Dissertation

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

Tanja Tesch

Does chronical deoxynivalenol-feeding modulate the immune

response in endotoxaemic pigs?

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110976

title (ger.)

Verändert eine chronische Deoxynivalenol-Fütterung die Immunreak-tion in endotoxämischen Schweinen?

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/tescht_ws17.pdf

abstract (deutsch)

In der Schweinehaltung wird der Organismus der Tiere oft zeitgleich verschiedenen Toxinen, wie dem Mykotoxin DON und dem Bakterientoxin LPS ausgesetzt. Dies kann der weit verbreiteten Mykotoxin-Kontamination von Getreidekörnern, die einen Hauptanteil des Schweinefutters ausmachen, im gemäßigten Klima, sowie dem hohen Infektionsdruck mit gramnegativen Bakterien in der Tierproduktion, zugeschrieben werden. Dabei sind eine reduzierte Futterauf- und Gewichtszunahme sowie die Aktivierung des angeborenen Immunsystems die wichtigsten negativen Effekte bei einer chronischen Exposition von moderaten DON-Konzentrationen. Vergleichbar zu DON ist auch LPS in der Lage das Immunsystem durch ähnliche Mechanismen zu aktivieren. Daher ist es von großer Bedeutung für das Gesundheitsmanagement der Schweine und damit auch für die Minimierung der wirtschaftlichen Verluste eine Intoxikation so früh wie möglich festzustellen. Dennoch ist das Wissen über die Wechselwirkung zwischen DON und LPS, vor allem hinsichtlich der Bedeutung der Leber bei der Entgiftung sowie möglichen modulierenden Effekten auf die APR und spezifische Immunparameter in Schweinen noch sehr begrenzt.

 

Deshalb war das Ziel dieser Arbeit, die möglichen leberbedingten Modifikationen der APR in Schweinen, die gleichzeitig einer chronischen DON sowie einer akuten prä- oder post-hepatischen LPS-Endotoxämie ausgesetzt waren, näher zu beleuchten. Dabei lag unser Fokus vor allem auf der Kinetik und Manifestation der klinischen Symptomatik sowie verschiedenen immunspezifischen Blutparametern und deren Beziehungen, in Abhängigkeit von der Lokalisation der LPS-Infusion (portal, jugular) in Kombination mit der Fütterung (DON, CON).

 

Die Versuche dieser Arbeit basierten zunächst auf zwei Fütterungsgruppen aus insgesamt 44 Deutsche-Landrasse Börgen. Eine Gruppe erhielt ein nahezu DON-freies Futter (CON), während die andere Gruppe mit einem natürlich kontaminierten Futter, mit einer Konzentration von 4,59mg DON/kg Futter, versorgt wurde. Die Schweine wurden über einen Zeitraum von vier Wochen zweimal täglich mit 700g Futter/Schwein restriktiv gefüttert. Zusätzlich wurden die Tiere wöchentlich gewogen und Blutproben wurden direkt vor der Verabreichung eines venösen Immunstimmulus (LPS) entnommen.

 

Während der Fütterungs-periode zeigten beide Gruppen dieselbe Gewichtszunahme, so dass ernährungsphysiologisch bedingte Mängel ausgeschlossen werden konnten. Nichtsdestotrotz zeigten DON-gefütterte Schweine einen deutlichen Anstieg der Leukozytenzahlen und bestätigten damit die Aktivierung des Immunsystems durch eine chronische DON-Aufnahme.

 

Für die anschließende LPS-Challenge wurden die Schweine mit einem permanenten Katheter-System ausgestattet. Dies ermöglichte durch die portale (V. splenica) oder systemische (V. jugularis ext.) Infusion von NaCl 0,9% oder 7,5µg LPS/kg Körpergewicht über 60 min die Erschaffung verschiedener Bedingungen im Hinblick auf die Leberfunktion, sowie die gleichzeitige Probennahme aus beiden Lokalisationen (V. portae hepatis, V. jugularis int.). Die alle 15 bis 30 min entnommenen Blutproben dienten der Analyse des Differentialblutbildes, verschiedener Entzündungsmarker und Leberwerten (TNF-α, KYN, TRP, TP, ALB, GLU, TB, ASAT, LAC) sowie der Blutgasanalyse (pH, pO2, pCO2, BE).  

