Langzeiteinfluß der früh-postnatalen Ernährung auf den Körperfettgehalt von adulten Wildtyp- und heterozygoten Zuckerratten

Abstract

Die Langzeitwirkung von Manipulationen der Wurfgröße auf den Körperfettgehalt sowie den Plasmaleptin- (PLS) und Plasmainsulinspiegel (PIS) von Wildtyp- (+/+) und heterozygoten (+/fa) Zuckerratten zu ermitteln, war Hauptziel dieser Untersuchung. Hierfür erfolgte die Aufzucht der Welpen entweder im kleinen (KN, je 3-4 Welpen), im normalen (NN, je 10-12 Welpen) oder im normalen Nest, das sich als unterernährt herausstellte (UN, je 9-12 Welpen) bei täglicher 'Rotation' der Welpen, d. h., wenn jede Mutter abwechselnd an einem Tag ein NN und an ein bis zwei Tagen ein KN säugte. Zudem wurde untersucht, ob eine Überernährung der Adulten die Langzeitwirkungen der früh-postnatalen Ernährungseinflüsse akzentuiert. Nach dem Absetzen erhielten alle Tiere Standardfutter ad libitum und im Alter von 150 Tagen wurde die Körperzusammensetzung an lebenden Tieren mittels TOBEC® sowie der PLS und PIS bestimmt. Anschließend bekamen die Tiere sechs Wochen lang hochkalorisches Zusatzfutter neben dem Standardfutter angeboten. Am Versuchsende, im Alter von 190 Tagen, wurde die Bestimmung der Körperzusammensetzung mittels TOBEC® wiederholt und neben den Hormonspiegeln auch die Körperzusammensetzung durch Trocknung bis Gewichtskonstanz und anschließender Chloroform-Extraktion ermittelt. Andererseits wurde das Körperfett mit dem individuell gemessenen Körperwasser und dem Hydrationsfaktor der durchschnittlichen fettfreien Körpermasse (FFM) berechnet. Nach Geschlechtern getrennt wurde neben der zweifaktoriellen ANOVA mit den Faktoren Aufzuchtart und Genotyp die Korrelation der untersuchten Parameter mit der Körpermasse beim Absetzen untersucht. Ergänzend wurde die Auswirkung der Interaktion zwischen Reduktion der Wurfgröße und dem Brutpflegeverhalten des Muttertiers auf die Adiposität beim Absetzen durch Austausch von Zuckerratten- bzw. Wistarrattenmüttern mit Ammen des anderen Stammes ermittelt, um zu testen, inwieweit in späteren Untersuchungen größere initiale Unterschiede im Körperfettgehalt beim Absetzen erzeugt werden können. Überraschenderweise trat durch die 'Rotation' der Welpen keine verstärkte Überernährung der KN-Welpen auf. Dagegen resultierte aus der alternierenden Versorgung der normalen Würfe im Wechsel mit 1-2 kleinen Würfen eine unerwartet große Unterernährung. Ursachen hierfür können sein, daß die Milch schneller als erwartet reduziert wurde, und der Milchfettgehalt nicht kompensatorisch angestiegen war. Weiterhin könnte die Mutter-Wurf-Interaktion durch die 'Rotation' gestört worden sein. Die signifikanten Unterschiede in der Körpermasse von männlichen und weiblichen Zuckerratten aus verschiedenen Nesttypen am d21 (KN>NN>UN) waren bereits am d60 zwischen KN- und NN-Tieren verschwunden, so daß bis d150 KN=NN>UN. Ebenso zeigten Männchen und Weibchen am d150 signifikante Unterschiede in FFDM, Fettmasse und Fettgehalt zwischen NN- und UN-Tieren, nicht aber zwischen KN- und NN-Tieren. Ein Genotypunterschied (+/fa > +/+) zeigte sich bei den Weibchen ab d120 in der Körpermasse ebenso wie am d150 auch in FFDM, Fettmasse, Fettgehalt und PLS. Bei den Männchen galt nur am d150 PLS +/fa > +/+. Nach der sechswöchigen hochkalorischen Zusatzfütterung bis zum Alter von 190 Tagen war bei den Weibchen der Unterschied zwischen den Aufzuchtarten in Körpermasse, FFDM, Fettmasse und Fettgehalt unverändert (KN=NN>UN), jedoch zeigte sich nun auch im PLS ein signifikanter Einfluß der Aufzuchtart (KN=NN>UN). Bei den Männchen ergab sich nach der hochkalorischen Zusatzfütterung zwar weiterhin in Körpermasse und FFDM KN=NN>UN, doch zeigte sich nun auch ein Unterschied zwischen KN und NN in Fettmasse und Fettgehalt, so daß KN>NN>UN. Der bei den Weibchen an d150 vorhandene Genotypunterschied in der Körpermasse bestand nach der hochkalorischen Zusatzfütterung weiterhin, doch war er in FFDM, Fettmasse und PLS nur noch tendenziell und im Fettgehalt nicht mehr erkennbar. Auch bei den Männchen ergab sich an d190 kein Genotypunterschied mehr im PLS. PLS und PIS korrelierten bei beiden