorphologie haben zu uneinheitlichen Ergebnissen geführt. Daher liegen widersprüchliche Informationen über Veränderungen der Villushöhe und Kryptentiefe vor – zwei Schlüsselparameter der effizienten Aufnahme von Nährstoffen im Darm. Song et al. (2014) stellten z. B. im Jejunum von Ross-308-Masthühnern, die zyklischem Hitzestress ausgesetzt waren, eine verringerte Villushöhe und größere Kryptentiefe fest. Andere Studien berichten bei Ross-308-Masthühnern, die bei 30 °C gehalten wurden, von einer verringerten Kryptentiefe im Ileum, erkannten aber gegenüber Vergleichstieren, die bei 23 °C gehalten wurden, keine Veränderungen in der Villushöhe (Burkholder et al., 2008). Pearce et al. (2015) beobachteten bei hitzegestressten Schweinen tendenziell eine verringerte Villushöhe, aber keine Veränderung der Kryptentiefe. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die unterschiedlichen, z. T. auch widersprüchlichen Ergebnisse hinsichtlich der Darmmorphologie eventuell auf Unterschiede in der untersuchten Hitzebelastung und/oder auf arten- oder rassenspezifische Unterschiede zurückzuführen sind.

Fleischkonsum weltweit

Abb. 1. Entwicklung des durchschnittlichen Fleischkonsums in verschiedenen Regionen über einen Zeitraum von 15 Jahren (in Anlehnung an die FAO).

 

Stoffwechselveränderungen

 

Ein erhöhter Energieverbrauch scheint bei Tieren die erste zelluläre Reaktion auf Hitzestress darzustellen. Die mitochondriale Aktivität wird hier intensiviert, um ausreichend ATP für lebenswichtige zelluläre Abläufe wie die Na+-K+-ATPase-Aktivität zu produzieren. Die Hochregulierung der mitochondrialen Kapazität steht mit einer intensiveren Produktion reaktiver Sauerstoffspezies in Verbindung, die wiederum eine gesteigerte endogene oxidative Belastung verursacht (Akbarian et al., 2016). In der Folge führt durch Hitze vermittelter oxidativer Stress zu Veränderungen in den zellulären Signalwegen, die sich auf die Expression von Hitzeschockproteinen (HSP) auswirken, die Darmbarriere schädigen (Lambert et al., 2002) und hyperthermiebedingten apoptotischen Zelltod verursachen (Katschinski et al., 2000). Die hochregulierte Expression von HSP bildet einen endogenen Mechanismus, der die Zellen gegen Stress schützt. HSP70 schützt z. B. nachweislich die Darmschleimhaut von hitzegestressten Masthühnern durch eine Verbesserung der antioxidativen Kapazität und Hemmung der Lipidperoxidation (Gu et al., 2012).

 

Hitzestress bei Tieren

Abb. 2. Hitzestress bei Nutztieren: Index für Aufzucht- und Mastschweine.
Quelle: Iowa State University

 
 

Eine Studie an Ratten weist auf eine Verbindung zwischen Hyperthermie und erhöhtem Energieverbrauch hin. In dieser Studie ging der Leber-Glykogenspiegel nach zwei Stunden Hitzestress um etwa 20 % zurück (Hall et al., 2001). Ganzkörper-Hyperthermie führt zu einer Umverteilung des Bluts von den inneren Organen zur Peripherie, um die Wärmeverluste des Körpers zu intensivieren (Lambert et al., 2002). Diese Umverteilung verursacht im Darmtrakt zelluläre Hypoxie und metabolischen Stress (Hall et al., 2001). Da sich Hitzestress insbesondere auf die Insulin-Signalwege auswirkt, sind Veränderungen im Ganzkörper-Energiestoffwechsel teilweise auf eine veränderte Aufnahme und Verstoffwechslung von Glukose zurückzuführen. Diese Hypothese wird von den Ergebnissen verschiedener Studien gestützt, die bei hitzegestressten Tieren eine erhöhte Glukoseaufnahme aus dem Darm ergaben (z. B. Pearce et al., 2013; Fernandez et al., 2015).

