Dissertation

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

Alina Hülsebusch

Einflüsse der Kolostren Mastitis-resistenter und

-suszeptibler Kühe auf die Entwicklung des Immunsystems von Kälbern

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-111305

title (eng.)

Influences of colostra mastitis-resistant and -susceptible dams on the development of the immune system of calves

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2018

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/huelsebuscha_ss18.pdf

abstract (deutsch)

Eine vielversprechende Möglichkeit die Entwicklung des Immunsystems bei Kälbern zu modulieren stellt die genetische Selektion der Muttertiere dar. Aus diesem Grunde untersuchte die vorliegende Arbeit anhand ausgesuchter Parameter die Einflüsse der Kolostren von Mastitisresistenten und suszeptiblen Mutterkühen der Rasse Holstein Friesian auf ihre Nachkommen.

 

GQKälber (n = 16) stammten aus Mastitis-resistenten und kqKälber (n = 15) aus Mastitis-suszeptiblen Muttertieren. Innerhalb der ersten drei Lebensstunden wurden alle Kälber mit mindestens 2,8 L Kolostrum des Muttertieres versorgt. Zur fünften Mahlzeit erfolgte eine Umstellung von Kolostrum auf einen herkömmlichen Milchaustauscher. Um die immunmodulierende Wirkung eines kommerziell erhältlichen Kolostrumkonzentrates zu überprüfen, wurde der Hälfte aller Kälber zusätzlich zum Milchaustauscher 0,5 % Kolostrumkonzentrat B.I.O.Ig zugefüttert.

 

Direkt nach der Geburt, vor der ersten Kolostrumaufnahme, erfolgte die erste Blutprobenentnahme (P01). Die zweite Blutprobenentnahme folgte 12 - 36 Std. post partum. Sechs weitere Blutproben wurden zweimal wöchentlich entnommen, sodass die Kälber zu Versuchsende (P08) durchschnittlich 21 Tage alt waren. Die klinische Performance der Kälber wurde täglich anhand eines Score-Systems (0 - 11) erfasst. Zusätzlich wurden alle Kälber am Tag der Geburt und im weiteren Verlauf alle zwei Tage bis zum Versuchsende gewogen.

 

Bezüglich der klinischen Performance der Kälber zeigten sich grundlegende Unterschiede. GQKälber waren über den Gesamtversuchszeitraum an signifikant weniger Versuchstagen klinisch (leicht) erkrankt als kqKälber (Score Cut off: ≥ 2,5, p = 0,009). Die Tatsache, dass GQKälber über den Gesamtverlauf gesünder waren als kqKälber ließ die Vermutung zu, dass diese Tiere ebenfalls immunologische Unterschiede aufwiesen.

 

Während die Kolostralseren der Mastitisresistenten und suszeptiblen Muttertiere vergleichbare IgG1 und IgG2Konzentrationen besaßen, hatten GQKälber nach der Kolostrumaufnahme nahezu über den gesamten Verlauf höhere IgG1 und IgG2Konzentrationen im Blutserum als kqKälber. Diese Unterschiede lassen auf eine höhere DarmResorptionskapazität an IgG in GQKälbern schließen.

 

Da sich die Konzentrationen an löslichem CD14 (sCD14) weder im Kolostrum noch in den Blutseren der Kälber unterschieden, konnte sCD14, von welchem bekannt ist, dass es die BZelldifferenzierung steuern kann, nicht für die unterschiedlichen IgGKonzentrationen im Serum der Kälber verantwortlich gemacht werden.

 

Mittels Membranimmunfluoreszenz wurden die lymphozytären Subpopulationen klassischer TZellen (CD4+und CD8+), gd TZellen, aktivierter und ruhender NKZellen, BZellen sowie die monozytären Subpopulationen klassischer (cM), intermediärer (intM) und nicht-klassischer Monozyten (ncM) ermittelt. Noch vor Kolostrumaufnahme tendierten GQKälber prozentual zu einem höheren Anteil CD4+ TZellen unter den Lymphozyten und besaßen absolut mehr CD4+ TZellen als kqKälber. KqKälber wiesen einen prozentual höheren Anteil an CD8+ TZellen unter den Lymphozyten auf und tendierten zu einer höheren absoluten Monozytenzahl. Diese Unterschiede legen eine differente intrauterine Immunprogrammierung der Kälber nahe. GQKälber wiesen sowohl nach der Kolostrumaufnahme als auch im weiteren Versuchsverlauf eine unterschiedliche Zusammensetzung zellulärer Subpopulationen im peripheren Blut auf. Dies lässt darauf schließen, dass sich die Kolostren der Muttertiere in ihren immunmodulierenden Inhaltsstoffen unterscheiden oder die Resorptionskapazität für solche Inhaltsstoffe zwischen den Kälbern unterschiedlich ist.

