Dissertation

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

 

Kristin Hötger

 

Glucose metabolism in dairy cows supplemented conjugated linoleic acid

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103964

title (ger.)

Auswirkungen einer Supplementierung konjugierter Linolsäure auf den Glucosestoffwechsel von Milchkühen zum Laktationsbeginn

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hoetgerk_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Eine Reduzierung des Milchfettgehalts als Folge einer Supplementierung der Ration mit konjugierten Linolsäuren (CLA), insbesondere trans-10, cis-12 CLA, wurde bei Hochleistungskühen oft beschrieben. Die Frage, ob die milchfettreduzierende Wirkung der CLA mit einer Beeinflussung des Glucosestoffwechsels in Zusammenhang steht, konnte bisher jedoch noch nicht abschließend beantwortet werden. In dieser Studie wurden die Auswirkungen einer CLA-Supplementierung auf den Glucosestoffwechsel von Hochleistungsmilchkühen, insbesondere auf die endogene Glucoseproduktion (eGP) und die Glucoseoxidation (GOx) untersucht. Des Weiteren wurden in der Leber der Glykogen- und Fettgehalt sowie Veränderungen in der Genexpression von Enzymen, die für die Synthese der Glucose in der Leber von Bedeutung sind, näher betrachtet.

In der vorgelegten Arbeit wurden 20 Milchkühe (zweite Laktation) der Rasse Deutsch Holstein zwei Wochen ante partum (a.p.) bis neun Wochen post partum (p.p.) mit einer totalen Mischration gefüttert, die entweder 50 g einer CLA-Mischung (10 % trans-10, cis-12; 10 % cis-9, trans-11; Lutrell pure, BASF, Ludwigshafen; Versuchsgruppe, n=10) oder 50 g Linolsäure (Omega-6-coated, BASF, Ludwigshafen; Kontrollgruppe, n=10) enthielt. Sowohl Lutrell pure als auch Omega-6-coated lagen in Form von pansenstabilen Granulaten vor.

Es wurden wöchentlich Futtermittelproben zur Bestimmung der Trockenmasse genommen. In 14-tägigem Abstand wurden Futtermittelproben für die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Mischrationen und der Gras- und Maissilagen mithilfe der Weender Futtermittelanalyse gezogen. Die Futteraufnahme und die Milchmenge wurden täglich erfasst. In den Milchproben wurde wöchentlich der Gehalt an Milchfett, -eiweiß und Lactose bestimmt. Außerdem wurde im Milchfett der dritten und neunten Laktationswoche das Fettsäuremuster bestimmt. Die Körpermasse, die Rückenfettdicke und die Körperkondition der Tiere wurden einmal wöchentlich erfasst.

Wöchentliche Blutproben wurden auf ihre Plasmakonzentrationen an Glucose, freien Fettsäuren (NEFA), Triglyceriden, ß-Hydroxybuttersäure (BHBA), Cholesterin, Harnstoff, Insulin und Glucagon untersucht. In der dritten und neunten Laktationswo¬che wurde ein Glucosetoleranztest (GTT) durchgeführt. Hierzu wurde Glucose (1g/kg0,75 Körpermasse) mittels einer 40-prozentigen Glucoselösung infundiert und kontinuierlich Blutproben entnommen. In den Blutproben wurden die Plasmakonzentrationen von Glucose und Insulin bestimmt. In der dritten und neunten Laktationswoche wurde die eGP und die GOx bestimmt. Hierzu wurde [13C6]Glucose, mittels eines intravenösen Bolus (5.4 μmol/kg) und einer vierstündigen Infusion (7.5 μmol/(kg × h)) verabreicht und vor und während der Tracergabe kontinuierlich Blutproben entnommen, in denen die Anreicherung von [13C]Glucose im Blutplasma sowie die Anreicherung von 13C im CO2 des Vollbluts mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie nach vorangegangener Derivatisierung bestimmt wurden.

Zudem wurde den Tieren in der dritten und neunten Laktationswoche jeweils vor der Morgenfütterung Lebergewebe mithilfe der Biopsietechnik entnommen. In den Leberproben wurden die Konzentrationen an Glycogen und Gesamtfett bestimmt. Außerdem wurde die Genexpression der Enzyme Pyruvatcarboxylase (PC), cytosolische Phosphoenolpyruvatcarboxykinase (PEPCKc), Glucose-6-phosphatase (G6Pase) und Carnitin-Palmitoyltransferase-1 (CPT-1) mittels Echtzeit-PCR untersucht. Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase diente als Referenzgen.

Die CLA-Fütterung führte zu einer Reduktion der Milchfettkonzentration (P < 0.01) um 14 % und der täglichen Milchfettmenge (P < 0.01) um 13 %. Nach dem Ende der CLA-Supplementierung stiegen sowohl Milchfettkonzentration als auch Milchfettmenge (P < 0.01) an, jedoch blieb die Milchfettkonzentration nach Beendigung der CLA-Fütterung in der CLA-Gruppe niedriger als in der Kontrollgruppe (P < 0.05). Die Supplementierung mit CLA führte zu einer Reduktion von kurz- und mittelkettigen Fettsäuren im Milchfett (P < 0.05), während der Gehalt an Stearin- und Ölsäure im Milchfett mit CLA-Fütterung zunahm.

