Dissertation

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

Annika Gohlke

Bioavailability of flavonoids after intraduodenal administration and their effects on the carbohydrate metabolism of dairy cows, exemplified by quercetin and its glucorhamnoside rutin

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107239

title (ger.)

Bioverfügbarkeit von Flavonoiden nach intraduodenaler Verabreichung und ihre Effekte auf den Kohlenhydratstoffwechsel von Milchkühen, am Beispiel von Quercetin und Rutin

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/gohlkea_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Flavonoide sind sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, deren vielfältige gesundheitsfördernde Eigenschaften in verschiedenen Studien gezeigt wurden. Aus diesem Grund finden sie bereits in Zusatzfuttermitteln für Rinder Anwendung, obwohl wissenschaftliche Belege für ihre Wirkung in vivo beim Rind weitestgehend fehlen. In in vitro und in vivo Experimenten wurde gezeigt, dass Quercetin antioxidativ und leberschützend wirkt und den Glucose- und Fettstoffwechsel in Monogastriern beeinflusst. Wenn dies auch bei Wiederkäuern der Fall ist, könnte sich Quercetin günstig auf peripartale Hochleistungskühe auswirken, in dem es möglicherweise negative Effekte der freien Radikalbildung und die Häufigkeit der Leberlipidose und Ketose reduziert. Vor kurzem wurde gezeigt, dass die Bioverfügbarkeit von Quercetin nach ruminaler Gabe sehr niedrig ist, da es von den Mikroorganismen im Pansen abgebaut wird. Die Grundvorraussetzung für jeglichen positiven Effekt ist die Absorption von Quercetin. Es war aber nicht bekannt, ob bei postruminaler Applikation Quercetin bei Rindern aus dem Dünndarm resorbiert wird. Ziel der Studie war es deshalb, zunächst die Bioverfügbarkeit von Quercetin nach intraduodenaler Verabreichung in Milchkühen zu untersuchen und darauf anhand der gewonnenen Daten die Effekte einer 4-wöchigen Quercetinsupplementierung bei der Milchkuh zu bestimmen.

Um die Bioverfügbarkeit von Quercetin zu untersuchen, wurden sechs Deutsch-Holstein Kühen Duodenalfisteln implantiert. Nach der Genesung erhielt jede Kuh  in einem Cross-over Design drei äquivalente Quercetinmengen (9, 18, 27 mg Quercetin Äquivalente (QE)/kg KGW) entweder als Aglycon (QA) oder als sein Glucorhamnosid Rutin (RU). Desweiteren wurden zwei Kontrollstudien, in denen Kochsalzlösung intraduodenal verabreicht wurde, pro Kuh durchgeführt, um die Konzentration von Flavonoiden im Plasma während der normalen Fütterung zu erheben. Vor und nach der Gabe der Testsubstanzen wurden in definierten Zeitintervallen für die nächsten 24 Stunden Blutproben gewonnen. Zwischen den einzelnen Durchgängen wurde eine Frist von mindestens 2 Tagen eingehalten, um mögliche Carryover-Effekte zu verhindern. Die Konzentrationen von Quercetin Aglycon und seinen Metaboliten Isorhamnetin, Tamarixetin und Kaempferol im Plasma wurden nach Behandlung des Plasmas mit Glucuronidase/Sulfatase mittels HPLC mit Fluoreszenzdetektion gemessen.

