Die Leberverfettung der Milchkuh: Untersuchungen zur nicht-invasiven Diagnostik des Leberfettgehaltes und zum hepatischen Blutfluss sowie zu deren Beeinflussbarkeit mittels Dexamethason

Starke, Alexander

Habilitation 2011 CC BY 4.0

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Die Leberverfettung der Milchkuh : Untersuchungen zur nicht-invasiven Diagnostik des Leberfettgehaltes und zum hepatischen Blutfluss sowie zu deren Beeinflussbarkeit mittels Dexamethason

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Bei einem Großteil der hochleistenden Milchkühe wird in den ersten Laktationswochen eine übermäßige Fetteinlagerung in die Leber beobachtet. Das sich potentiell daraus entwickelnde Lipomobilisationssyndrom wird nicht nur als Hauptursache für eine Leberinsuffizienz, sondern auch für zahlreiche weitere Erkrankungen während dieser Zeit verantwortlich gemacht.

Klinische Untersuchungen zur Leberverfettung der Milchkühe setzen die Kenntnis des Leberfettgehaltes des Einzeltieres voraus. Bisher war keine Analysemethode bekannt, mit welcher Lebertotallipid (TL)- und –triacylglycerol (TAG)-Gehalt in einer geringen Bioptatmasse mit hoher analytischer Genauigkeit bestimmt werden konnten. In der vorliegenden Arbeit wurde eine zweistufige Analysemethode etabliert, bei welcher der TL-Gehalt zunächst gravimetrisch und anschließend der TAG-Gehalt enzymatisch bestimmt werden. Die Überprüfung an 150 Deutsch-Holstein-Kühen bestätigte, dass damit sowohl der TL- als auch der TAG-Gehalt in einem Leberbioptat geringer Masse (<100 mg) mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Aufgrund der engen Korrelation beider Parameter ist es auf der Basis eines broken-line Modells mit sehr hoher Sicherheit möglich, den TAG-Gehalt aus dem TL-Gehalt oder umgekehrt zu berechnen. Damit kann ggf. auf die Bestimmung eines der beiden Parameter verzichtet werden.

Für die Anwendung der Fettleberdiagnostik als Routineverfahren in größeren Tierbeständen bedarf es einer zuverlässigen, real-time Methode zur Klassifizierung des Leberfettgehaltes. Aus Gründen des Tierschutzes sollte diese nicht-invasiv sein. Basierend auf der transkutanen brightness mode (B-Mode) Sonographie wurde daher ein Computerprogramm [Computer-Aided Ultrasound Diagnosis (CAUS)] zur Analyse des Leberfettgehaltes entwickelt. Mit CAUS werden die in einer standardisierten Gerätegrundeinstellung transkutan aufgenommenen B-Mode-Ultraschalldatensätze der Leber zunächst kalibriert. Damit wird erreicht, den Einfluss von im Zuge der Bildaufzeichnung entstandenen Artefakten sowie der Bauchwand des Tieres auf die Analysenergebnisse zu korrigieren. Bei der Überprüfung an 151 Deutsch-Holstein-Kühen bestätigte sich die Eignung von CAUS zur digitalen Analyse des Leberfettgehaltes. Es ist damit möglich, Kühe dem TAG-Gehalt des Organs entsprechend untersucherunabhängig und nicht-invasiv zu klassifizieren. Aufgrund der Automatisierung der Arbeitsschritte ist die Software benutzerfreundlich und für den Einsatz in der Praxis zum Screening des Leberfettgehaltes im Rahmen der Gesundheitsüberwachung von Milchviehherden geeignet.

Die durch die Fetteinlagerung in die Hepatozyten hervorgerufene Schwellung des Parenchyms führt zur Vergrößerung der Leber und einem Abstumpfen der Organränder. Die Dimensionsänderungen können sonographisch erfasst werden. Wie die Untersuchungen an 133 Deutsch-Holstein-Kühen ergaben, werden sie ab einem Leber-TAG-Gehalt von etwa 100 mg/g Leberfrischgewicht [fresh weight (FW)] nachweisbar und besonders prominent ab einem TAG von 150 mg/g FW. Aufgrund der hohen absoluten und relativen interindividuellen Varianz des mittels multipler Regression aus den Dimensionsparametern berechneten Leberfettgehaltes ist der diagnostische Wert der Organmaße zur Vorhersage des Leberfettgehaltes bei Milchkühen jedoch begrenzt.