 

Auch bei verschiedenen anderen Geweben könnten Veränderungen in der jeweiligen Aufnahme und Verwertung von Glukose auftreten. In diesem Kontext beobachteten Fernandez et al. (2015) in der Skelettmuskulatur von Schweinen, nicht aber in ihrem Fettgewebe, eine höhere Abundanz von Insulin-Rezeptor-Substrat-1. Die verschiedenen Auswirkungen von Hitzestress auf die unterschiedlichen Gewebe von Tieren könnten letztendlich Veränderungen in der Energiedeposition und Verschiebungen in der fettfreien Körpermasse hervorrufen. Dieses Phänomen wurde im Zusammenhang mit der postnatalen Körperzusammensetzung von Muttertieren beobachtet, die während der Tragzeit Hitzestress ausgesetzt waren. Ferkel von Sauen, die während der ersten Hälfte der Tragzeit Hitzestress ausgesetzt waren (28 °C bis 34 °C), wiesen einen geringeren longissimus-dorsi-Querschnitt, eine dickere subkutane Fettschicht und höhere Insulinkonzentrationen im Blut auf als Ferkel von Säuen, die unter normalen Temperaturbedingungen gehalten wurden (18 °C bis 22 °C) (Boddicker et al., 2014). Fernandez et al. (2015) berichteten interessanterweise über eine höhere Abundanz von Insulin-Rezeptor-Substrat-1 in der Skelettmuskulatur, nicht aber in Adipozyten. Dies legt eine höhere Energieaufnahme in den Muskeln, aber nicht im Fettgewebe nahe. Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der Mechanismus, durch den hitzestressbedingte Veränderungen im Stoffwechsel von Muttertieren bei ihren Ferkeln eine höhere Ablagerung von Fett verursachen, nur anhand von weiterführender Forschung im Detail beurteilt werden kann.

Negative Einflüsse von Hitzestress

Abb. 3. Hitzestress senkt die Leistung von Nutztierarten aufgrund verschiedener direkter und indirekter negativer Einflüsse.

 

Integrität der Darmbarriere

 

Eine funktionelle Beeinträchtigung der Darmbarriere könnte eine Erklärung für die erhöhte Krankheitsanfälligkeit hitzegestresster Nutztiere bilden. Die Darmbarriere stellt die erste Verteidigung gegen schädliche mikrobielle Pathogene, ihre Toxine und Antigene aus dem Darmlumen dar. Die Darmbarriere wird von einer Schicht Epithelzellen gebildet. Die Zellzwischenräume werden von Tight Junctions abgedichtet, die hauptsächlich aus Proteinen der Claudin- und Occludin-Familie bestehen. Tight Junctions fungieren als selektive Barrieren und regulieren so den parazellulären Transport. Hitzestress beeinträchtigt bei Tieren die Integrität der Tight Junctions, erhöht dadurch die Durchlässigkeit der Darmschleimhaut und stört sie in ihrer primären Funktion, d. h. der Absorption von Nährstoffen und Abwehr von Pathogenen. Diese Integrität bzw. die Durchlässigkeit der Darmbarriere wird routinemäßig anhand des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) in frisch entnommenen Darmproben oder Zellkulturen gemessen. Je geringer der TEER, desto stärker ist die Integrität der Darmbarriere kompromittiert. Hitzestress reduziert nachweislich den TEER bei Caco-2-Monolayern (Xiao et al., 2013), aber auch bei Schweinen in vivo (Sanz Fernandez et al., 2013).

