Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

 Melanie Eger

 

 Effects of the peripartal energy balance of dairy cows on the functional capacity of monocytes and their differentiation to macrophages

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107975

title (ger.)

Einflüsse der peripartalen Energiebilanz von Milchkühen auf die funktionelle Kapazität von Monozyten und ihre Differenzierung zu Makrophagen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/egerm_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Peripartale Mastitiden und Metritiden zählen zu den häufigen Erkrankungen bei Milchkühen und beeinträchtigen die Rentabilität durch Reduktion der Milchleistung, der Fruchtbarkeit und der Nutzungsdauer. Mit dem Einsetzen der Laktation führt die Erhöhung des Energiebedarfs der Milchkuh zu einer negativen Energiebilanz, Lipolyse und verstärkter Glukoneogenese. Darüber hinaus kommt es zu einer Umverteilung der Glukose in die Milchdrüse für die Synthese von Laktose. Die negative Energiebilanz wird oft mit peripartalen Veränderungen im Immunsystem und einer erhöhten Anfälligkeit für infektiöse Erkrankungen in Verbindung gebracht. Ein Mangel an Glucose könnte die Energieversorgung von Monozyten beeinträchtigen, die als Schlüsselzellen der angeborenen Immunität die Immunantwort steuern und nach ihrer Differenzierung zu Makrophagen zwischen angeborener und adaptiver Immunität vermitteln. Glukose ist die Hauptenergiequelle der Monozyten und wird mittels erleichterter Diffusion über natriumunabhängige Glukosetransporter (GLUT) aufgenommen. Im Rind wurden drei Monozytensubpopulationen identifiziert, die sich in ihren funktionellen Eigenschaften unterscheiden: klassische, intermediäre und nichtklassische Monozyten. Diese PhD Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob sich die negative Energiebilanz und verminderte Glukoseverfügbarkeit auf die Immunantwort der Monozyten auswirken kann. Dabei wurden die Zahl der Monozytensubpopulationen, die Glukoseaufnahmekapazität und die Glukosetransporterexpression in peripartalen Monozyten, in Monozytensubpopulationen und in funktionell verschiedenen Makrophagenphenotypen untersucht.

Die Einflüsse der peripartalen Energiebilanz auf die Zahl und die Glukoseaufnahme von Monozyten wurden anhand von 27 Milchkühen untersucht, die aufgrund ihres Body Condition Scores (BCS) in 2 Fütterungsgruppen eingeteilt wurden. Von Tag 42 vor der Geburt bis zum 56. Laktationstag wurden die Tiere nach einem Fütterungsregime gefüttert, in welchem die Gruppe mit höherem BCS vor der Geburt einen höheren Kraftfutteranteil in der Ration erhielt, wohingegen sie nach der Geburt im Kraftfutteranteil stärker begrenzt wurde, um eine negativere Energiebilanz und verstärkte Lipolyse in dieser Gruppe zu erreichen. Monozyten wurden an den Tagen -42, -14, +7, +21 und +56 relativ zur Geburt gewonnen.

Die Monozytenzahl in allen drei Subpopulationen erreichte in beiden BCS-Gruppen ihren Maximalwert an Tag 7 nach der Geburt. Es fiel auf, dass nur Kühe, die aus der Gruppe mit niedrigerem BCS und positiverer Energiebilanz stammten, wenn sie an einer postpartalen Mastitis oder Metritis erkrankten, an Tag +7 signifikant höhere Monozytenzahlen in allen drei Subpopulationen zeigten als gesunde Tiere. Der Anstieg der Monozytenzahlen ging mit einer vermehrten Expression der Adhäsionsmoleküle CD11a, CD49d und CD62L einher.

Die Glukoseaufnahmefähigkeit und Glukosetransporterexpression der drei Monozytensubpopulationen sowie klassisch und alternativ aktivierter Makrophagen wurden anhand von Blutproben von nicht laktierenden, nicht tragenden Kühen untersucht. Innerhalb der Monozytensubpopulationen zeigten nichtklassische Monozyten eine geringere Glukoseaufnahme und GLUT mRNA-Expression. Unter den Makrophagen, die sich in vitro aus den Monozytensubpopulationen differenzierten, wiesen Makrophagen aus klassischen Monozyten die höchste Glukoseaufnahme auf, während die GLUT mRNA-Expression in Makrophagen, die sich aus nichtklassischen Monozyten differenzierten, höher war. Dies lässt auf Unterschiede zwischen mRNA- und Proteinexpression schließen. Die alternative Aktivierung von Makrophagen führte zu einer Erhöhung der Glukosetransporterexpression, während diese nach klassischer Aktivierung ausblieb. Dennoch führte eine höhere Glukosekonzentration im Medium zu einem mehr proinflammatorischen Makrophagentyp.