Infolge der Parenchymschwellung kommt es nicht nur zur Änderung der Form der Leber, sondern auch zur Druckerhöhung innerhalb des Organs. Diese führt zu einer Kompression der Sinusoide und Blutgefäße. Intraoperativ durchgeführte dopplersonographische Untersuchungen an der V. portae von 80 laktierenden Deutsch-Holstein-Kühen mit unterschiedlichem Leberfettgehalt bestätigten, dass es infolgedessen zu einer Beeinflussung der Organdurchblutung kommt. Mit zunehmendem Leberfettgehalt nahmen bei den Kühen die Blutflussgeschwindigkeit und der venöse Pulsatilitätsindex an der V. portae ab. Dies beruht auf einer Reduktion der Elastizität der Gefäße innerhalb der Leber infolge der Fetteinlagerung. Die Veränderungen werden besonders deutlich, wenn der TAG-Gehalt 150 mg/g FW übersteigt.

Obwohl Glucocorticoide zur Behandlung des Lipomobilisationssyndroms der Milchkühe mit nachweislich positiver Wirkung breit angewendet werden, sind deren Effekte an der Leber noch immer nicht eindeutig aufgeklärt. Vor allem Studien zur Glucosenettoabgabe und zum Blutfluss an der Leber von Milchkühen unter Glucocorticoideinfluss fehlten bisher. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte, ultraschallgeführte Katheterimplantation in die V. portae, V. hepatica und V. mesenterica cranialis in Verbindung mit der Katheterisierung der Aorta abdominalis schafften eine Voraussetzung dafür, diese Fragestellung an Patienten zu untersuchen. Die Methode stellt eine sichere, minimal-invasive Technik dar, welche in Kombination mit der Farbstoffverdünnungsmethode zur Erfassung der Nettoentnahme bzw. -abgabe von Substraten bei Milchkühen geeignet ist. So konnte bei sieben Deutsch-Holstein-Kühen unter Einfluss des synthetischen Glucocorticoids Dexamethason-21-isonicotinat (DEXA) neben einer Hyperglycaemie und Hyperinsulinaemie eine Zunahme des hepatischen Plasma- und Blutflusses nachgewiesen werden. Vor allem der Anstieg des arteriellen Anteils am hepatischen Blutfluss ist ein indirekter Hinweis auf eine Reduktion der Durchblutung peripherer Organe zugunsten der Leber unter DEXA-Einfluss. Das Ausbleiben des Anstieges der Glucosenettoabgabe in der Leber lässt darauf schließen, dass die erhöhten Glucosespiegel nicht - wie bisher vermutet - auf eine Stimulation der hepatischen Glucosenettoabgabe, sondern auf eine Reduktion des Glucoseverbrauchs in der Körperperipherie zurückzuführen sind. Da die Glucosespiegel im Plasma trotz zunehmender Insulinkonzentrationen nicht zurückgehen, kann von einer Insulinresistenz in der Körperperipherie ausgegangen werden. Dies bestätigte auch das Absinken des revised quantitative insulin sensitivity check index (RQuicki) nach DEXA-Behandlung. Die Ergebnisse lassen weiterhin vermuten, dass es nach DEXA-Behandlung zu einer offenbar insulinbedingten Reduktion der Lipolyse in der Körperperipherie kommt. Unter der Behandlung wurden die oxidativen Prozesse in der Leber forciert, und es wurde mehr Sauerstoff im Organ verbraucht. Die Hyperglycaemie, der nachweisliche Rückgang an intrahepatischem Speicherfett und die Steigerung der hepatischen Durchblutung können als positive Effekte für die Leber gewertet werden. Die Ergebnisse können damit als Beitrag zur Erklärung der klinischen Wirksamkeit einer Behandlung mit Glucocorticoiden angesehen werden.

In the majority of high-producing dairy cows, excessive fat deposition in the liver occurs during the first few weeks of lactation. This phenomenon may lead to lipid mobilization syndrome, which is the primary cause of hepatic insufficiency as well as numerous other diseases in the early postpartum period.

