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Der Einfluss des Stärkeaufschlussgrads kommerzieller Versuchstierfutter auf das gastrointestinale Mikrobiom von Labormäusen
Der Einfluss des Stärkeaufschlussgrads kommerzieller Versuchstierfutter auf das gastrointestinale Mikrobiom von Labormäusen
Das Mikrobiom und dessen Zusammensetzung ist abhängig von der Ernährung des Wirtes. Kommerzielle Labormausfutter sind in verschiedenen Verarbeitungs-formen (Pellet, Extrudat, Mehl, Hybridpellet) erhältlich und werden dabei iden-tisch deklariert und als gleichwertig vermarktet. Bei Analysen verschiedener Fut-termittel für Labormäuse konnte festgestellt werden, dass sich die verschiedenen Verarbeitungsformen in ihrem Stärkeaufschlussgrad voneinander unterschieden (BÖSWALD & KIENZLE, 2019). Bei Tierversuchen ist eine Reproduzierbarkeit im Sinne der 3R eines der obersten Ziele. Diese Reproduzierbarkeit erreicht man nur durch eine konsequente Standardisierung der Tierversuche. Ziel unserer Studie war es zu untersuchen, inwiefern sich diese Abweichungen in Nährstoffzusammensetzung und Stärkeaufschlussgrad auf die Verdaulichkeit des Futters und dementsprechend auf das Mikrobiom der Mäuse auswirken. Analysen des Futters zeigten, dass sich verschiedene Verarbeitungsformen in ihrer Nähr-stoffzusammensetzung und ihrem Stärkeaufschlussgrad voneinander unterschie-den. Zudem war festzustellen, dass sich sogar zwei Chargen derselben Verarbei-tungsform (Pellet) voneinander unterschieden und in ihrer Nährstoffzusammenset-zung und insbesondere dem Stärkegehalt voneinander abwichen. Es zeigte sich des Weiteren, dass die extrudierte Verarbeitungsform besser verdaulich ist als die pelletierte, in Versuch zwei war die pelletierte Diät auf Grund des hohen Stärke-gehalts besser verdaulich. Das extrudierte Futter zeigte ähnliche Ergebnisse wie im ersten Versuch. In Versuchsteil 1 unterschied sich das Mikrobiom in der α-Diversität signifikant im Magen und Caecum. Die β-Diversität zeigte lediglich geringe Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Die Analyse der molekularen Spezies auf dem Ni-veau der zOTU zeigte eine signifikant erhöhte Anzahl an Muribaculaceae in E1 in allen Lokalisationen außer dem Kot. Lachnospiraceae waren insbesondere im Cae-cum im Mikrobiom der pelletierten Gruppe signifikant vermehrt vorhanden. Limo-silactobacillus reuteri war im Mikrobiom der pelletierten Gruppe im Magen und Dünndarm signifikant häufiger zu finden. Ligilactobacillus animalis war im Kolon der Gruppe E1 signifikant vermehrt. In Versuchsteil 2 unterschied sich die β-Diversität in allen Regionen außer dem Kolon signifikant zwischen P2 und E2. Interessanterweise waren diese Unterscheide jedoch nicht in der α-Diversität er-kennbar. Auf zOTU Level waren verschiedene molekularen Spezies der Familie Muribaculaceae im Magen und Kot in der pelletierten Gruppe signifikant stärker vertreten, im Dünndarm und Kolon in der extrudierten Gruppe, im Caecum war das Verhältnis eher ausgewogen. Die molekularen Spezies des Genus Duncaniella waren in Dünndarm, Caecum und Kolon in der extrudierten Gruppe signifikant vermehrt zu finden, in den Faeces zeigte sich ein signifikant häufigeres Auftreten in der pelletierten Gruppe. Die molekularen Spezies der Familie Lachnospiraceae waren in der extrudierten Gruppe in allen Regionen vermehrt vorhanden, einzelne zOTUs waren jedoch in der pelletierten Gruppe signifikant erhöht. Limosilactoba-cillus reuteri und Ligilactobacillus animalis waren in diesem Versuch in Gruppe P2 signifikant stärker im Dünndarm vertreten. Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, dass die Verarbeitung von Futtermitteln zu einer Veränderung der Nährstoffzusammensetzung und des Stärkeaufschluss-grads führte. Es konnte gezeigt werden, dass es in der Fütterung von Labormäu-sen noch einen Mangel an Standardisierung gibt. Die hier beobachteten Verände-rungen der Futter hatten Einfluss auf die Verdaulichkeit der Futtermittel und auf Entwicklung des Mikrobioms im Gastrointestinaltrakt der Maus. Forscher sollten daher beachten, dass unterschiedliche Chargen und verschiedene Verarbeitungs-formen einer Labormausdiät das Mikrobiom beeinflussen können. Ebenso sollten daraus resultierende metabolische Veränderungen in Betracht gezogen werden. Im Moment ist die biologische Reproduktion und ein Vergleich von Mausversuchen bezüglich des Mikrobioms nicht gewährleistet., The microbiome and its composition are subject to the host’s diet. Commercial laboratory mouse diet is available in different physical forms (pelleted, extruded, powdered, semipelleted) and is declared to contain identical ingredients and nu-trient composition and are marketed as equal products. After the analysis of dif-ferent laboratory mouse feeds, it could be shown, that product processing leads to variation in starch gelatinization (BÖSWALD & KIENZLE, 2019). In animal ex-periments a reproduction according to the goals of the 3R is of utmost importance. This reproduction will only be achieved following a consistent standardization. The aim of this study was to investigate, how far this divergence in nutrient con-tent and starch gelatinization influences the digestibility of this diet and thus the microbiome of the mice used in this experiment. Analysis of the diets used in this experiment showed, that different product processing leads to a change in nutri-ent’s composition and starch gelatinization. Furthermore, two batches of the same product processing (pelleted) differed in their nutrient’s composition and in their starch content. It could be seen that the extruded form had a higher digestibility than the pelleted form. In trial two the pelleted diet was more digestible due to its high starch content, the extruded diet showed results similar to those in trial 1. The samples were analyzed using the 16S rRNA gene amplicon sequencing. In trial 1 the microbiome significantly differed in the α-diversity in the stomach and caecum. β-diversity displayed only minor differences between the groups. An analysis of molecular species showed a significantly higher richness of Muribacu-laceae in E1 in all regions beside the feces. Lachnospiraceae were especially in the caecal content of the pelleted fed group significantly stronger than in the extruded fed group. Limosilactobacillus reuteri was in the microbiome of stomach and small intestine in group P1 significantly higher than in group E1. Ligilactobacillus ani-malis was significantly more abundant in the colon of E1. In trial 2 β-diversity differed significantly in almost all sampled regions between P2 and E2, except for the colon. Interestingly, these differences were not noticeable in the α-diversity. At zOTU level the molecular species of the family Muribaculaceae were signifi-cantly stronger in the stomach and feces of P2 than E2, however in the small intes-tine and colon species of this family were significantly more abundant in E2 than P2, in the caecum the relative abundance was similar in both groups. Molecular species of the genus Duncaniella were significantly more abundant in the small intestine, caecum and colon in the extruded group. In the feces this genus was significantly more abundant in the pelleted group. The family Lachnospiraceae was more abundant in the extruded group in all regions sampled, however some zOTUs were significantly stronger in the pelleted group. Limosilactobacillus reu-teri and Ligilactobacillus animalis were significantly more abundant in the small intestine of P2. The results of this study show, that the processing of feed leads to changes in nu-trient’s content and starch gelatinization. These results reveal that standardization in the feeding of laboratory mice may lack. The changes observed in this study influenced the digestibility of the diets and the development of the microbiome in the gastrointestinal tract of mice. Researchers should keep in mind, that different batches and different product processing of laboratory mouse diet could influence the mouse microbiome. Likewise, possible metabolic changes due to changes in the microbiome should be considered. At the moment biological reproducibility and comparison of mouse experiments is not given, and future research will be helpful here.
