Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Effects of magnesium supplementation during the transition period on metabolic profile, immune cell functions and vaccination response in ewes

Die hohen Stoffwechselanforderungen im Zusammenhang mit Spätträchtigkeit, Geburt und Beginn der Laktation (Transitphase, TP) stehen im Verdacht, die Mineralhomöostase und den Energiestoffwechsel sowie die Integrität des Immunsystems bei Nutztieren negativ zu beeinflussen. Auf zellulärer Ebene ist Magnesium (Mg) ein Co-Faktor für mehr als 600 biochemische Reaktionen, die am Energiestoffwechsel, an den Transmembranflüssen von Kationen und Anionen sowie an der Aktivierung von Insulinrezeptoren und dem Glukosetransport durch Zellmembranen beteiligt sind. Daher zielte die vorliegende Studie darauf ab zu untersuchen, ob eine Supplementierung mit Mg einen modulierenden Effekt auf das Stoffwechselprofil und ausgewählte immunologische Mechanismen während der TP bei Mutterschafen hat. Für dieses Projekt wurde die Rasse Deutsches schwarzköpfiges Fleischschaf ausgewählt, da diese Rasse bekanntermaßen sehr anfällig für Insulinresistenz und Trächtigkeitsstoxämie ist. Daher sind die ausgewählten Tiere ein gutes Modell, um die Rolle der Mg-Supplementierung im Glukosestoffwechsel während der TPzu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden 19 trächtige deutsche schwarzköpfige Fleischschafe (2. und 3. Laktation) in eine Kontrollgruppe (n = 9), die ante partum (ap) und post partum eine Ration mit 0,21% bzw. 0,24% DM Mg erhielt, und eine Mg-Gruppe (n = 10) eingeteilt. Diese wurde mit Mg-Oxid supplementiert, was zu einer täglichen Mg-Aufnahme von ungefähr 0,30% und 0,38% DM a.p. bzw. p.p führte. Blutproben wurden an Tag (d) 30 a.p., d 14 a.p., d 1 p.p., d 14 p.p. bzw. d 30 p.p genommen. An d 14 a.p. wurden alle Mutterschafe gegen Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP) geimpft. Im ersten Teil der PhD-Arbeit wurde der Einfluss der Mg-Supplementierung auf die Mineralstoff- (Mg, Ca und Pi), Glukose-, Beta-Hydroxybutyrat- (BHB) und Insulinserumspiegel bei Mutterschafen in der Peripartalperiode untersucht. Es wurde gezeigt, dass eine Supplementation mit Mg keinen Einfluss auf die Gesamt-Mg-Serumspiegel hatte. In der Kontrollgruppe waren die Gesamt-Ca- und Pi-Serumspiegel an d 1 p.p. niedriger. Die Glucosespiegel zeigten nur in der Kontrollgruppe während der gesamten TP signifikante Schwankungen. Darüber hinaus korrelierten die Glukosespiegel vor der Geburt nur bei Kontrollmutterschafen negativ mit BHB und positiv mit Insulin. Das Fehlen solcher Korrelationen in der Mg-Gruppe könnte auf eine Modulation des Glucosestoffwechsels hinweisen. Daher könnte spekuliert werden, dass Mutterschafe, denen mehr Mg angeboten wurde, im Vergleich zur Kontrollgruppe wesentlich besser stabile Glukosespiegel im gesamten TP aufrechterhalten konnten, was die Anfälligkeit dieser Rasse für Trächtigkeitstoxämie verringern könnte. Darüber hinaus waren Mutterschafe, denen mehr Mg angeboten wurde, in der Lage, einen konstanten Pi-Serumspiegel um die Geburt herum aufrechtzuerhalten, und sie zeigten nicht den starken Abfall, der in