Metabolism, toxicokinetics and clinical effects of important

Aktiengesellschaft für Dienstleistungen in der Schweineproduktion
Geschäftsbereich SGD-SSP
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Metabolism, toxicokinetics and clinical effects of important mycotoxins in pigs. Review article.
P. D. Tassis et al.
Pig News and Information 26 (4), 2005, 103N-114N
Mykotoxine sind Metabolite, die von verschiedenen Pilzen, welche vor allem auf Getreidearten vor
oder nach der Ernte oder während des Transportes oder der Lagerung wachsen, gebildet werden.
Wobei die Fusarien die Pflanzen meist vor der Ernte befallen, während Penicillium spp. die Pflanzen
nach der Ernte befallen und Aspergillus spp. sowohl vor als auch nach der Ernte auf die Pflanzen
übertreten können. Wichtig ist, dass die Präsenz von Pilzen nicht unbedingt zu einem Befall mit
Mykotoxinen führt und die Absenz von Pilzen nicht garantiert, dass keine Mykotoxine vorhanden sind.
Das Pilzwachstum und die Mykotoxinproduktion werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst wie
Wasseraktivität, pH, Redoxpotential sowie die relative Luftfeuchtigkeit, Umgebungstemperatur und die
Sauerstoffverfügbarkeit. Bis 25% der weltweiten pflanzlichen Erzeugnisse sind von Mykotoxinen
befallen, was zu grossen finanziellen Verlusten führt. Die Wirkung dieser Toxine hängt ab von
Resorptionsrate und –Menge im Darm, Verteilung im Körper, Bindung und Lokalisation im Gewebe,
Biotransformation und Exkretion. Ebenfalls von grosser Wichtigkeit ist die Problematik von
Mykotoxinrückständen in Lebensmitteln, die vom Schwein stammen.
In der Schweineproduktion spielen vor allem folgende Mykotoxine eine wichtige Rolle:
- Aflatoxine, v. a. Aflatoxin B1
- Trichothecene v. a. Deoxynivalenol (DON)
- Zearalenon (ZEN)
- Ochratoxine, v. a. Ochratoxin A (OTA)
- Fumonisine, v. a. Fumonisin B1
Aflatoxin B1: Aflatoxine sind eine Gruppe von sekundären Metaboliten, die von verschiedenen
Aspergillus Spezies gebildet werden. Sie können in verschiedenen Produkten aus dem tropischen und
subtropischen Raum gefunden werden. Aflatoxin B1 ist kanzerogen, und nach erfolgter Aufnahme
kann in der Milch und in Milchprodukten dessen Metabolit Aflatoxin M1 nachgewiesen werden.
Schweine sind sehr empfindlich für Aflatoxine. Hohe Dosen können zu Todesfällen führen. Die
grössten Auswirkungen werden jedoch im Bereich der Reproduktion und der Immunantwort
verzeichnet. Nach der Aufnahme wird Aflatoxin B1 in der Leber metabolisiert, wobei verschiedene
Derivate entstehen. Aflatoxin B1 ist ein immunmodulierendes Agens, welches vor allem die
zellvermittelte Immunabwehr sowie die Funktion der Phagozyten beeinflusst, und somit zu einer
erhöhten Anfälligkeit gegenüber viralen, bakteriellen, fungalen und parasitären Infektionen führt. Auch
wird die Wirkung von Impfungen negativ beeinfluss. In der heutigen Landwirtschaft werden akute
Intoxikationen nur noch selten gesehen, während die subklinischen Verläufe (suboptimale
Gewichtsentwicklungen, erniedrigte Fruchtbarkeit, Anfälligkeit für Infektionskrankheiten) häufig erst
spät entdeckt werden und zu grossen finanziellen Verlusten führen.
Gemäss EU-Norm ist ein Gehalt von 0.02 mg Aflatoxin B1 im Futter für Schweine erlaubt.
DON: DON wird von Fusarien-Pilzen gebildet, welche in viele verschiedene Getreidearten vorkommen
können. Sie gehören zu den Bodenpilzen und befallen die Pflanzen bereits vor der Ernte. Bisher gibt
es keine EU-Höchstwerte für DON. Bei DON handelt es sich um eine sehr stabile Substanz, welche
durch Lagerung, Mahlvorgänge und Erhitzung nicht degradiert wird. DON wird von Schweinen nach
oraler Aufnahme sehr gut resorbiert, im Gegensatz zu Wiederkäuern (2-3%) beträgt die
Bioverfügbarkeit 55%. Nach der Resorption wird DON zu weniger toxischen Formen metabolisiert. Es
folgt eine renale und biliäre Ausscheidung.