Geschlechtern sowohl am d150 wie d190 miteinander. Regressionsanalysen zeigten, daß die Körpermasse beim Absetzen (d21) einen signifikanten Einfluß auf die Körpermasse des adulten Tieres hat. Während bei den Weibchen die hochkalorische Zusatzfütterung keinen Einfluß auf die Steilheit der Regressionsgeraden ausübte, bewirkte die Schokoladenfütterung bei den Männchen einen signifikant steileren Anstieg der Geraden (P < 0,001). Zudem korrelierte nicht nur der Körperfettgehalt der adulten Männchen und Weibchen mit dem Absetzgewicht, sondern im besonderen Maße auch die FFDM, wobei für die Männchen (0,63 & #61603; r & #61603; 0,86) die jeweilige Relation enger war als für die Weibchen (0,48 & #61603; r & #61603; 0,59). Die Körperzusammensetzung war bei lebenden adulten Zuckerratten eines Versuchskollektivs sowohl mittels TOBEC®-Messung (0,83 kleinergleich r kleinergleich 0,94) als auch Wägung (0,88 kleinergleich r kleinergleich 0,97) gut vorhersagbar. Die finale physikalisch-chemische Bestimmung konnte mit Hilfe des FFM-Hydrationsfaktors (r = 0,99 für den Zusammenhang der berechneten und gemessenen Körperzusammensetzungsparameter) erheblich vereinfacht werden. Dabei waren Unterschiede zwischen Männchen und Weibchen, zwischen Wildtyp- und heterozygoten Tieren sowie zwischen den verschiedenen Aufzuchtarten vernachlässigbar gering. Die Ammenaufzucht im KN durch Ammen des anderen Stammes hatte auf die Entwicklung der juvenilen Zucker- bzw. Wistarratten einen deutlichen Einfluß. So hatten von Wistarratten-Ammen aufgezogene Zuckerrattenwelpen eine signifikant höhere Körpermasse, FFDM und besonders Körperfettmasse im Vergleich zu Zuckerrattenwelpen, die von Zuckerrattenmüttern im KN aufgezogen wurden. Die von einer Zuckerratten-Amme im KN aufgezogenen Wistarrattenwelpen hatten dagegen niedrigere Werte für FFDM und Fettmasse, jedoch in gleicher Relation zur Feuchtmasse, wie die von Wistarrattenmüttern im kleinen Nest aufgezogenen Tiere. Bei ähnlicher Feuchtmasse zeigten sie aber eine fast doppelt so hohe Fettmasse im Vergleich zu den im NN von ihrer eigenen Mutter aufgezogenen Tieren. Somit zeigt diese Arbeit, daß die frühpostnatale Ernährung sowohl Körpermasse, FFDM wie Fettgehalt von adulten männlichen und weiblichen Zuckerratten beeinflußt, der Einfluß der frühpostnatalen Überernährung im Laufe der Zeit jedoch nachläßt. Als Welpen überernährte Tiere unterscheiden sich im Alter von 150 Tagen in allen untersuchten Parametern nicht von den NN-Tieren, während eine frühpostnatale Unterernährung eine permanente Reduzierung aller untersuchten Parameter bewirkt. Weitere Untersuchungen sind wichtig um abzusichern, daß die Unterschiede in der Persistenz der Folgen einer früh-postnatalen Unter- bzw. Überernährung mit der Größe der bis zum Absetzen erzielten Unterschiede in Körpermasse und Körperfettgehalt zusammenhängen. Nach hochkalorischer Zusatzfütterung zeigten sich sechs Wochen später bei den Männchen wieder Unterschiede zwischen KN- und NN-Tieren in Fettmasse und Fettgehalt. Genotypunterschiede wurden nicht verstärkt, sondern verwischt. Versuche, die initialen Unterschiede im Körperfettgehalt der Absetzlinge aus kleinen und normalen Nestern durch Aufzucht von Ammen eines anderen Stammes zu vergrößern, waren vielversprechend. Die gemeinsame Betrachtung der eigenen Befunde und der anderer Autoren zeigte klar eine Langzeitwirkung der früh-postnatalen Ernährung auf die Körperzusammensetzung, wenn die Tiere nach dem Absetzen die Standardnagetierdiät erhielten. Doch scheint besonders der Einfluß der früh-postnatalen Überernährung nicht sehr robust zu sein, so daß er leicht durch methodische Variationen überdeckt werden kann. Folgeuntersuchungen müßten klären, inwieweit diese Befunde durch die verwendete Methodik des Welpenaustauschs beeinflußt wurden. Bei einer späteren Überernährung durch hochkalorisches Zusatzfutter scheint das Alter, in dem die Überernährung erfolgt, für die Persistenz der Effekte der früh-postnatalen Ernährung eine wichtige Rolle zu spielen. Bei Überernährung vom Absetzen an, nicht aber bei einer erst im adulten Tier beginnenden Überernährung bleiben die Folgen der früh-postnatalen