Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Charakterisierung der peripheren Insulin-Response und Insulin-Sensitivität bei trockenstehenden, laktierenden und leberverfetteten Milchkühen ohne und mit Ketose mittels hyperinsulinämischer, euglycämischer Clamps

Kräft, Silke

It was the objective of this study to characterize the role of insulin for the regulation of glucose homeostasis and peripheral insulin response and sensitivity in clinically healthy dry and early lactating cows by hyperinsulinemic euglycemic clamps [HEC], and, secondly, to investigate the influence of ketosis, fatty liver and left abomasal displacement on biological responses of insulin. Experiments were carried out using 40 German Holstein cows. Cows were assigned on the basis of a clinical investigation and laboratory analysis to seven groups: clinically healthy, dry cows (N = 5, 25 ± 9 d ante partum, liver triglycerides [TGL]: 13.9 ± 9.2 mg/g liver tissue fresh weight [FW]), clinically healthy cows 2./3. weeks post partum [p. p.] (N = 4, 18 ± 3 d p. p., TGL: 71.8 ± 28.8 mg/g FW), clinically healthy cows 4 days after surgical reposition of a left abomasal displacement (N = 4, 16 ± 5 d p. p., TGL: 47.0 ± 19.1 mg/g FW), clinically healthy cows 4 – 10 weeks p. p. (N = 5, 46 ± 16 d p. p., TGL: 36.0 ± 24.7 mg/g FW), cows suffering from fatty liver (N = 6, 26 ± 10 d p. p., TGL: 157 ± 21 mg/g FW), ketotic cows suffering from fatty liver (N = 4, 13 ± 4 d p. p., TGL: 137 ± 27 mg/g FW, serum concentration of ß-hydroxybutyrate: 3.7 ± 1.4 mmol/l), cows with actual left abomasal displacement (N = 4, 15 ± 4 d p. p., TGL: 80.4 ± 42.2 mg/g FW). The day prior to the experiment, two jugular catheters were inserted. HEC`s were conducted after withdrawal of concentrates for 14 h, while water and hay were always accessible ad libitum (also during the HEC`s). Cows were infused with bovine insulin intravenously using dosages of 0.1, 0.5, 2, 5 and 10 mU/kg BW/min consecutively for two hours each. Blood glucose was clamped at the basal level by infusing varying dosis of glucose (40 % w/v). The maximal insulin response, defined as the mean steady-state glucose infusion rate (SSGIR) during infusion of 10 mU insulin/kg/min, was higher in lactating cows 4 – 10 weeks p. p. (40.3 ± 8.6 µmol/kg/min) than in dry cows (29.2 ± 4.1 µmol/kg/min). There was no difference between lactating cows in the 2./3. weeks p. p. (35.2 ± 9.3 µmol/kg/min) and cows after treatment of abomasal displacement (34.5 ± 1.9 µmol/kg/min). The response was significantly reduced compared to the latter groups in fatty liver cows (21.9 ± 2.8 µmol/kg/min) and cows suffering from left abomasal displacement (18.8 ± 2.2 µmol/kg/min); it was lowest in ketotic fatty liver cows (13.6 ± 3.5 µmol/kg/min). The plasma NEFA levels dropped rapidly in all cows during the insulin infusions. The relative decline accounted for about 90 % of the basal value in healthy cows, while the decrease was significantly less pronounced in ketotic fatty liver cows (67 ± 4 %) and cows suffering from abomasal displacement (71 ± 13 %). The maximal steady-state insulin concentration (SSIC) was higher in lactating cows 2./3. weeks p. p. (999 ± 215 µU/ml), fatty liver cows (1011 ± 150 µU/ml) and cows with abomasal displacement (978 ± 273 µU/ml) than in clinically healthy, lactating cows 4 – 10 weeks p. p. (686 ± 17 µU/ml) and cows after surgery of abomasal displacement (621 ± 103 µU/ml). There was no difference to dry cows (791 ± 69 µU/ml) and ketotic, fatty liver cows (891 ± 82 µU/ml). The insulin sensitivity was described as the insulin concentration, which was necessary to achieve the half-maximal biological effect [km] of insulin on glucose