Mouse Microbiome, Animal trail, Feed, Extruded, Pelleted, Metabolism, Standardization
Wenderlein, Jasmin
2022
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Wenderlein, Jasmin (2022): Der Einfluss des Stärkeaufschlussgrads kommerzieller Versuchstierfutter auf das gastrointestinale Mikrobiom von Labormäusen. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Das Mikrobiom und dessen Zusammensetzung ist abhängig von der Ernährung des Wirtes. Kommerzielle Labormausfutter sind in verschiedenen Verarbeitungs-formen (Pellet, Extrudat, Mehl, Hybridpellet) erhältlich und werden dabei iden-tisch deklariert und als gleichwertig vermarktet. Bei Analysen verschiedener Fut-termittel für Labormäuse konnte festgestellt werden, dass sich die verschiedenen Verarbeitungsformen in ihrem Stärkeaufschlussgrad voneinander unterschieden (BÖSWALD & KIENZLE, 2019). Bei Tierversuchen ist eine Reproduzierbarkeit im Sinne der 3R eines der obersten Ziele. Diese Reproduzierbarkeit erreicht man nur durch eine konsequente Standardisierung der Tierversuche. Ziel unserer Studie war es zu untersuchen, inwiefern sich diese Abweichungen in Nährstoffzusammensetzung und Stärkeaufschlussgrad auf die Verdaulichkeit des Futters und dementsprechend auf das Mikrobiom der Mäuse auswirken. Analysen des Futters zeigten, dass sich verschiedene Verarbeitungsformen in ihrer Nähr-stoffzusammensetzung und ihrem Stärkeaufschlussgrad voneinander unterschie-den. Zudem war festzustellen, dass sich sogar zwei Chargen derselben Verarbei-tungsform (Pellet) voneinander unterschieden und in ihrer Nährstoffzusammenset-zung und insbesondere dem Stärkegehalt voneinander abwichen. Es zeigte sich des Weiteren, dass die extrudierte Verarbeitungsform besser verdaulich ist als die pelletierte, in Versuch zwei war die pelletierte Diät auf Grund des hohen Stärke-gehalts besser verdaulich. Das extrudierte Futter zeigte ähnliche Ergebnisse wie im ersten Versuch. In Versuchsteil 1 unterschied sich das Mikrobiom in der α-Diversität signifikant im Magen und Caecum. Die β-Diversität zeigte lediglich geringe Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Die Analyse der molekularen Spezies auf dem Ni-veau der zOTU zeigte eine signifikant erhöhte Anzahl an Muribaculaceae in E1 in allen Lokalisationen außer dem Kot. Lachnospiraceae waren insbesondere im Cae-cum im Mikrobiom der pelletierten Gruppe signifikant vermehrt vorhanden. Limo-silactobacillus reuteri war im Mikrobiom der pelletierten Gruppe im Magen und Dünndarm signifikant häufiger zu finden. Ligilactobacillus animalis war im Kolon der Gruppe E1 signifikant vermehrt. In Versuchsteil 2 unterschied sich die β-Diversität in allen Regionen außer dem Kolon signifikant zwischen P2 und E2. Interessanterweise waren diese Unterscheide jedoch nicht in der α-Diversität er-kennbar. Auf zOTU Level waren verschiedene molekularen Spezies der Familie Muribaculaceae im Magen und Kot in der pelletierten Gruppe signifikant stärker vertreten, im Dünndarm und Kolon in der extrudierten Gruppe, im Caecum war das Verhältnis eher ausgewogen. Die molekularen Spezies des Genus Duncaniella waren in Dünndarm, Caecum und Kolon in der extrudierten Gruppe signifikant vermehrt zu finden, in den Faeces zeigte sich ein signifikant häufigeres Auftreten in der pelletierten Gruppe. Die molekularen Spezies der Familie Lachnospiraceae waren in der extrudierten Gruppe in allen Regionen vermehrt vorhanden, einzelne zOTUs waren jedoch in der pelletierten Gruppe signifikant erhöht. Limosilactoba-cillus reuteri und Ligilactobacillus animalis waren in diesem Versuch in Gruppe P2 signifikant stärker im Dünndarm vertreten. Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, dass die Verarbeitung von Futtermitteln zu einer Veränderung der Nährstoffzusammensetzung und des Stärkeaufschluss-grads führte. Es konnte gezeigt werden, dass es in der Fütterung von Labormäu-sen noch einen Mangel an Standardisierung gibt. Die hier beobachteten Verände-rungen der Futter hatten Einfluss auf die Verdaulichkeit der Futtermittel und auf Entwicklung des Mikrobioms im Gastrointestinaltrakt der Maus. Forscher sollten daher beachten, dass unterschiedliche Chargen und verschiedene Verarbeitungs-formen einer Labormausdiät das Mikrobiom beeinflussen können. Ebenso sollten daraus resultierende metabolische Veränderungen in Betracht gezogen werden. Im Moment ist die biologische Reproduktion und ein Vergleich von Mausversuchen bezüglich des Mikrobioms nicht gewährleistet.

