Investigations on the toxicokinetics, bioavailability and Sa/So ratio as a biomarker of Fumonisin B1 (FB1) after iv and po exposure in pigs and the impact of a feed additive with fumonisin esterase activity

Schertz, Hanna GND

In der Schweinehaltung gilt Fumonisin B1 als einer der wichtigsten Kontaminanten von Mais-basierten Fütterungsformen. Dieses Mykotoxin verursacht durch Infektionen und plötzliche Todesfälle von landwirtschaftlichen Nutztieren große ökonomische Verluste wobei Schweine als sensitivste Spezies gelten. Deshalb ist es von großem Interesse, Dekontaminierungs- und Detoxifizerungsstrategien zu entwickeln, um pulmonale, hepatische und immunologische Veränderungen bei Schweinen zu vermeiden. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, mit einem geeigneten Indikator die Wirksamkeit einer enzymatischen Detoxifizierungsmethode nach einer akuten oralen Aufnahme von FB1 bei Schweinen zu untersuchen. Außerdem wollten wir die Mechanismen der Absorption, der Verteilung und des Metabolismus von FB1 bei Schweinen aufklären, wobei wir auch klinische Manifestationen nach akuter iv und po Intoxikation überwacht haben. Hierbei wurden Daten aus Blut, Urin und Kot analysiert und ausgewertet. Der zugrunde liegende Versuch dieser Arbeit wurde mit 31 zehn Wochen alten Börgen der Deutsche Landrasse durchgeführt. Diese wurden mit Verweilkathetern in den Vv. jugulares versehen und in eine der fünf Versuchsgruppen eingeteilt, in welchen sie eine der folgenden Einmaldosen erhielten: 1) Kontrollfutter und 0.9 % NaCl iv, 2) 139 nmol FB1 oder 3) 139 HFB1/kg Körpergewicht iv, 4) 3425 nmol FB1/kg Körpergewicht po oder 5) 3321 nmol FB1/kg Körpergewicht und 240 U FumD/kg Futter po. Blut, Urin und Kotproben wurden regelmäßig erfasst und nach einer Sammelperiode von 120 h wurden die Tiere durch Ausbluten nach Elektroschock getötet. In diesem Versuch haben wir die Bioverfügbarkeit des Fumonisins von 3.1 % nach einer einmaligen Applikation von FB1 bestätigt. Das Ergänzen eines Futtermittelzusatzstoffes mit Fumonisinesterase Aktivität verminderte diese um 90 % (auf nur noch 0.3 %). Nach oraler Aufnahme wurden Fumonine vornehmlich fäkal ausgeschieden und erreichten ihren Höhepunkt 48 h nach Aufnahme. 20 % der initialen Dosis waren hierbei zu partiell hydrolysierten Spaltprodukten metabolisiert. Das Enzym verminderte die Ausscheidung von FB1, FB2 und FB3 über Kot und Urin um 90 % und veränderte insbesondere im Kot die Anteile der Ausscheidungsfraktionen hin zur vermutlich weniger toxischen, vollständig hydrolysierten Form (FB1 > FB3 > FB2). Aufgrund der Hemmung der de novo Ceramid-Synthese durch FB1 wird das Sa/So Verhältnis gemeinhin als Biomarker in Flüssigkeiten und Geweben nach Fumonisin Exposition verwendet. In dieser Studie war das Sa/So Verhältnis sowohl nach iv als auch nach po Gabe von FB1 nach 24 h im Serum signifikant erhöht und flachte selbst nach 120 h nicht ab. Diese Zunahme war ebenfalls im Liquor cerebrospinalis der betreffenden Tiere nach 120 h zu erkennen, wobei der Mechanismus hinter diesem Anstieg noch geklärt werden muss. Der Anstieg des Biomarkers wird vornehmlich durch eine deutliche Erhöhung des Sphinganins ausgelöst. Die orale Verabreichung der Fumonisinesterase FumD verhinderte diese Veränderungen im Sphingolipid Metabolismus, was unsere durch Daten untermauerte Vermutung unterstützt, dass Fumonisin zur vollständig hydrolysierten Form umgewandelt wird. Dennoch konnten wir in keiner der Gruppen klinische Lungenerkrankungen oder histologisch pulmonale Läsionen feststellen, nur einige hämatologische und klinisch-biochemische Parameter zeigten eine statistische Interaktion zwischen Behandlung und Zeit. In dieser Arbeit war es uns möglich, die Detoxifizierungsmethode mit einem Futtermittelzusatzstoff mit Fumonisinesterase Aktivität nach einmaliger Fumonisingabe an Schweinen zu verifizieren, wobei wir toxikokinetische Daten, Bioverfügbarkeit und die Evaluierung eines Biomarkers in verschiedenen Matrizes wie Blut, Kot und Urin herangezogen haben.

