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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
Milchpraxis - Roadshow 2017 - Transitkuhmanagement 4.0
Stressoren in der Transitzeit
Sozialer Stressoxidativer Stress
Gebärmutterrück-bildung, Metritis
Mastitis
DurchlässigerDarm
Hitzestress
Entzündung, Leberfunkions-
störungen
KetosePanzenazidose
Negative Energiebilanz
Entzündungs-mediatoren
Milchfieber
Zu hohe Körperkondition etc.…
Genaue Ursache unklar
2
DNA
mRNA
Funktion (Enzyme, Rezeptoren, Transporter)
Protein
Zelluläre Stressantwort
Zelltod(Apoptose, Nekrose)
Verlust der Funktion
Erhalt der Funktion
Adaptation
Antwort
Erkennung
Stress
Entzündung als Stressantwort, um Überleben zu sichern und Funktion wieder herzustellen 4
Entzündung – Was ist das?
Ziel: Eliminierung des schädlichen ReizesVermeidung der Ausbreitung der SchädigungWiederherstellung der Funktionsfähigkeit des Gewebes
Entzündung: Antwort auf die Schädigung tierischer Gewebe durch schädigende Reize physikalischer, chemischer oder biologischer Natur
Phasen:1. Lokale Durchblutungsstörung2. Gesteigerte Durchblutung, erhöhte Permeabilität der Blutgefäße 3. Einwandern von Immunglobulinen und Leukozyten, immunologische
Reaktion4. Akute-Phase-Reaktion5. Auflösung der Entzündung, Wiederherstellung der Funktion
5
NF-kB Signalweg
N
A/B C
= NF-κB response element
NF-κB
NF-κB-RE
NF-κB
I-κBI-κB
Abbau
P
Entzündung
Nukleärer Faktor-kappa B (NF-KB) als Regulator der Entzündung
Expressionssteigerung
Entzündungsstimuli:Bakterielle Toxine,Viren, Oxidativer Stress, Zytokine,…
Zellkern
Entzündungsfördernde Proteine werden
vermehrt gebildet• Zytokine• Akute-Phase-Proteine• Zelladhäsionsmoleküle• …
Nukleärer Faktor-kappa B (NF-KB) als Regulator der Entzündung Über 1000 Gene können gleichzeitig aktiviert werden
6
Entzündung verringert Leistung
Physiologisch sinnvoll
Was bedeutet Entzündung für den Stoffwechsel der Kuh?
Geßner et al. (2016). JAPAN. doi: 10.1111/jpn.12579. 7
Wieviel Leistung kostet Entzündung?
Experimenteller Versuch: Auslösen von Entzündung durch subkutane Injektion von TNFα,einmal täglich von d 1- d 7 pp
Merkmal Kontrolle 1,5 µg/kg TNFα
3,0 µg/kgTNFα
TM-Aufnahme(kg/d)
13,7 12,1* 10,4*
Milchleistung(kg/d)
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)
154 134* 120*
Energiebilanz (MJ/d)
-99 -90 -92
Yuan et al, Plos One 2013, 19:e80316* P < 0,05.
Trevisi and Bertoni (2008). Aspirin and Health Research Progress. PI Quinn, ed. P22-37.