 

Bei allen Tieren konnte nach der Kolostrumaufnahme ein Abfall aktivierter und ruhender NKZellen beobachtet werden (signifikant nur bei GQKälbern). Ebenfalls konnte die Kolostrumaufnahme die erstmalig in dieser Arbeit beschriebenen prozentualen Anteile der monozytären Subpopulationen beim Kalb beeinflussen. Der prozentuale Anteil klassischer Monozyten an allen Monozyten sank nach Kolostrumaufnahme drastisch und signifikant von 80 - 83 % auf 60 - 66 %. Dieser Effekt war individuell verschieden und nicht mit dem genetischen Hintergrund der Kälber korreliert. Die Steigerung des Anteils intermediärer Monozyten an allen Monozyten reichte von 131 - 2514 %.

 

InvitroAnalysen mit adultem Blut/Monozyten zeigten, dass weder Kolostral-, Milch- oder Kälberseren noch das Kolostrumkonzentrat B.I.O.Ig die Oberflächenmoleküle CD14 und CD16 von Monozyten beeinflussen und damit nicht für den ex vivo beobachteten Shift von cM zu intM bei den Kälbern verantwortlich sind. Kolostralseren von Kühen, deren Kälber nur geringe Steigerungen des Anteils von intermediären Monozyten an P02 aufwiesen (K2), verringerten sogar den Anteil von intM und steigerten hingegen den Anteil von ncM. Ebenfalls führten Serumpools von Kälbern, die einen starken (Ks1) oder schwachen (Ks2) Anstieg des Anteils an intM zeigten, in vitro zu einem Abfall des intMAnteils.

 

Die mRNAExpression peripherer Leukozyten wurde für TNF, IL1B, IL12, IL10 und CXCL8 an den Probezeitpunkten P01, P02 und P06 untersucht. Nur bezüglich mRNAExpression von IL1B konnten Unterschiede in GQ und kqKälbern an P01 aufgezeigt werden, welche in einem höheren IL1B/IL12Verhältnis der kqKälber resultierten (p = 0,008). Während die mRNAExpression von IL1B bei GQKälbern an den untersuchten Probezeitpunkten vergleichbar war, sank die mRNAExpression von IL1B bei kqKälbern von P02 zu P06 ab.

 

Eine immunmodulierende Wirkung des Kolostrumkonzentrates B.I.O.Ig konnte vorrangig für die IgG1 und IgG2Konzentrationen im Blutserum der GQKälber gefunden werden. Hier erhöhte das Kolostrumkonzentrat bei GQKälbern die Konzentrationen von IgG1 und IgG2 im Blutserum, sowohl im Vergleich zu GQKälbern ohne Supplementierung als auch im Vergleich zu kqKälbern mit Supplementierung. Dieser Effekt blieb bei kqKälbern aus. Somit beeinflusste der genetische Hintergrund des Muttertieres ebenfalls den Supplementierungseffekt.

 

 

 

Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass die genetische Selektion der Muttertiere die Entwicklung des Immunsystems bei Kälbern moduliert. Weiterhin bieten diese Ergebnisse den Ansatzpunkt für künftige Studien, den Fokus auf das Erzeugen von immunkompetenten Kälbern zu legen. Die nähere Erforschung der Entwicklung des Immunsystems bei Kälbern wäre von großem agrarwirtschaftlichen Nutzen und könnte neben einer Reduktion des Einsatzes von Medikamenten zur Steigerung des Tierwohles beitragen. 

abstract (englisch)

A promising opportunity to modulate the development of the immune system of calves is the genetic selection of their dams. For this reason, this study investigated the influence of the colostra of mastitis-resistant and -susceptible Holstein Friesian cows on their offspring.

 

GQcalves (n = 16) were born from mastitis-resistant and kqcalves (n = 15) from mastitissusceptible dams. Within the first three hours of life, all calves were fed at least 2.8 litres of maternal colostrum. Starting with the fifth meal, the calves were fed a conventional milk replacer. In order to investigate the immunomodulatory effect of a commercially available colostrum concentrate, half of all calves were fed a 0.5 % colostrum concentrate (B.I.O.Ig) in addition to the milk replacer.