 

Die Literatur umfasst eine Vielzahl von Studien zur Gen- oder Proteinexpression von Tight-Junction-Proteinen unter Hitzestressbedingungen. Xiao et al. (2013) wiesen z. B. bei Caco-2 höhere Occludin-mRNA- und Proteinwerte nach, wenn die Temperatur der Zellkultur von 37 °C auf 41 °C angehoben wurde. Eine Anhebung der Temperatur auf 43 °C führte dagegen zu einer reduzierten Expression von Zonula occludens-1-mRNA und -Protein, während hinsichtlich der Abundanz von Claudin-2 keine Veränderung beobachtet wurde (Xiao et al., 2013). Hitzestress bei 33 °C über 10 Stunden führte bei Masthühnern zu einem signifikanten Rückgang des Spiegels von Occludin und Zonula occludens-1-Protein (Song et al., 2014). Bei Schweinen wurde festgestellt, dass die Abundanz des Occludin-Gens im Dickdarm unter Hitzestressbedingungen abnimmt (Pearce et al., 2015). Die Expression von Claudin-3- und Occludin-Protein stieg dagegen im Ileum von Aufzuchtschweinen unter Hitzestress an (Pearce et al., 2013). Zusammenfassend zeigen diese Studien, dass die Temperatur die Expression von Tight-Junction-Proteinen beeinflusst. Während die Abundanz von Tight-Junction-Proteinen in den meisten Studien aufgrund von hitzestressbedingter Beschädigung und Funktionsverlust zurückging, zeigten andere Studien eine Hochregulierung der Expression der betreffenden Gene. Dieses Phänomen lässt sich als direkte Folge von Hitzestress erklären: Die Hochregulierung der Expression von Tight-Junction-Genen könnte eine Darmbarrierenfunktion darstellen, um dem durch Hitzestress verursachten Verlust von Tight-Junction-Proteinen entgegenzuwirken.

 
 

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Ergebnisse aller Studien zur Verbindung zwischen Hitzestress und der Integrität der Darmbarriere eindeutig die negativen Auswirkungen von Hitzestress auf die Darmbarriere belegen. Die Beeinträchtigung der Integrität der Darmbarriere verursacht eine erhöhte Durchlässigkeit des Darms für verschiedene Moleküle und Pathogene. Damit lassen sich im Blut der Tiere auch erhöhte Konzentrationen dieser Substanzen aus dem Darm feststellen. Der Endotoxinspiegel im Blut stieg z. B. bei hitzegestressten Schweinen im Vergleich zu Schweinen, die unter normalen Temperaturbedingungen gehalten wurden, um 200 % (Pearce et al., 2013).

 

Auch vergleichende Studien zur Auswirkung von anhaltendem bzw. kurzfristigem Hitzestress bei Nutztieren wiesen bemerkenswerte Unterschiede im Endotoxinspiegel im Blut nach. Bei Jungsauen, die über einen Zeitraum von sieben Tagen einer Temperatur von 35 °C ausgesetzt wurden, war z. B. der Endotoxinspiegel im Blut um 260–390 % höher als bei Jungsauen, die nur 24 Stunden lang bei 35 °C unter Hitzestress litten (Sanz Fernandez et al., 2013). Der Anstieg des Endotoxinspiegels unter Hitzestress kann systemische entzündliche Reaktionen hervorrufen, die wiederum zu verringerter Wachstumsleistung und höherer Morbidität und Mortalität führen (Xu et al., 2015; Dokladny et al., 2008). Eine erhöhte Migration von Bakterien aus dem Darm in andere Körperteile wurde von Quinteiro-Filho et al. (2012) direkt nachgewiesen. In ihrer Studie zeigten mit Salmonella enteriditis infizierte Masthühner bei Hitzestress (31 °C) geringere Leistung und hatten um den Faktor 3,9 höhere Salmonellenzahlen in der Milz als Tiere in der Kontrollgruppe bei 21 °C.

Effekte von Hitzestress auf die Darmintegrität bei Tieren

Abb. 4. Auswirkungen von Hitzestress auf die Integrität des tierischen Darms: temperaturbedingte Senkung der Abundanz von Tight-Junction-Proteinen (in Anlehnung an Dokladny et al., 2016).
A) Intakte Tight-Junction-Barriere bei thermisch neutralen Umgebungstemperaturen.
B) Hitzestressbedingter Zusammenbruch der Tight Junctions.
C) Hochregulierung der Tight-Junction-Genexpression, um hitzestressbedingten Schäden der Darmbarriere entgegenzuwirken. Weitere Einzelheiten siehe Dokladny et al. (2016).