utilization or on inhibition of lipolysis. Comparing the km-values, no significant differences were found between the groups although the absolute values varied considerably: clinically healthy cows 2./3. weeks p. p. (25.7 ± 9.2 µU/ml), clinically healthy cows 4 – 10 weeks p. p. (46.9 ± 14.1 µU/ml), fatty liver cows (65.1 ± 26.5 µU/ml). The rate of insulin elimination did not differ between the groups tested. It is concluded that the insulin resistance of dry cows compared to clinically healthy lactating cows 4 – 10 weeks p. p. is due to a reduced peripheral insulin response, which can ensure requirements of the fetus. The typical low insulin levels in healthy cows in early lactation facilitate the flow of glucose to the udder, while the high insulin sensitivity and -response of peripheral tissues prevent a critical deficiency of extramammary tissues. Cows suffering from fatty liver exhibited a lower peripheral insulin response than all groups of clinically healthy cows, probable caused by high concentration of NEFA. The practical application of this study is to treat the energy deficiency of peripheral tissues in fatty liver cows with and without ketosis by increasing the insulin level and to provide glucose despite insulin resistance.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Bedeutung des Insulins für die Regulation der Glucosehomöostase sowie die Insulin-Sensitivität und -Response bei klinisch gesunden, trockenstehenden und frühlaktierenden Milchkühen mittels hyperinsulinänischer, euglycämischer Clamp-Untersuchungen näher zu charakterisieren und den Einfluss einer Leberverfettung, Ketose und linksseitigen Labmagenverlagerung auf die biologischen Effekte von Insulin zu untersuchen. Die Versuche wurden an 40 Kühen der Rasse „Deutsche Schwarzbunte“ durchgeführt. Die Kühe wurden anhand der Ergebnisse der klinischen Untersuchung und labordiagnostischer Kriterien ausgewählt und einer der sieben Gruppen zugeordnet: Klinisch gesunde, trockenstehende Kühe (N = 5, 25 ± 9 Tage ante partum, Leber-Triglyceridgehalt [TGL]: 13,9 ± 9,2 mg/g Frischgewebe [FG]), klinisch gesunde, laktierende Kühe in der 2./3. Laktationswoche [LW] (N = 4, 18 ± 3 Tage post partum [p. p.], TGL: 71,8 ± 28,8 mg/g FG), klinisch gesunde, laktierende Kühe in der 2./3. LW, 4 - 5 Tage nach operativer Reposition einer linksseitigen Labmagenverlagerung [LMV] (N = 4, 16 ± 5 Tage p. p., TGL: 47,0 ± 19,1 mg/g FG), klinisch gesunde, laktierende Kühe in der 4. - 10. LW (N = 5, 46 ± 16 Tage p. p., TGL: 36,0 ± 24,7 mg/g FG), leberverfettete Kühe in der 2./3. LW nach LMV-Operation (N = 6, 26 ± 10 Tage p. p., TGL: 157 ± 21 mg/g FG), leberverfettete Kühe in der 2./3. LW nach LMV-Operation mit Ketose (N = 4, 13 ± 4 Tage p. p., TGL: 137 ± 27 mg/g FG, ß-Hydroxybutyrat-Konzentration: 3,7 ± 1,4 mmol/l), Kühe mit bestehender linksseitiger Labmagenverlagerung in der 2./3. LW (N = 4, 15 ± 4 Tage p. p., TGL: 80,4 ± 42,2 mg/g FG). Am Vortag der Versuche wurden beide Venae jugulares externae der Kühe katheterisiert. Die Versuche begannen am nächsten Morgen, nachdem das Kraftfutter für 14 Stunden entzogen war. Wasser und Heu standen den Kühen stets (auch während des Clamps) zur Verfügung. Die Kühe wurden mit bovinem Insulin in Konzentrationen von 0,1, 0,5, 2, 5 und 10 mU/kg KGW/min über je zwei Stunden infundiert. Zusätzlich war den drei letzten Infusionslösungen Kaliumchlorid zugesetzt. Die Blutglucosekonzentration wurde durch variable Glucoseinfusionsraten einer 40 % Glucoselösung auf dem Niveau der basalen Konzentrationen konstant gehalten. Die maximale Insulin-Response, definiert als mittlere steady-state Glucoseinfusionsrate (SSGIR) bei Insulininfusionen von 10 mU/kg/min, der