Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Insulinsensitivität und Insulinresponse nach einer Langzeit-Supplementation von konjugierten Linolsäuren bei laktierenden Milchkühen

Haarstrich, Dörte

Conjugated linoleic acids (CLA), which are used as animal feed additives in dairy cows, have according to results obtained in rodents and humans the potential to induce whole body insulin resistance. Alterations in insulin sensitivity are assumed to play a significant role in the pathogenesis of metabolic disorders in dairy cows such as excessive lipomobilisation, ketosis, and fatty liver syndrome. Hyperinsulinemic-euglycemic glucose clamps (HEC) are seen as gold standard for assessment of insulin resistance. HEC allow the differentiation between a decreased peripheral insulin sensitivity and decreased insulin response if in subsequent periods increasing infusion rates of insulin are used. However, HEC are restricted to low numbers of experimental animals for economic reasons and because HEC are extremely laborious. Thus, in human medicine several approaches aimed to develop surrogate indices such as the Homeostasis model assessment (HOMA) and the quantitative insulin sensitivity check index (QUICKI) in different modifications as a simplified method of insulin sensitivity assessment. Such indices are based on plasma concentrations of insulin, glucose, non-esterified fatty acids (NEFA), beta-hydroxybutyrate (BHB), and glycerol obtained from fasted individuals. Having in mind the differences between the regulatory mechanisms of glucose homeostasis in humans and ruminants, the direct application of these indices for dairy cows is questionable. Aim of the present study was to investigate by mean of the hyperinulinemic-euglycemic clamp whether the long-term oral supplementation of conjugated linoleic acids causes dose-dependently an insulin resistance in dairy cows; and to validate the surrogate indices of insulin sensitivity developed in human medicine in dairy cows. The study was performed on 20 pregnant clinically healthy German Holstein-Frisian cows. One day post partum (p.p.) the animals were divided into three treatment groups and were fed over a period of 25 weeks as follows: control group received 0 g d-1 CLA mixture (n = 6), CLA-50-group received 50 g d-1 CLA mixture (n = 7) and CLA-100-group received 100 g d-1 CLA mixture (n = 7). The predominant CLA-isomers were cis-9, trans-11 (11.99%) and trans-10, cis-12 (11.88%). Additionally, the cows obtained an isoenergetic and isoproteinogenic partial mixed ration (PMR) based on 63% silage (60% corn and 40% grassland silage based on dry matter content) and 37% concentrate, ad libitum. At the end of the supplementation period (25th week p.p.) on each animal four consecutive HECs were performed. For this purpose the basal plasma concentration of insulin, glucose, NEFA, BHB, and glycerol, as well as the serum concentration of haptoglobin was assessed and afterwards insulin was infused in doses of 0.1 (HEC-I), 0.5 (HEC-II), 2.0 (HEC-III) and 7.5 (HEC-IV)mU kg-1 min-1  for two hours each. Because of the positive correlation between HEC results and milk yield (HEC-II: r = 0.59) and the negative correlation with the backfat thickness (BFT; HEC-I: r = -0.47), and because of the effect of an infection on the insulin action, the statistical analysis was adjusted for milk yield and BFT, as well as haptoglobin- an inflammatory marker- as co-variables. Mean basal glucose, insulin, NEFA, BHB, and haptoglobin concentrations did not significantly differ among the groups. During HEC-III the mean steady-state glucose infusion rate (SSGIR) of the CLA-50 group was significantly higher than the SSGIR of the CLA-100 group (P = 0.007). During HEC-I, the steady-state insulin concentration (SSIC) of the control group tended to be lower than the one of the CLA-100-group (P = 0.073). The SSIC of the CLA-100-group was significantly higher than the one of the control group (P = 0.021)and the CLA-50-group (P = 0.013) during HEC-II and also significantly higher than the one of the CLA-50-group during HEC-III (P = 0.022). During HEC-II, the mean ISI, a ratio of SSGIR to SSIC, of the CLA-100 group was significantly lower than in the CLA-50 (P = 0.001) and control group (P = 0.008). During HEC-III, the mean ISI of each group significantly differed. The mean ISI of the CLA-100 group was the lowest with significantly lower values compared to the one of the control group (P = 0.015) and of the CLA-50 group (P < 0.001), followed by the control group whose mean ISI was significantly lower (P = 0.016) than the one of the CLA-50 group. Additionally, a correlation analysis between the four HEC derived insulin sensitivity indices (ISI-I, ISI-II, ISI-III, ISI-IV) and seven simple surrogate indices of insulin sensitivity based on mean basal glucose, insulin, NEFA, BHB and glycerol concentrations was performed. The simple surrogate indices were: the Homeostasis model assessment (HOMA), its logarithmic (log (HOMA)) and reciprocal (1/HOMA) modifications, the Quantitative insulin sensitivity check index (QUICKI) as well as the modifications of QUICKI with incorporated NEFA (Revised QUICKI), with included NEFA and BHB (RQUICKI-BHB), and with incorporated glycerol (QUICKI-glycerol). Significant correlations were solely found between all seven surrogate indices of insulin sensitivity and ISI-I, but not with ISI-II, ISI-III and ISI-IV. The coefficients of determination (r2) were in descending order: RQUICKI-BHB (r2= 0.71), RQUICKI (r2= 0.59), 1/HOMA (r2 = 0.57), QUICKI (r2 = 0.53), log (HOMA)(r2 = 0.49), HOMA (r2 = 0.39), and QUICKI-glycerol (r2 = 0.26). The results of the HEC study show that a long-term supplementation of 100 g CLA mixture consisting of equal amounts of cis-9, trans-11 and trans-10, cis-12 CLA isomers results in a decreased insulin sensitivity in mid to late lactating dairy cows, whereas peripheral insulin response appears not to be affected. The correlation analysis indicates that RQUICKI-BHB, RQUICKI, 1/HOMA, and QUICKI are fairly reliable parameters for assessment of insulin sensitivity in healthy dairy cows in mid- to late lactation but they cannot give information on insulin response.

