Influence of isoflavone phytoestrogens on growth and differentiation of skeletal muscle in pigs Influence of isoflavone phytoestrogens on growth and differentiation of skeletal muscle in pigs Influence of isoflavone phytoestrogens on growth and differentiation of skeletal muscle in pigs
Final Report Abstract
Die zu den Phytoöstrogenen zählenden Isoflavone sind Bestandteil von in der Tierproduktion und in der menschlichen Ernährung verwendeten soja-basierten Diäten. Das Ziel dieses Projekts bestand in der Erforschung der Wirkungsweise der Isoflavone Genistein und Daidzein, und zum Vergleich von Östrogenen, auf das Wachstum und die Differenzierung der Skelettmuskulatur beim Schwein. Als methodische Grundlage wurde ein in vitro-Modellsystem aus Satellitenzellen (Stammzellen der Skeiettmuskulatur) des Schweines etabliert, welches für die Untersuchung der direkten Effekte von Isoflavonen, aber auch jeder anderen Art von Wirkstoffen genutzt werden kann und deutliche Vorteile gegenüber permanenten Zelllinien von Maus und Ratte oder klonalen Zelllinien vom Schwein aufweist. Eine Voraussetzung zur Vermittlung östrogener und antiöstrogener Effekte durch Isoflavone ist die Präsenz von Östrogenrezeptoren (ER). Im Ergebnis unserer Untersuchungen auf Transkript- und Proteinebene konnten wir erstmals die Subtypen ERa und ERß in der Skelettmuskulatur des Schweines und in der etablierten porcinen Muskelzelllinie nachweisen. Weitere Schlüsselfaktoren des Muskelwachstums, wie z.B. 1GF1- und EGF-Rezeptor und deren Liganden IGF-I, IGF-II, und EGF waren ebenfalls in der porcinen Muskelzellkultur exprimiert, was insbesondere Bedeutung hinsichtlich der potenziellen inhibitorischen Wirkung der Isoflavone auf Proteintyrosinkinasen (Wachstumsfaktorrezeptoren) besitzt. Die in vitro- Experimente ergaben, dass die Isoflavone Genistein und Daidzein die Vermehrung porciner Muskelzellen dosis- und wirkstoffabhängig hemmen, während natürliche Östrogene kaum Effekte zeigten. Dabei hatte Genistein eine stärkere inhibitorische Wirkung als Daidzein. Hohe Dosen von 100 pmol/1 Genistein oder Daidzein verursachten DNA-Schäden, eine Blockierung des Zellzyklus und Zelltod. Überlebende Zellen (bei 10 pmol/l Genistein und 100 pmol/1 Daidzein) zeigten eine erhöhte DNA-Syntheserate aufgrund einsetzender Reparaturmechanismen. Östrogene Wirkungen auf die DNA-Syntheserate der Myoblasten konnten nicht festgestellt werden. Die Wachstumsfaktoren IGF-I und EGF stimulierten die Proliferation porciner Myoblasten synergistisch. Genistein (100 pmol/1) reduzierte im Gegensatz zu Daidzein die IGF-1- und EGF-induzierte Stimulation der DNA-Synthese, was mit einer verringerten Expression des 1GF1- und EGF-Rezeptors assoziiert war. Auf der anderen Seite wurden die toxischen Effekte der Isoflavone durch die Wachstumsfaktoren abgeschwächt. Die Addition von 1 und 10 pmol/1 Daidzein zu 10 nmol/1 lGF-1 erhöhte sogar die Überlebensrate der Myoblasten unter suboptimalen (serumfreien) Bedingungen. Toxische Effekte von hohen Isoflavonkonzentrationen (20 und 100 pmol/1), welche sich in einer Abnahme der Proteinmenge und/oder der Proteinsyntheserate zeigten, wurden auch in differenzierenden Myotubenkulturen festgestellt. Interessantenweise reduzierten geringere Konzentrationen von Genistein (0,1 pmol/1) und Daidzein (1 und 10 pmol/1) sowie 17-ß-Östradiol (0,1 und 1 nmol/1) die Proteinabbaurate in den Myotubenkulturen bis zu 4%. Letzteres lässt eine Beteiligung östrogener Effekte bei der Hemmung des Proteinabbaus in der Skelettmuskulatur des Schweines vermuten und könnte die Ursache für berichtete positive Wachstumseffekte von Daidzein beim Schwein sein. Eine im Tierversuch angewendete Supplementierung des Sauenfutters mit 50 mg Daidzein/kg Körpergewicht in der späten Trächtigkeit (zirkulierende Konzentration ca. 1 pmol/1) hatte allerdings kaum Effekte auf das Wachstum, die Schlachtkörperqualität und Skelettmuskelentwicklung der Nachkommen. Für Genistein (>1 pmol/l) und höhere Dosen von Daidzein (>10 pmol/l) sind unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den in vitro Untersuchungen durchaus wachstumshemmende Effekte zu enwarten, weshalb diese Konzentrationen möglichst nicht überschritten werden sollten. Die dosisabhängig ambivalenten, wachstumshemmenden oder -fördernden, Effekte von Genistein und Daidzein auf porcine Skelettmuskelzellen sowie bisherige Literaturbefunde verweisen auf die dringende Notwendigkeit eines kritischen und verantwortungsvollen Umgangs beim Einsatz isoflavonhaltiger Nahrungsmittel oder isolierter Isoflavone sowohl in der Human- als auch in der Tierernährung.