 

Darüber hinaus wurde ein intraabdominaler Temperatur-logger für eine konstante Messung der Körperkerntemperatur, alle 5 min, eingesetzt. Neben der Körperkern- ist auch die rektale Temperatur gemessen sowie die klinische Symptomatik alle 15 min, beginnend mit der ersten Blutprobennahme 30 min vor Infusionsbeginn bis 180 min p.i., beurteilt worden.

 

LPS induzierte in allen Schweinen die APR, was sich zuerst in einer starken Leukopenie und einem deutlichen Anstieg von TNF-α zeigte. Diese Veränderungen in den Entzündungsmarkern wurden begleitet von deutlichen klinischen Anzeichen einer Endotoxämie, wie dem Anstieg der Kern- und Rektaltemperatur, erhöhter Atemfrequenz, Würgen, Erbrechen, gerötete Konjunktiven, Zittern und Zyanose, in Abhängigkeit von der Infusionslokalisation und Fütterung. Allerdings zeigen DON-gefütterte Schweine einen langsameren Rückgang der klinischen Symptome zum Ausgangsniveau im Vergleich zu CON-gefütterten Tieren.

 

Die LPS-induzierte Endotoxämie rief außerdem eine metabolische Azidose mit teilweise respiratorischer Kompensation hervor, was aus erniedrigtem pH, Bikarbonat, BE und pCO2 sowie dem später angestiegenen LAC geschlossen werden konnte. Des Weiteren ist die Reaktion des Immunsystems auf LPS zum Ende des Untersuchung auch im Anstieg von KYN und KYN-TRP ratio sowie im Abfall von TRP, TP und ALB zu erkennen. Zusätzlich lässt der Anstieg von TB, ASAT und ALP sowie die histologischen Ergebnisse im HAI Score auf eine gesteigerte Aktivität der Leber schließen.

 

Bezogen auf diese Ergebnisse haben wir deutliche Verbindungen zwischen verschiedenen Entzündungsmarkern wie den Leukozyten und der Körpertemperatur sowie zwischen rektaler und Körperkerntemperatur gefunden. Wobei diese Beziehungen nicht unter allen getesteten Bedingungen gleich sind und die Lokalisation der LPS-Infusion die Stärke der Unterschiede beeinflusst. Diese APR modulierenden Effekte konnten auch für die Körperkerntemperatur, die bei einer Kombination von DON-Fütterung und systemischer LPS-Applikation einen deutlich geringeren Anstieg zeigt als die entsprechende CON-gefütterte Gruppe, bestätigt werden.

 

Abschließend lässt sich sagen, dass DON einen klaren Priming Effekt auf das Immunsystem (Leukozytose) hat und die APR durch einen systemischen Immunstimmulus ausgelöste APR verändert. Diese Veränderung resultiert in einem geringen Anstieg der Körperkerntemperatur, obwohl die gemessenen Blutparameter auf eine schwer verlaufende Endotoxämie hindeuten. Deshalb erscheint für die Praxis eine zusätzliche Messung von prognostischen Parametern (KYN-TRP ratio, LAC) als eine sinnvolle Ergänzung der klinischen Untersuchung um eine frühe Feststellung einer Intoxikation mit Myko- oder Endotoxinen zu gewährleisten.

abstract (englisch)

In pig farming the porcine organism is often co-exposed to different types of toxins such as mycotoxins like DON and bacterial endotoxins like LPS. This can be attributed to the widespread mycotoxin-contamination of cereal grains, one of the main components of standard swine diets, in northern temperate climate and the high infectious pressure in animal production by gram-negative bacteria. Thereby the most important adverse effects of a chronic exposure to moderate DON doses are diminished live weight gain and reduced feed intake as well as the activation the innate immune system. Similar to DON, LPS is also regarded to stimulate the immune system, partly occurring related molecular mechanism. Hence, the detection of intoxications as early as possible is of crucial interest in porcine health management to minimise economic losses in swine population. However, knowledge about the interaction between DON and LPS, especially with regard to the role of the liver in detoxification as well as possible modulating effects on the APR and specific immune parameters in pigs is still limited.

