Dissertation

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

Lea Hannah Fieguth

Untersuchung zur Stressantwort bei Milchkühen anhand eines ACTH-Stimulationstests und der Evaluierung der Herzratenvariabilität

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95- 105464

title (engl.)

Stress response in dairy cows related to heart rate variability and ACTH Challenge 

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/fieguthl_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Milchkühe sind aufgrund ihrer Nutzung häufig Stressoren ausgesetzt. Das Ausmaß der Stressantwort hängt von der Intensität des Stressstimulus sowie individuell von Erfahrungen und genetischer Disposition ab. Der ACTH-Stimulationstest wird genutzt, um die individuelle Stressempfindlichkeit bei Milchkühen zu prüfen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, Ergebnisse des ACTH-Stimulationstests mit der individuellen, hormonell-metabolischen sowie kardialen Stressantwort von Kühen auf eine durchgeführte Klauenpflege als eine typische Stresssituation (Isolation von Artgenossen, Kontakt zum Menschen, fremde Umgebung, ungewohnte, aber schmerzfreie Manipulationen) zu vergleichen. Im Vorfeld wurde die Evaluierung eines telemetrischen Herzfrequenzmonitors zur Erfassung der Herzfrequenz und ihrer Variabilität durchgeführt.

An sechs klinisch gesunden, deutschen HF Kühen (Alter 4 bis 6 Jahre, nicht tragend, nicht laktierend), wurde der Herzmonitor Polar®Equine RS800CX Science (Polar Electro Oy, Finnland) getestet. Der Monitor zeichnet RR-Intervalle auf, aus denen sich mit geeigneter Software (Kubios HRV Analysis Software; University of Eastern Finland) weitere Parameter berechnen lassen (Herzfrequenz; SDNN und RMSSD). Zeitgleich wurde telemetrisch mit dem Televet® 100 (Engel Engineering Service GmbH, Offenbach, Germany) ein vollständiges EKG aufgezeichnet und dessen RR- Intervalle mit Kubios® analysiert. Alle Kühe wurden im Stall, im Zwangsstand, fixiert in Seitenlage auf dem hydraulischen Kipptisch sowie unter Xylazinbehandlung (0,05 mg/kg i.m.) untersucht. Aus jeder Untersuchungsphase wurden 5-Minutenintervalle für die Auswertung herangezogen. Eine Korrektur wurde durchgeführt, die unkorrigierten und korrigierten Datensätze miteinander verglichen und zusätzlich die Ergebnisse von Televet® und Polar® korreliert. Des Weiteren wurden Bland- Altman Plots der RR-Intervalle erstellt, um das Übereinstimmungsmaß der Systeme zu bewerten. Der Vergleich der beiden Datensätze ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen Televet®- und korrigierten/ unkorrigierten Polar®- Daten (p > 0,05). Für die von Polar® und Televet® aufgezeichneten Daten ergab sich eine signifikante Korrelation der RR-Intervalle, SDNN, HR und RMSSD (r = 0,99, p < 0,0001), bezüglich der durchgeführten Untersuchungsphasen. Die Auswertung der Daten zeigt, dass der equine Polar®-Herzmonitor für die Aufzeichnung von Herzfrequenz und Herzfrequenzvariabilität bei Kühen geeignet ist, da es sich um eine nichtinvasive und kostengünstige Alternative handelt, wenn kein EKG benötigt wird.

14 gesunde, multipare, laktierende deutsche HF Kühe wurden in die Studie einbezogen (Alter: 4 bis 6 Jahre, 2. bis 4. Laktation; Körpergewicht: 658 ± 40,99 kg). Eine funktionelle Klauenpflege wurde zwischen dem 30. und 70. Tag der Laktation auf einem Kipptisch als akuter Stressor durchgeführt, mit Blutproben (Bestimmung von Cortisol, Glucose und NEFA) zu vier verschiedenen Zeitpunkten, (T1: in Ruhe, T2: am Kipptisch, T3: nach der Klauenpflege auf dem Tisch, T4: in Ruhe nach 30 Minuten). Daraus wurden Flächen unter den Kurven (AUC) sowie Differenzen zwischen Zeitpunkten (Diff) berechnet. Zeitgleich erfolgte eine Bestimmung der Herzfrequenz und Herzfrequenzvariabilität (SDNN, RMSSD) mittels des zuvor angelegten Equine RS800CX Science Systems (Polar® Electro Oy, Finnland). Acht Wochen später wurde ein ACTH-Stimulationstest bei den Kühen durchgeführt. Die Cortisolantwort auf die ACTH Gabe wurde aus, über Jugularvenenkatheter in kurzen Zeitabständen (-15, 0, 10, 20, 45, 60, 90 und 120 Minuten) gewonnenen, Blutproben gemessen. Die Auswertung erfolgte anhand von Basalmesswerten, den Flächen unter den Kurven (AUC) und Maximalwerten (Peak). Ergebnisse aus dem ACTH-Stimulationstest wurden mittels SAS 9.3 (SAS Institute Inc. Cary, NC, USA), mit den während der Klauenpflege erhobenen Daten, korreliert (PROC CORR SPEARMAN). Während der Klauenpflege stiegen sowohl Cortisol, Glucose und NEFA, als auch die Herzfrequenz und Herzratenvariabilität signifikant an, wohingegen der Abfall dieser Parameter nach Ende des Versuches eine hohe individuelle Variation aufwies. Auf den ACTH-Stimulationstest zeigten alle Tiere eine gesteigerte, inter-individuell variierende Cortisolantwort. Diese Cortisolantwort korrelierte signifikant mit den Ergebnissen während der Klauenpflege. So korrelierte sie positiv mit der Cortisolantwort auf die Klauenpflege, aber negativ mit den NEFA Konzentrationen zum Zeitpunkt T4 und mit der Differenz T4 – T3 NEFA und T4- T2 Glucose. Außerdem korrelierte die Cortisolantwort auf den ACTH Stimulationstest positiv mit der Differenz T4 – T3 der RR-Intervalle und negativ mit der Differenz T4 – T3 der Standardabweichung der RR- Intervalle (SDNN). Die Ergebnisse belegen, dass die Ansprechbarkeit der HPA-Achse und die Stressantwort auf einen akuten Stressor von Tier zu Tier sehr unterschiedlich ausfallen, aber in einer engen Beziehung zueinander stehen. Kühe mit einer hohen Ansprechbarkeit der HPA-Achse scheinen über eine bessere Fähigkeit zu verfügen den akuten Stressor zu verarbeiten. Dies zeigt sich besonders in ihrer Reaktion nach Beenden einer akuten Stresssituation.

