Induced Growth and Precocious Maturation of the Digestive System in Suckling Rats and Pigs after Exposure to Red Kidney Bean Lectin

Abstract

The timing of the postnatal development of the gastrointestinal (GI) tract in mammals is influenced by dietary and hormonal factors. It was hypothesized that accelerated GI cell turnover during maturation would result in a precoucios conversion to more mature digestive functions. Thus, it was investigated if red kidney bean lectin, phytohaemagglutinin (PHA) - a potent gut mitogen in adult rats - could accelerate the growth and maturation of the digestive system in suckling rats and piglets.



Suckling rats and piglets were dosed with PHA either via enteral or parenteral administration for up to three consecutive days prior to natural weaning. The binding of PHA to the GI tract and extra-intestinal organs, GI organ growth, intestinal morphology and proliferation, disaccharidase activity pattern, and macromolecular absorption capacity were studied, as well as the pancreatic enzyme contents. Changes in these parameters were considered to be markers for maturation or development towards an adult-like GI function. Furthermore, the plasma levels of corticosterone and insulin (rat), and cholecystokinin (pig), were investigated.



It was concluded that preweaning enteral exposure to PHA in suckling rats accelerated growth and induced precocious functional maturation of the GI tract and the pancreas. Similar results were also achieved when a crude PHA preparation was fed to suckling piglets. PHA treatment induced irreversible changes of the gut resembling those occurring at natural weaning, such as a reduced macromolecular absorption (intestinal closure), altered disaccharidase expression towards an adult-like activity pattern, and enhanced pancreas function.



The ability of PHA to induce GI functional maturation in rats was age-dependent. Also, a direct binding and interaction of PHA with the GI epithelium was found to be a prerequisite to induce functional maturation, since parenteral administration had little effect.



Shortly after administration, the binding of PHA to the intestinal epithelium temporarily caused mucosal disarrangement and functional impediment of the GI tract, probably resulting in the release of hormones and inflammatory cytokines. During a later phase, this led to a stimulatory response of the GI tract, as seen by an increase in crypt cell proliferation, gut growth, and the emergence of more adult-like enterocytes. Taking into consideration the temporal differences between rats and piglets with respect to natural maturational events, it was suggested that PHA exerted gut maturing effects in piglets and probably also in other mammals. Thus, these findings might lead to a better understanding of the role of the diet in GI functional maturation.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Däggdjurens mag-tarmkanal genomgår dramatiska strukturella och funktionella förändringar under di-perioden för att anpassa individen för den fasta föda som kommer att bli den huvudsakliga näringskällan efter avvänjningen från modersmjölken. Dessa förändringar följer en ?biologiska klocka? och är således huvudsakligen genetiskt styrda. Däremot kan yttre och inre stimuli såsom hormoner och vissa ämnen i födan delvis styra när under di-perioden anpassningsprocesserna (mognadsprocessen) startar.



Det är sedan tidigare känt att lektinet phytoheamaglutinin (PHA) ? ett slags protein - från röda böner (Phaseoulus vulgaris) fungerar som en tillväxtfaktor för mag-tarmkanalen hos vuxna råttor, bl. a. genom att öka celldelningshastigheten i tunntarmens slemhinna. Därför var hypotesen för detta arbete att genom att påskynda celldelningen med hjälp av PHA i diande djur, skulle en mer vuxen mag-tarmkanals funktion framträda prematurt i de diande djuren d.v.s. innan den naturliga avvänjningen och mognadsprocessen påbörjats.