 

Thus, the aim of the present thesis was to elucidate possible liver-related modifications of the APR in pigs co-exposed to a chronic DON-diet and an acute pre- or post-hepatic LPS-induced endotoxaemia. Thereby we specifically focussed on the kinetics and manifestations of clinical symptoms and different immune-related blood parameters as well as their relationships, depending on hepatic (portal) or systemic (jugular) LPS-infusion in combination with diet.

 

The experiments of the present thesis based on two feeding groups, with a total of 44 German Landrace barrows. One group received an almost DON-free control diet (CON) while the other group was fed with a naturally DON-contaminated diet, including 4.59 mg DON/kg feed. Pigs were fed restrictively, with 700g feed/pig twice a day over a period of four weeks. Additionally pigs were weighed once a week and blood samples were taken immediately before venous application of an  acute immune stimulus (LPS).

 

During this period both groups showed equal weight gain, thus nutritionally induced deficiencies could be excluded. Nevertheless, DON-fed pigs showed significantly increased leukocyte counts and thus confirmed the activation of the immune system by chronical DON-consumption.

 

For the subsequent LPS-challenge pigs were surgically equipped with a permanent catheter system. This facilitates the creation of different conditions focusing on the liver functions by portal (V. splenica) or systemic (V. jugularis ext.) infusions of 0.9% NaCl or 7.5 µg LPS/kg BW for 60 min as well as simultaneous blood sampling from both localisations (V. portae hepatis, V. jugularis int.). Blood samples were used to investigate differential blood cell counts, various inflammatory markers and liver values (TNF-α, KYN, TRP, TP, ALB, GLU, TB, ASAT, LAC) as well as blood gases (pH, pO2, pCO2, BE) every 15 to 30 min.

 

Moreover, an intraabdominal temperature logger was inserted for steady body core temperature measurement every 5 min. Besides core temperature measurement, clinical signs and rectal temperature were also evaluated every 15 min, starting at once with blood sampling 30 min before infusion up to 180 min p.i..

 

In all pigs the LPS infusion induced the APR reflected at first in severe leukopenia and a marked increase in TNF-α. These changes in inflammatory markers were accompanied by clear clinical signs of endotoxaemia such as tremor, cyanosis, reddened eyes, increased respiratory rate, retching and vomiting as well as increased body core and rectal temperature, independent of infusion site and diet. However, clinical signs in DON-fed pigs showed a slower return to base levels compared to CON-fed pigs.

 

The LPS induced endotoxaemia also caused a metabolic acidosis with respiratory compensation indicated by decreased pH, bicarbonate, BE and pCO2 levels, as well as later on increased LAC. Moreover, towards the end of the experiment the response of the immune system to LPS was also reflected in increased KYN and KYN-TRP ratio as well as in decreased TRP, TP and ALB. Additionally, an increase in TB, ASAT and ALP as well as histological findings in HAI score indicates an intense activity of the liver.

 

Regarding to these results we found significant relationships between different inflammatory markers such as WBC counts and body temperatures as well as in between body core and rectal temperature. Whereby these relationships were not uniform for all conditions and site of LPS-infusion modified the magnitude of this difference. These APR modulating effect could also be proofed in body core temperature where DON-feeding combined with systemic LPS-infusion resulted in a lower temperature rise compart to CON-fed pigs.

 

In conclusion, DON showed a clear priming effect to the immune system (leucocytosis) and altered the APR resulting from a systemic immune stimulus. This alterations result in a lower body temperature rise although blood parameters show a more severe course of endotoxaemia. Thus, the additional measurement of prognostic parameters (KYN-TRP ratio, LAC) seems to be a useful completion for the clinical observation in practise to ensure the early detection of intoxications with myco- or endotoxins.

keywords

Schweine, Deoxynivalenol, Lipopolysaccharid, Pigs, Deoxynivalenol, Lipopolysaccharide

kb

4.632