der Kontrollgruppe beobachtet wurde. Eine Geburt ist mit einer bemerkenswerten Veränderung des Nährstoff- und Stoffwechselbedarfs verbunden, die mit einer Beeinträchtigung der Immunfunktion verbunden sein kann. Daher wurden im zweiten Teil der PhD-Arbeit in vitro die Phagozytoseaktivität der Neutrophilen und die Lymphozytenproliferation, sowie in vivo die Impfreaktion bei Mutterschafen in beiden Versuchsgruppen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass bei d 1 p.p. die Phagozytoseaktivität der Neutrophilen in der Mg-Gruppe höher war. Außerdem war in der gesamten TP die proliferative Reaktion von CD4+ -Zellen in der Mg-Gruppe höher. In Bezug auf die Impfreaktion reagierten Mutterschafe in beiden Gruppen mit einem Anstieg der Gesamtblutleukozytenzahl, der Neutrophilenzahlen und der Zahl der nicht-klassischen Monozyten innerhalb von 24 Stunden nach der Impfung, während die Gesamtzahl der Monozyten und der klassischen Monozyten abnahm. Interessanterweise stieg die Anzahl der intermediären Monozyten nur in der Mg-Gruppe an, während die Anzahl der Lymphozyten abnahm. Die Mg-Supplementierung hatte keinen Einfluss auf den signifikanten Anstieg der MAP-spezifischen Antikörper am Tag 7 und 21 nach der Impfung. Im dritten Teil dieses PhD-Projekts wurde die Genexpression verschiedener Glukosetransporter (GLUT1, 3 und 4), sowie selektiver Mg-Transporter wie SLC41A1, CNNM2, TRPM6, TRPM7 und MagT1 in Leukozyten nach zweimonatiger Mg-Supplementation untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine in der Tendenz höhere Expression von GLUT1 in Leukozyten in der Mg-Gruppe im Vergleich zu den Kontrolltieren. Es wurden nur numerische Erhöhungen bei der Expression von GLUT3, SLC41A1, CNNM2, TRPM6, TRPM7 und MagT1 bei den Mg-supplementierten Mutterschafen beobachtet. GLUT4 wurde jedoch in keiner der beiden Gruppen exprimiert. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Ca-, Pi- und Glucoseserumspiegel im gesamten TP mit Mg-Supplementierung stabiler waren. Dies könnte einen Ansatz nahelegen, zusätzliches Mg während der TP zu füttern, um die metabolische Gesundheit bei Mutterschafen zu fördern. Darüber hinaus unterliegen die Phagozytoseaktivität von Neutrophilen, die Proliferationskapazität von CD4+ -Zellen und die zelluläre Reaktion innerhalb von 24 Stunden nach einer Impfung einer Modulation durch eine Supplementierung mit Mg. Diese Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Rolle von Mg als Immunmodulator, was somit die Fähigkeit der Mutterschafe, mit einigen Krankheitserregern umzugehen, beeinflussen könnte. Für weitere Studien wäre es interessant, die Serumspiegel von PTH und 1,25 (OH) 2D3 zu bestimmen, da die starke Abnahme der Serum-Pi-Spiegel um die Geburt nur in der Kontrollgruppe beobachtet wurde. Darüber hinaus ist es wichtig, die Expression von Mg-Transporter-Genen in Pansen und Nieren zu untersuchen, um weitere Informationen über den Umgang mit Mg im Körper zu erhalten. Zusätzlich erfordern die modulatorischen Wirkungen von Mg auf frühe Impfstoff-/Pathogen-induzierte angeborene Immunantworten weitere Untersuchungen auf der Ebene der intrazellulären Signalübertragung.

