Ursachen von Stress des endoplasmatischen Retikulums und dessen Bedeutung bei der Entstehung von Fettleber und Ketose während der Frühlaktation der Milchkuh

Abstract

Bei hochleistenden Milchkühen sind Fettleber und Ketose bedeutende Stoffwechselerkrankungen, die sowohl das Tierwohl beeinträchtigen als auch ein ökonomisches Problem darstellen. Die biochemischen Ursachen dieser Erkrankungen sind bislang noch nicht vollständig geklärt. Der Organismus der Milchkuh unterliegt in der peripatalen Phase einer Reihe von Stoffwechselanpassungen, die mit dem Auftreten einer negativen Energiebilanz (NEB) postpartum einhergehen. Obwohl die NEB ein Phänomen ist, das nahezu alle hochleistenden Milchkühe in der Frühlaktation betrifft, entwickeln jedoch nur bestimmte Tiere eine Erkrankung. Bei frühlaktierenden Milchkühen wurde das Auftreten von Stress des endoplasmatischen Retikulums (ER-Stress) beobachtet. ER-Stress könnte ein Faktor sein, der einen Einfluss auf die individuelle Anpassungskapazität der Leber der Tiere hat und somit in Verbindung mit dem Auftreten von Fettleber und Ketose steht. Daher sollte die vorliegende Arbeit nähere Erkenntnisse zu den Ursachen des Auftretens von ER-Stress bei frühlaktierenden Milchkühen liefern und einen möglichen Zusammenhang zum hepatischen Lipidstoffwechsel untersuchen.In den Versuch wurden 50 hochleistende Holstein-Kühen einbezogen. Plasma und Leberbioptate der Tiere wurden in Woche 2 antepartum sowie in den Wochen 1, 4 und 7 postpartum entnommen. Die hepatischen mRNA-Expressionen von ausgewählten Genen relevanter Stoffwechselwege wurden mittels quantitativer Polymerasekettenreaktion bestimmt. Im Plasma wurden u. a. Parameter des oxidativen Stresses, Proteine ausgewählter Stoffwechselwege sowie die Konzentration an freien Fettsäuren, Triglyceriden (TG) und 3-Hydroxybutansäure (BHBA) analysiert. Über den Versuchszeitraum hinweg wurden außerdem die Futteraufnahme sowie die Milchleistung aufgezeichnet. Nach der Abkalbung konnte das Auftreten einer NEB beobachtet werden. In Woche 1 postpartum kam es zu einem deutlichen Anstieg der Konzentration an freien Fettsäuren und BHBA im Plasma, während die hepatische Konzentration an Triglyceriden und Cholesterol ebenfalls signifikant erhöht war. Des Weiteren wiesen die Daten der vorliegenden Studie auf das Vorliegen eines hepatischen Entzündungszustandes und ein erhöhtes Level an oxidativem Stress postpartum hin. Das Auftreten von ER-Stress war bei den untersuchten Tieren insgesamt nur gering ausgeprägt.Durch Korrelationsanalysen und den Vergleich der Tiere mit hohem, mittlerem und niedrigem ER-Stress-Level konnten dennoch Zusammenhänge zwischen ER-Stress und einem hepatischen Entzündungsprozess sowie der Induktion des Fibroblast-growth-factor 21 (FGF21) beobachtet werden. Die Konzentration an freien Fettsäuren im Plasma sowie Parameter des oxidativen Stresses oder des Calciumstoffwechsel zeigten keinen oder nur einen geringen Einfluss auf ER-Stress.Nach der Abkalbung kam es zu einem starken signifikanten Anstieg der hepatischen FGF21-mRNA-Konzentration (Faktor 16). Die Daten der vorliegenden Studie deuten darauf hin, dass FGF21 bei frühlaktierenden Milchkühen eine Rolle bei der Anpassung an Stress spielen könnte.Eine erhöhte hepatische Konzentration an Triglyceriden (TG) trat in der vorliegenden Studie überwiegend gemeinsam mit einer erhöhten Konzentrationen an BHBA im Plasma auf. Beiden Stoffwechselauffälligkeiten lag eine stark ausgeprägte negative Energiebilanz sowie eine erhöhte Konzentration an freien Fettsäuren im Plasma zugrunde. Die erhobenen Daten wiesen auf einen Zusammenhang zwischen ER-Stress und dem hepatischen Lipidstoffwechsel hin. Somit ist es wahrscheinlich, dass das Auftreten von ER-Stress in der Frühlaktation mit der Entstehung von Fettleber assoziiert ist.Ein Einfluss von ER-Stress oder der Expression des Stresshormons FGF21 auf die Milchleistung konnte nicht beobachtet werden. Eine höhere Milchleistung war jedoch invers mit Parametern der Inflammation sowie positiv mit der Konzentration an Vitaminen sowie der Calcium-Konzentration im Plasma korreliert. Des Weiteren deuten die Ergebnisse der vorliegenden Studie darauf hin, dass der Calciumgehalt im Plasma, der eine wichtige Rolle bei der Milchbildung spielt, durch Inflammation und Lipopolysaccharide negativ beeinflusst wird, während die Phosphat-Konzentration bei Entzündung anstieg.Insgesamt konnten in dieser Arbeit nähere Erkenntnisse zu den Stoffwechselvorgängen, insbesondere der Rolle von ER-Stress und der Induktion des Stresshormons FGF21, bei frühlaktierenden Milchkühen gewonnen werden. Es wurde gezeigt, dass ER-Stress im Zusammenhang mit einer erhöhten hepatischen Triglyceridkonzentration steht und somit eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Stoffwechselerkrankungen wie Fettleber und Ketose spielen könnte. Eine Reduktion des ER-Stresses oder auch der mit ER-Stress im Zusammenhang stehenden hepatischen Inflammation in der Frühlaktation könnte