Dissertation

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

 

 Lara Sophie Steinhoff

 

 Untersuchungen zum Schilddrüsenstoffwechsel der Milchkuh in Abhängigkeit des Laktations-, Reproduktions- und Gesundheitsstatus

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109532

title (engl.)

Thyroid hormone metabolism in dairy cattle according to lactation, reproduction and health

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/steinhoffl_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Schilddrüsenhormone spielen eine wichtige Rolle im Rahmen der Stoffwechseladaptation der Milchkuh an die Laktation, aber auch während der Etablierung einer Trächtigkeit sowie während metabolischer und anderer Erkrankungen.

Studien aus den 80er und 90er Jahren deuten auf einen Zusammenhang zwischen dem Laktationsstadium sowie der produzierten Milchmenge und den Schilddrüsenhormonkonzentrationen hin (Refsal et al., 1984; Nixon et al., 1988; Tiirats, 1997; Gueorguiev, 1999). Doch auch Fertilitätsstörungen, wie eine zystische Entartung der Ovarien, und andere Erkrankungen, wie eine Ketose, sind nach den Literaturangaben mit erniedrigten Schilddrüsenhormonkonzentrationen assoziiert (Jorritsma et al., 2002; Djokovic´, 2009; Djokovic´ et al., 2010; Ono et al., 2011; Mutinati et al., 2013; Aungier et al., 2014).

Die Kenntnisse bezüglich des Schilddrüsenhormonmetabolismus der modernen Milchkuh sind im Vergleich zu anderen Spezies wie Mensch oder Hund jedoch wenig umfassend, da der Fokus der gegenwärtig verfügbaren Literatur bisher nur selten auf der Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsenachse liegt.

Es war daher das Ziel der vorliegenden Arbeit, einen aktuellen Überblick über mehrere Teilbereiche des Schilddrüsenhormonmetabolismus der modernen Hochleistungsmilchkuh zu erstellen. Dabei standen die folgenden fünf Aspekte im Fokus:

Um die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Hormonkonzentrationen besser einschätzen zu können, sollte als Erstes die Frage geklärt werden, inwiefern auch beim Rind eine ausgeprägte circadiane Rhythmik besteht. Dazu wurden die T3-, T4- und TSH-Konzentrationen bei drei uniparen Holstein Friesian Kühen, die zum Zeitpunkt des Versuchs weder tragend noch laktierend waren, über 24 Stunden hinweg stündlich analysiert. Die untersuchten Tiere zeigten vormittags niedrigere T3- und T4-Konzentrationen als nachmittags und die T4-Werte waren tagsüber niedriger als nachts. Die TSH-Konzentrationen verhielten sich entgegengesetzt, indem tagsüber höhere Werte als nachts beobachtet wurden. Insgesamt waren bei den untersuchten Tieren im Verlauf von 24 Stunden deutliche Schwankungen erkennbar, sodass bezüglich zukünftiger Verlaufsuntersuchungen die Blutentnahme zu einer konstanten Tageszeit empfohlen wird.

Zweitens sollte der bereits beschriebene Zusammenhang zwischen der täglich produzierten Milchmenge und dem Schilddrüsenstoffwechsel anhand der Hormone T3, T4 und TSH bei der modernen Milchkuh verifiziert werden. Dazu wurden n = 12 Holstein Friesian Färsen im Verlauf des Einsetzens der ersten Laktation über fünf Wochen hinweg zweimal wöchentlich beprobt. Während die T3- und die T4-Serumkonzentrationen der untersuchten Tiere negativ mit der täglich produzierten Milchmenge korrelierten, war zwischen den TSH-Serumkonzentrationen und der Milchmenge keine Interaktion festzustellen. Die in der Literatur genannte Assoziation konnte demnach bestätigt werden. Da die Schilddrüsenhormonkonzentration entweder von der Milchmenge abhängen kann, oder aber umgekehrt selbst einen Einfluss auf die Stoffwechseladaptation und damit auf die produzierte Milchmenge ausüben kann, bleibt in Folgearbeiten diese Kausalität zu klären.

Drittens sollte während der frühen Gravidität und während der Transitphase geprüft werden, inwiefern der Schilddrüsenstoffwechsel im Rahmen der metabolischen Adaptation an diese wichtigen Phasen der modernen Milchkuh eine Rolle spielt.

