Impact of dietary L-carnitine supplementation on blood parameters of mid-lactating dairy cows during lipopolysaccharide-induced systemic inflammation

Seemann, Leonie, Katharina

Dissertation 2025 CC BY-NC-ND 4.0

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Impact of dietary L-carnitine supplementation on blood parameters of mid-lactating dairy cows during lipopolysaccharide-induced systemic inflammation

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Die Optimierung des Energiestoffwechsels von Milchkühen ist ein wichtiges Thema in der Milchviehhaltung, da er für die Gesundheit, die Leistung und das Wohlergehen der Tiere eine wesentliche Rolle spielt. Es ist bekannt, dass während der Transitphase, aber auch bei systemischen Entzündungen Ungleichgewichte im Energiehaushalt auf systemischer, sowie auf zellulärer Ebene vorkommen können. Der Einsatz von Futtermittelzusatzstoffen wie L-Carnitin ist ein Ansatz zur Unterstützung des Energiestoffwechsels von Milchkühen. L-Carnitin ist unerlässlich für die Energiegewinnung aus langkettigen freien Fettsäuren. Es ermöglicht den Transport der langkettigen Fettsäuren in die Mitochondrien, wo die Fettsäureoxidation stattfindet. Um die Auswirkungen einer L-Carnitin Supplementation auf Milchkühe während energieintensiver Phasen zu untersuchen, wurde ein Fütterungsversuch mit 59 Deutsch-Holstein Kühen durchgeführt. Die Kühe wurden einer Kontrollgruppe (CON; n = 30) und einer L-Carnitin supplementierten Gruppe (CAR; n = 29) zugeteilt und erhielten eine Teil-Totale Mischration aus Raufutter (70% Maissilage und 30% Grassilage) und Kraftfutter, die in ihren Anteilen an das Laktationsstadium angepasst wurde. Über den gesamten Versuchszeitraum erhielt CAR 25 g/Tag/Kuh pansengeschütztes L-Carnitin mit dem Kraftfutter, während in der Kontrollgruppe ein Produkt mit gleichwertigem Fettgehalt Bestandteil der individuell aufgenommenen Kraftfutterration war. Wasser wurde zur freien Verfügung angeboten. Der gesamte Versuch umfasste den Zeitraum von Tag 42 vor dem erwarteten Abkalben bis zum Tag 126 nach dem Abkalben und umfasste zwei Challenges: die Abkalbung und die LPS-Challenge. Die Kühe wurden während des Versuchs in einem Boxenlaufstall gehalten und während der beiden Challenges in separaten Einzelboxen mit Stroheinstreu untergebracht. Die vorliegende Studie konzentrierte sich auf die LPS-Challenge, bei der alle Kühe am Tag 111 nach dem Abkalben eine intravenöse Bolusinjektion von 0.5 µg LPS/kg Körpergewicht (E. coli, Serotyp O111:B4) erhielten.

Während des gesamten Versuchs wurden regelmäßig Blutproben entnommen, wobei die Probenahme in den ersten 72 Stunden nach der LPS-Challenge hochfrequent durchgeführt wurde. Ein Teil dieser Studie umfasste die Analyse von hämatologischen Variablen, Interleukin 6, dem oxidativen Status, der antioxidativen Kapazität, der klinischen Chemie, der funktionellen Eigenschaften von Leukozyten und ihre Phänotypisierung (Publikation 1). Zusätzlich wurden periphere mononukleäre Blutzellen (PBMC) isoliert und intrazelluläres Carnitin und seine Derivate, Concanavalin A (ConA)-stimulierte Proliferation, Genexpression und mitochondriale Funktionalität in diesen Zellen untersucht. Intrazelluläres Carnitin und seine Derivate wurden auch im Erythrozyten-Lysat (Erylysat) gemessen (Publikation 2).