ein wichtiger Ansatz zur Reduktion von Stoffwechselerkrankungen und der Verbesserung des Tierwohls sein. In high-yielding dairy cows fatty liver and ketosis are important metabolic diseases. Both diseases affect animal welfare and are an economic problem. The biochemical causes of these diseases are not fully understood yet. In the peripartum period the organism of dairy cows undergoes several metabolic adaptions which are associated with the occurrence of a negative energy balance (NEB) after calving. Although NEB is a phenomenon which affects almost all high-yielding dairy cows in early lactation, not all animals develop metabolic diseases. In early lactating dairy cows, the occurrence of endoplasmic reticulum stress (ER stress) was observed. ER stress could be a factor which plays an important role in the individual adaption of the liver and may be related to the development of fatty liver and ketosis.So far little is known about the causes of ER stress in ruminants. Therefore, in the present work the sources of ER stress in early lactating dairy cows and a possible link between ER stress and hepatic lipid metabolism were examined.50 high performance Holstein cows in the peripartal phase were included in the trial. Plasma and liver biopsies of the animals were taken at week 2 antepartum and at week 1, 4 and 7 postpartum. Hepatic mRNA expressions of selected genes representing different metabolic pathways (including lipid metabolism, inflammation, unfolded protein response) were determined by quantitative polymerase chain reaction. Parameters of oxidative stress, proteins of selected metabolic pathways as well as the concentration of free fatty acids, Triglycerides and 3-hydroxybutanoic acid (BHBA) were analysed in the plasma. Additionally, feed intake and milk yield were recorded over the trial period.After calving the cows were in a negative energy balance. At week 1 postpartum in plasma a marked increase in the concentrations of free fatty acids and BHBA could be observed. Additionally, the hepatic concentrations of triglycerides (TG) and cholesterol were significantly increased. Furthermore, data from the present study indicated the presence of a hepatic inflammation and an elevated level of oxidative stress postpartum. Besides the overall incidence of ER stress was low in the animals which were studied, correlation analyses and the comparison of animals with high, medium and low levels of ER stress showed associations between ER stress and a hepatic inflammatory process as well as the induction of fibroblast growth factor 21 (FGF21). The concentration of free fatty acids in the plasma as well as parameters of the oxidative stress and parameters of the calcium metabolism had no or only a small influence on ER stress. After calving there was a significant increase in the hepatic mRNA concentration of FGF21 (factor 16). At week 1 postpartum the hepatic mRNA concentration was correlated with parameters of inflammation, oxidative stress and ER stress. The data from the present study suggest that FGF21 may play a role in the adaption to stress (e.g. adaption of ER stress, inflammation and / or oxidative stress) in early lactating dairy cows.An increased hepatic concentration of triglycerides (TG) in the present study was associated with increased plasma BHBA levels. Hepatic concentrations of TG as well as the BHBA concentration in plasma were associated with a pronounced negative energy balance and an increased concentration of free fatty acids in plasma. The oberved results indicated connections between ER stress and evelated TG as well as ER stress and elevated BHBA levels. Thus, the occurrence of ER stress in early lactation is likely to be associated with the development of fatty liver and ketosis.An influence of ER stress or the expression of the stress hormone FGF21 on the milk yield could not be observed. However, a higher milk yield was inversely correlated with inflammatory-parameters and positively correlated with the concentration of vitamins as well as the calcium concentration in plasma.Furthermore, the results of the present study indicate that the plasma calcium concentration, which plays an important role during the production of milk, is negatively affected by inflammation and the lipopolysaccharide concentration in plasma. The phosphate concentration is positively correlated to inflammation.Overall, this work provided more detailed knowledge about the metabolism, especially the role of ER stress and the induction of the stress hormone FGF21, in early lactating dairy cows. It has been shown that ER stress is associated with an increased hepatic triglyceride concentration. Therefore, ER stress could play an important role in the development of metabolic diseases such as fatty liver and ketosis. Reducing ER stress or the hepatic inflammation, which is associated with ER stress, could be an important approach for the prevention of metabolic diseases and improvement of animal welfare.