Ernährung sichtbar oder verstärken sich sogar. Falls sich ein solcher Zusammenhang bestätigen ließe, wäre er besonders im Hinblick auf die Ernährungslage bei Kindern und Jugendlichen in Industrienationen von großem Interesse. Auch die Beobachtung, daß adulte Männchen und Weibchen mit gleicher früh-postnataler Ernährung unterschiedlich auf eine hochkalorische Diät reagieren, sollte in weiteren Untersuchungen aufgegriffen werden. The primary objective of this study was to determine the long-term effects of manipulations of litter size on body fat content, as well as on plasma leptin concentration (PLC) and plasma insulin concentration (PIC) of wild-type (+/+) and heterozygous (+/fa) Zucker rats. For this purpose pups were reared in small litters (SL, 3-4 pups), normal litters (NL, 10-12 pups) or normal litters turning out to become undernourished (UL, 9-12 pups) under daily rotation of the pups, i. e. being nursed alternatingly by dams of normal litters on one day and small litters on one or two days. Furthermore, we investigated whether overnourishment of adult animals would amplify the effects of early postnatal nutrition. After weaning (d21) all animals were fed pellets ad libitum until the age of 150 days, when body composition of live rats was evaluated by Total Body Electrical Conductivity (TOBEC®), and PLC and PIC were also determined. In the following month animals had additionally access to high caloric food. At 190 days (end of investigation) the determination of body composition by TOBEC® was repeated, and after taking samples for plasma concentrations measurements of leptin and insulin, animals were sacrificed and body composition was evaluated by drying to constant mass, followed by whole body chloroform extraction in a Soxhlet apparatus. Alternately, we calculated body fat from individual measurements of body water by using the average fat-free mass (FFM) hydration factor, which had been determined from simultaneous analysis of both fat and water mass. The data were evaluated separately for each sex by two-way ANOVA with litter type and genotype as grouping factors. The relation between body mass on d21 and adult body composition was also analyzed by regression analysis. Additionally, we investigated the interactions between reduced litter size and maternal behavior in regard to body fat content on d21. Thus, we tested whether greater differences in body fat content at weaning could be attained as the basis for following studies by cross-fostering Zucker rat pups and Wistar rat pups to nurses of the other strain. The daily rotation of normal and small litters, surprisingly, did not boost overnutrition in the SL pups. In contrast, it caused an unexpectedly strong undernutrition of the NL pups. The reasons for these results might be, that dams of small litters sooner reduced the amounts of milk more than expected, and did not increase fat content compensatorily. Further mother-pup-interaction may have been disturbed by 'rotation'. Body masses of male and female Zucker rats from SL and NL differed significantly on d21, but this difference vanished by d60, while the difference between NL and UL persisted, so that at d150 SL=NL>UL. There were also significant differences in fat-free dry mass (FFDM) between males and females from NL and UL, but not between SL and NL. Differences in body mass of d120-females and in FFDM, in fat mass, in fat content and in PLC of d150-females disclosed a heterozygous difference (+/fa > +/+), whereas males showed only a heterozygous difference in PLC at d150 (+/fa > +/+). In d190-females, after animals had received the high-caloric supplement diet for 6 weeks, differences in body mass, in FFDM, in fat mass and in fat content persisted (SL=NL>UL). Additionally, a difference in PLC (SL=NL>UL) occurred. Significant differences in body mass and FFDM (SL=NL>UL) persisted in d190-males, but additionally, their fat mass and body fat content now also differed between SL and NL, so that SL>NL>UL. The heterozygous difference, which was seen in d150-females persisted on the high-caloric diet for body mass, but tendencies for differences in FFDM and