Dissertation

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

Anja Maria Schacht

Beeinflussung des Stoffwechsels von

Deutsch Holstein Kühen durch die individuelle Nebennierenrindensensitivität

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110908

title (eng.)

Effects of individual adrenal cortex sensitivity on metabolism of Holstein dairy cows

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/schachta_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Eine überschießende peripartale Lipolyse bei Milchkühen kann zu schwerwiegenden gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. Die stark negative Energiebilanz infolge eines hohen Glucoseverbrauchs des Euters und einer unzureichenden Futteraufnahme führt zwangsläufig zum Abbau von Körperreserven, vor allem Fettgewebe. Dabei entstehen nicht veresterte Fettsäuren (NEFA), die auf mehreren Wegen abgebaut werden. Neben der Oxidation in Leber und Muskulatur, um zu Ketonkörpern (Betahydroxybutyrat (BHB), Acetoacetat und Acetat) umgewandelt als Energiequelle genutzt zu werden, werden sie in der Leber zu Triacylglycerol (TAG) reverestert und eingelagert oder im Euter als Vorläufersubstrat für die Synthese von Milchfett verbraucht. Peripartal sind höhere NEFA und BHB Konzentrationen im Blut messbar. Als Folge einer überschießenden Lipolyse geraten die Tiere in eine subklinische oder klinische Ketose, die mit Erkrankungen wie Fettleber, Metritis, Mastitis, Labmagenverlagerung und einem generell verminderten Immunsystem einhergehen kann. Aus Gründen der Ökonomie und des Tierschutzes sollten diese Erkrankungen bei Tieren bestmöglich verhindert werden.

 

Es ist bekannt, dass eine hohe Körperkondition zum Partus mit einer gesteigerten Lipolyse einhergeht und somit das Auftreten der oben genannten Krankheiten begünstigt. Neben Faktoren auf Herdenebene, wie das Management und die Fütterung, sind es auch kuhassoziierte Faktoren, wie das Alter und die Parität, welche die Körperkondition beeinflussen. Aber auch die Genetik spielt mit Heritabilitäten von bis zu 0,6 für die Körperkondition eine große Rolle. Gemessen wird die Körperkondition beispielsweise anhand des BCS, der in Deutschland üblicherweise in 0,25 – 0,5er Schritten auf einer Skala von 1 – 5 angegeben wird, wobei sehr schlanke Tiere einem BCS von 1 zugeordnet werden und dicke Tiere einem BCS von 5. Alternativ stellt die ultrasonografische Messung der Rückenfettdicke eine etablierte Methode dar, die zudem objektiver ist.

 

Wiederkäuer nehmen anders als Monogastrier, nur wenig Glucose intestinal auf, sondern betreiben hepatische und renale Gluconeogenese, wobei die Fettsäuren aus dem Pansen als Vorläufersubstrat genutzt werden. Sie weisen zudem die Besonderheit auf, dass die peripartal auftretende Insulinresistenz ermöglicht, dass mehr Glucose insulinunabhängig in das Euter aufgenommen werden kann. Da Glucose das Vorläufersubstrat für Laktose darstellt und über den Laktosegehalt mit Hilfe des osmotischen Druckes die Gesamtmilchmenge bestimmt wird, ist eine bevorzugte Glucoseversorgung des Euters essentiell. Die Insulinresistenz wird unterteilt in eine verringerte Insulinsensitivität (es wird mehr Insulin benötigt, um den gleichen Effekt zu erreichen) und einer verringerten Insulinrespons (es kann auch bei einer großen Menge an Insulin keine volle Wirkung erreicht werden). Um die Insulinsensitivität zu beurteilen, können aus den Konzentrationen von Glucose, Insulin und NEFA Ersatzindices berechnet werden, die sich in der Humanmedizin etabliert haben. Weiterhin ist der intravenöse Glucosetoleranztest, bei dem Glucose intravenös verabreicht wird und anschließend die Konzentrationen von Glucose, Insulin und NEFA ermittelt werden, möglich. Als Goldstandard gilt aber in der Human- und Veterinärmedizin der hyperinsulinämische euglycämische Glucoseclamp (HEC).

 

Ein besonderes Augenmerk soll in dieser Arbeit auf die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden (englisch: hypothalamic-pituitary-adrenal = HPA) Achse gelegt werden. Diese in Stresssituationen aktivierte Achse, führt neben der Ausschüttung von ACTH aus dem Hypophysenvorderlappen zur Freisetzung von Cortisol aus der Nebennierenrinde. Cortisol senkt die Insulinsensitivität und steigert die Lipolyse. Da die Stärke der Cortisolantwort der HPA Achse individuell hoch ist, lässt sich die Reaktivität der HPA Achse mit einem Stimulationstest nutzen, bei dem ACTH injiziert wird (ACTH Test). Die Höhe der Cortisolausschüttung ist ein Maß für die individuelle HPA Achsen Sensitivität, da diese von der Reaktion der Nebennierenrinden auf ACTH abhängig ist. Es konnte gezeigt werden, dass die Cortisolkonzentration auf ACTH Injektion mit der auf einen Stressstimulus korreliert, so dass davon auszugehen ist, dass die Cortisolkonzentration im ACTH Test auch die individuelle Stressempfindlichkeit wiederspiegelt.