Experimenteller Versuch: Behandlung von Kühen mit Entzündungshemmer ASS während der ersten 5 d nach der Abkalbung(1.-3. Tag: 15 g; 4.-5. Tag: 7,5 g)
Milchmenge: + 5 kg/d (bis d 60)APP: vermindertNAPP: erhöhtLeberfunktion: verbessertWeniger Fälle metabolischer und infektiöser Erkrankungen
Rolle der Entzündung in der Leber in der Frühlaktation für Milchleistung und Gesundheit bei der KuhEinfluss der Entzündung auf die Leistung
- Krankheiten- Geburtsstress- Oxidativer Stress- Entzündungsmediatoren
NF-kB Entzündung
9
Einfluss von Aspirin auf die Milchleistung von Kühen
Einfluss von Aspirin auf die Milchleistung von Kühen
Trevisi and Bertoni (2008)
10
Gruppe Kontrolle Aspirin
Kühe, % 24 24
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
Einfluss von Aspirin auf Fruchtbarkeitskennzahlen
Trevisi and Bertoni (2008)
11
Entzündungsparameter in der Leber während der Transitzeit
• Leber zentrales Stoffwechselorgan• Während der Frühlaktation enorm belastet• Bei hochleistenden Milchkühen häufig Leberfunktionsstörungen, Fettleber, Ketose
- 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*
Gene der Entzündung (NF-κB-Zielgene) in der Leber von Holstein-Kühen in der Transitzeit
Geßner et al., J. Dairy Sci. 2013, 96:1038-1043.
Entzündungsparameter zu Beginn der Laktation stark erhöht, danach langsame Abflachung
− Ursache? Negative Energiebilanz? 12
Ist die negative Energiebilanz (NEB) in der Frühlaktation die Ursache für Leberfunktionsstörungen?
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
Effekt einer negativen Energiebilanz in der Frühlaktation und in der späteren Laktation aufmetabolische Parameter bei Holstein Kühen (means ± SEM)
Groß et al. 2011, J. Dairy Sci. 94: 1820-1830Groß et al. 2013. J. Dairy Sci. 96: 5008-5017
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!
Fettsucht, Diabetes, High fat diet
EntzündungHohe NEFA Level
ER-Stress(ungefaltete Proteine)
Unfolded protein response(UPR)
FettleberKetoseEntzündungInsulinresistenz
ProteinsyntheseFaltungskapazitätAbbau von ProteinenZytoprotektive KapazitätEntzündungApoptose
Ursachenforschung - ER-Stress - Was ist das?
Ungefaltete/fehlgefaltete Proteine
Cnop et al. (2012). Trends Mol Med. 18(1):59-68.
FGF21
UPR
Means ± SE (n = 14). Geßner et al. (2014). BMC Vet Res. 10:46.
Gene 3 wk antepartum(n=13)
1 wk postpartum(n=13)
5 wk postpartum(n=13)
14 wk postpartum(n=13)
ATF4 1,00 ± 0,25a 3,14 ± 0,25c 2,08 ± 0,26b 1,65 ± 0,24b
BAK1 1,00 ± 0,29a 2,10 ± 0,30b 1,56 ± 0,29ab 1,59 ± 0,28ab
BAX 1,00 ± 0,36a 3,02 ± 0,39b 1,98 ± 0,35ab 1,52 ± 0,35a
CASP3 1,00 ± 0,31a 2,54 ± 0,27b 2,07 ± 0,26b 1,71 ± 0,26ab
CASP8 1,00 ± 0,25a 2,48 ± 0,24b 1,88 ± 0,23ab 1,73 ± 0,23ab
CASP9 1,00 ± 0,37a 2,45 ± 0,35b 1,89 ± 0,34ab 1,84 ± 0,36ab
DDIT3 1,00 ± 0,17a 1,86 ± 0,17b 1,58 ± 0,17ab 1,41 ± 0,17ab
DNAJC3 1,00 ± 0,15a 1,89 ± 0,17b 1,49 ± 0,17ab 1,43 ± 0,15ab
EDEM1 1,00 ± 0,21a 1,70 ± 0,21b 1,69 ± 0,20b 1,25 ± 0,22ab
HERPUD1 1,00 ± 0,45a 3,96 ± 0,37b 2,27 ± 0,43a 1,66 ± 0,38a
HSPA5 1,00 ± 0,29a 2,74 ± 0,27b 1,64 ± 0,26a 1,41 ± 0,24a
PDIA4 1,00 ± 0,25a 1,92 ± 0,28b 1,34 ± 0,24ab 1,23 ± 0,25ab
XBP1 1,00 ± 0,25a 3,14 ± 0,25c 2,08 ± 0,26b 1,65 ± 0,24b
ER Stress in der Leber der Kühe während der Frühlaktation erstmals nachgewiesen!
