Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Konzentrationen von Propionsäure im Serum von Rindern - eine Pilotstudie

Lienhart, Fabienne

Propionsäure wird beim ruminierenden Wiederkäuer im Pansen im Zuge der mikrobiellen Fermentation pflanzlicher Kohlenhydrate gebildet (bis zu 48 mol/Tag). Aus dem Pansen absorbierte Propionsäure wird in der Leber (bis zu 75 %) und zum Teil auch in der Milchdrüse (bis zu 25 %) über zwei mitochondriale Schlüsselenzyme (Propionyl-CoA Synthetase, EC 6.2.1.17; Propionyl-CoA Carboxylase, EC 6.4.1.3) zu Glucose umgesetzt. Eine Hemmung dieser Enzyme durch phenolische Verbindungen wurde in vitro an ovinen Hepatozyten nachgewiesen. Somit könnte Propionsäure bei weiterhin hoher Neubildung im Pansen folglich im Blut akkumulieren. Im peripheren venösen Blut von Rindern sind daher sowohl sehr niedrige als auch sehr hohe Propionsäurekonzentrationen zu erwarten. Aus der Literatur sind bis auf experimentelle Daten keine Angaben über Propionsäuregehalte im Blut von Rindern aus landwirtschaftlichen Betrieben zu entnehmen. Das Ziel dieser Pilotstudie war es, die Variabilität der Propionsäurekonzentrationen im Serum von Rindern unterschiedlicher Herkunftsbetriebe mittels Gaschroma-tographie zu bestimmen und einen ersten Referenzbereich aus den Daten abzuleiten. Insgesamt wurden 360 Serumproben von Rindern auf die Gehalte an Propionsäure untersucht. Von diesen Proben stammten 180 von chronisch kranken und 180 von gesunden Rindern verschiedener Kontroll- und Fallbetriebe. Fallbetriebe sind Milchviehbetriebe mit einem besonderen chronischen, unspezifischen Krankheitsgeschehen. Zusätzlich wurden 60 Proben akut erkrankter Rinder untersucht. Die Methode beruht auf der Derivatisierung von Propionsäure durch die Reaktion mit 2-Chlorethylchlorformiat. Das Serum wurde zunächst mit dem internen Standard (n-Valeriansäure) versetzt und mit konzentrierter Salzsäure deproteinisiert und anschließend zentrifugiert. Für die weitere Bearbeitung wurden die Proben mit Natronlauge alkalisiert und unter Vakuum getrocknet. Anschließend erfolgte die Zufügung des Reaktionsmediums bestehend aus Pyridin, Acetonitril und 2-Chlor-ethanol zur eingeengten Probe. Unter Zugabe von 2-Chlorethylchlorformiat entsteht das Propionsäurederivat Chlorethylpropionat. Im letzten Schritt wird das Derivat mit Chloroform extrahiert und gaschromatographisch analysiert. Als interner Standard wurde n-Valeriansäure entwickelt (ermittelte Nachweisgrenze für Propionsäure: 45,26 µmol/l). Die Variationskoeffizienten in Serie für n-Valerian-säure und Propionsäure lagen jeweils bei 5 % und 4,4 %. Zusätzlich wurden alle Proben mit einer modifizierten Methode analysiert, die Gehalte unterhalb der Nachweisgrenze von 45,26 µmol/l aufwiesen. In diesen Proben konnten Propionsäuregehalte bis 0,0001 µmol/l ermittelt werden. Es konnte kein Einfluss der Tiergruppe (krank oder gesund) auf die Propionsäure-konzentrationen festgestellt werden. Hingegen konnte ein Betriebseffekt gezeigt werden, da Unterschiede in den Propionsäurekonzentrationen jeweils zwischen den kranken und gesunden Tieren unterschiedlicher Fall- und Kontrollbetriebe festgestellt wurden. Das 2,5 % Quantil und das 97,5 % Quantil der gesunden Rinder der Kontrollbetriebe umfassen Propionsäurekonzentrationen von 0,01 bis 1167 µmol/l. Die hohe Variabilität der Propionsäuregehalte innerhalb des untersuchten Kollektivs lässt sich mit sehr unterschiedlichen Faktoren erklären, die den Propionsäurespiegel im Blut bestimmen: die Rationszusammensetzung, die Trockenmasseaufnahme sowie der Zeitpunkt der Blutentnahme im Abstand zur Fütterung. Es sind Fütterungsversuche nötig, insbesondere um die Bedeutung dieser Faktoren im Hinblick auf einen möglichen Betriebseffekt zu untersuchen und um die Rolle von Propionsäure als möglichen Biomarker für die Rindergesundheit bzw. als Indiz für das Vorliegen der „Faktorenerkrankung Milchviehherde“ zu prüfen.