In swine production fumonisin B1 is a major contaminant of maize-based diets. This mycotoxin leads to economic losses by infection and dead of farm animals whereby pigs are the most sensitive species. Therefore, decontamination and detoxification procedures are necessary to reduce pulmonary, hepatic and immunological lesions in pigs. Thus, the aim of the present thesis was to investigate suitable indicators evaluating the efficacy of an enzymatic detoxification method after acute oral single dose application of FB1 in pigs. Moreover, we wanted to elucidate absorption, distribution and metabolism of FB1 in pigs, also monitoring clinical specifications after acute iv and po intoxication. Therefore, blood, urine and feces data were analyzed and interpreted. The experiment of the present thesis was conducted with a total of 31 ten-weeks old German Landrace barrows which were equipped with jugular indwelling catheters and allocated to one of five treatment groups receiving single doses of: 1) control feed and 0.9% NaCl iv, 2) 139 nmol FB1 /kg BW or 3) HFB1/kg BW iv, 4) 3425 nmol FB1/kg BW po or 5) 3321 nmol FB1/kg BW and 240 U FumD/kg feed po. Blood, urine and feces samples were taken periodically and after a sampling period of 120 h, animals were sacrificed by exsanguination following electrical stunning. In this trial, we confirmed the bioavailability of FB1 at 3.1% after single dose treatment. Application of a feed additive with fumonisin esterase activity decreased this by 90% (to merely 0.3%). Following oral application, fumonisins were mainly excreted via feces with a climax at 48 h and up to 20% of initial intake are metabolized into partially hydrolyzed forms. Fumonisin esterase reduced FB1, FB2 and FB3 excretion via urine and feces by 90% and at a fecal level this resulted in a substantial shift in metabolite pattern towards the presumably less toxic fully hydrolyzed form (FB1 > FB3 > FB2). Due to the inhibition of de novo ceramide synthesis by FB1, the Sa/So ratio is commonly used as a biomarker in fluid and tissues after FB1 exposure. In this experiment, after iv and po administration of FB1, Sa/So ratio was significantly elevated in serum after 24 h and remained unabated after 120 h. This rise was also reflected in Liquor cerebrospinalis after 120 h whereby the meachanism requires further research. The rise in ratio was primarily due to a marked elevation of sphinganine. Oral administration of fumonisin esterase FumD prevented those changes in sphingolipid metabolism supporting our data on the fumonisin conversion into its fully-hydrolyzed metabolite. However, neither clinical lung affections nor histopathological pulmonary lesions were detected in either group, but some parameters of hematology and clinical biochemistry showed a treatment*time interaction. In this thesis, we verified the detoxification method using a feed additive with fumonisin esterase activity after single-dose fumonisin administration in pigs employing toxicokinetic and bioavailability data as well as biomarker evaluation in different matrices such as blood, urine, feces and cerebrospinal fluid.

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Schertz, Hanna: Investigations on the toxicokinetics, bioavailability and Sa/So ratio as a biomarker of Fumonisin B1 (FB1) after iv and po exposure in pigs and the impact of a feed additive with fumonisin esterase activity. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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