 

Ziel dieser Arbeit war es, Milchkühe anhand der Cortisolausschüttung im ACTH Test in weniger reaktive Tiere (low responder, LR) und mehr reaktive Tiere (high responder, HR) einzuteilen. Die Kühe wurden von d-42 bis d106 intensiv beprobt. Es wurden bis d98 wöchentlich die Milchleistungsdaten und Produktionsdaten bestimmt, sowie Blutproben zur Bestimmung der Konzentrationen von Stoffwechselparametern und Hormonen entnommen. Außerdem wurde wöchentlich der BCS ermittelt und zu vier Zeitpunkten (d-42, d3, d21, d98) der Leberfettgehalt und die Rückenfettdicke bestimmt. Zudem wurden Produktionsparameter berechnet, wie fett- und energiekorrigierte Milchmenge, Energiebilanz, Fütterungseffizienz, Energiekonvertierungsrate und Metabolische Effizienz. Um ein Maß für die Insulinsensitivität zu erhalten, wurden aus den Blutkonzentrationen von Glucose, Insulin und NEFA von d-42 bis d98 Ersatzindices berechnet (QUICKI, RQUICKI, HOMA, logHOMA, rpHOMA) und zum Ende des Versuches (d106) ist ein intravenöser Glucosetoleranztest durchgeführt worden. Mit Hilfe eines gemischten Models (Proc mixed) in SAS 9.3 wurden der Einfluss der Zeit, der Gruppe (low responder / high responder) und Zeit*Gruppe für alle gemessenen und berechneten Parameter bestimmt.

 

Die Tiere, die mit einem geringeren Cortisol Peak im ACTH Test reagieren (low responder), sind über den Versuchszeitraum signifikant dicker und mobilisieren mehr Fettgewebe. Obwohl sich die Gruppen nicht in der Futteraufnahme, Milchleistung und der daraus berechneten Energiebilanz unterscheiden, spiegeln sich die höheren Körperkonditionen bei den low respondern in höheren BCS (p < 0,001 für Gruppe) und Rückenfettdicken (Gruppe: p = 0,019, Zeit*Gruppe: p < 0,001) wieder. Die gesteigerte Lipolyse bei diesen Tieren erkennt man an höheren Konzentrationen von NEFA (Gruppe: p = 0,077, Zeit*Gruppe: p = 0,013), BHB (Gruppe: p = 0,083) und einem höheren Leberfettgehalt (Gruppe: p = 0,036), sowie Milchfettgehalt (Gruppe: p = 0,004). Andere Milchleistungsparameter sind unbeeinflusst von den Gruppen. Es sind keine Gruppenunterschiede bei der Energiekonvertierungsrate oder Metabolischen Effizienz sichtbar, lediglich die Fütterungseffizienz ist in der Frühlaktation bei den Tieren der low responder Gruppe höher. Low responder weisen überdies höhere Konzentrationen an IGF-1 (Gruppe: p = 0,037) und niedrigere Konzentrationen an GH (Gruppe: p = 0,008) auf. Die Gruppen unterscheiden sich aber nicht hinsichtlich der Insulinsensitivität, gemessen als Glucose und Insulinkonzentrationen, als berechnete Ersatzindices und im GTT. Lediglich die NEFA Konzentration im GTT ist in der low responder Gruppe tendenziell höher (p = 0,083).

 

Es lässt sich daher festhalten, dass die low responder Kühe im ACTH Test dicker sind und eine Disposition für das Lipomobilisationssyndrom zeigen. Aufgrund der sich daraus entwickelnden Krankheiten (Fettleber, Metritis, Mastitis, Labmagenverlagerung) sollte eine Zucht auf Kühe, die zum Partus nicht verfettet sind, vorherrschen. Möglicherweise stellt die Zucht auf Tiere, die als high responder im ACTH Test reagieren, eine Möglichkeit dar, stoffwechselrobustere Milchkühe zu erhalten.

abstract (englisch)

Excessive lipolysis can have severe effects on the health of periparturient dairy cows. Negative energy balance (NEB) as a consequence of high glucose demand of the mammary gland and insufficient feed intake, leads to mobilization of body energy reserves, especially the adipose tissue. Non-esterified fatty acids (NEFA) are produced, as result of mobilization, and are metabolized in different pass ways. NEFA can be oxidized into ketone bodies (β-hydroxybutyrate (BHB), acetoacetate and acetone) in liver and muscle tissue and used as energy source. Furthermore, it can be re-esterified into triacylglycerol (TAG) and stored in the liver. The udder can use NEFA, as precursor, for production of milk fat. Higher blood NEFA and BHB concentration can be measured in periparturient cows. Subclinical or clinical ketoses can develop in consequence of gross lipolysis and can be accompanied by diseases, such as fatty liver, metritis, mastitis, displaced abomasum and decreased immunity. Economic and welfare considerations make it important to prevent the development of these diseases.

