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!