Tragende (n = 41) und nichttragende (n = 34), pluripare Holstein Friesian Kühe der gleichen Herde wiesen an Tag 0 und an Tag 18 vergleichbare Konzentrationen der Schilddrüsenhormone T3, rT3, T4, fT4 und TSH auf und zeigten von Tag 0 zu Tag 18 absinkende T3- und T4-Konzentrationen, während lediglich bei nichttragenden Tieren absinkende fT4- und TSH-Konzentrationen zu beobachten waren. Im weiteren Verlauf der Gravidität (Tag 42, 60 und 100) stiegen die Konzentrationen der Schilddrüsenhormone T3, T4, fT4 und TSH an, die rT3-Konzentrationen nahmen jedoch ab. Dies deutet auf eine spezifische Adaptation des Schilddrüsenhormonstoffwechsels während der frühen Gravidität hin. Während der Transitphase wurden bei n = 12 Holstein Friesian Färsen von Tag 19 ± 1 a. p. bis zu Tag 34 ± 2 p. p. die T3-, T4- und TSH-Konzentrationen analysiert. Des Weitern wurden n = 6 pluripare Tiere ab zwei Wochen vor der Abkalbung bis zu Tag 14 ± 5 p. p. beprobt. Die untersuchten Tiere zeigten kurz nach der Kalbung ein Absinken der T3- und T4-Konzentrationen mit den niedrigsten Konzentrationen in der ersten und zweiten Woche post partum. Die TSH-Werte waren während der Transitphase, mit Ausnahme eines Peaks zum Zeitpunkt der Kalbung, konstant. Des Weiteren waren deutliche tierindividuelle Schwankungen erkennbar, die sich in einer besonders großen Standardabweichung zum Zeitpunkt der Kalbung manifestierten. Dies kann auf die tierindividuell unterschiedlich ausgeprägte Fähigkeit hinweisen, sich an die metabolische Situation p. p. ausreichend zu adaptieren.

Viertens wurde der Einfluss des Gesundheitsstatus auf die Konzentrationen der Schilddrüsenhormone T3, T4 sowie TSH anhand zweier Erkrankungen mit einer hohen Prävalenz in Milchviehherden, der Mastitis und der Ketose, dargestellt.

Die Hormonkonzentrationen waren bei drei mammär mit E. coli infizierten Holstein Friesian Färsen und neun mit Staph. aureus infizierten Färsen mit der physiologischen Laktation vergleichbar, und auch die Hormonkonzentrationen der sechs an einer Ketose erkrankten Tiere entsprachen denen der sechs gesunden Holstein Friesian Kühe. Da jedoch bei beiden Erkrankungen Unterschiede zwischen den untersuchten Gruppen in Form von Tendenzen beobachtet wurden, die sich bei der Verwendung eines größeren Stichprobenumfangs signifikant darstellen könnten, sollte dies in Folgestudien überprüft werden.

Fünftens wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob sich die ultrasonographische Untersuchung der bovinen Schilddrüse als weiterführende diagnostische Methode eignen kann. In diesem Rahmen wurde die Dicke der bovinen Schilddrüse ultrasonographisch an n = 12 Holstein Friesian Färsen erfasst. In einer anschließenden Sektion konnten des Weiteren die Dimensionen Länge, Breite und Dicke sowie Gewicht und Volumen der zuvor untersuchten Schilddrüsen erfasst werden, sodass zwar positive Korrelationen zwischen der in der Sektion erfassten Dicke und dem Gesamtgewicht sowie dem Gesamtvolumen festgestellt wurden, diese Wechselbeziehungen jedoch nicht in Bezug auf die ultrasonographisch erfasste Dicke auftraten. Ursächlich kommen sowohl Verfälschungen der ultrasonographisch erfassten Daten durch Änderungen der Kopfhaltung der Tiere, als auch durch den notwendigen Schallkopfandruck auf das Gewebe in Frage.

Zusammenfassend zeigt die aktuelle Übersicht, die in der vorliegenden Arbeit über verschiedene Bereiche des Schilddrüsenhormonmetabolismus der modernen Milchkuh gewonnen wurde, dass zukünftige Studien einen Fokus auf die Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsenachse insbesondere während der Laktation, der Gravidität und der Transitphase legen sollten und dabei auch die Komplexität des Schilddrüsenhormonstoffwechsels durch die zusätzliche Bestimmung von rT3, fT4 und gegebenenfalls auch T2 berücksichtigt werden sollte.

abstract (englisch)

Thyroid hormones are of major importance in dairy cows, e. g. during metabolic adaption towards lactation. Moreover, thyroid hormones are essential for the maintenance of pregnancy.

