Ontogenetic development of the IGF-system and leptin in offspring of sows fed with gestation diets differing in protein content

Abstract

The aim of this dissertation was to characterize leptin and the different components of the IGF-system in offspring of sows fed with different protein contents throughout pregnancy and to ascertain long term consequences caused by an inadequate nutritional environment <i>in utero</i>. German Landrace gilts (n=78) were fed gestation diets (~15.4 MJ ME/kg) of either low (LP, 6%; n=26), adequate (AP, 12%; n=26), or high (HP, 30%; n=24) protein content. For sampling at day 94 of gestation, 26 gilts with their fetuses were investigated. At parturition, the offspring of the remaining 52 gilts were cross fostered to nursing sows fed a standard lactation diet. Fetal and birth weight of all investigated offspring were recorded and classified into 2 different fetal body weight classes (Fbwc = or > 0.65 kg) or birth weight classes (Bbwc = or > 1.3 kg). In addition, the litter size of any gilt was classified into two groups (Lsgr = or > 12 piglets). Blood and liver samples from 306 piglets in total were collected. In detail, fetuses of day 94 of gestation (dpc), and piglets at their 1st, 28th and 188th day of life (dpn) were sampled. Blood samples were assayed for IGF-1, IGF-2 and leptin by ELISA and for IGF binding proteins via a quantitative, non-radioactive Western ligand blotting protocol established and optimized herein. Liver samples were assayed for IGF-1 receptor by use of ELISA. The concentrations of leptin in offspring were not affected by maternal diet over all postnatal days. With the exception of dpn 1, the IGF-1 concentrations remained unchanged in response to maternal dietary treatment. Piglets born to mothers fed the LP diet had decreased IGF-1 concentrations compared to piglets born to HP mothers (P < 0.05). Piglets of lower birth weight also showed lower IGF-1 concentrations; IGF-1 and the body weights on dpn 1 were positively correlated. For IGF-2, an association between its concentration and low fetal body weight was observed. In line with previous studies, nutrient restriction as modulator had more pronounced effects on the circulating IGF-1 concentrations than the ones of IGF-2. The concentrations of the IGFBPs were primarily effected by nutrition <i>in utero</i> at the early stages of development. IGFBP-1 was higher in HP fetuses compared to the other two diet groups on dpc 94. For neonatal piglets, IGF-1 and IGFBP-1 were negatively correlated; piglets from LP fed mothers had higher IGFBP-1 values; they also had lower concentrations of IGF-1 than AP and HP piglets. Piglets born to LP fed mothers had lower IGFBP-2 values on dpn 1 and dpn 28; for IGFBP-3 differences related to maternal feeding group were limited to dpn 1: HP piglets had higher IGFBP-3 concentrations than AP piglets. On none of the sampling days, differences between the diet groups were observed for liver IGF-1 receptor content. Neither maternal feeding group nor fetal body weight nor litter size nor sex apparently influenced IGF-1 receptor content on dpc 94 in liver, indicating that different protein diets <i>in utero</i> throughout the entire pregnancy might rather act at the level of the ligand than of the receptor, if the IGF-system is concerned at all. Nevertheless the results of this study show clearly, that all ascertained effects of modified protein diets during gestation were limited to prenatal and early postnatal life. Significant effects resulted predominantly from protein restriction <i>in utero</i> whereas protein excess exerted no or only few effects on all factors tested. Possibly the inadequate protein supply during gestation could largely be compensated during the suckling period and thereafter when feeding was homogeneous in all groups. The lack of persistent effects by maternal feeding on the endocrine systems indicates adaptive processes; moreover, carcass composition data do not support long lasting effects of subtle early endocrine changes.