Studien var upplagd så att diande råttor eller grisar matades med PHA i upp till tre dagar i följd före den naturliga avvänjningen, för att undersöka om en förtida mognad av mag-tarmkanalen kunde åstadkommas i de diande djuren med hjälp av behandlingen. I en delstudie gavs PHA, förutom via sondmatning, även som en injektion under huden för att undersöka om sättet på vilket PHA tillfördes djuret hade någon betydelse för PHAs effekt. Efter PHA-behandlingen studerades mag-tarmkanalens tillväxt, tarmcellernas celldelning (proliferation) och utseende, tarmens struktur på mikroskopisk nivå (morfologi), vissa sockernedbrytande enzymers (disackaridaser) aktivitetsmönster, tarmens kapacitet att släppa igenom stora molekyler (proteiner) samt bukspottskörtelsens enzyminnehåll, allt som en måttstock för mag-tarmkanalens mognadsgrad. Till exempel användes som tecken på mognad att tarmen inte släppte igenom stora molekyler, därför att en omogen tarm i diande råttor har en större genomsläpplighet av proteiner (som bildar stora molekyler) än en mogen tarm. Vidare har den omogna tarmen en större förmåga att bryta ner mjölksocker än en mogen tarm, som i stället förmår att bryta ner maltsocker och rörsocker i högre grad. Dessutom studerades PHAs påverkan på blodnivåerna av olika hormoner (kortikosteron och insulin i råtta, respektive kolecystokinin i gris) för att undersöka om dessa möjligen var en av verkningsvägarna via vilken PHA utövade sina effekter på mag-tarmkanalen.



Sammantaget visar resultaten i avhandlingen att genom att mata diande råttor med PHA påskyndas tillväxten och den funktionella mognaden av deras mag-tarmkanal och bukspottskörtel. De mest framträdande effekterna av behandlingen var att tarmens förmåga att ta upp stora molekyler försvann, vilket är en egenskap representativ för den vuxna tarmen, samt att disackaridasernas aktivitetsmönster och bukspottskörteln antog en mer vuxen profil. Resultaten visar också att det verkar finnas en kritisk period vid ca 14 dagars ålder, under vilken PHA kan inducera oåterkalleliga förändringar av mag-tarmkanalen liknade de som inträffar vid avvänjningen och därför kan betecknas som förtida mognande. Dessutom visade resultaten att PHA måste tillföras individen via munnen för att fullt kunna påverka och framkalla mognad av alla de undersökta organen.



Resultaten i studien pekar också på möjligheten att PHA utövar sin mognadseffekt genom aktivering av vissa delar av immunförsvaret. Detta är i så fall en alternativ verkningsmekanism till den hormon-medierade verkningsvägen. Det finns sedan tidigare publicerat att s.k. inflammatoriska cytokiner, ett slags lokalt verkande signalsubstanser som bl. a. aktiveras vid skador i vävnaden, också utsöndras från tarmceller vid exponering för PHA. Detta antogs därför som en möjlig mekanism-väg, särskilt med tanke på att denna avhandling kunde visa att strax efter det att PHA binder till tarmens slemhinna uppträder en temporär skada på slemhinnan och tarmens funktion blir tillfälligt nedsatt. Detta i sin tur torde aktivera tarmens reparationssystem och därmed också immunförsvaret.



Liknande mognadseffekter på mag-tarmkanalens som hos diande råtta sågs även hos diande grisar efter det att de blivit matade med röda böner (innehållande ca 25% PHA). Med tanke på skillnaderna i arternas naturliga tidsmässiga utveckling kunde det rimligen antas att PHA hade en mognadsinducerande effekt hos diande grisar och troligen även hos andra däggdjur.

• author: Linderoth, Ann
• supervisor: Björn Weström
• opponent: Prof. Sangild, Per T., Royal Veterinary and Agricultural University, Frederiksberg C, Denmark
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Zoology
• keywords: neuropsykologi, neurofysiologi, Neurologi, neurophysiology, neuropsychology, Neurology, Fysiologi, Physiology, Djurfysiologi, Animal physiology, sucrase, lactase, amylase, trypsin, weaning, small intestine, glucocorticoids, endocytosis, dissacchridases, intestinal permeability, PHA, pancreas, Development, phytohaemagglutinin
• pages: 113 pages
• defense location: Zoofysiologens hörsal, Helgonavägen 3B, Lund
• defense date: 2006-01-27 09:00:00
• ISBN: 91-85067-23-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Animal Physiology (Closed 2011) (011011000)
• id: 2d9dcde5-b739-4aec-be6a-394a3a9b0e49 (old id 546070)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:57:05
• date last changed: 2018-11-21 21:08:09