Neue Einblicke in den Stoffwechsel unserer Kühe: Was bedeutet das für die Praxis?

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1 Milchpraxis - Roadshow Transitkuhmanagement 4.0 Neue Einblicke in den Stoffwechsel unserer Kühe: Was bedeutet das für die Praxis? Dr. Denise Geßner Institut für Tierernährung und Ernährungsphysiologie Justus-Liebig-Universität Gießen

2 Stressoren in der Transitzeit oxidativer Stress Hitzestress Sozialer Stress Durchlässiger Darm Gebärmutterrückbildung, Metritis Mastitis Entzündung, Leberfunkionsstörungen Entzündungsmediatoren Genaue Ursache unklar Panzenazidose Milchfieber Ketose Zu hohe Körperkondition Negative Energiebilanz etc. 2

3 DNA mrna Protein Funktion (Enzyme, Rezeptoren, Transporter)

4 Zelluläre Stressantwort Stress Erkennung Zelltod (Apoptose, Nekrose) Antwort Adaptation Verlust der Funktion Erhalt der Funktion Entzündung als Stressantwort, um Überleben zu sichern und Funktion wieder herzustellen 4

5 Entzündung Was ist das? Entzündung: Antwort auf die Schädigung tierischer Gewebe durch schädigende Reize physikalischer, chemischer oder biologischer Natur Ziel: Eliminierung des schädlichen Reizes Vermeidung der Ausbreitung der Schädigung Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit des Gewebes Phasen: 1. Lokale Durchblutungsstörung 2. Gesteigerte Durchblutung, erhöhte Permeabilität der Blutgefäße 3. Einwandern von Immunglobulinen und Leukozyten, immunologische Reaktion 4. Akute-Phase-Reaktion 5. Auflösung der Entzündung, Wiederherstellung der Funktion 5

6 NF-kB Signalweg Nukleärer Faktor-kappa B (NF-KB) als Regulator der Entzündung Nukleärer Faktor-kappa B (NF-KB) als Regulator der Entzündung Über 1000 Gene können gleichzeitig aktiviert werden Entzündungsstimuli: Bakterielle Toxine, Viren, Oxidativer Stress, Zytokine, Zellkern NF-κB NF-κB-RE N I-κB NF-κB A/B C = NF-κB response element P I-κB Abbau Expressionssteigerung Entzündung Entzündungsfördernde Proteine werden vermehrt gebildet Zytokine Akute-Phase-Proteine Zelladhäsionsmoleküle 6

7 Was bedeutet Entzündung für den Stoffwechsel der Kuh? Entzündung verringert Leistung Physiologisch sinnvoll Geßner et al. (2016). JAPAN. doi: /jpn

8 Wieviel Leistung kostet Entzündung? Experimenteller Versuch: Auslösen von Entzündung durch subkutane Injektion von TNFα, einmal täglich von d 1- d 7 pp Merkmal TM-Aufnahme (kg/d) Milchleistung (kg/d) Kontrolle 1,5 µg/kg TNFα 3,0 µg/kg TNFα 13,7 12,1* 10,4* 33,7 29,1* 28,4* Fett (kg/d) 2,08 1,87 1,59* Eiweiß (kg/d) 1,29 1,11* 1,01* Lactose (kg/d) 1,65 1,39* 1,32* Milchenergie (MJ/d) Energiebilanz (MJ/d) * 120* * P < 0,05. Yuan et al, Plos One 2013, 19:e80316

9 Rolle der Entzündung in der Leber in der Frühlaktation für Einfluss der Entzündung auf die Leistung Milchleistung und Gesundheit bei der Kuh Experimenteller Versuch: Behandlung von Kühen mit Entzündungshemmer ASS während der ersten 5 d nach der Abkalbung (1.-3. Tag: 15 g; Tag: 7,5 g) - Krankheiten - Geburtsstress - Oxidativer Stress - Entzündungsmediatoren NF-kB Entzündung Milchmenge: + 5 kg/d (bis d 60) APP: vermindert NAPP: erhöht Leberfunktion: verbessert Weniger Fälle metabolischer und infektiöser Erkrankungen Trevisi and Bertoni (2008). Aspirin and Health Research Progress. PI Quinn, ed. P

10 Einfluss Einfluss von von Aspirin Aspirin auf auf die Milchleistung die Milchleistung von Kühen von Kühen Trevisi and Bertoni (2008) 10

