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Scholz, Armin (2002): In-vivo-Methoden zur Analyse von Muskelstoffwechsel und Körperzusammensetzung beim Schwein unter besonderer Berücksichtigung genetischer Einflüsse. Habilitationsschrift zur Erlangung der Lehrbefähigung für die Fachgebiete „Tierzucht und Allgemeine Landwirtschaftslehre“, Tierärztliche Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München. Professorial Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München
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Abstract

Pigs of different ryanodine receptor 1 (RyR1) genotypes serve as a model for the evaluation of various non-invasive in vivo methods to measure muscle energy metabolism and body composition. The main focus is set on one hand on 31P and 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy and on the other hand on nuclear magnetic resonance imaging and dual energy X-ray absorptiometry. In addition to a reference dissection and chemical analysis, the above mentioned methods are being extensively compared to other methods in the methodology part. An invasive muscle shot biopsy serves as an additional method in order to determine the muscle fiber composition of the longissimus dorsi muscle. Totally, 111 animals have been considered in the data analysis. 13C- and 31P NMR spectroscopy are very appropriate methods to measure in vivo or post mortem, non-invasively and continuously changes in the concentration of glycogen and creatine or phosphocreatine (PCr), inorganic phosphate (Pi), adenosintriphosphate (ATP), and pH-value directly in relative or absolute amounts over an „unlimited“ time period. 31P NMR spectroscopy compared to 13C NMR spectroscopy has advantages in the sensitivity and timely resolution for measuring changes in the concentration within the components of muscle metabolism. While 31P NMR spectra in vivo yield sufficient results for measuring changes of PCr, ATP, Pi and pH value within a time interval < 1 minute, it takes > 5 minutes to acquire reasonable 13C NMR spectra in order to measure changes in the concentration of glycogen and creatine. Progress in the techniques of body composition analysis is mainly based on electronic and computer driven methods in order to provide non-invasive, fast and objective measurements. The selection of the appropriate method depends on the objective (research, performance testing, production, or diagnosis) and financial budget for each single study and clinical application. Technical details considering accuracy, precision, parameter selection and maximum/minimum size of an individual affect the decision as well as does a simple, robust, environment-safe, patient-comfortable and risk-free handling of the technique. The highest accuracy for whole body studies within the imaging methods provide magnetic resonance imaging (MRI) and computer tomography (CT) followed by dual energy x-ray absorptiometry (DXA). DXA, however, outperforms MRI and CT due to its simple handling and easy data analysis for whole body or regional body composition studies. In addition, DXA is beside the Quantitative CT the only non-invasive method which provides direct bone mineral density measurements. According to the literature survey, the neutron activation analysis as a noninvasive method should be preferred for the calibration of body composition measurement devices instead of chemical analysis or dissection. Chemical analysis and total dissection will remain standard reference methods as long as neutron activation facilities are available only on a very limited basis. However, the non-invasive (imaging) methods are less prone to error sources than are the diverse dissection or chemical analysis procedures. The main advantages of the non-invasive imaging and/or spectroscopic methods in vivo are: 1. the easy way to standardize the methods with a high repeatability (>75 %), 2. the opportunity of analyzing separately large volumes of interest of the whole body, body tissues and/or body parts, 3. the opportunity of performing continuous measurements over an “unlimited” period of time, and 4. the harm “free” animal/patient precautions with a high degree of hygienic safety. An advantage for magnetic resonance, ultrasound and digital imaging is provided by the function without radiation, while especially the “spiral computer tomography” is characterized by a very high speed of analysis. The muscle metabolism of the defect allele carriers at the RyR1 locus Nn and nn shows already in vivo stress associated deviations in comparison to the “normal” genotype NN. After generating muscle stress by halothane, defect genotypes react with a decline in the glycogen, phosphocreatine, ATP, and pH level. Parallel inorganic phosphate and body temperature increase significantly. In the average show the homozygous defect allele carriers a stronger metabolic distress than do the heterozygous carriers. Differences among genotypes are higher post mortem compared to the metabolism in vivo. The muscle metabolic distress is connected with a muscle fiber hypertrophy in both defect allele genotypes. During growth, the homozygous defect allele genotype deposits more muscle mass (volume) and less fat than does the heterozygous genotype followed by the homozygous normal genotype. Already at a live body weight of about 10 kg, magnetic resonance imaging provides evidence for a larger muscle volume in the homozygous defect genotype in comparison to the two other genotypes. Beside the studied RyR1 genotypes (and the RN—-allel especially present in Hampshire), a large number of genetic, morphologic and environmental factors influence muscle metabolism and body composition in Swine -- as described in the discussion part. The RN—-allel causes a reduced glycogen depletion in vivo (and post mortem). Corresponding, the Hampshire line (≥ 50 % Hampshire genes) is beside the US-Landrace and the synthetic line “Duroc x Hampshire x US-Landrace x Spotted x Yorkshire” less obese than are the lines Duroc, “Poland China x Landrace”, Spotted, and “Duroc x Minzhu”. Spotted and “Duroc x Minzhu” are the most obese lines. In addition comparing all lines, Spotted (all Nn) responses --unexpectedly -- most severely to (muscle) stress caused by halothane administration.