 

abstract (englisch)

Dairy cows are exposed to various stressors during their daily live. The extent of individual hormonal, cardiac and metabolic stress responses on stress challenges depends on previous experiences and the individual stress responsiveness. The ACTH stimulation test is commonly used to test the reactivity of the HPA axis as indicator of individual stress responsiveness. The aim of the study was to compare results of the ACTH stimulation test with hormonal, metabolic and cardiac stress responses of cows on claw trimming as a typical acute non- painful stressor. Previously, a telemetric heart rate monitor for measuring heart rate variability in dairy cows has been validated.

Six German HF cows were used for the study. The cardiac activity was measured simultaneously by using a direct- wire telemetric ECG system, Televet®100 (Engel Engineering Service GmbH, Offenbach, Germany) and the Polar® Equine RS800CX system (Polar Electro Oy, Finland). The Polar® system stores RR-intervals for later retrieval with suitable software (Kubios HRV Analysis Software; University of Eastern Finland) to calculate heart rate, SDNN and RMSSD, whereas the Televet® 100 recorded an entirely ECG, whose RR-intervals were analyzed with Kubios® as well. All cows were examined in the stable, in the chute, during lateral recumbency and while treated with xylazine (0.05 mg/kg i.m.). A correction was carried out, the uncorrected and corrected data was compared and the results of Televet® and Polar® were correlated. The comparison of both data sets revealed no significant differences between ECG and corrected/ uncorrected Polar® data (p > 0.05). There was a significant correlation between Televet® and Polar® data of HR, RR- intervals, SDNN and RMSSD concerning all positions (r = 0.99, p < 0.001). Data evaluation has revealed that the Polar® Equine RS800CX is a reasonable possibility to measure HR and HRV in dairy cows, because it is a noninvasive and also affordable alternative, when an ECG tracing is not needed.

In 14 multiparous German HF cows claw trimming (CT) as a non- painful stressor (isolation from herd, close human contact, new environment, unwonted manipulation) was performed in lateral recumbency on a tipping table between 30 - 70 days pp. For measurement of concentrations of cortisol, glucose, and non- esterified fatty acids (NEFA) blood samples were taken from indwelling jugular vein catheters at four time points (T): T1: 30 min before manipulations in the herd, T2: standing at the surgical table, T3: end of claw trimming in lateral recumbency, T4: 30 min after end of recumbency in the herd. Parallel heart rate (HR) and heart rate variability (HRV), standard deviation of RR- intervals (SDNN) and root mean square of successive differences (RMSSD) were measured by means of Equine RS800CX Science Systems (Polar Electro Oy, Finnland). ACTH stimulation tests were performed on day 110 pp (80 µg/cow ACTH, Synacthen®, Sigma-Tau Arzneimittel GmbH, Germany; repeated blood samples for cortisol measurement over 120 minutes). The area under the cortisol time curve (AUC) and peak cortisol were assessed. Means at different time points were tested for significant differences by t-test and AUCACTH and PeakACTH of cortisol were correlated (SPEARMAN, SAS package) with cortisol, glucose and NEFA blood concentrations as well as HR and HRV at T1 – T4 and with differences between time points during the claw trimming procedure. Glucose, cortisol and NEFA significantly increased during acute stress challenge but the decrease after the end of the procedure showed a high variation and was only significant for NEFA. Parameters of HRV also most markedly changed within T1 to T3 but reacted highly individual after the challenge. All animals increased cortisol release after the ACTH injection with again a high inter- individual variability. Cortisol release after ACTH stimulation positively correlated with cortisol release during claw trimming, but was negatively associated with NEFA at T4 and with the difference T4-T3 for NEFA and T4-T2 for glucose. Further it was positively correlated with T4- T3 of consecutive beat- to beat intervals (RR) and negatively with T4- T3 for standard deviation of RR- intervals (SDNN). The present data show, that adrenal cortex sensitivity and acute stress response are highly individual in dairy cows but closely related to each other. The cortisol response on a common non- painful stressor such as claw trimming is sufficiently reflected by the cortisol reactivity on ACTH stimulation in dairy cows. Cows with high adrenal cortex sensitivity in some aspects seem to have a higher coping capacity towards acute stressors which manifests especially in their reaction after the lapse of the acute stressing event.

keywords

Stress, Herzratenvariabilität, ACTH-Stimulationstest, stress, heart rate variability, ACTH Challenge 

kb

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