Publications
- Growth performance is not different in pigs fed soy-based diets with different isoflavone content. Arch. Anim. Nutr (2004) 58, 265-276
Kuhn, G., Henning, U., Kalbe, C , Rehfeldt, C., Ren, M.Q., Moors, S., Degen, G.
- Estrogens and isoflavones affect porcine muscle satellite cell growth. (2005) Joint ADSA-ASAS-CSAS Annual Meeting, Cincinnati, Ohio, USA, July 24- 28. J. Anim. Sci. 83, Suppl.1 / J. Dairy Sci. Vol. 88 (Suppl.1), 36
Rehfeldt C, Mau M, Viergutz T
- Effects of daidzein feeding of pregnant sows on carcass and meat quality and skeletal muscle cellularity of the progeny. (2006) Proc. 52nd ICoMST, Dublin, Ireland, 13-18th August, 143-144
Rehfeldt C, Adamovic I, Mau M, Kuhn G
- Influence of estrogens and isoflavones on porcine muscle satellite cell growth. Arch Anim Breed (2006) 49 (Special Issue), 81-85
Mau M, Viergutz T, Rehfeldt C
- Porcine muscle satellite cell growth in response to estrogens and isoflavones. (2006) 57th Annual EAAP-Meeting, Antalya, Turkey, 17-20 September, Book of abstracts No. 12, 31
Mau M, Kalbe C, Viergutz T, Wollenhaupt K, Rehfeldt C
- Soja - Wohl- oder Übeltäter? Von Hoffnungen und Wirkungen. Biologen heute (2006) 5/6, 14-17
Mau M, Rehfeldt C
- Effects of dietary daidzein supplementation of pregnant sows on carcass and meat quality and skeletal muscle cellularity of the progeny. Meat Sci. (2007)75, 103-111
Rehfeldt, C., Adamovic, I., Kuhn, G.
- Effects of isoflavones on mRNA expression of IGF1, IGF2, EGF, and related growth factor receptors in porcine muscle satellite cell cultures. COST Action 925: 4th Work Group Meeting, 6-7 September 2007, Viborg, Denmark
Kalbe, C, Mau M, Rehfeldt C
- Estrogenic and isoflavonic actions on differentiation and protein metabolism in porcine muscle satellite cell cultures. (2007) EAAP publication No. 124, In: Energy and protein metabolism and nutrition; Wageningen Academic Publishers; Vichy, France, 9-13th September, 189-190
Mau M, Rehfeldt G
- Evidence for estrogen receptor a and ß expression in skeletal muscle of pigs. Histochem Cell Biol (2007) 127, 95-107
Kalbe C, Mau M, Wollenhaupt K, Rehfeldt C
- Growth response of porcine muscle satellite cells to insulin-like growth factor I and epidermal growth factor is modified by the isoflavones genistein and daidzein. (2007) Book of abstracts 86th Annual Meeting of the German Physiological Society, Hannover, March 25-28, Acta Physiol. 189 (Suppl. 653), 147
Mau M, Kalbe C, Wollenhaupt K, Rehfeldt C
- Isoflavones modify the growth response of porcine muscle satellite cell cultures to IGF-I and EGF. Arch Anim Breed (2007) 50 (Special Issue), 17-21
Mau M, Kalbe C, Wollenhaupt K, Rehfeldt C
- Developmental changes and the impact of isoflavones on mRNA expression of IGF1 receptor, EGF receptor and related growth factors in porcine skeletal muscle cells. Growth Horm IGF Res (2008) 18, 424-33
Kalbe C, Mau M, Rehfeldt C
- Effects of dietary isoflavones on proliferation and DNA integrity of myoblasts derived from newborn piglets. Pediatr Res (2008) 63, 39-45
Mau M, Kalbe C, Viergutz T, Rehfeldt C
- Establishment and conditions for growth and differentiation of a myoblast cell line derived from semimembranosus muscle of newborn piglets. In vitro Cellular and Developmental Biology - Animal (2008) 44, 1 -5
Mau M, Oksbjerg N, Rehfeldt C
- IGF-I- and EGF-dependent DNA synthesis of porcine myoblasts is influenced by the dietary isoflavones genistein and daidzein. Domest Anim Endocrinol
Mau M, Kalbe C, Wollenhaupt K, Nürnberg G, Rehfeldt C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.domaniend.2008.06.004) - Soja-lsoflavone in der Schweinezucht - Nutzen und Risiken liegen eng beieinander. Pressemitteilung des FBN Dummerstorf vom 7.04.2008
Rehfeldt, C