Abstract

The microbiome and its composition are subject to the host’s diet. Commercial laboratory mouse diet is available in different physical forms (pelleted, extruded, powdered, semipelleted) and is declared to contain identical ingredients and nu-trient composition and are marketed as equal products. After the analysis of dif-ferent laboratory mouse feeds, it could be shown, that product processing leads to variation in starch gelatinization (BÖSWALD & KIENZLE, 2019). In animal ex-periments a reproduction according to the goals of the 3R is of utmost importance. This reproduction will only be achieved following a consistent standardization. The aim of this study was to investigate, how far this divergence in nutrient con-tent and starch gelatinization influences the digestibility of this diet and thus the microbiome of the mice used in this experiment. Analysis of the diets used in this experiment showed, that different product processing leads to a change in nutri-ent’s composition and starch gelatinization. Furthermore, two batches of the same product processing (pelleted) differed in their nutrient’s composition and in their starch content. It could be seen that the extruded form had a higher digestibility than the pelleted form. In trial two the pelleted diet was more digestible due to its high starch content, the extruded diet showed results similar to those in trial 1. The samples were analyzed using the 16S rRNA gene amplicon sequencing. In trial 1 the microbiome significantly differed in the α-diversity in the stomach and caecum. β-diversity displayed only minor differences between the groups. An analysis of molecular species showed a significantly higher richness of Muribacu-laceae in E1 in all regions beside the feces. Lachnospiraceae were especially in the caecal content of the pelleted fed group significantly stronger than in the extruded fed group. Limosilactobacillus reuteri was in the microbiome of stomach and small intestine in group P1 significantly higher than in group E1. Ligilactobacillus ani-malis was significantly more abundant in the colon of E1. In trial 2 β-diversity differed significantly in almost all sampled regions between P2 and E2, except for the colon. Interestingly, these differences were not noticeable in the α-diversity. At zOTU level the molecular species of the family Muribaculaceae were signifi-cantly stronger in the stomach and feces of P2 than E2, however in the small intes-tine and colon species of this family were significantly more abundant in E2 than P2, in the caecum the relative abundance was similar in both groups. Molecular species of the genus Duncaniella were significantly more abundant in the small intestine, caecum and colon in the extruded group. In the feces this genus was significantly more abundant in the pelleted group. The family Lachnospiraceae was more abundant in the extruded group in all regions sampled, however some zOTUs were significantly stronger in the pelleted group. Limosilactobacillus reu-teri and Ligilactobacillus animalis were significantly more abundant in the small intestine of P2. The results of this study show, that the processing of feed leads to changes in nu-trient’s content and starch gelatinization. These results reveal that standardization in the feeding of laboratory mice may lack. The changes observed in this study influenced the digestibility of the diets and the development of the microbiome in the gastrointestinal tract of mice. Researchers should keep in mind, that different batches and different product processing of laboratory mouse diet could influence the mouse microbiome. Likewise, possible metabolic changes due to changes in the microbiome should be considered. At the moment biological reproducibility and comparison of mouse experiments is not given, and future research will be helpful here.