 

Intestinale Mikrobiota

 

Hitzestress wirkt sich gemäß mehreren aktuellen Studien nachweislich auf die Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota aus. Bei Holsteiner Jungkühen führte eine Anhebung der Umgebungstemperatur von 20 °C auf 33 °C zu signifikanten Veränderungen der wichtigsten phylogenetischen Gruppen im Pansen sowie zu einer verringerten Produktion kurzkettiger Fettsäuren (SCFA) (Tajima et al., 2017). Diese Veränderungen könnten damit zusammenhängen, dass die Tiere unter Hitzestress weniger Trockenmasse aufnahmen. Durch Hitzestress verursachte Veränderungen in der SCFA-Produktion wurden auch bei Schweinen beobachtet, obwohl in dieser Studie die SCFA-Produktion insgesamt nicht rückläufig war. Das Verhältnis zwischen den verschiedenen SCFAs änderte sich jedoch: Der Anteil von Acetat stieg, während die Abundanz von Propionat fiel (Song et al., 2011). Ein verändertes Verhältnis der produzierten SCFAs könnte sowohl auf eine Verschiebung der bakteriellen Stoffwechselaktivität als auch (oder alternativ) auf eine veränderte Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota hinweisen. Es wurde außerdem nachgewiesen, dass Hitzestress die mikrobielle Vielfalt im Darm direkt verändert. Burkholder et al. (2008) beobachteten in diesem Zusammenhang eine verringerte mikrobielle Vielfalt im Ileum von Masthühnern, die bei 30 °C gehalten wurden, verglichen mit Tieren, die bei 23 °C gehalten wurden.

 

Eine weitere Studie an Geflügel setzte sich detaillierter mit dem Zusammenhang zwischen Hitzestress und Veränderungen bestimmter Bakteriengruppen auseinander. Zyklischer Hitzestress führte zu einem Rückgang von Lactobacilli und Bifidobacteria im Dünndarm und zu einer gleichzeitigen Zunahme von Coliformen und Clostridien (Song et al., 2014). Dies könnte Ausdruck einer negativen Veränderung sein, da viele Mitglieder der Lactobacilli- und Bifidobacteria-Familien als für Wirtstiere vorteilhaft gelten. Während die meisten Coliformen und Clostridien kommensale Teile der intestinalen Mikrobiota bilden, stehen manche auch mit proteolytischer Fermentation in Verbindung. Außerdem beinhaltet diese Gruppe auch verschiedene potenziell pathogene Bakterien (z. B. C. perfringens, Salmonella oder Endotoxin freisetzende E. coli). Daher könnten erhöhte Zahlen dieser Bakteriengruppen eine intensivere Produktion potenziell schädlicher Fermentationsprodukte und eine Proliferation potenzieller Pathogene verursachen.

 

Immunsystem

 

Hitzestress führt bei Nutztieren zu einer allgemeinen Immunsuppression, die einen weiteren möglichen Mechanismus darstellt, der die erhöhte Krankheitsanfälligkeit von Tieren erklären kann. Bei Geflügel führt Hitzestress zu einer Suppression der angeborenen und erworbenen Immunität. Bei hitzegestressten Masthühnern ist der Spiegel der gesamten zirkulierenden Antikörper nachweislich reduziert, ebenso die spezifischen IgM- und IgG-Werte gegen das Virus der Newcastle-Krankheit und infektiösen Bursitis (Niu et al., 2009; Akhavan-Salamat et al., 2016; Sohail et al., 2010). Werden Hühner einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt, führt dies auch zu einem Rückgang der CD4+-T-Zellen und CD8+-T-Zellen und damit zu einer Beeinträchtigung der zellulären Immunreaktion (Khajavi et al., 2003; Trout & Mashaly, 1994).