High metabolic demands associated with late pregnancy, parturition and the onset of lactation (transition period, TP) are expected to interfere negatively with mineral homeostasis and energy metabolism as well as immune system integrity in farm animals. At cellular level, magnesium (Mg) is a co-factor for more than 600 enzymes involved in energy metabolism, transmembrane fluxes of cations and anions, as well as activation of insulin receptors and glucose transport across cell membranes. Therefore, the present study aimed at investigating whether dietary Mg supplementation has a modulatory effect on the metabolic profile and selected immunological mechanisms during the TP in ewes. To perform this project German black headed mutton breed (GMB) was selected since the mentioned breed is known to be high susceptible to insulin resistance and pregnancy toxaemia during late pregnancy, therefore the selected animals were a good model to investigate the role of Mg supplementation in glucose metabolism during the TP. For this purpose, 19 pregnant GMB ewes (2nd and 3rd lactation) were divided into control group (n = 9), kept on a ration containing Mg: 0.21% and 0.24% of DM during ante-partum (a.p.) and post-partum (p.p.) periods, respectively, and Mg group (n = 10), supplemented with Mg oxide resulting in a daily Mg intake of approximately 0.30% and 0.38% of DM a.p. and p.p., respectively. Blood was collected at day (d) 30 a.p., d 14 a.p., d 1 p.p., d 14 p.p. and d 30 p.p., respectively. At d 14 a.p., all ewes were vaccinated against Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (MAP). In the first part of the current PhD project the influence of dietary Mg supplementation on mineral (Mg, Ca and Pi), glucose, beta-hydroxybutyrate (BHB) and insulin serum levels were investigated in periparturient ewes. It was revealed that dietary Mg supplementation did not influence the total Mg serum levels. In the control group, total Ca and Pi serum levels were lower at d 1 p.p.. Glucose levels exhibited significant fluctuation only in the control group throughout the TP. Furthermore, during ante-partum period, glucose levels correlated negatively with BHB, and positively with insulin only in control ewes. Lacking such correlations in the Mg group might indicate a modulation of glucose metabolism. Therefore, it could be speculated that ewes offered more Mg were able to maintain to a considerable extent stable glucose levels throughout the TP compared with the control group, which might decrease the susceptibility of this breed to pregnancy toxemia. Moreover, ewes offered more Mg were able to maintain steady Pi serum levels around parturition and did not show the sharp decrease which was observed in the control group. Parturition is associated with a remarkable alteration in nutrient and metabolic demand, which can be associated with impaired immune function. Therefore, in the second part of the current PhD study, in vitro neutrophil phagocytic activity and lymphocyte proliferation as well as in vivo vaccination response were investigated in ewes supplemented with Mg during the TP. The results demonstrated that at d 1 p.p. the neutrophil phagocytic activity was higher in the Mg group, furthermore, throughout the TP, the proliferative response of CD4+ cells was higher in the Mg group. Regarding the vaccination response, ewes in both groups responded with an increase in the total blood leukocyte count, neutrophil numbers and non-classical monocytes within 24 h post vaccination, whereas total monocytes and classical monocytes dropped in numbers. Interestingly, numbers of intermediate monocytes only increased in the Mg group, whereas lymphocyte numbers decreased. Mg supplementation did not affect the significant increase in MAP-specific antibodies at d 7 and 21 post vaccination. In the third part of this PhD project, the gene expression of different glucose transporters (GLUT1, 3 and 4) as well as selective Mg transporters such as SLC41A1, CNNM2, TRPM6, TRPM7, and MagT1 in leukocytes were investigated after two months of dietary Mg supplementation. The results revealed that, higher leukocyte expression of GLUT1 was reported as a tendency in the Mg group compared with the control ewes. Only numerical increases were observed in the expression of GLUT3, SLC41A1, CNNM2, TRPM6, TRPM7, and MagT1 in the ewes offered more Mg. However, GLUT4 was not expressed in either of the two groups. In conclusion, Ca, Pi and glucose serum levels were more stable throughout the TP with Mg supplementation. This might suggest an approach to use additional Mg during TP to promote metabolic health in GBM ewes. Moreover, neutrophil phagocytic activity, the proliferative capacity of CD4+ cells and the cellular response within 24 h after a vaccination are subject to modulation with dietary Mg supplementation, these findings shed a new light on the role of Mg as an immune modulator, which may thus influence the ewes ‘ability to cope with some pathogens. For further studies, it would be interesting to determine the serum levels of PTH and 1,25(OH)2D3 since the sharp decrease in serum Pi levels around parturition was only observed in the control group. Furthermore, it is important to investigate the expression of Mg transporter genes in rumen and kidney beside the leukocytes, which might give more information about Mg handling in the body. Moreover, the modulatory effects of Mg on early vaccine/pathogen-induced innate immune responses require further investigation at intracellular signalling pathways level.

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