An accurate knowledge of the fat content of the liver of individual cows is necessary for conducting clinical studies of fatty liver in dairy cows. Until now, there were no precise methods for assessing the total lipid (TL) and triacylglycerol (TAG) content of small liver biopsy samples. The present study established a two-step analytical method, in which the TL content was assessed gravimetrically followed by enzymatic measurement of the TAG content. The method was tested in 150 German Holstein cows and shown to be highly accurate for determining the TL and TAG contents of very small (<100 mg) liver biopsy samples. Because of the high correlation between the two variables, the broken-line model can be used with a very high degree of confidence to determine the TAG content from the TL content or vice versa. This means that, depending on the study design, it may be acceptable to forego the measurement of one of the two variables.

A reliable real-time method for classifying cows according to their hepatic fat content is required for diagnosing fatty liver on a routine basis in large dairy operations. For animal welfare reasons, the method should be non-invasive. A computer program [Computer-Aided Ultrasound Diagnosis (CAUS)] for evaluation of hepatic fat content was therefore developed using transcutaneous brightness mode (B-mode) ultrasonography. For this purpose, the liver is scanned transcutaneously using standardised settings for the ultrasound machine to calibrate the images. This allows for the correction of ultrasonographic artefacts and for adverse effects on the images caused by the abdominal wall during scanning of the liver. The usefulness of CAUS as a reliable method for digital analysis of the liver fat content was confirmed in a study involving in 151 German Holstein cows; cows were classified objectively and non-invasively according to the TAG content of the liver. The software provides an automated examination process and is therefore user friendly and well suited for screening of liver fat content in dairy herds as part of a herd health program.

Fat deposition in hepatocytes leads to parenchymal swelling with enlargement of the liver and rounding of its margins. These dimensional changes can be recognised via ultrasonography; a study of 133 German Holstein cows showed that these changes were first detectable in cows with a TAG content of approximately 100 mg/g fresh liver weight (FW). Changes were very prominent in cows with a TAG content of 150 mg/g FW or greater. However, the diagnostic usefulness of the size of the liver for predicting fat content of the liver in dairy cows is limited because of the large absolute and relative inter-individual variances, which were calculated from various dimensional variables via multiple regression analysis.

In addition to changes in the size and shape of the liver, swelling of the liver parenchyma also increases the pressure within the organ, leading to compression of the sinusoids and blood vessels. Intraoperative Doppler ultrasonography of the portal vein in 80 German Holstein cows with varying liver fat content revealed that the fat content affected liver perfusion. Blood flow velocity and the venous pulsatility index of the portal vein progressively decreased with an increase in the TAG content of the liver; reduced elasticity of blood vessels because of increased fat content of the liver is believed to account for this. These changes became pronounced when the TAG content of the liver exceeded 150 mg/g FW.

Glucocorticoids are commonly used to treat lipid mobilization syndrome in dairy cattle with good success. However, the exact effects of this treatment are not clear. There have been no studies on glucose net output and blood flow in the liver of dairy cattle treated with glucocorticoids. To study these factors, methods were established in this research project at which in all the cows, indwelling catheters were placed transcutaneously under ultrasonographic guidance into the cranial mesenteric vein, hepatic vein, portal vein, and, without ultrasonographic guidance, in the abdominal aorta. These are safe and minimally-invasive techniques, which in combination with a dye-dilution method, are suited for determination of hepatic metabolism in dairy cows. The method revealed that there was hyperglycaemia, hyperinsulinaemia and an increase in the hepatic plasma and blood flow in seven German Holstein cows treated with dexamethasone-21-isonicontinate (DEXA). The increase in the arterial component of hepatic blood flow is an indirect indication of reduced blood flow to the periphery of the body in cows under the influence of DEXA. The absence of an increase in net glucose production in the liver suggests that increased blood glucose concentration is attributable to decreased glucose use in the periphery rather than stimulation of glucose output by the liver. The lack of a decrease in plasma glucose concentration despite increasing insulin levels is likely attributable to insulin resistance in the peripheral regions of the body. This was supported by a decrease in the revised quantitative insulin sensitivity check index (RQuicki) after DEXA administration. The results also suggest that there is an insulin-dependent reduction in lipolysis in peripheral tissues after DEXA treatment. Oxidative processes in the liver were enhanced and oxygen consumption in the liver increased under the influence of DEXA. Thus, hyperglycaemia, the decline in hepatic fat storage, and the increased hepatic perfusion can be interpreted as positive effects of DEXA on the liver. Taken together, the results of the present research project contribute to the elucidation of the mode of action of glucocorticoids in the treatment of hepatosteatosis in dairy cows.