Tritt bei Kühen in der in der Frühlaktation ER-Stress in der Leber auf?
15
ER Stress als zentrale Ursachefür Fettleber und Ketose bei der Milchkuh?
16
Wie kann man fütterungstechnisch vorbeugen?
Energiebilanz/Körperkondition a.p.,Futteraufnahme,Fettsäuremodulation
Entzündungshemmende Futtermittel/FM-Zusätze,Gesundheitsmanagement
Antioxidanzien pH im Pansen,Futterration
17
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
Einsatz von Polyphenolen
Tiere
• 28 hochleistende Milchkühe (Deutsche Holstein)• Durchschnittliche Anzahl der Laktationen: 2,8• Fütterungsdauer: Woche 3 antepartum - Woche 9 postpartum
Hofgut Neumühle
• Getrockneter und gemahlener Traubentrester• Totaler Polyphenolgehalt (analysiert): 52mg
Gallensäueräquivalente pro g
TMR +
Kontrollgruppe: 1% Weizenkleie zumenergetischen Ausgleich
Traubentrestergruppe: 1% Traubentrester (AntaOx®)
Beprobung: Milchproben,Blutproben (V. caudalis mediana) in Woche 1, 3, 5 postpartu, Leberbiopsieproben in Woche 1 und 3 postpartum
Futteraufnahme, Milchproduktion & Milchzusammensetzung
Woche 2 - Woche 9 pp P-WertVariable1 Kontrolle Trester SEM Trester Zeit Trester x Zeit
TM-Aufnahme, kg/d 16,6 17,2 0,63 0,515 < 0,001 0,629
NEL ,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
ECM2, 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
1Werte sind least square means, n = 14 pro Gruppe. 2ECM, bezogen auf 4% Fett und 3,4% Protein, pp = postpartum
Signifikante Verbesserung der Milchleistung
Geßner et al. (2015). J. Dairy Sci. 98:1–13.
20
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2 3 4 5 6 7 8 9
Milc
hlei
stun
g[k
g/d]
Laktationswoche
Control GSGME
#
#* **
TraubentresterKontrolle
Milchleistung
Werte sind ls means, n = 14 pro Gruppe. *p < 0,05; #p < 0,10.
Geßner et al. (2015). J. Dairy Sci. 98:1–13.21
Woche 1,3,5 P-Wert
Variable2 Kontrolle Trester SEM Trester Zeit Trester x Zeit
PlasmaNEFA, 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
LeberTriglyceride, 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
Metabolische Parameter
Metabolische Parameter im Plasma und Konzentration von Lipiden in der Leber der Milchkühenach Fütterung von 1% Traubentrester im Durchschnitt von Woche 1, 3 and 5
Tendenzielle Reduktion des Fettgehaltes in der Leber
22
Woche 1 and 3 1,2 P-Wert
Gen3 Kontrolle Trester SEM Trester Zeit Trester x Zeit
EntzündungCRP 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-stressATF4 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
Relative mRNA-Konzentrationen von Entzündungs- und ER Stress-assoziierten Genen in der Leber der Milchkühe
1mRNA Konzentrationen der Gene sind relativ zu den mRNA Konzentration von Woche 1 wk postpartum (=1,00) gesetzt.2Werte sind ls means, n = 14 pro Gruppe.
Hemmung von ER Stress und Entzündung in der Leber 23
0
50
100
150
200
250
300
Control GSGME
Plas
ma
seru
m a
myl
oid
A (µ
g/l)
*
0
50
100
150
200
250
300
Control GSGME
Plas
ma
Hap
togl
obin
(mg/
l)
*
Plasma serum amyloid A (SAA) Plasma Haptoglobin (HP)
Entzündungsmarker im Plasma der Milchkühe
Kontrolle Trester Kontrolle Trester
Signifikante Reduktion von Entzündungsmediatoren im Plasma
24
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
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
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!