 

Earlier studies already established that cows with high body condition at calving have a higher rate of lipolysis and have a greater risk to develop aforementioned diseases. Body condition is influenced by herd level factors (management, feeding), as well as by animal level factors (age, parity). Genetics, with heritability of up to 0.6, has an impact on body condition, too. Body condition scoring (BCS) is used to estimate the condition of individual animals. BCS scale ranging from 1 to 5 with intercept of 0.25-0.5 is usually used in Germany, where BCS 1 represents a very lean and BCS 5 a very fat cow. Ultrasonographic measurement of backfat thickness can be used as an alternative and more objective method to determine the body condition.

 

Unlike monogastric animals, ruminants have a low intestinal glucose uptake. Main glucose source in ruminants is the hepatic and renal gluconeogenesis, where volatile fatty acids produced in the rumen are used as substrates. Moreover, ruminants exhibit periparturient insulin resistance, which favors the insulin-independent glucose uptake of udder. The augmented glucose supply of the udder is essential, as it is required for lactose synthesis and has an influence on the total milk production via osmotic effect of lactose. Insulin resistance is described as decreased insulin sensitivity (insulin concentration necessary to cause a half-maximal response) or decreased insulin responsiveness (maximal effect of insulin). Insulin sensitivity can be assessed by using surrogate indexes, which are calculated from blood concentration of glucose, insulin and NEFA, and are well-established in human medicine. Glucose tolerance test (GTT) or insulin tolerance test (ITT, insulin challenge) can be used for similar purpose. During these procedures glucose or insulin is administered and glucose, insulin and NEFA concentrations are assessed. However, the hyperinsulinemic euglycemic clamp test is considered as the gold-standard method in human and veterinary medicine.

 

This thesis paid a particular attention to the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA)-axis. The HPA-axis is activated by different stressors and as reaction, adrenocorticotropic hormone (ACTH) from anterior pituitary and cortisol from adrenal cortex is secreted. Consequently, insulin sensitivity is decreased and lipolysis is increased. The individual differences in cortisol response can be used to determine the reactivity of the HPA-axis. To this end, a stimulation test (ACTH test) is implemented by injecting ACTH and cortisol concentration is measured, as the concentration depends on the reaction of adrenal cortex to ACTH stimulus. It was determined by earlier study that cortisol concentration after ACTH injection and a stress stimulus are analogous. Thus, it can be assumed that the cortisol level during ACTH test reflects the individual sensitivity to stress.

 

The aim of this study was to divide dairy cows into low and high responder animals according to the cortisol released during the ACTH test. The trial period lasted from d-42 until d106 relative to parturition. Milk production and performance data, as well as blood samples to quantify hormone and metabolic parameters, were collected weekly until d98. BCS was determined weekly, too. Liver lipid content and backfat thickness were determined at four time points (d-42, d3, d21 and d98). Moreover, some production parameters are calculated, like fat corrected milk yield, energy corrected milk yield, energy balance, feed efficiency, energy conversion ratio, and metabolic efficiency. Surrogate indexes for insulin resistance (QUICKI, RQUICKI, HOMA, logHOMA, rpHOMA) were calculated from blood glucose, insulin and NEFA concentrations between d-42 and d98. Intravenous GTT test was performed at the end of the trial period (d106). Statistical analysis was done by using software SAS 9.3. The Proc mixed procedure was used to compute the effects of time, group (low/high responder) and time by group interaction for all measured and calculated parameters.

 

The low responder animals (low cortisol peak during ACTH test) were significantly fatter and mobilized more fat. No differences were found between low and high responder cows in regard to feed intake, milk production and energy balance. However, low responders had superior body condition, as indicated by higher BCS (group p = 0.0002) and backfat thickness (group: p = 0.019, time*group: p < 0.0001). The increased lipolysis in these animals was delineated by higher concentrations of NEFA (group: p = 0.077, time*group: p = 0.013) and BHB (group: p = 0.083), as well as by higher liver (group: p = 0.036) and milk fat content (group: p = 0.004). Group had no other effect on milk parameters. There is no difference in energy conversion ratio and metabolic efficiency between the two groups, but feed efficiency is higher in low responder cows than in high responder cows in early lactation. Additionally, low responder cows had higher insulin-like growth factor 1 (IGF-1) (group: p = 0.037) and lower growth hormone (GH) (group: p = 0.008) concentrations. No differences were observed between the groups in insulin sensitivity, surrogate indexes and GTT, except for NEFA concentration during GTT test, which tended to be higher in low responder group (group: p = 0.083).

 

In conclusion, low responder cows are fatter and have a disposition toward lipomobilization syndrome. In order to prevent the diseases associated with this syndrome (fatty liver, metritis, mastitis and displaced abomasum), special care should be taken to insure, cows are in optimal condition at the parturition. Moreover, breeding high responder cows with more robust metabolism could be beneficial to dairy farming.

keywords

HPA-Achse, Lipolyse, Ketose, HPA-axis, lipolysis, ketosis

kb

1.289