Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Effects of dexamethasone and training on the hypothalamic-pituitary-adrenal response on mild stress challenge in dairy cows

Khraim, Nemer M.

Assessment of hormonal, metabolic and cardio-respiratory changes is frequently used in studies on stress in cattle. In Cattle the glucocorticoid dexamethasone (DEXA) is frequently administered for treatment of metabolic disorders or as anti-inflammatory drug. From other species it is known that DEXA treatment suppresses the function of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis (HPA). However, no information is available in cattle about the extent and duration of HPA suppression after dexamethasone treatment. Cattle adapt to repeated stress situations. This results in a reduced HPA response on such situations. A frequently performed stressful setting for cattle is restrain in lateral recumbency (LR) for husbandry procedures. Cows are stress by social isolation from herd mates, close animal-human contact and new environment and procedures. Thus, the aim of the study was to investigate in cows during restrain in LR the effect of DEXA treatment and training on hormonal, metabolic and cardio-respiratory stress response. Additionally it was studied, if cortisol measurement in a single sample of lachrymal fluid, which can be collected non-invasively and taken at the end of a stress challenge, sufficiently reflects the hormonal stress response. The randomized and blinded study was conducted in six non-lactating, non-pregnant dairy cows in cross over design. In two different periods with an interim period of four weeks all cows were turned into LR for thirty minutes on day 1, 3 and 5. On day 0 cows were once either treated with DEXA (40µg/kg BW IV) or an equivalent dose of saline. In short intervals blood samples were collected from indwelling jugular vein catheters for analysis of ACTH, cortisol, glucose, nonesterified fatty acids (NEFA) as well as lactate and heart and respiratory rate were recorded. Before, at the end and after the stress challenge lachrymal fluid was collected. Compared to controls DEXA treated cows revealed significantly reduced blood levels of ACTH and cortisol as well as heart and respiratory rates in baseline data and during the stress challenge by LR (peak values and area under the curve (AUC)). The effect lasted for more than five days. On d1 and d3 almost no HPA response was detectable. On d1 blood glucose and lactate concentrations were significantly higher in baseline samples and during LR (peak and AUC) in DEXA compared to control cows. DEXA treatment revealed no effect on NEFA serum levels. The repeated LR resulted in adaptation of control cows leading to a steady reduction from d1 to d5 of blood levels of ACTH, cortisol, glucose and lactate as well as heart and respiratory rate. Controls in period 2 which were treated with DEXA in period 1 revealed significantly lower ACTH, cortisol, glucose and lactate blood level than controls in period 1. In conclusion, DEXA treatment revealed a very strong effect on hormonal, metabolic as well as cardio-respiratory stress response lasting for more than five days. The effect needs to be considered in studies on stress management in dairy cows. Three repetitions of LR result in clear adaptation of dairy cows to stressful settings, when cows are handled carefully, with friendly and low voice and giving them reasonable time to explore the new and unfamiliar situation. From this study it remained unclear if the reduced stress response seen in controls in period 2 was a result of adaptation due to experiences memorized from period 1 or if this was a four weeks lasting effect of DEXA treatment.