Nach der Geburt nahm die Glukoseaufnahmekapazität der peripartalen Monozyten ab und das Verhältnis aus GLUT3 zu GLUT1 Expression verschob sich in Richtung des durch eine höhere Affinität gekennzeichneten GLUT3 Transporters. Dies könnte einen Adaptionsmechanismus an die geringere postpartale Glukoseverfügbarkeit darstellen. Bemerkenswerterweise war eine höhere Laktoseproduktion mit einer niedrigeren GLUT1 und GLUT3 mRNA-Expression und einem niedrigeren GLUT3/GLUT1-Verhältnis verbunden. Dies deutet darauf hin, dass die Glukosetransporterexpression der Monozyten herunterreguliert wird, wenn der Glukosebedarf der Milchdrüse steigt.

Aus den Befunden dieser Studie ist zu schlussfolgern, dass auch Monozyten von der postpartalen Umverteilung der Glukose betroffen sind. Aufgrund der beobachteten Unterschiede in der Glukoseaufnahme und der Glukosetransporterexpression in bovinen Monozyten- und Makrophagensubpopulationen könnte die postpartale Glukoseknappheit die peripartale Immunantwort beeinflussen, indem sie die Aktivierung von Monozyten oder ihre Differenzierung zu Makrophagen verändert. Um die Auswirkungen in vivo zu überprüfen sind weitere Studien hinsichtlich funktioneller Eigenschaften der Zellen wünschenswert.

abstract (englisch)

Peripartal mastitis and metritis are common diseases in dairy cattle and impair profitability by reducing milk yield, fertility and lifespan. With the onset of lactation the increase in energy requirements of dairy cows induces a negative energy balance and lipolysis and enhances gluconeogenesis. Moreover, glucose is redistributed towards the mammary gland for the synthesis of lactose. Negative energy balance is often associated with peripartal alterations in the immune system and the increased susceptibility for infectious diseases in early lactation. Glucose deprivation might impair energy supply of monocytes, key innate immune cells which regulate the immune response and link innate and adaptive immunity after their differentiation to macrophages. Glucose is the main energy source of monocytes and is provided by facilitative diffusion via sodium-independent glucose transporters (GLUT). In cattle, three monocyte subsets have been identified which differ in functional properties: classical, intermediate and nonclassical monocytes. This PhD thesis evaluates whether peripartal negative energy balance and the low postpartal glucose availability may alter the immune response of monocytes by studying monocyte subset numbers, glucose uptake capacities and glucose transporter expression in peripartal monocytes, monocyte subsets, subset-derived macrophages and functionally differing macrophage phenotypes.

To investigate the effects of the peripartal energy balance on monocyte numbers and monocyte glucose uptake 27 dairy cows were allocated to two dietary groups according to their body condition score. From day 42 prior to parturition until day 56 of lactation a feeding regime was applied, in which the group with higher BCS received higher amounts of concentrate before parturition and concentrate feeding was more restricted in this group to achieve a more negative energy balance and to enhance lipolysis in the high condition cows after parturition. Monocyte samples were obtained at days -42, -14, +7, +21 and +56 relative to parturition.

Monocyte numbers of all three subsets peaked in both BCS groups at day 7 after parturition. Noticeably, cows suffering from postpartal mastitis or metritis displayed significantly higher monocyte numbers of all three subsets compared to healthy cows at day +7 only in the group with lower BCS and less negative energy balance. The elevation in monocyte numbers was associated with an increase in the expression of the adhesion molecules CD11a, CD49d and CD62L.

To evaluate glucose uptake capacities and glucose transporter expression of the three monocytes subsets and classically and alternatively activated macrophages blood samples were obtained from non pregnant non lactating cows. Among monocyte subsets lower glucose uptake and GLUT mRNA expression were revealed in nonclassical monocytes. In macrophages differentiated from monocyte subsets in vitro, glucose uptake remained highest in classical monocyte-derived macrophages while GLUT mRNA expression was higher in nonclassical monocyte-derived macrophages, indicating discrepancies between mRNA and protein expression. Alternative activation of macrophages resulted in an increase in GLUT mRNA expression and glucose uptake while classical activation failed to upregulate GLUT mRNA expression. However, a higher medium glucose concentration promoted a proinflammatory macrophage phenotype.

The glucose uptake capacity of peripartal monocytes decreased after parturition and the expression ratio of GLUT3 to GLUT1 mRNA shifted towards the higher affinity GLUT3 transporter, probably to adapt to the lower glucose availability after parturition. Neither the feeding regime nor postpartal mastitis or metritis affected glucose uptake capacities or GLUT expression. A high lactose production was associated with lower GLUT1 and GLUT3 mRNA expression and a lower GLUT3/GLUT1 ratio, indicating that monocyte glucose transporter expression is downregulated when mammary gland glucose requirements increase.

In conclusion, monocytes are also affected by the postpartal redistribution of glucose. As differences in glucose uptake and glucose transporter expression among bovine monocyte and macrophage subsets were observed, postpartal glucose shortage might modulate the peripartal immune response by altering the activation of monocytes or their differentiation into macrophages. However, to evaluate the consequences further studies regarding functional properties of the cells are desirable.

keywords

 Dairy cattle, monocytes, peripartal, Milchkühe, Monozyten, Peripartalperiode

kb

 1.022