Die diätetische Supplementation mit L-Carnitin verringerte die Hämoglobinkonzentration, die Anzahl an T-Helferzellen (CD4⁺) und die Anzahl an zytotoxischen T-Zellen (CD8⁺) während einer systemischen LPS-induzierten Entzündung bei Milchkühen. Darüber hinaus wurde unabhängig von der LPS-Injektion ein Anstieg der Anzahl an Eosinophilen, des Anteils an Basophilen und der Serumharnstoffwerte durch L-Carnitin beobachtet. Für Carboxyhämoglobin und Serumalbumin wurden ungerichtete Effekte der L-Carnitin Fütterung während der Immun-Challenge festgestellt. Außerdem erhöhte die L-Carnitin Supplementation den intrazellulären Spiegel von Carnitin und γ-Butyrobetain in PBMC und Erylysat, sowie die intrazelluläre Acetylcarnitin-Konzentration im Erylysat. Des Weiteren wurde die Genexpression der Carnitin-Acylcarnitin-Translokase (SLC25A20) und der Cytochrom C Oxidase Untereinheit 4I1 (COX4I1) in PBMC sowie die nicht-mitochondriale Respirationsrate von PBMC durch die L-Carnitin Fütterung unter Entzündungsbedingungen beeinflusst. Die systemische LPS-induzierte Entzündung wirkte sich auf fast alle der untersuchten Variablen aus. Insbesondere das weiße Blutbild wurde durch die LPS-Injektion massiv beeinflusst und zeigte überwiegend biphasische Verläufe.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die L-Carnitin Supplementation nur vereinzelte Auswirkungen auf die Blutparameter von Milchkühen hatte und der Effekt der LPS-Injektion die Ergebnisse dominiert. Die Studie liefert hochfrequente Daten einer Akute Phase Reaktion bei Milchkühen mit der Charakterisierung einer großen Anzahl an Variablen, die detaillierte Einblicke in den Immunstoffwechsel geben.

Optimizing the energy metabolism of dairy cows is an important topic in dairy farming, as it is essential for health, performance, and welfare of the animals. Energy imbalances on systemic as well as cellular level are known to occur during the transition period but also during systemic inflammation. The use of feed additives, such as L-carnitine, is one approach to support the cow’s energy metabolism. L-carnitine is essential for generating energy from long-chain free fatty acids. It enables the transport of long-chain fatty acids into the mitochondria, where the fatty acid oxidation takes place. In order to investigate the effects of dietary L-carnitine on dairy cows during energy demanding periods, a feeding trial with 59 German Holstein cows was conducted. The cows were assigned to a control group (CON; n = 30) and an L-carnitine supplemented group (CAR; n = 29) and were fed a partial mixed ration including roughage (70% maize silage and 30% grass silage) and concentrate feed adjusted in their proportions to the lactation stage. Over the whole trial, CAR received 25 g/d/cow rumen-protected L-carnitine with the concentrate, whereas CON was supplemented with an equivalent fat product for compensation. Water was provided ad libitum. The experimental trial lasted from day 42 before the expected calving until day 126 after calving and included two challenges: the calving and the LPS-challenge. Cows were housed in a free stall barn and were kept in straw bedding boxes during the two challenges. The present study focused on the LPS-challenge, when all cows received an intravenous bolus injection of 0.5 µg LPS/kg body weight (E. coli, Serotype O111:B4) on day 111 after calving.

Blood samples were collected regularly during the whole trial with high-frequent sampling in the first 72 h after the LPS-challenge. One part of this study was the analysis of hematological variables, interleukin 6, oxidative status, antioxidant capacity, clinical chemistry, functional properties of leukocytes, and their phenotyping (Publication 1). Additionally, peripheral blood mononuclear cells (PBMC) were isolated and intracellular carnitine and its derivatives, concanavalin A (ConA)-stimulated proliferation, gene expression, and mitochondrial functionality were investigated in these cells. Intracellular carnitine and its derivatives were also measured in erythrocyte-lysate (erylysate) (Publication 2).

Dietary L-carnitine supplementation decreased hemoglobin concentrations, number of T-helper cells (CD4⁺), and cytotoxic T-cells (CD8⁺) during systemic LPS-induced inflammation in dairy cows. Furthermore, an increase of eosinophil counts, basophil proportion, and serum urea levels was observed due to L-carnitine supplementation independent from LPS injection. For carboxyhemoglobin and serum albumin, undirected effects of L-carnitine supplementation during the immune challenge were detected. Moreover, L-carnitine supplementation elevated intracellular levels of carnitine and γ-butyrobetaine in PBMC and erylysate, as well as intracellular acetylcarnitine in erylysate. Additionally, gene expression of carnitine-acylcarnitine translocase (SLC25A20) and cytochrome c oxidase subunit 4I1 (COX4I1) in PBMC, as well as non-mitochondrial respiration rate of PBMC were affected by L-carnitine supplementation under inflammatory conditions. The systemic LPS-induced inflammation affected almost all of the investigated variables. Particularly the white blood count was massively influenced by LPS injection and showed predominantly biphasic patterns.

In conclusion, dietary L-carnitine supplementation had only isolated effects on blood parameters of dairy cows and the effect of LPS injection dominated the outcome. The study provides high-resolution data of an acute phase reaction in dairy cows with characterization of a huge body of variables, giving detailed insights in immune metabolism.