Studies that date back to the 80s and 90s already indicate a correlation between the stage of lactation, milk yield and thyroid hormone concentrations (Refsal et al., 1984; Nixon et al., 1988; Tiirats, 1997; Gueorguiev, 1999). Moreover, impaired fertility, ovarian follicular cysts, and other diseases, like ketosis, were previously associated with decreased thyroid hormone concentrations (Jorritsma et al., 2002; Djokovic´, 2009; Djokovic´ et al., 2010; Ono et al., 2011; Mutinati et al., 2013; Aungier et al., 2014).

Nevertheless the knowledge about thyroid hormone metabolism in modern dairy cows is still small, compared to other species, like humans or dogs. Recent literature in dairy cows rarely focuses on the hypothalamic-pituitary-thyroid axis.

Hence, the objective of the present study was to examine particular aspects of thyroid hormone metabolism in modern, high-yielding dairy cows by focusing on five specific questions:

The circadian rhythm of thyroid hormones in cattle should be examined first. For this purpose the concentrations of T3, T4 and TSH were analyzed hourly for 24 hours in n = 3 Holstein Friesian cows, which were neither pregnant nor lactating during the experiment. The cows presented lower T3 und T4 concentrations in the morning, compared to the afternoon, and T4 exhibited lower concentrations during the day, compared to the night. TSH acted contrary, showing higher concentrations by day than by night. Therefore, it is recommended to take blood samples for studies during comparable times of the day.

Second, the association between daily milk yield and thyroid hormone metabolism should be verified on the basis of T3, T4 and TSH measurements. Therefore, n = 12 Holstein Friesian heifers were sampled twice weekly for five weeks during the onset of lactation. While concentrations of T3 and T4 correlated negatively with daily milk yield, no interaction between TSH and milk yield was observed. Thus, the previously described association between thyroid hormones and milk yield could be confirmed by the results of the present study. As thyroid hormone concentration might depend on milk yield or vice-versa, the causality remains to be clarified in further studies.

Third, thyroid metabolism during metabolic adaption in early pregnancy as well as during the transition period was addressed in the present study.

Therefore, pregnant (n = 41) and non-pregnant (n = 34), pluriparous Holstein Friesian cows were sampled and the results indicated comparable T3, rT3, T4, fT4 and TSH concentrations on day 0 and on day 18 after artificial insemination. In addition, concentrations of T3 and T4 decreased in pregnant and non-pregnant cows from day 0 towards day 18. When pregnancy proceeds (day 42, 60 and 100), T3, T4, fT4 and TSH concentrations increased and rT3 concentrations decreased. These results indicate a specific adaption within the hypothalamus-pituitary-thyroid axis.

During the transition period (day 19 ± 1 antepartum until day 34 ± 2 postpartum), concentrations of T3, T4 and TSH were analyzed in n = 12 Holstein Friesian heifers. Furthermore, n = 6 pluriparous cows were sampled twice weekly from two weeks before calving until day 14 ± 5 after parturition. The T3 and T4 concentrations decreased during the first and the second week postpartum, whereas TSH remained constant. In addition, marked differences were recognized between animals, indicated by a particular high standard deviation at parturition. These results suggest a high inter-individual variability of metabolic adaption.

Fourth, the influence of health status on T3, T4 and TSH concentrations was examined by taking blood samples from cows suffering from mastitis or ketosis.

Hormone concentrations were comparable between n = 3 Holstein Friesian heifers experimentally infected with Escherichia coli as well as n = 9 heifers experimentally infected with Staphylococcus aureus intramammarily. No differences in thyroid hormone concentrations were detected in n = 6 ketotic and n = 6 healthy Holstein Friesian cows.

Fifth, the recent study addressed the question, whether ultrasonographic examination of the bovine thyroid gland could be suited as a diagnostic method. Therefore, the thickness of the thyroid gland was determined using ultrasonography in n = 12 Holstein Friesian heifers. During a subsequent dissection length, width, thickness as well as weight and volume were assessed. A positive correlation between thickness and weight as well as volume could be demonstrated. No comparable interactions could be proven concerning thickness determined via ultrasonography and data assessed during dissection. A disadvantage of the method was the influence of the animals´ head movements on the ultrasonographically detected shape of the thyroid gland.

In conclusion, the current overview of several aspects of thyroid hormone metabolism in high-yielding dairy cattle given in the present study indicates that thyroid hormones might have an important effect especially during lactation, pregnancy and the transition period. Considering the complexity of thyroid hormone metabolism, rT3, fT4 and T2 should be analyzed in future studies.

keywords

TSH, Ultrasonographie, Schilddrüse, TSH, ultrasonography, thyroid

kb

2.170