Propionic acid is produced by microbial fermentation of carbohydrates in the rumen of cattle (up to 48 mol/day). The liver metabolizes up to 75 % of absorbed propionic acid from the rumen and up to 25 % are directly metabolized by the mammary gland. Propionic acid is converted to glucose by two key enzymes (Propionyl-CoA Synthetase, EC 6.2.1.17; Propionyl-CoA Carboxylase, EC 6.4.1.3). The inhibition of gluconeogenic enzymes by phenolic substances in vitro was found in ovine hepatocytes. Therefore, it is possible that propionic acid accumulates in bovine blood by continuous high production in the rumen. Both very low and high concentrations of propionic acid in peripheral blood can be expected. No specification concerning levels of propionic acid in blood except experimental data are available from previous studies. The aim of this study was to analyze the variation of propionic acid in serum of dairy cows from different farms by gaschromatography and to generate a first reference value from these data. A total of 360 serum samples from dairy cows were measured for the level of propionic acid. Of these samples, 180 were from chronically sick cows and 180 from healthy cows of various control- and case-farms. Case-farms are dairy farms with a chronic, unspecific disease complex. Additionally, 60 samples from acute sick dairy cows were analyzed. The method is based on the derivatization of propionic acid by reaction with 2-chloro-ethyl chloroformate. The internal standard n-valeric acid was added to the serum, that was deproteinized with highly concentrated hydrochloric acid and subsequently centrifuged. For the following treatment, samples were alkalized with sodium hydroxide and vacuum-dried. Afterwards the reaction medium consisting of pyridine, acetonitrile and 2-chloroethanol was added to the dried sample. The 2-chloroethyl ester of propionic acid is formed by addition of 2-chloroethyl chloroformate. In the ultimate step, the derivative was extracted by chloroform and analyzed by gaschromatography. N-valeric acid was developed as internal standard (determined limit of detection for propionic acid: 45.3 µmol/l; CV in series for n-valeric acid: 5 %; CV in series for propionic acid: 4.4 %). In addition, all samples with propionic acid contents < 45.3 µmol/l were analyzed with a modified method that aimed at lowering the detection limit. The concentration of propionic acid in these samples came down to 0.0001 µmol/l. There were no significant differences in propionic acid concentrations between diseased and healthy cattle within one case and control farm. There were significant differences in propionic acid concentrations between diseased cattle within different case and control farms as well as between healthy cattle within different case and control farms. The 2.5th and 97.5th percentile of the healthy dairy cows in the control-farms incorporates propionic acid concentrations from 0.01 to 1167 µmol/l. The high variability of propionic acid contents in the investigated collective can be explained by very different factors that affect propionic acid levels in blood: the composition of the diet, the dry matter intake and the time of sampling after feed intake. Further studies are necessary to investigate the importance of those factors regarding a potential farm-effect in order to define proper sampling schemes and to further examine the role of propionic acid as potential biomarker for animal health.

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Lienhart, F., 2020. Konzentrationen von Propionsäure im Serum von Rindern - eine Pilotstudie. Hannover.
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