Nach der intraduodenalen Verabreichung von QA stiegen die Konzentrationen von QA und seiner Metabolite im Plasma (maximal gemessener Gesamtflavonolgehalt 406,9 – 635,8 nmol/L) deutlich über die gemessenen Basiswerte (Gesamtflavonolgehalt 3,9 nmol/L). Die maximale Plasmakonzentration der gesamten Flavonole erhöhte sich dosisabhängig, allerdings mit erheblichen interindividuellen Schwankungen. Die Zeit des Auftretens der maximalen Konzentration nach Bolusapplikation unterschied sich nicht statistisch gesichert  zwischen den einzelnen Kühen (ungefähr nach 2 h). Die vor der Gabe gemessenen Basiswerte wurden 3 bis 4 Stunden nach der Verabreichung wieder erreicht. Im Gegensatz dazu stiegen die Quercetinplasmawerte nach Rutingabe, unabhängig von der Dosis, nicht an. Die Bioverfügbarkeit, gemessen anhand der Fläche unter der Kurve (area under the curve, AUC), war abhängig von der Quercetinquelle, wobei Quercetin aus Rutin nicht verfügbar war. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bei Kühen nach intraduodenaler Verabreichung die Bioverfügbarkeit von Quercetin etwa der bei  Schweinen nach oraler Gabe entspricht. Während Quercetin aus Rutin bei Monogastriern und Kühen nach oraler Verabreichung bioverfügbar ist, scheint dies bei Kühen nach intraduodenaler Verabreichung nicht der Fall zu sein.

Zur Untersuchung der Langzeiteffekte einer Quercetinsupplementierung wurde 5 Kühen in der Spätlaktation (im Durchschnitt 215 Tage in Milch) 28 Tage lang zweimal täglich 18 mg Quercetin/kg KGW intraduodenal verabreicht. Vor und während der Supplementierung wurden in regelmäßigen Abständen Blutproben gewonnen, um die Konzentrationen an Flavonolen und deren Metaboliten im Plasma zu bestimmen. Leberbiopsien wurden vor Beginn, nach einer Woche und am letzten Tag der Quercetin-Supplementierung gewonnen, um darin in den Glykogen- und Fettgehalt sowie die mRNA-Expression ausgewählter Gene zu bestimmen. Desweiteren wurden euglykämische, hyperinsulinämische und hyperglykämische Clampstudien vor und nach 2 Wochen andauernder Quercetingabe durchgeführt. Die Trockenmasse-Aufnahme und die meisten anderen zootechnischen Daten wiesen keine statistisch gesicherten Veränderungen während der Langzeitapplikation auf. Der Proteingehalt der Milch war in Woche 2 und 4 der Quercetingabe um ca. 5% erhöht, während die Gehalte an Fett und Laktose in der Milch weitgehend unverändert blieben. Die Plasmawerte an NEFAs, GGT, Cholesterol, GLDH, Triglyzeriden, Albumin, sowie die Fett- und Glykogenkonzentration im Lebergewebe wurden durch die Quercetinsupplementierung nicht statistisch absicherbar beeinflusst. Der Glukosegehalt im Plasma sank, während die BHBA Konzentration im Plasma unter Quercetineinfluss stieg. Nach 2 Wochen der Quercetinverabreichung war während der hyperglykämischen Clampstudien der relative Anstieg des Plasmainsulins höher als vor der Gabe und rQUICKI war tendenziell erhöht. Die mRNA Expressionslevel der ausgesuchten Gene bezüglich des Glukose- und des Fettstoffwechsel sowie des antioxidativen Status waren weder eine noch vier Wochen nach Supplemetationsbeginn statistisch absicherbar verändert.

Abschliessend lässt sich festhalten, dass die beobachteten Effekte von Quercetin auf die Insulinfreisetzung und –sensitivität die Annahme unterstützen, dass Quercetin positive Effekte auf die Anpassung des Stoffwechsels von Hochleistungskühen an die Frühlaktation haben kann.

abstract (englisch)

Flavonoids are secondary plant metabolites which have been shown to possess many health-promoting properties and are therefore already in use as feeding supplements for cattle, although scientific evidence for their efficacy in vivo is limited. Quercetin acts antioxidative and hepatoprotective and affects glucose and lipid metabolism in monogastrics in vitro and in vivo. If this is also true for ruminants quercetin could be beneficial in periparturient high-yielding dairy cows through amelioration of negative effects of free radical formation and reduction of the severity of liver lipidosis and ketosis. Recently it has been shown that bioavailability of quercetin is low after ruminal administration in cows, due to degradation by the rumen microbiota. The basic requirement for any positive effect is the absorption of quercetin from the gastro-intestinal tract. But currently it is not known whether quercetin could be absorbed from the small intestine in ruminants if degradation is prevented. The aim of this study was to investigate the bioavailability of quercetin after duodenal administration in dairy cows and to survey the effects of a long-term quercetin treatment.