Die Beurteilung der hormonellen, metabolischen und kardio-respiratorischen Veränderungen, wird häufig in Studien zum Thema Stress bei Rindern verwendet. Für gewöhnlich wird Kühen Glukokortikoid Dexamethason (DEXA) zur Behandlung von Stoffwechselerkrankungen oder als entzündungshemmendes Medikament verabreicht. Von anderen Tierarten ist bekannt, dass die DEXA Behandlung die Funktion der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA) unterdrückt. Es sind jedoch keine Informationen zu Rindern über das Ausmaß und die Dauer der HPA Unterdrückung nach einer Dexamethason-Behandlung verfügbar. Kühe haben sich an wiederholte Stress-Situationen gewöhnen, was zu einer verringerten HPA Reaktion auf solche Situationen führt. Eine regelmäßig herbeigeführte stressige Umgebung für Kühe ist die erzwungene Seitenlage (LR) durch landwirtschaftliche Prozesse. Kühe stehen unter Stress, durch soziale Isolation von der Herde,  durch einen nahen Tier-Mensch-Kontakt und durch neue Umgebungen und Verfahren. Somit war das Ziel der Studie, bei Kühen während der erzwungenen LR die Wirkung von DEXA Behandlung und die Auswirkung auf den Hormonhaushalt, Stoffwechsel und Herz-Lungen-Stress-Reaktion zu untersuchen. Zusätzlich wurde untersucht, ob eine Cortisol Messung in einer einzigen Probe von Tränenflüssigkeit, die nicht-invasiv, am Ende einer Stressherausforderung entnommen werden kann, ausreichend die hormonelle Stress-Auswirkung reflektiert. Die zufällig ausgewählte Studie, wurde an sechs nicht-laktierenden, nicht-schwangeren Kühen im "Cross over-Design" durchgeführt. In zwei verschiedenen Perioden, mit einer Übergangszeit von vier Wochen, wurden alle Kühe in die LR für 30 Minuten am Tag 1, 3 und 5 gedreht. Am Tag 0 wurden die Kühe entweder mit DEXA (40μg/kg BW IV) oder mit einer äquivalenten Dosis von Kochsalzlösung behandelt. In kurzen Abständen wurden Blutproben durch einen innen befindlichen Jugularis-Katheter für die Analyse von ACTH, Cortisol, Glukose, nicht veresterten Fettsäuren (NEFA) sowie Laktat-, Herz- und Atemfrequenz aufgezeichnet. Zuvor wurden, am Ende und nach der Stress Herausforderung, Tränenflüssigkeit gesammelt. Im Vergleich zu den Kontrollen, zeigen DEXA behandelten Kühen deutlich reduziert Blutspiegel von ACTH und Cortisol sowie die Veränderung der Herz- und Atemfrequenz in den Basisdaten und während der Stress Herausforderung durch LR (Spitzenwerte und die Fläche unter der Kurve (AUC)). Die Wirkung dauerte mehr als fünf Tage. Auf d1 und d3 war fast keine HPA Reaktion nachweisbar. Die auf d1 im Blut enthaltene Glukose und Laktat-Konzentrationen waren signifikant höher in den Baseline Proben und während der LR (peak und AUC) in DEXA, als im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die DEXA Behandlung zeigte keinen Einfluss auf den NEFA-Serumspiegel. Die wiederholte LR, resultierend aus der Anpassung der Kontrolle von Kühe, führt zu einem stetigen Rückgang von d1 bis d5 der Blutspiegel von ACTH, Cortisol, Glukose und Laktat sowie Herz- und Atemfrequenz. Kontrollen in Periode 2, die mit DEXA in Periode 1 behandelt wurden, zeigten deutlich geringere ACTH, Cortisol, Glukose und Laktat im Blut, als bei den Kontrollen in Periode 1. Im Ergebnis zeigte die DEXA Behandlung eine sehr starke Wirkung auf den Hormonhaushalt, Stoffwechsel- sowie Herz- und Atemwegserkrankungen, bei Stress-Situationen, die länger als fünf Tage anhielten. Diese Wirkung muss in Studien über Stress-Management bei Milchkühen in Betracht gezogen werden. Drei Wiederholungen von LR Situationen, führten zu einer Anpassung der Milchkühe auf stressige Situationen, wenn die Kühe vorsichtig behandelt werden, wenn sie mit freundlicher und leiser Stimme angesprochen werden und wenn ihnen angemessene Zeit gewehrt wird, um die neue und unfamiliäre Situation zu erkunden. Aus dieser Studie blieb unklar, ob die reduzierte Reaktion auf Stress, die bei den Kontrollen in der Periode 2 zu sehen waren, ein Ergebnis der Anpassung aufgrund von Erfahrungen, gespeichert aus Periode 1 war oder ob dies eine 4 Wochen anhaltende Wirkung der DEXA Behandlung war.

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Khraim, Nemer M.: Effects of dexamethasone and training on the hypothalamic-pituitary-adrenal response on mild stress challenge in dairy cows. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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