In beiden Gruppen stieg die Milchmenge mit dem Fortschreiten der Laktation an, jedoch erreichten die CLA gefütterten Kühe fünf Wochen p.p. höhere Werte (Interaktion P < 0.01). Die Lactosemenge und -konzentration in der Milch stiegen (P < 0.01) nach der Kalbung kontinuierlich an, die Lactosemenge war während der CLA-Fütterung höher (P < 0.05) und zeigte auch nach der Beendigung der CLA-Fütterung tendenziell höhere Werte (P < 0.1) in der CLA- als in der Kontrollgruppe. Die Trockenmasseaufnahme stieg mit Beginn der Laktation an (P < 0.01) und war bei den CLA-Tieren tendenziell niedriger (P = 0.15), während Körpergewicht, Körperkondition und Rückenfettdicke der beiden Gruppen nach dem Abkalben abnahmen (P < 0.01). Mit dem Einsetzen der Laktation fiel (P < 0.05) die Energiebilanz beider Gruppen in den negativen Bereich. Ab der zweiten Woche p.p. stieg die Energiebilanz aller Tiere (P < 0.01) wieder an, allerdings zeigten die Kontrolltiere höhere Werte als die CLA-Tiere (P < 0.05).

Bei den mit CLA gefütterten Tieren waren in den ersten fünf Wochen p.p. höhere Glucose-konzentrationen im Blutplasma nachweisbar (Interaktion P < 0.01), während die Plasmaglu-cosekonzentrationen nach Beendigung der CLA-Fütterung in der Kontrollgruppe stärker anstiegen als in der CLA-Gruppe (Interaktion P < 0.08). Plasmakonzentrationen von NEFA, BHBA, Cholesterol, Glucagon sowie das Glucagon:Insulin-Verhältnis stiegen mit Lakationsbeginn an (P < 0.01), während Triglycerid- und Insulinkonzentrationen im Blutplasma sanken (P < 0.01).

Während des GTT in der dritten und neunten Laktationswoche stiegen die Glucosekonzentrationen im Blutplasma nach Verabreichung des Glucosebolus (P < 0.01) an, aber es zeigten sich keine Unterschiede zwischen CLA gefütterten und Kontrollkühen. Die Insulinausschüttung als Reaktion auf die Glucoseverabreichung stieg ebenfalls an, zeigte aber keine Gruppenunterschiede. Die eGP und GOx stiegen (P < 0.01) während der Laktation an. Es zeigte sich, dass die eGP der CLA-Tiere in der dritten Woche p.p. niedriger (P < 0.05) war als die der Kontrollkühe.

Die Konzentrationen an Gesamtfett in der Leber waren in der dritten Woche p.p. höher als in der neunten Woche (P = 0.05). Die Konzentrationen an Glycogen in der Leber veränderten sich nicht über die Zeit. Die Genexpressionen der Enzyme PEPCKc and G6Pase tendierten  (P < 0.1 und P < 0.15) zu niedrigeren Werten bei den CLA-Tieren im Vergleich zu den Kontrolltieren. Die Genexpression von CPT-1 war durch die CLA-Supplementierung nicht beeinflusst.

Die vorliegenden Ergebnisse lassen die Schlussfolgerungen zu, dass die Reduktion des Milchfettes nach CLA Fütterung insbesondere durch eine Hemmung der Synthese von Fettsäuren in der Milchdrüse erfolgt und dass die CLA-Fütterung aufgrund der reduzierten Milchfettsynthese in der Milchdrüse zu einem Glucosespareffekt führt, obwohl nach CLA-Fütterung vermehrt Glucose in Form von Lactose mit der Milch abgegeben wird. Da die eGP nach CLA-Fütterung deutlicher reduziert ist als nach der Glucoseeinsparung in der Milchdrüse zu erwarten gewesen wäre, wird wahrscheinlich auch in anderen Körpergeweben Glucose eingespart. Die Reduktion der eGP spiegelt den geringeren Glucoseverbrauch nach CLA-Fütterung wider, sichert somit die Aufrechterhaltung der Glucosehomöostase und ermöglicht eine effizientere Milchproduktion.

abstract (englisch)

Conjugated linoleic acid (CLA), particularly the trans-10, cis-12 CLA isomer, is well known for its milk fat reducing effect, but CLA effects on glucose metabolism are not clear. The objective of the study was to investigate glucose metabolism, especially endogenous glucose production (eGP) and glucose oxidation (GOx) as well as genes involved in metabolic pathways of hepatic eGP. Cows were fed ad libitum TMR supplemented with either 50 g/d Lutrell pure (BASF, Ludwigshafen, Germany) containing 9.3 % trans-10, cis-12 and 10.3 % cis-9, trans-11 CLA isomers (CLA; n=10), or 50 g/d control fat (BASF; Ludwigshafen, Germany; control; n=10). Both fat types were provided in a rumen-protected form. Supplementation of CLA lasted from 2 weeks prior to projected calving to 9 weeks in milk. From 10 weeks to 12 weeks after calving fat supplementation was removed from the ration in both groups. The experiment was terminated after 12 weeks of lactation.