Konjugierte Linolsäuren (CLA), die bei Milchkühen in Form von Ergänzungsfuttermitteln eingesetzt werden, stehen nach Studien an Nagetieren und dem Menschen im Verdacht zu einer Insulinresistenz zu führen. Es wird angenommen, dass eine Verminderung der Insulinsensitivität bei Milchkühen eine bedeutende Rolle in der Pathogenese von Stoffwechselerkrankungen wie z.B. erhöhte Lipomobilisation, Ketose und Leberverfettung spielt. Der hyperinsulinämische euglycämische Glucoseclamp (HEC) ist der Goldstandard zum Nachweis einer Insulinresistenz. Er erlaubt die Unterscheidung zwischen einer verminderten Insulinsensitivität und einer verminderten Insulinresponse, wenn aufeinander folgende, aufsteigende Insulininfusionskonzentrationen eingesetzt werden. Allerdings ist der HEC auf Grund seines hohen Kosten- und Arbeitsaufwands nur für Studien mit geringen Probandenzahlen geeignet. Daher wurden in der Humanmedizin verschiedene Ersatzindices, wie z.B. das Homeostasis model assessment (HOMA) und der Quantitative insulin sensitivity check index (QUICKI) in verschiedenen Modifikationen zur einfachen Bestimmung der Insulinsensitivität entwickelt. Diese Indices basieren auf den Plasmakonzentrationen von Insulin, Glucose, nicht-veresterten Fettsäuren (NEFA), Betahydroxybutyrat (BHB) und Glycerol nüchterner Probanden. Bedenkt man die Unterschiede zwischen den regulatorischen Mechanismen zur Aufrechterhaltung der Glucosehomöostase bei Menschen und Wiederkäuern, ist die direkte Übertragung dieser einfachen Ersatzindices auf Milchkühe fragwürdig. Ziel der vorliegenden Arbeit war es einerseits mittels hyperinsulinämischer, euglycämischer Clamps zu untersuchen, ob die orale Langzeit-Supplementation von konjugierten Linolsäuren bei Milchkühen dosisabhängig zu einer peripheren Insulinresistenz führt, und andererseits die aus der Humanmedizin stammenden vereinfachten Insulinsensitivitätsindices HOMA und QUICKI, sowie deren Modifikationen, an Milchkühen zu validieren. Die Versuche wurden an 20 klinisch gesunden Milchkühen der Rasse Deutsch Holstein durchgeführt. Einen Tag post partum (p.p.) wurden die Tiere in drei Fütterungsgruppen eingeteilt und über einen Zeitraum von 25 Wochen wie folgt gefüttert: Kontrolltiere 0 g CLA-Gemisch (n = 6), CLA-50-Gruppe 50 g CLA-Gemisch (n = 7), CLA-100-Gruppe 100 g CLA-Gemisch (n = 7) pro Tier und Tag. Das CLA-Gemisch bestand vorherrschend aus cis-9, trans-11 (11,99%) und trans-10, cis-12 (11,88%)CLA-Isomeren. Zusätzlich erhielten die Kühe eine isoenergetische und isoproteinogene partielle Mischration aus 37% Kraftfutter und 63% Silage (60% Mais- und 40% Grassilage bezogen auf die Trockenmasse) ad libitum. Am Ende der Supplementationsphase (25. Woche p.p.) wurden an jedem Tier -nach der Bestimmung der basalen Plasmakonzentration von Insulin, Glucose, NEFA, BHB und Glycerol, sowie den Serumkonzentrationen von Haptoglobin- vier konsekutive HECs mit steigender Insulindosis (HEC-I: 0,1; HEC-II: 0,5; HEC-III: 2,0; HEC-IV: 7,5 mU Insulin kg-1 min-1) über jeweils zwei Stunden durchgeführt. Aufgrund der positiven Korrelation der Clamp-Ergebnisse mit der Milchleistung (HEC-II: r = 0,59) und deren negativer Korrelation mit der Rückenfettdicke (RFD; HEC-I: r = -0,47), sowie auf Grund der Einflussnahme einer Entzündung auf die Insulinwirkung, wurde die statistische Berechnung mit Milchleistung und RFD, sowie Haptoglobin -ein Entzündungsmarker- als Co-Variablen durchgeführt. Innerhalb der drei Fütterungsgruppen gab es keine signifikanten Unterschiede bezüglich der basalen Konzentrationen von Insulin, Glucose, NEFA, BHB oder Haptoglobin. Die steady-state Glucoseinfusionsrate (SSGIR) war während des HEC-III in der CLA-50-Gruppe signifikant höher (P = 0,007) als in der CLA-100-Gruppe. Während des HEC-I war die steady-state Insulinkonzentration (SSIC) der Kontrollgruppe tendenziell niedriger als die der CLA-100-Gruppe (P = 0,073). Die SSIC der CLA-100-Gruppe war während des HEC-II signifikant höher als die der Kontrollgruppe (P = 0,021) und der CLA-50-Gruppe (P = 0,013) und während des HEC-III signifikant höher als die der CLA-50-Gruppe (P = 0,022). Während des HEC-II war der Insulinsensitivitätsindex (ISI), als ein Quotient aus SSGIR und SSIC, in der CLA-100-Gruppe signifikant niedriger als in der CLA-50- (P = 0,001) und der Kontrollgruppe (P = 0,008). Zudem unterschieden sich während des HEC-III der ISI aller Gruppen signifikant voneinander. Der ISI der CLA-100-Gruppe hatte den signifikant niedrigsten Wert verglichen mit der Kontrollgruppe (P = 0,015) und der CLA-50-Gruppe (P < 0,001), gefolgt von der Kontrollgruppe dessen Index signifikant niedriger als der der CLA-50-Gruppe war (P = 0,016). Zusätzlich wurde zwischen den aus den vier als Goldstandard geltenden HECs abgeleiteten Insulinsensitivitätsindices (ISI-I, ISI-II, ISI-III, ISI-IV) und sieben vereinfachten, lediglich auf basalen Plasmakonzentrationen von Insulin, Glucose, NEFA, BHB und Glycerol beruhenden Indices der Insulinsensitivität eine Korrelationsanalyse durchgeführt. Bei den vereinfachten Indices handelte es sich um das Homeostasis model assessment (HOMA), dessen logarithmierte (log (HOMA)) und reziproke (1/HOMA) Modifikation, den Quantitative insulin sensitivity check index (QUICKI) sowie dessen Modifikation mit inkorporiertem NEFA (Revised QUICKI), mit enthaltenem NEFA und BHB (RQUICKI-BHB) und mit inkorporiertem Glycerol (QUICKI-glycerol). Signifikante Korrelationen ergaben sich ausschließlich zwischen allen sieben untersuchten einfachen Indices der Insulinsensitivität und ISI-I, aber nicht mit ISI-II, ISI-III und ISI-IV. Das Bestimmtheitsmaß (r2) in absteigender Reihenfolge waren: RQUICKI-BHB (r2 = 0,71), RQUICKI (r2 = 0,59), 1/HOMA (r2 = 0,57), QUICKI (r2 = 0,53), log (HOMA)(r2 = 0,49), HOMA (r2 = 0,39), QUICKI-glycerol (r2 = 0,26). Die Ergebnisse der HEC-Versuche zeigen, dass eine Langzeitsupplementation von 100 g eines CLA-Gemischs aus gleichen Anteilen von cis-9, trans-11 und trans-10, cis-12 CLA-Isomeren bei mittel- bis spätlaktierenden Milchkühen zu einer verminderten Insulinsensitivität führt, die periphere Insulinresponse davon jedoch nicht beeinträchtigt ist. Die Korrelationsanalyse zeigt, dass bei gesunden Milchkühen in der mittleren bis späten Laktation RQUICKI-BHB, RQUICKI, 1/HOMA und QUICKI relativ verlässliche Parameter zur Bestimmung einer Insulinsensitivität sind, sie über das Vorliegen einer Insulinresponse jedoch keine Aussage treffen können.

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Haarstrich, Dörte: Insulinsensitivität und Insulinresponse nach einer Langzeit-Supplementation von konjugierten Linolsäuren bei laktierenden Milchkühen. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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