Abstract

Schweine mit unterschiedlichen Ryanodin-Rezeptor-1-Genotypen (RyR1) dienen als Modell für die Evaluierung verschiedener Methoden zur In-vivo-Messung von Muskelenergiestoffwechsel und Körperzusammensetzung. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen 31P- und 13C-Magnetresonanz-Spektroskopie bzw. Magnetresonanz–Tomographie sowie Dualenergie-Röntgenabsorptiometrie. Zusätzlich zur Referenzschlachtung und chemischen Analyse werden diese Methoden im Vergleich zu anderen Verfahren einer ausführlichen Bewertung in der Methodenübersicht unterzogen. Die Muskel-Schussbiopsie ergänzt diese Untersuchungen zur Ermittlung der Muskelfaserzusammensetzung. 13C- bzw. 31P-MR-Spektroskopie ermöglichen in sehr geeigneter Weise in vivo bzw. post mortem nicht invasiv und kontinuierlich Veränderungen von Glykogen, Kreatin bzw. Phosphokreatin (PCr), anorganischem Phosphat (Pi), Adenosintriphosphat (ATP)und pH-Wert direkt in relativen oder absoluten Konzentrationsmengen über eine “unbegrenzte” Zeit zu messen. Die 31P-MR-Spektroskopie besitzt dabei im Vergleich zur 13C-MR-Spektroskopie Vorteile in der Sensitivität und zeitlichen Auflösung für die Messung von Konzentrationsveränderungen der Muskelstoffwechselkomponenten. Während sich 31P-MR-Spektren zur Bestimmung der Konzentrationsveränderungen von PCr, ATP, Pi und pH-Wert in einem zeitlichen Abstand von < 1 Minute zuverlässig in vivo erfassen lassen, ist für eine sinnvolle Interpretation von 13C-MR-Spektren mit dem Ziel der Glykogen- und Kreatinbestimmung ein Zeitraum von > 5 Minuten erforderlich. Fortschritte in den Techniken zur Analyse der Körperzusammensetzung basieren in der Regel auf elektronischen, computergesteuerten Methoden, um eine möglichst zerstörungsfreie, schnelle und objektive Untersuchung gewährleisten zu können. Die Auswahl der Methodik richtet sich nach Zielstellung (Forschung, Leistungsprüfung, Produktion oder Diagnose) und finanziellen Mitteln für die jeweilige Studie bzw. klinische Anwendung. Technische Details in Bezug auf Genauigkeit, Präzision sowie Parameterspektrum und maximale/minimale Probandengröße spielen dabei ebenso eine Rolle wie eine einfache, robuste und umwelt- bzw. probandenschonende Handhabung. Höchste Genauigkeiten für Ganzkörperuntersuchungen können innerhalb der bildgebenden Verfahren mit Magnetresonanz- und Computer-Tomographie gefolgt von Dualenergie-Röntgenabsorptiometrie (DXA) erzielt werden. Die DXA-Methodik besticht in der einfachen Handhabung und Datenanalyse sowohl für Ganzkörperuntersuchungen als auch für ausgewählte Körperregionen. Zusätzlich ist DXA neben der quantitativen Computer-Tomographie die einzige nicht invasive Methode, die direkte Maße zur Knochenmineraldichte liefert. Entsprechend der Literaturauswertung ist im Rahmen von Gerätekalibrierungen die Neutronenaktivierungs-Analyse als „nicht invasive“ Methode einer chemischen Analyse bzw. geweblichen Totalzerlegung vorzuziehen. Aufgrund der sehr begrenzten Verfügbarkeit dieser Methodik sind