Dissertation

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

 

 Korinna Kedves

 

Charakterisierung des antepartalen Hormonstatus von Milchkühen unter besonderer Berücksichtigung

der Insulin-like Growth Factor I (IGF-I)-Konzentration

im Plasma

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109214

title (engl.)

Characterization of antepartal hormonal status of dairy cows with main focus on insulin-like growth factor I (IGF-I)-concentration in plasma

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kedvesk_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Milchkühe in der Transitperiode sind besonders anfällig für metabolische und infektiöse Krankheiten. Insulin-like Growth Factor I (IGF-I) ist hierbei durch seine interaktive Rolle im Stoffwechsel ein interessanter Parameter, der neue Möglichkeiten für die klinische Überwachung eröffnen könnte.

In dieser Arbeit wurde überprüft, ob die Zuordnung einer Kuh in der Spätträchtigkeit in eine IGF-I-Gruppe („hoch“ versus „niedrig“) anhand einer einzigen Blutprobe möglich ist. Es wurden dazu 20 klinisch gesunde pluripare Holstein Friesian Kühe aus einem landwirtschaftlichen Großbetrieb anhand ihrer IGF-I-Serumkonzentration an Tag 244-254 nach künstlicher Besamung (KB) ausgewählt. So bald wie möglich danach wurden die Kühe zur Klinik für Rinder verbracht und dort eingestallt. Nach einer kurzen Eingewöhnungszeit wurde den unter klinischer Überwachung stehenden Tieren täglich, von Tag 261 bis Tag 275 nach KB, Blut entnommen. Aus unterschiedlichen Gründen mussten 6 Tiere vom weiteren Versuch ausgeschlossen werden, so dass die Endanalysen mit 7 Tieren pro Gruppe durchgeführt wurden.

Die IGF-I-Konzentrationen blieben über den gesamten Versuchszeitraum signifikant unterschiedlich, so dass die Auswahl und Aufteilung in IGF-I-Gruppen anhand einer Einzelprobe bestätigt werden konnte.

Neben IGF-I wurde Growth Hormone (GH), die IGF-Bindungsproteine (IGFBP) IGFBP-2, IGFBP-3 und IGFBP-4, Insulin, Cortisol, Schilddrüsenhormone Trijodthyronin (T3) und Thyroxin (T4), Progesteron, Östradiol sowie β-Hydroxybuttersäure (BHBA) und nicht veresterte Fettsäuren (NEFA) bestimmt. Es wurde bei 10 Tieren außerdem an Tag 270±1 nach KB eine Leberbiopsie genommen und die mRNA-Expression für IGF-I, GH-Rezeptor 1A (GHR-1A), IGFBP-2, IGFBP-3 und IGFBP-4, Acid labile subunit (ALS) sowie Deiodinase 1 (DIO-1) und Suppressor of Cytokine Signaling 2 (SOCS-2) überprüft.

In beiden IGF-I-Gruppen konnte ein Abfall der IGF-I-Konzentration mit einem zeitgleichen GH-Anstieg beobachtet werden, ein Unterschied in der GH-Serumkonzentration zwischen den Gruppen konnte hierbei nicht festgestellt werden. Auch die GHR-1A mRNA-Werte der Leberbiopsie differierten nicht zwischen den Gruppen.

Die ALS mRNA war bei Kühen mit hohem IGF-I höher. Durch Komplexbildung mit IGFBP-3 hilft ALS die Halbwertszeit von IGF-I zu verlängern und könnte deswegen mitverantwortlich für die höheren IGF-I-Konzentrationen der IGF-I-hohen Gruppe sein. Zusätzlich ergab die Westernblot-Analyse der IGFBPs im zeitlichen Verlauf signifikante Veränderungen bei IGFBP-2 und IGFBP-3. Nur bei IGFBP-3 konnte an Tag 275 nach KB ein schwach signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen festgestellt werden. Die Bindungsaffinität von IGFBP-3 sank bei allen Kühen, während die von IGFBP-2 anstieg, beide Proteine zeigten jedoch keine Unterschiede bei der mRNA-Expression. Die Konzentration vonIGFBP-2 korrelierte negativ mit der von IGF-I. Im Gegensatz dazu, konnte bei IGFBP-4 keine Veränderung der Bindungskapazität im Serum beobachtet werden, allerdings eine tendenziell höhere mRNA-Expression bei IGF-I-niedrigen Kühen. Für SOCS-2 konnte keine unterschiedliche mRNA-Expression bei den Gruppen festgestellt werden.

Ein Zusammenspiel von verschiedenen Faktoren, die für die unterschiedlichen IGF-I-Konzentrationen verantwortlich sind, erscheint am wahrscheinlichsten: weniger ALS führt zu einer verminderten Komplexbildung zwischen IGF-I und IGFBP-3 und somit zu einem schnellerem Abbau und eine Verringerung der Bindungskapazität von IGFBP-3 zu mehr freiem IGF-I.

Ein weiterer interessanter Ansatzpunkt findet sich bei den Schilddrüsenhormonen. IGF-I-niedrige Kühe haben signifikant höhere T3 und T4-Werte, sowie eine erhöhte DIO-1 mRNA Expression in der Leber. Die Leber DIO-1 kontrolliert die im Blut vorkommenden T3-Konzentrationen. Hier sind weitere genauere Forschungen zu empfehlen, die u.a. auch höhere Schaltstellen im Schilddrüsenstoffwechsel (Thyreotropin Releasing Hormon) miteinbeziehen. T4 sank über den Versuchszeitraum signifikant ab, während der T3-Verlauf keinen zeitlichen Einfluss zeigte.

