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Consequences of intensive fattening. influence on claw health, blood metabolite profile and the insulin signaling cascade in tissues of Holstein fattening bulls
Consequences of intensive fattening. influence on claw health, blood metabolite profile and the insulin signaling cascade in tissues of Holstein fattening bulls
Intensive fattening based on high amounts of easy digestible and starch-rich concentrate is a common practice to fatten bulls in order to achieve productivity targets. However, excessive intake of carbohydrate-rich diet is also known to cause rumen acidosis, laminitis or tail tip necrosis, commonly referred to as production diseases. Affected metabolic pathways and underlying mechanisms are not fully understood, yet. Therefore, the major objective of this study was to investigate metabolic consequences of an experimental diet in 20 months old Holstein bulls, comprising a chronically increased nutrient (energy, starch and protein) intake, delivered by additional dietary concentrate feed, in comparison to a feeding regimen only based on forage. Aims of this study were to characterize alterations of metabolite profiles with a targeted metabolomics approach, to elucidate changes in insulin signaling pathway and finally to combine data of claw health and fattening performance with metabolic data, in order to generate new hypotheses of (patho)physiological relationships between chronic excessive energy intake and laminitis. Holstein bulls intended for beef production were randomly assigned to a high energy and protein diet (HEP; metabolizable energy [ME] intake 169.0 ± 1.4 MJ/day; crude protein [CP] intake 2.3 ± 0.02 kg/day; calculated means ± SEM; n = 15) or a low energy and protein diet (LEP; ME intake 92.9 ± 1.3 MJ/day; CP intake 1.0 ± 0.01 kg/day; n = 15) for the last seven months of the fattening period. Claw health was documented and blood samples were collected at the beginning and at the end of the experimental period (slaughter). The bulls were slaughtered at the age of 20 months. Insulin concentrations (ELISA; Mercodia AB, Uppsala, Sweden), the metabolite profiles (AbsoluteIDQ® p180 kit, Biocrates, Innsbruck, Austria) and the blood biochemistry (Cobas c311 Analyzer, ROCHE, Mannheim, Germany) were analyzed in blood. Protein expression and extent of phosphorylation of insulin receptor (InsR; at Tyr1150), protein kinase B (PKB; at Ser473), AMP-activated kinase (AMPK; at Thr172) and mechanistic target of rapamycin (mTOR; at Ser2448) were semi-quantified in liver, muscle and retroperitoneal adipose tissue, by Western blot. The final body weight of the bulls was 807 ± 9 kg and 712 ± 12 kg (mean ± SEM) in the HEP and LEP groups, respectively. All HEP bulls showed signs of laminitis at slaughter, but none of LEP. Multivariate statistics revealed complex alterations in metabolite profiles of HEP bulls, 91 of 182 analyzed metabolites were significantly different between feeding groups. Mainly lower concentrations in HEP bulls were found in the substance classes of phosphatidylcholines (PCs) and sphingomyelins. In contrast, the concentrations of lyso-PC and amino acids were higher in intensively fed bulls. Especially the concentrations of branched-chain amino acids (BCAAs), with isoleucine, leucine and valine were higher in HEP bulls. The concentration of insulin was also increased, but not of glucose, in blood. The extent of phosphorylation of p-InsR in all three tissues and p-mTOR in muscle were under the limit of detection. In the liver expression of PKB, mTOR and AMPK were higher in HEP, as well as the extent of phosphorylation of mTOR. In adipose tissue the expression of InsR was decreased in HEP bulls, but in muscle there were no significant differences between the feeding groups. Strong differences in plasma metabolite profiles, signs of reduced insulin sensitivity in muscle and retroperitoneal adipose tissue were observed. These metabolic alterations were associated with an inflammatory state of diet-related chronic laminitis in Holstein bulls fed a HEP diet. Hyperinsulinemia and enhanced BCAAs are also characteristic for a prediabetic state in humans, indicating a conserved pathophysiological role of these metabolites. Triggers of laminitis in cattle and horses could be similar, proposing a relationship of diet induced and obesity related inflammation, further promoting insulin resistance and culminating in chronic laminitis. Future research is warranted to understand (patho-)physiological pathways of laminitis in cattle and how adapted husbandry and management is able to improve health of Holstein fattening bulls., Konsequenzen intensiver Mast: Einfluss auf die Klauengesundheit, das metabolische Profil im Blut und die