 

Hitzestress wirkt sich darüber hinaus auch negativ auf die Immunität der Darmschleimhaut aus, die eine wichtige Barriere gegen eindringende Pathogene bildet. Eine Schleimhautschicht bedeckt das luminale Epithel, und das darunter liegende Gewebe der Lamina propria beherbergt verschiedenste Immunzellen, darunter u. a. intraepitheliale Lymphozyten, regulatorische T-Zellen und sekretorische IgA-Zellen. Unter Hitzestressbedingungen wird die Integrität der Epithelzellen in der Schleimhaut kompromittiert, sodass Bakterien und andere Antigene in die Lamina propria eindringen können. Die massive Invasion von Antigenen löst entzündliche Prozesse aus. Die Expression von IL-10 und IL-4 aus der Darmschleimhaut nimmt bei hitzegestressten Tieren nachweislich ab, was auf eine Einschränkung der entzündungshemmenden Funktion und der Proliferation von Immunzellen hinweist. Auch die Expression von Toll-ähnlichen Rezeptoren geht zurück, d. h. die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer bakteriellen Invasion wird geschwächt (Liu et al., 2012). Bei Schweinen konnte ebenfalls nachgewiesen werden, dass sich Hitzestress auf die zelluläre Immunität auswirkt. Hitzestress hemmt bei Schweinen die Proliferation von T-Zellen im peripheren Blut (Kelley, 1985). Jensen et al. (1983) stellten fest, dass hitzegestresste Kastraten eine schwächere Reaktion auf den Phytohämagglutinin-Hauttest zeigten, der einen zuverlässigen Indikator für die Beurteilung der zellulären Immunität darstellt. Hitzestress verursacht auch nachweislich eine Infiltration von Neutrophilen in das Ileum sowie Entzündungen und beeinträchtigt so die Integrität der Darmbarriere noch weiter (Pearce et al., 2013).

Schlussfolgerungen


  • Hitzestress steht mit vielfachen ätiologischen Faktoren in Verbindung, die zu Veränderungen in der Physiologie, im Verhalten und im Stoffwechsel von Tieren führen.


  • Hitzestress wirkt sich wesentlich auf das Immunsystem aus, hemmt die Immunität und verringert die Widerstandsfähigkeit von Tieren gegenüber einer Invasion von Pathogenen. Dies führt zu einer höheren Morbidität und Mortalität.


  • Hitzestress verkleinert die Absorptionsfläche im Darm durch eine geringere Villushöhe. Dies führt zu geringerer Nährstoffverwertung und schafft mehr Substrat für eine Fermentation.


  • Hitzestress verursacht umfassende Veränderungen in den Signalwegen, die wichtige Prozesse des Glukose- und Fettstoffwechsels regeln, und führt damit zu ungünstigen Verschiebungen im Verhältnis der Ablagerung von Proteinen und Fetten.


  • Hitzestress löst eine Proliferation unerwünschter Bakterien aus und lässt so höhere Zahlen an proteolytischen und potenziell pathogenen Bakterien entstehen.


  • Hitzestress schädigt die Integrität der Darmbarriere, wodurch mehr Antigene und Pathogene in das Blut und in den gesamten Organismus gelangen können.

 

Aufgrund von globalen Klimaveränderungen und der gestiegenen Nachfrage nach Nahrungsmitteln tierischen Ursprungs in Schwellenländern mit heißen Klimata ist weitere Forschung zu Futterzusatzstoffen und zur Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der wichtigsten, durch Hitzestress belasteten Prozesse, einschließlich der Darmmorphologie, der Funktion der Darmbarriere, des Immunsystems und des Nährstoffhaushalts, erforderlich und bietet zugleich hohes Potenzial. Die Delacon GmbH konzentriert sich in ihrer aktuellen Forschung stark auf die Entwicklung transversaler Produkte gegen Hitzestress, die auf das Immunsystem und die Funktion der Darmbarriere abzielen.

 
 
Diese Website verwendet Cookies. Cookies werden zur Benutzerführung und Webanalyse verwendet und helfen dabei, diese Website besser und benutzerfreundlicher zu machen.
Akzeptieren
Wenn Sie keine Aufzeichnung wünschen können Sie diese unter Impressum & Datenschutzrichtlinie deaktivieren.
X