To evaluate bioavailability of quercetin, six German Holstein cows were equipped with duodenal cannulas and after recovery each cow received equivalent doses of quercetin (9, 18, 27 mg quercetin equivalents (QE)/kg BW) either as aglycone (QA) or as its glucorhamnoside rutin (RU). In addition, two control studies with duodenal administration of NaCl solution (0.9%) were conducted per cow in order to examine concentrations of flavonoids in plasma during regular feeding. Before and after administration of the test compounds blood samples were taken in defined time intervals over a period of 24 h. In between the runs a wash-out period of 2 d was applied to avoid possible carry-over effects. Concentrations of plasma quercetin aglycone and its metabolites isorhamnetin, tamarixetin and kaempferol were measured after treatment with glucuronidase/sulfatase by HPLC with fluorescence detection.

After duodenal administration of QA plasma concentration of QA and its methylated metabolites clearly increased above baseline (Cmax of total flavonols 406.9 – 635.8 nmol/L; basal 3.9 nmol/L). Cmax of total flavonols increased in a dose-dependent manner but showed a high interindividual variability. However, peak time did not differ. Pre-administration baseline values of total flavonols were reached again 3 to 4 h after QA administration. In contrast, RU administration did not increase plasma levels of quercetin above baseline, irrespective of dose administered. Bioavailablitiy of quercetin and its metabolites as measured by the area under the curve (AUC) was affected by the quercetin source applied, whereby quercetin from RU was unavailable. Taken together, duodenal administration enhanced bioavailability of QA nearly to values which were previously reported in pigs after oral administration of QA. In contrast to findings in monogastrics or after oral administration in cows, quercetin from RU seems to be unavailable when administered duodenally.

In the second experiment, long-term quercetin effects were investigated. Twice daily 18 mg quercetin (Q)/ kg BW were administered intraduodenally to 5 late lactation dairy cows (approximately 215 DIM) over a period of 28 days. Before and during administration, we took frequent blood samples for determination of plasma concentrations of flavonols and metabolites. Liver biopsies, in which the glycogen and fat content as well as mRNA expression of selected genes were measured, were taken prior to and at the end of the first and fourth week of Q administration. Furthermore, euglycemic, hyperinsulinemic and hyperglycemic clamp studies were conducted before and after 2 weeks of Q administration.

DMI and most of the other zootechnical data remained unchanged during the long-term administration. The milk protein content increased about 5% in week 2 and 4 of Q administration compared to basal values while fat and lactose content of milk remained unchanged. Plasma non-esterified fatty acid, gamma-glutamyl transferase, cholesterol, glutamate dehydrogenase, triglyceride and albumin concentrations as well as liver fat and glycogen concentrations were not affected by Q supplementation. Plasma glucose and BHBA concentrations in plasma decreased and increased, respectively, under the influence of quercetin. During hyperglycemic clamp conditions, the relative increase of plasma insulin was higher after 2 weeks of Q administration and a tendency for an increased rQUICKI was observed. The relative mRNA expression levels of selected genes related to glucose metabolism, fat metabolism and antioxidative status were not altered after 1 and after 4 weeks of Q supplementation.

In conclusion, the effects on insulin release and sensitivity support the assumption that administration of Q could be beneficial in regard to metabolic adaptation to early lactation of high-yielding cows.

keywords

Flavonoide, Milchkuh, Bioverfügbarkeit; flavonoids, cow, bioavailability

kb

696