11 Einfluss von Aspirin auf Fruchtbarkeitskennzahlen Gruppe Kontrolle Aspirin Kühe, % gemerzte Kühe, % 16,7 8,3 tragende Kühe, % 83,3 91,7 tragend nach 1. Besamung, % 21,1 52,4 Besamungsindex, Anzahl 2,68 2,38 Rastzeit, d 131,8 106,3 Trevisi and Bertoni (2008) 11

12 Entzündungsparameter in der Leber während der Transitzeit Leber zentrales Stoffwechselorgan Während der Frühlaktation enorm belastet Bei hochleistenden Milchkühen häufig Leberfunktionsstörungen, Fettleber, Ketose Gene der Entzündung (NF-κB-Zielgene) in der Leber von Holstein-Kühen in der Transitzeit - 3 wk + 1 wk + 5 wk + 14 wk Tumor-Nekrose Faktor α 1,00 1,8* 1,6* 1,3* C-reaktives Protein 1,00 3,9* 2,8* 3,4* Haptoglobin 1,00 19,7* 1,0 0,9 Serum Amyloid A 1,00 13,3* 2,4* 4,0* Geßner et al., J. Dairy Sci. 2013, 96: Entzündungsparameter zu Beginn der Laktation stark erhöht, danach langsame Abflachung Ursache? Negative Energiebilanz? 12

13 Ist die negative Energiebilanz (NEB) in der Frühlaktation die Ursache für Leberfunktionsstörungen? Effekt einer negativen Energiebilanz in der Frühlaktation und in der späteren Laktation auf metabolische Parameter bei Holstein Kühen (means ± SEM) Parameter 3 Wochen präpartum 1 Woche postpartum 17 Wochen postpartum 17 Wochen postpartum Fütterung Kontrolliert Ad libitum Kontrolliert Restriktiv Energiebilanz (MJ NEL/d) + 39 ± 2-46 ± 3* 9 ± 4-60 ± 4* NEFA (mmol/l) 0,23 ± 0,02 0,78 ± 0,08* 0,11 ± 0,02 0,19 ± 0,03 BHBA (mmol/l) 0,44 ± 0,02 0,70 ± 0,04* 0,59 ± 0,05 0,60 ± 0,04 Leber TAG (mg/g) 26 ± 4 55 ± 8* 17 ± 4 21 ± 6 NEIN, negative Energiebilanz hat zwar ungünstige Auswirkungen auf den Leberstoffwechsel in der Frühlaktation, aber nicht in der späteren Laktation NEB ist Risikofaktor, aber nicht alleinige Ursache! Groß et al. 2011, J. Dairy Sci. 94: Groß et al J. Dairy Sci. 96:

14 Ursachenforschung - ER-Stress - Was ist das? Ungefaltete/fehlgefaltete Proteine Fettsucht, Diabetes, High fat diet Entzündung Hohe NEFA Level ER-Stress (ungefaltete Proteine) FGF21 UPR Unfolded protein response (UPR) Proteinsynthese Faltungskapazität Abbau von Proteinen Zytoprotektive Kapazität Entzündung Apoptose Cnop et al. (2012). Trends Mol Med. 18(1): Fettleber Ketose Entzündung Insulinresistenz

15 Tritt bei Kühen in der in der Frühlaktation ER-Stress in der Leber auf? Gene 3 wk antepartum (n=13) 1 wk postpartum (n=13) Means ± SE (n = 14). Geßner et al. (2014). BMC Vet Res. 10:46. 5 wk postpartum (n=13) 14 wk postpartum (n=13) ATF4 1,00 ± 0,25 a 3,14 ± 0,25 c 2,08 ± 0,26 b 1,65 ± 0,24 b BAK1 1,00 ± 0,29 a 2,10 ± 0,30 b 1,56 ± 0,29 ab 1,59 ± 0,28 ab BAX 1,00 ± 0,36 a 3,02 ± 0,39 b 1,98 ± 0,35 ab 1,52 ± 0,35 a CASP3 1,00 ± 0,31 a 2,54 ± 0,27 b 2,07 ± 0,26 b 1,71 ± 0,26 ab CASP8 1,00 ± 0,25 a 2,48 ± 0,24 b 1,88 ± 0,23 ab 1,73 ± 0,23 ab CASP9 1,00 ± 0,37 a 2,45 ± 0,35 b 1,89 ± 0,34 ab 1,84 ± 0,36 ab DDIT3 1,00 ± 0,17 a 1,86 ± 0,17 b 1,58 ± 0,17 ab 1,41 ± 0,17 ab DNAJC3 1,00 ± 0,15 a 1,89 ± 0,17 b 1,49 ± 0,17 ab 1,43 ± 0,15 ab EDEM1 1,00 ± 0,21 a 1,70 ± 0,21 b 1,69 ± 0,20 b 1,25 ± 0,22 ab HERPUD1 1,00 ± 0,45 a 3,96 ± 0,37 b 2,27 ± 0,43 a 1,66 ± 0,38 a HSPA5 1,00 ± 0,29 a 2,74 ± 0,27 b 1,64 ± 0,26 a 1,41 ± 0,24 a PDIA4 1,00 ± 0,25 a 1,92 ± 0,28 b 1,34 ± 0,24 ab 1,23 ± 0,25 ab XBP1 1,00 ± 0,25 a 3,14 ± 0,25 c 2,08 ± 0,26 b 1,65 ± 0,24 b ER Stress in der Leber der Kühe während der Frühlaktation erstmals nachgewiesen! 15