Trichothecene können das Immunsystem sowohl stimulieren als auch hemmen. Die Wirkung ist
abhängig von der Dauer der Intoxikation und der aufgenommenen Menge. Die immunsuppressive
Wirkung wird mit der Translations-Hemmung erklärt, während die Immunstimulation aufgrund von
Interferenzen mit normalen regulatorischen Mechanismen erklärt werden. In vivo führen Intoxikationen
mit DON zur Suppression von normalen Immunantworten und induzieren gleichzeitig autoimmunErsteller : Riccarda Ursprung
Datum : 29.12.2005
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ähnliche Effekte, welche mit der IgA Nephropathie des Menschen verglichen werden können. Auf der
zellulären Ebene hemmt DON die Proteinsynthese durch Bindung an Ribosomen.
Bei einer tiefen DON-Konzentration im Futter wird häufig eine Reduktion der Futteraufnahme
beobachtet, während höhere Konzentrationen zu Erbrechen führen. Tiere, die kleine bis moderate
Mengen DON übers Futter erhalten haben können sich bezüglich Futteraufnahme wieder erholen,
während höhere Dosierungen zu Veränderungen im Langzeitfressverhalten führen. Verschiedene
Arbeiten haben gezeigt, dass DON bei Schweinen zu konditionierten Geschmacksaversionen führen
können und dass der Zusatz von Geschmacksstoffen die Tiere nicht dazu bringt, kontaminiertes Futter
zu fressen.
Es ist bekannt, dass DON die neurochemischen Abläufe im Gehirn verändern kann indem es auf das
serotoninerge System einwirkt, welches eine Rolle im Futteraufnahmeverhalten und beim Erbrechen
spielt.
Nach einer einmaligen i.v. Gabe von 1 mg DON/kg KGW wurde die Verteilung im Körper gemessen.
Dabei zeigte sich, dass die höchsten Konzentrationen im Plasma, Nieren und Leber nachweisbar
wahren, während kleinere Konzentrationen ebenfalls im Bauch- und Rückenfett, Lunge, Nebennieren,
Milz, Hoden, Herz, Hirn, Muskelgewebe, Darmtrakt und Pankreas gemessen wurden. Je nach Studie
variiert die Halbwertszeit im Plasma zwischen 1.2 und 3.9 h. Bei einer Gabe von markiertem DON
mittels Magensonde konnte anschliessend eine Plasma-Clearence von 7.14 h gemessen werden. Die
Ausscheidung erfolgt grösstenteils über den Urin. Nach einer oralen Gabe von DON erreichte der
Plasmaspiegel nach 15-30 min den Höchstwert, welcher für 9 h anhielt und sich mit einer
Halbwertszeit von 71 h wieder absenkte. 2.5% der Ausscheidung erfolgte über die Galle, 20% über
den Kot und 68% über den Urin.
ZEN: Zen ist ein sekundärer Pilzmetabolit, der von F. graminearum und f. culmorum gebildet wird.
Diese Pilze infizieren Korn, Gerste, Hafer und Weizen während der Blütezeit. ZEN wird hauptsächlich
vor der Ernte produziert. Bei sehr schlechten Lagerbedingungen kann es jedoch auch nachträglich
noch zu dessen Bildung kommen. Bisher gibt es keine EU-Höchstwerte für ZEN in Futtermitteln für
Schweine.
Die Struktur von ZEN erlaubt der Substanz die Bindung an Östrogenrezeptoren von Säugetieren.
Durch die Interferenz mit Konzeption, Ovulation, Implantation, fetaler Entwicklung und Lebensfähigkeit
von Neugeborenen kommt es zu Reproduktionsstörungen. Reduzierte Fertilität, höhere
Umrauschraten und reduzierte Wurfgrösse sind häufige klinische Manifestationen. Bei der Sektion
können Veränderungen der Grösse von Nebennieren, Schilddrüse und Hypophyse festgestellt
werden. Die Serumspiegel von Progesteron und Östradiol können variieren, ohne dass Anzeichen für
Fehlbildungen erkannt werden. Anöstrus, verzögertes Anlaufen, kleine Würfe und niedrige
Wurfgewichte sowie eine vermehrte Anzahl von neugeborenen Ferkeln mit Spreizbeinen und
ödematöser Schwellung und Rötung der Vulva kommen häufig vor.