<strong>Einfluss divergenter Proteinversorgung <i>in utero</i> auf die ontogenetische Entwicklung von Leptin und des IGF-Systems in Ferkeln</strong><br /> Das Ziel dieser Arbeit war es, kurz- und langfristige Reaktionen auf maternales, intrauterines Nahrungsproteindefizit und -überschuss bei Ferkeln unterschiedlichen Alters in Hinblick auf verschiedene Komponenten der IGF-Achse und Leptin zu prüfen und zu charakterisieren. Jungsauen der Deutschen Landrasse (n=78) wurden während der gesamten Trächtigkeit mit isoenergetischen Diäten (~15,4 MJ ME/kg) unterschiedlichen Proteingehaltes ernährt: Niedrigprotein (NP, 6%; n=26), Adäquatprotein (AP, 12%; n=26) oder Hochprotein (HP, 30%; n=24). Am 94. Gestationstag wurden 26 Jungsauen und deren Föten untersucht. Am Tag der Geburt wurden die Nachkommen der verbliebenen 54 Jungsauen zu Ammensauen umgesetzt, die eine standardisierte Laktationsdiät bekamen. Das Körpergewicht der Föten und der neugeborenen Ferkel wurde festgestellt und in zwei verschiedene fötale Körpergewichtsklassen (fKgk ≤ oder > 0,65 kg) und Geburtsgewichtsklassen (Ggk ≤ oder > 1,35 kg) eingeteilt. Zusätzlich wurden die Wurfgruppengrößen klassifiziert (Wgg ≤ oder > 12). Es wurden Blut- und Leberproben von Föten des 93. Gestationstag (dpc) und Ferkeln des ersten, 28. und 188. Lebenstages (dpn) gesammelt (n=306). Die Blutproben wurden mittels ELISA auf IGF-1, IGF-2 und Leptin untersucht. Desweiteren wurden in den Blutproben die IGF-Bindungsproteine 1-4 (IGFBP 1-4) mit Hilfe eines quantitativen, nicht-radioaktiven Western Liganden Blot Protokolls gemessen, das in dieser Arbeit etabliert und optimiert wurde. Ebenfalls im ELISA wurden Leberproben auf den Gehalt an IGF-1 Rezeptor (IGF-1 R) untersucht. Die Leptinkonzentration im Blut war über alle postnatalen Tage nicht von der Diät beeinflusst. Mit der Ausnahme von dpn 1, blieb die IGF-1 Konzentration in Bezug auf die maternale Diät <em>in utero </em>unverändert. Ferkel von Müttern, denen die NP Diät während der Trächtigkeit gefüttert wurde, hatten eine niedrigere IGF-1-Konzentration im Blut im Vergleich zu den Nachkommen der HP Mütter (P < 0,05). Ferkel mit geringerem Geburtsgewicht zeigten ebenfalls geringere IGF-1 Konzentrationen; IGF 1 und die Geburtsgewichte korrelierten an Tag 1 positiv. Für IGF-2 konnte eine Verbindung zwischen dessen Konzentration und niedrigem fötalem Körpergewicht beobachtet werden. In Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen, hat Nährstoffrestriktion als Modulator stärkere und profiliertere Einflüsse auf die IGF-1 als auf die IGF-2-Konzentration im Blut. Die Konzentration der IGF-Bindungsproteine wurde hauptsächlich in der frühen Entwicklung der Nachkommen durch die Nährstoffversorgung <em>in utero</em> beeinflusst. Am dpc 94 war IGFBP-1 in HP Föten höher als in den Nachkommen der beiden anderen Diätgruppen. Für die neugeborenen Ferkel wurde eine negative Korrelation zwischen IGF-1 und dem IGFBP-1 festgestellt; Nachkommen der NP gefütterten Mütter hatten höhere IGFBP-1 Werte; sie hatten aber auch geringere Konzentrationen an IGF-1 im Blut, als die AP und HP Ferkel. An Tag 1 und Tag 28 hatten NP Ferkel niedrigere IGFBP-2 Werte; für IGFBP-3 waren die Unterscheide aufgrund der maternalen Diät auf Tag 1 limitiert: Die Konzentration an IGFBP-3 war in den HP Ferkeln höher als in den AP Ferkeln. An keinem der Probennahmetage wurden Unterschiede in der hepatischen Konzentration des IGF-1 R in Bezug auf die Diätgruppen festgestellt. Weder die maternale Fütterungsgruppe, noch das fötale Körpergewicht oder das Geschlecht beeinflussten offensichtlich den Gehalt an IGF-1 R in der Leber an dpc 94. Diese Tatsache weist darauf hin, dass unterschiedliche Proteindiäten während der Trächtigkeit eher auf der Ebene der Liganden als auf der Ebene der Rezeptoren wirken, wenn signifikante Effekte überhaupt feststellbar waren. Trotzdem zeigen die Ergebnisse dieser Studie sehr deutlich, dass alle Effekte durch modifizierte Proteindiäten während der Trächtigkeit sich vor allem auf das pränatale und frühe postnatale Leben beschränken. Signifikante Unterschiede resultierten vornehmlich aus der Proteinrestriktion <em>in utero</em>, wohingegen Proteinüberschuss keine bis sehr geringe Auswirkungen auf alle getesteten Faktoren hatte. Möglicherweise kann die unzureichende Proteinversorgung während der Trächtigkeit über die Säugezeit und der anschließenden, für alle Gruppen homogenen Fütterung kompensiert werden. Das Fehlen von persistierenden Auswirkungen der maternalen, inadäquaten Ernährung während der Trächtigkeit auf das endokrine System der Nachkommen ist bezeichnend für adaptive Prozesse. Darüber hinaus unterstützen auch die Daten der Körperzusammensetzung keine, durch frühe endokrine Veränderungen hervorgerufenen, anhaltende Veränderungen.