Auf der metabolischen Seite ist zu beachten, dass die Gruppe der IGF-I-niedrigen Kühe signifikant höhere BHBA- und NEFA-Werte und ebenfalls signifikant niedrigere Insulin-Werte hatte. Beide Substrate sind deutliche Anzeichen für eine Beeinflussung des Energiestoffwechsels und werden für die Energieproduktion in der Leber verwendet. So wäre es auch vorstellbar, dass die erhöhten T3-Werte einen Versuch des Metabolismus darstellen einen niedrigeren Grundumsatz auszugleichen. Kein statistischer Zusammenhang mit IGF-I konnte für Progesteron und Östradiol, sowie für Cortisol gefunden werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass pluripare Kühe mit niedrigeren antepartalen IGF-I Konzentrationen eine erhöhte metabolische Rate zeigen und eher dazu neigen könnten Stoffwechselstörungen zu entwickeln.

abstract (englisch)

During transition period dairy cows are particularly vulnerable to metabolic and infectious diseases. Insulin-like growth factor I (IGF-I) plays an interactive role in metabolic regulation and could therefore be an interesting screening parameter and might be suitable for clinical monitoring of high yielding dairy cows.

One of the aims of this study was to investigate whether the assignment of a cow in late pregnancy to an IGF-I group ("high" versus "low") based on a single blood sample is possible. Therefore, 20 clinically healthy pluriparous Holstein Friesian cows from a large scale dairy farm were selected solely based on their IGF-I serum concentration determined from a single blood sample taken between day 244 to 254 after artificial insemination (AI).

Subsequently, the cows were transported to the clinic for cattle. After a short adaption period in the clinic for cattle daily blood samples were taken from day 261 to day 275 after AI. During the experimental time the animals were under permanent clinical observation. For various reasons 6 animals had to be excluded from the trial, so that the final analyzes were conducted with 7 animals per group.

The IGF-I concentrations were significantly different during the whole experimental time, thus the selection and assignment in IGF-I groups by a single sample could be confirmed by the results of the present study.

In addition to IGF-I, growth hormone (GH), the IGF-binding proteins (IGFBP) IGFBP-2, IGFBP-3 and IGFBP-4, insulin, cortisol, the thyroid hormones triiodothyronine (T3) and thyroxine (T4), progesterone, estradiol as well as beta-hydroxybutyrate (BHBA) and non-esterified fatty acids (NEFA) were determined. On day 270 ± 1 after AI a liver biopsy was taken from 10 animals and the mRNA expressions of IGF-I, GH receptor 1A (GHR-1A), IGFBP-2, IGFBP-3 and IGFBP-4, acid labile subunit (ALS), as well as deiodinase 1 (DIO-1) and suppressor of cytokine signaling 2 (SOCS-2) were measured.

In both IGF-I groups the IGF-I concentration decreased along with a simultaneous increase in GH, however no difference in the GH serum concentration could be detected between groups. The GHR-1A mRNA levels in the liver biopsy also did not differ between the groups.

The ALS mRNA was higher in cows with high IGF-I plasma concentration. The formation of a stabile complex with IGFBP-3 and ALS helps to prolong the half-life of IGF-I. This might be one reason for the higher IGF-I concentrations in the “IGF-I high” group. Additionally the western ligand blot analysis for IGFBPs showed significant changes over time in IGFBP-2 and IGFBP-3.Only on day 275 after AI a weak direct daily significant difference in IGFBP-3 could be observed between the groups. The binding affinity of IGFBP-3 dropped in all cows, while the binding affinity of IGFBP-2 increased. However in neither group IGFBP-2 or IGFBP-3 showed a significantly different mRNA expression. The concentration of IGFBP-2 correlated negatively with the IGF-I concentration. In contrast, no change in binding capacity was observed for IGFBP-4, however low IGF-I cows tended to have higher IGFBP-4 mRNA expression. For SOCS-2 mRNA no difference in the expression between the groups could be observed in the present study.

Most likely an interplay of various factors appears to be responsible for the different IGF-I concentrations: less ALS resulting in decreased complex formation between IGF-I and IGFBP-3 leading to a faster degradation as well as a decrease in the binding capacity of IGFBP-3 causing more free IGF-I.

The thyroid hormones represent another interesting approach. IGF-I low cows showed significantly higher T3 and T4 levels, as well as an increased DIO-1 mRNA expression in the liver. The activity level of the hepatic DIO-1 is responsible for the T3 concentration in the peripheral blood stream. Here more detailed research is recommended that may include the determination of e.g. thyreotropin releasing hormon (TRH). T4 decreased significantly over the experimental period, while the T3 concentration stayed constant.

The group of IGF-I low cows had significantly higher BHBA and NEFA values as well as significantly lower insulin concentrations. Both substrates indicating that the energy metabolism might be different between the two animal groups selected in the present study. It is conceivable that the increased T3-values represent a metabolic adaption to compensate a lower basal metabolic rate. No statistical correlation with IGF-I and progesterone, estradiol or cortisol was found.

The results of this study demonstrate that pluriparous cows with lower antepartum IGF-I concentrations show an increased metabolic rate and thus may be more inclined to develop metabolic disorders.

keywords

Insulin-like Growth Factor I, Hormonstatus, Milchkühe; Insulin-like Growth Factor I, hormonal status, dairy cows 

kb

1.689