ZEN wird nach oraler Aufnahme sehr schnell und bis zu 80-85% resorbiert und kann bereits nach 30
min im Plasma nachgewiesen werden. Die häufigsten gebildeten Metabolite sind α- und β-Zearalenon.
Die Metabolisierung findet in verschiedenen Organen wie intestinaler Schleimhaut und Leber statt.
ZEN und dessen Metabolite unterliegen dem enterohepathischen Zyklus. Bei wachsenden Schweinen
betrug die gemessene Halbwertszeit nach oraler oder i.v. Gabe von ZEN 87 h, während bei Tieren mit
entfernter Gallenblase dieser Wert um 3.3 h verkürzt war. Bei den Tieren, die ZEN oral aufgenommen
hatten konnten 45% der verabreichten Dosis im Kot und 22% im Urin innerhalb von 48 h wieder
gefunden werden.
In Schafen konnte eine Reduktion der Doppelbindung zwischen C11 und C12 nachgewiesen werden.
Der Verlust dieser Doppelbindung führt ebenfalls zum Verlust der Fluoreszenz was sich wiederum auf
den Nachweis mittels HPLC, welcher auf diese Fluoreszenz aufbaut, negativ auswirkt.
OTA: OTA ist die wichtigste und häufigste Komponente von Stoffen, welche durch Aspergillus
ochraceus und Penicillium verrucosum gebildet werden, wobei letzterer ein häufiger Lagerpilz ist.
Bisher gibt es keine EU-Höchstwerte für OTA in Futtermitteln für Schweine.
Nach der oralen Aufnahme werden bis 66% OTA langsam aus dem Dünndarm v. a. aus dem
proximalen Jejunum resorbiert. Nachdem es in den Blutkreislauf gelangt ist bindet es sich an
Serumproteine (v. a. Albumin) und sammelt sich in den Nieren an, wo die Rückstände gut gemessen
werden können. Niedrigere Rückstände können in der Leber, Muskulatur und im Fett nachgewiesen
werden. OTA ist ein potentes Nephrotoxin. Durch seine Bindung an Serumproteine ist die
Halbwertszeit stark speziesabhängig und variiert je nach Affinität der Bindungen. Durch die Bindung
an Albumin bildet sich eine mobile Reserve von Mykotoxin, welche noch lange für die Gewebe zur
Verfügung steht.
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Die Elimination erfolgt über Nieren und Gallensaft. In der Niere kann jedoch nur der ungebundene
Anteil die Glomerula passieren. Ein Teil davon wird im proximalen Tubulus wieder reabsorbiert.
In Ratten konnte eine transplazentare Übertragung nachgewiesen werden. Über diesen Vorgang ist
man sich bei Schweinen noch nicht einig. Bei einer Gabe von 380 μg/kg KGW an den Tagen 21-28
der Trächtigkeit konnte keine Übertragung beobachtet werden. Hingegen wurde berichtet, dass es zu
einer in utero Übertragung kam, durch Fütterung von tragenden Sauen mit natürlich kontaminierten
Futtermitteln. Der Serumspiegel bei den Muttersauen lag bei 0.20 ng/ml und bei den neugeborenen
Ferkeln bei 0.075-0.12 ng/ml.
OTA kann durch andere Mykotoxine und Medikamente vom Serumalbumin verdrängt werden.
Verschiedenste Studien haben gezeigt, dass OTA nephrotoxisch, karzinogen, genotoxisch,
immunotoxisch und neurotoxisch ist. Ebenfalls hemmt es die zelluläre Immunantwort und kann durch
die Bildung von Sauerstoff-Radikalen im Blut auch zytotoxisch wirken. Auch mutagene und teratogene
Eigenschaften, sowie negative Einflüsse auf die Reproduktion, v. a. auf die Spermaproduktion wurden
bereits beschrieben.
1 mg/kg KGW OTA peroral ist in 5-6 d letal. Konzentrationen von 1 ppm im Schweinefutter über 3
Monate verursacht Polydipsie, Polyurie, Wachstumsreduktion und geringere Futterverwertung.