Cows were investigated in 5 blocks consisting of 4 cows (2 CLA and 2 control cows) in each block. Individual feed intake was recorded daily and feed samples were collected weekly. Cows were milked twice daily, milk yield was measured daily, and milk samples were taken once weekly for measurement of fat, lactose, and protein in milk. Fatty acid composition in milk fat was measured 3 and 9 weeks after parturition. Body weight, body condition score, and back fat thickness were measured every week.

Blood samples were taken once weekly after the morning milking and before cows were allowed to eat by venipuncture. Concentrations of glucose, triglycerides, non-esterified fatty acids (NEFA), beta-hydroxybutyrate (BHBA), cholesterol, urea, insulin, and glucagon were analyzed in blood plasma. An intravenous glucose tolerance test (GTT; 1 g/kg0.75) was performed 3 and 9 weeks after parturition and frequent blood samples were taken after glucose administration to measure pancreatic insulin response.

Endogenous glucose production and GOx were measured three days after GTT, respectively. After overnight food withdrawal, a prime injection initiated U-13C-glucose infusion of 4 hours and blood samples were taken frequently. Endogenous glucose production was calculated from U-13C-glucose enrichment in blood plasma, measured by gas chromatography - mass spectrometry. Glucose oxidation was measured in whole blood by isolation of CO2 and determination of the 13C/12C ratio by mass spectrometry.

Liver biopsies were taken in week 3 and week 9 after parturition to measure total fat and glycogen concentrations and mRNA abundance of pyruvate carboxylase (PC), cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCKc), glucose-6-phosphatase (G6Pase), and carnitine palmitoyl-transferase-1 (CPT-1). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase was used as reference gene.

Conjugated linoleic acid reduced milk fat concentration (P < 0.01) and milk fat yield (P < 0.01) during supplementation by 14 % and 13 %. After finishing CLA supplementation both, milk fat concentration and yield increased (P < 0.01) in CLA cows, and milk fat concentration, but not yield was still lower (P < 0.05) in CLA than in control. In milk fat, concentrations of most of the short- and medium-chain fatty acids (C4:0–C16:0) were lower (P < 0.05 or less) in CLA-fed than control cows. Stearic and oleic acid in milk fat were higher (P < 0.05) in CLA-fed than control cows.

Milk yield increased more in CLA than control group after onset of lactation, but after five weeks of lactation milk yield was higher in CLA than control cows (interaction P < 0.01). Lactose concentration and yield increased (P < 0.01) with onset of lactation and lactose yield was higher (P < 0.05) during CLA supplementation and tended to be higher (P < 0.1) after CLA supplementation in CLA than control cows. Dry matter intake increased (P < 0.01) with time, and tended to be lower (P = 0.15) in supplemented cows. Body weight, back fat thickness, and body condition score decreased (P < 0.01) in both groups with onset of lactation. Energy balance decreased (P < 0.05) after parturition, but increased (P < 0.01) after 2 weeks of lactation until the end of the study in both groups. Energy balance was higher (P < 0.05) during CLA supplementation in control than CLA cows.

Cows supplemented CLA showed elevated concentrations of glucose in blood plasma from first to fifth week after parturition (interaction P < 0.01), whereas plasma glucose concentrations increased during depletion more in control than in CLA fed cows (interaction P < 0.08). Plasma concentration of NEFA, BHBA, cholesterol, and glucagon and the glucagon to insulin ratio increased (P < 0.01), whereas plasma concentrations of triglyceride and insulin decreased (P < 0.01) after parturition.

Plasma glucose concentrations increased after glucose infusion during GTT in 3rd and 9th week after parturition. (P < 0.01), but there were no differences of plasma glucose and insulin concentrations between CLA and control fed cows. Endogenous glucose production and GOx increased (P < 0.01) during lactation and in 3rd week of lactation eGP was lower (P < 0.05) in cows fed CLA than control group.

Total fat concentrations in liver decreased (P < 0.05) with time, but did not differ between groups. Hepatic glycogen concentrations were not affected by time or treatment. Gene expression of PEPCKc and G6Pase tended to be lower (P < 0.1 and P < 0.15) in CLA supplemented than control cows. Gene expression of CPT-1 mRNA was not affected by time or treatment.

We suppose milk fat depression especially by inhibition of fatty acid synthesis in the mammary gland and a glucose sparing effect due to CLA supplementation. Even if CLA supplementation did not result in an improved energy status and although more glucose was extracted into the milk, less glucose was utilized in the mammary gland due to reduced milk fat synthesis. Because reduction in eGP of CLA-fed cows was greater than the reduction of glucose utilization in the mammary gland, there was obviously reduced glucose utilization in other tissues as well. The decreased glucose use was counterbalanced by reduced eGP to retain glucose homeostasis and enable a more efficient milk production.

keywords

Konjugierte Linolsäure, endogene Glucoseproduktion, Transitphase, conjugated linoleic acid, endogenous glucose production, transition period

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