die chemische Analyse oder die grobgewebliche Zerlegung bis auf weiteres als Standardreferenzmethoden erforderlich. Die Fehlerquellen der nicht invasiven (bildgebenden) Methoden sind jedoch geringfügiger als die möglichen Fehler bei der grobgeweblichen Zerlegung. Die Hauptvorteile der nicht invasiven Bildgebungs- oder/und spektroskopischen Verfahren in vivo liegen: 1. in leicht standardisierbaren und wiederholbaren Messungen (Wiederholbarkeit > 75 %), 2. in der Möglichkeit von separaten Analysen großer interessierender Volumina des gesamten Körpers, von Körpergeweben und Körperteilen, 3. in der Möglichkeit kontinuierliche Messungen über einen „unbegrenzten“ Zeitraum vorzunehmen sowie 4. in der Zerstörungs- bzw. Verletzungsfreiheit der Tiere und hoher hygienischer Zuverlässigkeit. Magnetresonanz, Ultraschall und digitale Bildgebung besitzen einen Vorteil gegenüber den Röntgentechniken, da sie ohne ionisierende Strahlung auskommen, während sich speziell die Spiral-Computer-Tomographie durch sehr hohe Untersuchungsgeschwindigkeiten auszeichnet. Der Muskelstoffwechsel der Defektallelträger am RyR1-Genort Nn bzw. nn zeigt bereits in vivo stressbedingte Abweichungen im Vergleich zum normalen Genotyp NN. Nach Stressauslösung mittels Halothan reagieren die Defektallelgenotypen mit einem starken Abfall im Glykogen-, Phosphokreatin-, ATP- und pH-Niveau unter gleichzeitigem Anstieg im Niveau von anorganischem Phosphat und der Körpertemperatur. Die homozygoten Defektallelträger weisen im Durchschnitt eine stärkere Stoffwechselentgleisung als die heterozygoten Defektallelträger auf. Post mortem sind die Differenzen zwischen den Genotypen noch stärker als in vivo. Die Stoffwechselentgleisungen gehen einher mit einer Muskelfaserhypertrophie bei beiden Defektallelgenotypen. Im Laufe des Wachstums setzen die homozygoten Defektallelträger mehr Muskelmasse (-volumen) und weniger Fett als die heterozygoten Defektallelträger an. Bereits bei ca. 10 kg Lebendmasse kann im homozygoten Defektallelgenotyp ein größeres Muskelvolumen mittels 1H-Magnetresonanz-Tomographie nachgewiesen werden als in den beiden anderen Genotypen. Neben dem untersuchten Effekt des RyR1-Genotyps (und des vor allem in der Rasse Hampshire vorkommenden RN—-Allels) beeinflussen erwartungsgemäß eine Vielzahl von genetischen, morphologischen und Umweltfaktoren den Muskelstoffwechsel und die Körperzusammensetzung beim Schwein, die ausführlich im Diskussionsteil beschrieben werden. Das RN—-Allel bewirkt einen verlangsamten Glykogenabbau in vivo (und post mortem). Parallel weist die untersuchte Hampshire-Line (≥ 50 % Hampshire-Genanteil)neben der US-Landrasse und der synthetischen Linie „Duroc x Hampshire x US-Landrasse x Spotted x Yorkshire“ im Vergleich zu Duroc, „Poland China x Landrasse“, Spotted und „Duroc x Minzhu“ einen niedrigen Körperfettgehalt auf. Spotted und „Duroc x Minzhu“ sind am stärksten verfettet. Unerwartet reagiert Spotted (alle Nn) am stärksten auf die Stressauslösung mittels Halothan.