Niedrigere Mengen von 200 ppb über mehrere Wochen verursachen Nierenschädigungen. Zusätzlich
klinische Anzeichen sind Durchfall, Anorexie und Dehydrierung. Oft sind keine klinischen Anzeichen
erkennbar, obwohl bei der Schlachtung bleiche, harte Nieren zum Vorschein kommen.
Fumonisine: Bei den Fumonisinen handelt es sich um 15 nahe verwandte Mykotoxine, die
hauptsächlich in Maispflanzen gebildet werden. Das wichtigste Fumonisin ist Fumonisin B1. Es sind
Metabolite, welche durch verschiedene Fusarien-Pilze wie F. moniliforme und F. proliferatum gebildet
werden.
Fumonisine werden als toxisch erachtet wegen ihrer Wirkung auf die Sphingolipid-Synthese. Die
Veränderungen des Sphingolipid Basen Verhältnisses entwickelt sich sehr rasch und führt zu einer
Erhöhung der intrazellulären Sphinganine und Sphingosine Konzentration. Es scheint eine starke
Beziehung zwischen der Sphinganine Akkumulation und toxischen Auswirkungen von Fumonisin auf
Leber- und Nierenzellen zu geben.
Generell scheint die Niere am anfälligsten zu sein für Veränderungen im Verhältnis der Sphingolipid
Basen.
Versuche mit markiertem Fumonisin B1 haben gezeigt, dass die Resorption schlecht ist und eine
schnelle Ausscheidung erfolgt. Es findet nur eine geringe Metabolisierung statt. Ein grosser Teil wird
mit dem Kot wieder ausgeschieden.
Die Effekte die durch Fumonisine ausgelöst werden sind sehr speziesabhängig. Bei Schweinen
können folgende Anzeichen induziert sein: Lungenödem und Hydrothorax, Dyspnoe, Schwäche,
Zyanose und fetale Sterblichkeit. Das Syndrom wird ausgelöst durch eine pulmonale Hypertension
bedingt durch eine hypoxische Vasokonstriktion. Auch wurde eine Linksherz-Insuffizienz beschrieben.
Bei niedrigeren Dosierungen kann bereits Lebertoxizität beobachtet werden. Bei Absetzferkeln
konnten mittels 10 mg Fumonisin B1/kg Futter nach 4 Wochen Lungenödeme ausgelöst werden.
Auseinanderwachsen von Jagern im gleichen Alter konnte bereits bei Dosierungen von 0.1 mg/kg
Futter beobachtet werden, obwohl Mengen bis zu 1 mg/kg Futter keine offensichtliche Toxizität
zeigten. Bisher wurde keine minimale Dosierung ermittelt, die benötigt wird, um ein Lungenödem
auszulösen. Es wird jedoch angenommen, dass ein Überschreiten der Konzentrationen von freiem
Sphinganine und Sphingosine im Plasma von 2.2 und 1 μmol/L zu hämodynamischen Veränderungen
führt. Es wurde bisher auch gezeigt, dass einige Effekte, die durch Fumonisin B1 ausgelöst werden
bereits auftreten, ohne dass es zu Veränderungen im Sphingolipid-Metabolismus kommt. Bereits
bevor Lungenödeme auftreten können Schädigungen der Endothelzellen in den Lungenkapillaren
beobachtet werden.
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Die Kombination von gewissen Mykotoxinen können die Wirkungen gegenseitig
verstärken oder zu zusätzlichen Symptomen führen.
Die klinischen Folgen von Mykotoxinen können akut, subakut oder chronisch sein und
sind Dosis- und Zeit- abhängig. Sie sind oft subtil und vage.
In den meisten Fällen können nur Veränderungen in der Reproduktion, Futteraufnahme,
Wachstum oder Futterverwertung beobachtet werden.
Die Schwierigkeiten in der Diagnose von klinischen und v. a. subklinischen
Mykotoxikosen ergeben sich aus den Unterschieden betreffend Metabolismus, Kinetik
und biochemischen Aktivitäten der verschiedenen Stoffe.
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Es müssen noch weitere Untersuchungen gemacht werden, die sich mit der
Probennahme in Futtermitteln, Blut, Leber, Nieren bei der Schlachtung und Sektionen
auseinandersetzen.
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