fat mass did not reach significance, and the differences in fat content had vanished. Similarly, the heterozygous difference in PLC for the d190-males vanished. PLC and PIC were correlated with each other in both genders on d150 and d190. Regression analysis indicated that adult body mass was significantly correlated with body mass on d21. While the high-caloric supplement diet did not influence the slope of the regression line for the females, it had increased distinctly for that of the males (P < 0,001). In addition, not only body fat content but also FFDM were correlated with body mass on d21, each correlation being closer for males (0.63 less-than-or-equal r less-than-or-equal 0.86) than for females (0.48 less-than-or-equal r less-than-or-equal 0.59). Within investigated cohorts, body composition of alive adult Zucker rats was predicted by TOBEC® (0.83 less-than-or-equal r less-than-or-equal 0.94) as well as by weighing (0.88 less-than-or-equal r less-than-or-equal 0.97). Final physical-chemical determination of body composition could be simplified by calculation using the FFM-hydration factor (r = 0.99 for correlations between evaluated and calculated parameters of body composition). Differences in the FFM-hydration factors of males and females, wild-type and heterozygous rats, as well as between different litter types were negligible. Cross-fostering of SL Zucker rat pups and Wistar rat pups to nurses of the other strain had strong effects on weaning body composition. Cross-fostered SL Zucker rat pups showed significant increases in body mass, FFDM, and especially in fat mass compared to pups, which were reared in SL by their own mothers. In contrast, cross-fostered SL Wistar rat pups had lower values for FFDM and fat mass, but the relation between these parameters and carcass mass was the same as for SL animals, which were reared by their own mothers. Moreover, they had almost twice the fat mass of pups with the same carcass mass, which were reared in NL by their own mothers. The present study revealed early postnatal nutrition effects on body mass, FFDM, and fat content of adult male and female Zucker rats. The influence of overnutrition during suckling-age decreases however, over the course of time. By d150 SL and NL did not differ in any analyzed parameter. In contrast, early undernutrition caused a permanent reduction in all analyzed parameters. Further studies are necessary to ascertain the notion that the persistence of the differences caused by early postnatal overnutrition and undernutrition depends on the size of differences in body mass and body fat content obtained by d21. On d190, after 6 weeks with the high-caloric diet, fat mass and fat content of SL and NL males were again significantly different. Heterozygous differences did not increase, but rather vanished. Attempts to use nurses of a different strain to increase the initial differences between the body fat contents of weanlings from SL and NL were promising. Taken together the present study and previously published data by others clearly demonstrate long-term effects of early postnatal nutrition on body composition, when the rats were maintained on standard rat chow after weaning. But especially the influence of early postnatal overnutrition does not seem to be very robust, and may be easily concealed by methodical variations. Further research is necessary to clarify to which extend these results depend on the particular method used here to manipulate early postnatal nutrition. The age in which post-weaning overnutrition occurs seems to be important for the persistence of effects of early postnatal nutrition. Overnutrition from weaning but not adult overnutrition, seems to favor persistence or even increases of differences in body composition resulting from early postnatal overnutrition. If this notion could be confirmed, it would be very important with regard to nutrition levels of children and teenagers in industrialized nations. Also, the observation that adult males and females with the same early postnatal nutrition react to adult overnutrition in different ways should be further investigated.