16 ER Stress als zentrale Ursache für Fettleber und Ketose bei der Milchkuh? 16

17 Wie kann man fütterungstechnisch vorbeugen? Energiebilanz/ Körperkondition a.p., Futteraufnahme, Fettsäuremodulation Entzündungshemmende Futtermittel/FM-Zusätze, Gesundheitsmanagement Antioxidanzien ph im Pansen, Futterration 17

18 Praxis - Beispiele - Fütterung in der Trockenstehphase (Körperkondition) Fütterung in der Trockenstehphase hat großen Einfluss auf gesamte Laktationsleistung Höhere Energiedichte führte zu mehr Stress und Entzündung in der Leber (Zhou et al., 2015) Zu hohe Körperkondition führt zu verminderter Futteraufnahme in Frühlaktation - Fütterung von polyphenolhaltigen Futtermitteln Beispiel Zusatz von Traubentrester 18

19 Einsatz von Polyphenolen Tiere 28 hochleistende Milchkühe (Deutsche Holstein) Durchschnittliche Anzahl der Laktationen: 2,8 Fütterungsdauer: Woche 3 antepartum - Woche 9 postpartum Hofgut Neumühle TMR + Kontrollgruppe: 1% Weizenkleie zum energetischen Ausgleich Traubentrestergruppe: 1% Traubentrester (AntaOx ) Getrockneter und gemahlener Traubentrester Totaler Polyphenolgehalt (analysiert): 52mg Gallensäueräquivalente pro g Beprobung: Milchproben, Blutproben (V. caudalis mediana) in Woche 1, 3, 5 postpartu, Leberbiopsieproben in Woche 1 und 3 postpartum

20 Futteraufnahme, Milchproduktion & Milchzusammensetzung Woche 2 - Woche 9 pp P-Wert Variable 1 Kontrolle Trester SEM Trester Zeit Trester x Zeit TM-Aufnahme, kg/d 16,6 17,2 0,63 0,515 < 0,001 0,629 NE L,MJ/d 114,3 118,4 4,33 0,515 < 0,001 0,629 Energiebilanz, MJ NEL/d -29,9-36,5 5,04 0,390 < 0,001 0,631 Milchleistung, kg/d 35,4 39,0 1,06 0,029 < 0,001 0,678 ECM 2, kg/d 33,9 37,0 1,04 0,045 0,076 0,312 Fett, % 4,03 3,92 0,08 0,329 < 0,001 0,711 Protein, % 3,20 3,22 0,06 0,871 < 0,001 0,954 Laktose, % 4,80 4,83 0,03 0,470 < 0,001 0,931 Fett, kg/d 1,37 1,47 0,05 0,142 0,884 0,478 Protein, kg/d 1,09 1,21 0,04 0,028 0,887 0,328 1 Werte sind least square means, n = 14 pro Gruppe. 2 ECM, bezogen auf 4% Fett und 3,4% Protein, pp = postpartum Geßner et al. (2015). J. Dairy Sci. 98:1 13. Signifikante Verbesserung der Milchleistung 20

21 Milchleistung # * * * # 35 Milchleistung [kg/d] Control Kontrolle GSGME Traubentrester Laktationswoche Werte sind ls means, n = 14 pro Gruppe. *p < 0,05; # p < 0,10. Geßner et al. (2015). J. Dairy Sci. 98:

22 Metabolische Parameter Metabolische Parameter im Plasma und Konzentration von Lipiden in der Leber der Milchkühe nach Fütterung von 1% Traubentrester im Durchschnitt von Woche 1, 3 and 5 Woche 1,3,5 P-Wert Variable 2 Kontrolle Trester SEM Trester Zeit Trester x Zeit Plasma NEFA, mmol/l 0,37 0,33 0,02 0,289 <0,001 0,135 BHBA, mmol/l 0,43 0,55 0,03 0,003 0,273 0,299 Triglyceride, mmol/l 0,16 0,16 0,01 0,886 <0,001 0,078 Retinol, mg/l 0,24 0,28 0,01 0,043 <0,001 0,719 Leber Triglyceride, mg/g 63,7 38,1 10,7 0,109 0,884 0,363 Cholesterol, mg/g 4,24 3,48 0,32 0,106 0,026 0,714 Tendenzielle Reduktion des Fettgehaltes in der Leber 22

23 Relative mrna-konzentrationen von Entzündungs- und ER Stress-assoziierten Genen in der Leber der Milchkühe Woche 1 and 3 1,2 P-Wert Gen 3 Kontrolle Trester SEM Trester Zeit Trester x Zeit Entzündung CRP 1,00 0,77 0,21 0,433 0,008 0,427 HP 1,00 0,46 0,32 0,237 0,070 0,176 TNF 1,00 0,69 0,18 0,455 0,217 0,536 Unfolded protein response ER-stress ATF4 1,00 0,77 0,16 0,292 0,048 0,900 BAK1 1,00 0,75 0,23 0,497 0,001 0,998 BAX 1,00 0,45 0,15 0,265 0,002 0,653 CASP3 1,00 0,90 0,16 0,670 0,652 0,279 DDIT3 1,00 0,74 0,12 0,110 0,005 0,222 EDEM1 1,00 0,80 0,23 0,518 0,004 0,980 HSPA5 1,00 0,53 0,21 0,126 0,102 0,396 PDIA4 1,00 0,72 0,18 0,281 0,009 0,076 XBP1 1,00 0,57 0,16 0,073 0,391 0,071 FGF21 1,00 0,38 0,20 0,034 0,888 0,333 1 mrna Konzentrationen der Gene sind relativ zu den mrna Konzentration von Woche 1 wk postpartum (=1,00) gesetzt. 2 Werte sind ls means, n = 14 pro Gruppe. Hemmung von ER Stress und Entzündung in der Leber 23

24 Entzündungsmarker im Plasma der Milchkühe Plasma serum amyloid A (SAA) Plasma Haptoglobin (HP) Plasma serum amyloid A (µg/l) * Plasma Haptoglobin (mg/l) * 0 0 Kontrolle Control Trester GSGME Kontrolle Control Trester GSGME Signifikante Reduktion von Entzündungsmediatoren im Plasma 24

25 Fazit unseres Kuhversuchs Die Fütterung des Traubentresters von Woche 3 ap bis Woche 9 pp führte zu einer Verbesserung der Milchleistung (Δ 3.4 kg/kuh/d, Woche 2 bis Woche 9 der Laktation) ohne nachteilige Effekte auf den Energiestatus Kein genereller Effekt des Traubentresters auf den antioxidativen Status, mehr genregulatorische Wirkungen Reduktion von entzündlichen Prozessen und ER-Stress in der Leber der Kühe, tendenzielle Reduktion des Fettgehaltes in der Leber, Reduktion der von Akute- Phase-Proteinen im Plasma 25

26 Zusammenfassung Entzündungsprozesse in der Transitphase scheinen eine entscheidende Rolle für die gesundheitlichen Probleme in der Frühlaktation bei der Kuh zu spielen Bisher unklar, ob die Höhe der Leistung einen direkten auf die Entstehung von Entzündungsprozessen in der Transitphase hat. Eine Hemmung der Entzündung verbessert die Leistung und die Tiergesundheit Maßnahmen, die das Risiko für Entzündungen minimieren, sollten angewendet werden (Management!) Innovative Fütterungskonzepte (Fütterung in der Trockenstehphase, Verabreichung entzündungshemmender Futtermittel oder Supplemente) können dazu beitragen, Entzündungsprozesse abzuschwächen. 26

27 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!