 

Immediately after birth and before the first colostrum intake, the first blood sample was taken (P01). The second blood sampling followed 12 - 36 hours postpartum. Six more blood samples were taken twice weekly, so that the calves were on average 21 days of age at the end of the experiment (P08). Calf clinical performance was recorded daily using a score system (0 - 11). In addition, all calves were weighed on the day of birth and successively every two days until the end of the experiment.

 

Fundamental differences were found regarding the clinical performance of the calves. During the entire trial period, GQcalves were clinically (slightly) ill on a significantly reduced number of days compared to kq-calves (score cut off: ≥ 2.5, p = 0.009). The fact that GQcalves were healthier during the experiment suggests that the groups also exhibited immunological differences.

 

While the colostral sera of the mastitis-resistant and -susceptible dams showed comparable IgG1 and IgG2concentrations, GQcalves had higher IgG1 and IgG2concentrations in the blood serum than kq-calves on almost all sample times after colostrum uptake. These differences suggest a higher intestinal absorption capacity for IgG in GQcalves.

 

As the levels of soluble CD14 (sCD14) were not different in the colostrum or in the blood sera of the calves, sCD14, which is known to drive B cell differentiation, did not cause the different IgG concentrations in the calf serum.

 

The lymphocytic subpopulations of classic Tcells (CD4+ and CD8+), gd Tcells, activated and resting NKcells, Bcells, as well as the monocytic subpopulations of classical (cM), intermediate (intM), and nonclassical monocytes (ncM) were determined by membrane immunofluorescence. Even before colostrum intake, GQcalves tended to have a higher percentage of CD4+ Tcells and had more CD4+ Tcells among lymphocytes than kqcalves. kqcalves had a higher percentage of CD8+ Tcells among lymphocytes and tended to have a higher absolute monocyte count. These differences suggest a different intrauterine immune programming of the calves. GQcalves had a different composition of cellular subpopulations in the peripheral blood, both after colostrum intake and during the further course of the experiment. This either suggests that maternal colostra differ in their immunomodulating ingredients, or that the absorption capacity for such ingredients varies among the calves.

 

A decrease of activated and resting NK cells was observed in all animals after colostrum uptake (significant only in GQcalves). Colostrum uptake also influenced the percentage of monocytic subpopulations of calves, as described for the first time in this study. The percentage of classical monocytes in all monocytes dropped significantly from 80 - 83 % to 60 - 66 % after colostrum intake. This effect was individually different and not correlated to the genetic background of the calves. The increase in the proportion of intermediate monocytes in all monocytes ranged from 131 - 2514 %.

 

In-vitro-analysis of adult blood/monocytes showed that neither colostrum, milk or calfsera nor the colostrum concentrate B.I.O.Ig affected the surface molecules CD14 and CD16 of monocytes. None of these can thus be responsible for the shift of cM to intM observed in the calves ex vivo. Colostral sera from cows whose calves only showed small increases in the proportion of intermediate monocytes in P02 (K2) even reduced the proportion of intM and increased the proportion of ncM. Also, serum pools of calves showing a strong (Ks1) or weak (Ks2) increase in the intM proportion caused a decrease in intM in vitro.

 

Peripheral leukocyte mRNAexpression was studied for TNF, IL1B, IL12, IL10 and CXCL8 at sample times P01, P02 and P06. Differences in GQ and kqcalves at P01 could only be demonstrated for the mRNAexpression of IL1B.These resulted in a larger IL1B/IL12-ratio in kq-calves (p = 0,008). While the mRNAexpression of IL1B was comparable in GQcalves at all sampling times, the mRNAexpression of IL1B decreased in kqcalves from P02 to P06.

 

An immunomodulatory effect of the colostrum concentrate B.I.O.Ig could be found primarily for the IgG1 and IgG2concentrations in the blood serum of GQcalves. An increase in the levels of IgG1 and IgG2 in the blood serum was observed in GQ-calves who received supplementation, both in comparison to GQcalves without supplementation and to kqcalves with supplementation. No such effect was observed in kqcalves. This suggests that the genetic background of the dam also influences the supplementation effect.

 

The results of this study illustrate that the genetic selection of dams modulates the development of the immune system in calves. These findings are relevant for future studies as they provide a starting point for the creation of immunocompetent calves. Further research focusing on the development of the immune system in calves would be of great value for the agriculture and could cause a reduction in the use of medication, as well as contribute to an increase in animal welfare.

keywords

Kalb, Kolostrum, Entwicklung des Immunsystems, calf, colostrum, development of immune system 

kb

2.758