laktierenden Kühe in der 4. - 10. LW (40,3 ± 8,6 µmol/kg/min) war höher als die der trockenstehenden Kühe (29,2 ± 4,1 µmol/kg/min). Die SSGIR der klinisch gesunden Kühe in der 2./3. LW (35,2 ± 9,3 µmol/kg/min) und der Kühe nach Behandlung einer Labmagenverlagerung (34,5 ± 1,9 µmol/kg/min) unterschied sich nicht. Die Response war bei Kühen mit Leberverfettung (21,9 ± 2,8 µmol/kg/min) und Kühen mit bestehender Labmagenverlagerung (18,8 ± 2,2 µmol/kg/min) gegenüber klinisch gesunden Kühen reduziert. Die niedrigsten Werte wurden bei den leberverfetteten Kühen mit Ketose gemessen (13,6 ± 3,5 µmol/kg/min). Die Plasma-NEFA Konzentrationen fielen bei allen Kühen während der Insulininfusion schnell ab. Bei den klinisch gesunden Kühen erniedrigte sich die relative NEFA-Konzentration um etwa 90 % der basalen Werte, während der Abfall der leberverfetteten Kühe mit Ketose (67 ± 4 %) und der Kühe mit bestehender Labmagenverlagerung (71 ± 13 %) signifikant geringer war. Die maximale steady-state Insulinkonzentration (SSIK) unterschied sich nicht zwischen den laktierenden Kühen in der 2./3. LW (999 ± 215 µU/ml), leberverfetteten Kühen (1011 ± 150 µU/ml) und Kühen mit bestehender Labmagenverlagerung (978 ± 273 µU/ml), während die SSIK der laktierenden Kühe in der 4. - 10. LW (686 ± 17 µU/ml) und der Kühe nach Operation einer Labmagenverlagerung (621 ± 103 µU/ml) signifikant niedriger waren. Es ließ sich kein Unterschied zwischen diesen Gruppen zu den trockenstehenden Kühen (791 ± 69 µU/ml) und den leberverfetteten Kühen mit Ketose (891 ± 82 µU/ml) nachweisen. Die Insulin-Sensitivität wird als Insulinkonzentration, die zum Erreichen des halbmaximalen biologischen Effektes [km] von Insulin auf den Glucoseumsatz oder die Lipolysehemmung benötigt wird, beschrieben. Im statistischen Vergleich aller Gruppen ließ sich kein signifikanter Unterschied zwischen den km-Werten absichern, trotz deutlicher Unterschiede in den absoluten Werten zwischen klinisch gesunden, laktierenden Kühen in der 2./3. LW (km: 25,7 ± 9,2 µU/ml), klinisch gesunden Kühen in der 4. - 10. LW (km: 46,9 ± 14,1 µU/ml) und leberverfetteten Kühen (km: 65,1 ± 26,5 µU/ml). Die Insulineliminationsrate war zwischen den Gruppen nicht signifikant unterschiedlich. Die Ergebnisse zeigen, dass die Insulinresistenz der trockenstehenden Kühe verglichen mit den laktierenden Kühen in der 4. - 10. LW durch eine niedrigere periphere Insulin-Response verursacht wurde, die für die Versorgung des Fetus auch sinnvoll erscheint. Die hohe Insulin-Sensitivität und -Response frühlaktierender Kühe verhindert bei niedrigen basalen Insulinkonzentrationen eine kritische Minderversorgung extramammärer Gewebe. Signifikante Unterschiede zwischen klinisch gesunden Kühen in der 2./3. Laktationswoche und Kühen nach einer Labmagenoperation im gleichen Laktationsstadium waren nicht nachweisbar. Die wahrscheinlichste Ursache der niedrigeren Insulin-Response leberverfetteter Kühe im Vergleich zu klinisch gesunden Kühen bilden die hohen NEFA-Konzentrationen. Aus den Untersuchungen kann gefolgert werden, dass der Energiemangel der peripheren Gewebe bei leberverfetteten Kühen mit und ohne Ketose trotz der Insulinresistenz durch die Anhebung der basalen Insulinkonzentration bei gleichzeitiger Glucosebereitstellung therapiert werden kann.

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Kräft, Silke: Charakterisierung der peripheren Insulin-Response und Insulin-Sensitivität bei trockenstehenden, laktierenden und leberverfetteten Milchkühen ohne und mit Ketose mittels hyperinsulinämischer, euglycämischer Clamps. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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