Insulinsignalkaskade in Geweben von Holstein Mastbullen Sonja Christiane Bäßler Die intensive Fütterung mit hohen Mengen an stärke- und proteinreichem Kraftfutter ist eine gängige Praxis in der Bullenmast, um Leistungsziele zu erreichen. Eine übermäßige Aufnahme von leichtverdaubaren Kohlenhydraten kann bei Wiederkäuern aber zu Pansenazidose, Klauenrehe oder Schwanzspitzennekrose führen. Die betroffenen Stoffwechselwege und die zugrundeliegenden Mechanismen sind allerdings noch nicht vollständig geklärt. Daher war der Zweck dieser Studie, die metabolischen Folgen einer experimentellen Fütterung, die durch eine erhöhte Energie- und Nährstoffzufuhr (Stärke und Eiweiß) über sieben Monate bei Holstein-Bullen gekennzeichnet war, zu untersuchen. Eine Fütterung die nur auf Grundfuttermitteln basierte, diente als Vergleich. Ziele dieser Studie waren, erstens Veränderungen der metabolischen Profile mit einem gezielten Metabolomics-Ansatz zu charakterisieren. Zweitens Veränderungen im Insulin-Signalweg in Leber, Muskel und retroperitonealem Fettgewebe zu untersuchen. Um schließlich drittens, Verbindungen zwischen den Daten der Klauengesundheit und Mastleistung, sowie der Stoffwechseldaten zu erkennen, um neue Hypothesen über (patho)physiologische Zusammenhänge zwischen chronisch übermäßiger Energiezufuhr und Klauenrehe zu generieren. Holstein-Bullen, die für die Rindfleischproduktion bestimmt waren, wurden nach dem Zufallsprinzip entweder mit einem Futter mit hohem Energie- und Proteingehalt (HEP; Zufuhr von umsetzbarer Energie [ME] 169,0 ± 1,4 MJ/Tag; Zufuhr von Rohprotein [CP] 2,3 ± 0,02 kg/Tag; berechnete Mittelwerte ± SEM; n = 15) oder mit einem Futter mit niedrigem Energie- und Proteingehalt (LEP; Zufuhr von umsetzbarer Energie 92,9 ± 1,3 MJ/Tag; Zufuhr von Rohprotein 1,0 ± 0,01 kg/Tag; n = 15) gefüttert. Die Klauengesundheit wurde dokumentiert und Blutproben wurden zu Beginn und am Ende des Versuchszeitraums (Schlachtung) entnommen. Die Bullen wurden im Alter von 20 Monaten geschlachtet. Im Blut wurden die Insulinkonzentration (ELISA; Mercodia AB, Uppsala, Schweden), das metabolische Profil (AbsoluteIDQ® p180 Kit, Biocrates, Innsbruck, Österreich) und die Blutbiochemie (Cobas c311 Analyzer, ROCHE, Mannheim, Deutschland) analysiert. Außerdem wurde die Proteinexpression und das Ausmaß der Phosphorylierung des Insulinrezeptors (INSR; an Tyr1150), der Proteinkinase B (PKB; an Ser473), der AMP-aktivierten Kinase (AMPK; an Thr172) und des mechanistischen Ziels von Rapamycin (mTOR; an Ser2448) in der Leber, dem Muskel und dem retroperitonealen Fettgewebe mittels Western Blot semiquantifiziert. Das Endgewicht der Bullen betrug 807 ± 9 kg und 712 ± 12 kg (Mittelwert ± SEM) in der HEP- bzw. LEP-Gruppe. Alle HEP-Bullen zeigten bei der Schlachtung Anzeichen von Klauenrehe, aber keiner der LEP Bullen. Multivariate Statistiken zeigten komplexe Veränderungen in den metabolischen Profilen der HEP-Bullen, 91 von 182 analysierten Metaboliten unterschieden sich signifikant zwischen den Fütterungsgruppen. Vor allem in den Substanzklassen der Phosphatidylcholine (PC) und Sphingomyeline wurden bei HEP-Bullen geringere Konzentrationen gefunden. Im Gegensatz dazu waren die Konzentrationen der Lyso-PCs und Aminosäuren bei den intensiv gefütterten Bullen höher. Insbesondere die Konzentrationen der verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs), Isoleucin, Leucin und Valin waren bei HEP-Bullen höher. Die Insulinkonzentration im Blut der HEP Bullen war ebenfalls erhöht, nicht jedoch die Glukosekonzentration. Das Ausmaß der Phosphorylierung von p-InsR in allen drei Geweben und von p-mTOR im Muskel lag unter der Nachweisgrenze. In der Leber war die Expression von PKB, mTOR und AMPK bei HEP höher, ebenso das Ausmaß der Phosphorylierung von mTOR. Im Fettgewebe war die Expression von InsR bei HEP-Bullen verringert, im Muskel gab es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Fütterungsgruppen. Es wurden große Unterschiede in den Plasmastoffwechselprofilen und Anzeichen für eine verringerte Insulinsensitivität im Muskel- und retroperitonealen Fettgewebe beobachtet. Diese Stoffwechselveränderungen wurden mit einem entzündlichen Zustand von ernährungsbedingter chronischer Klauenrehe, bei Holstein-Bullen die eine HEP-Fütterung erhielten, assoziiert. Hyperinsulinämie und erhöhte Konzentrationen von BCAAs wurden auch als Charakteristika für einen prädiabetischen Zustand beim Menschen identifiziert. Dies könnte auf eine konservierte pathophysiologische Rolle dieser Metaboliten, über verschiedene Spezies hinweg, hinweisen. Auch die Auslöser der Klauen- bzw. Hufrehe bei Rindern und Pferden könnten ähnlich sein. Ein möglicher Zusammenhang zwischen chronisch exzessiver Energie- und Nährstoffaufnahme und Klauenrehe könnte sein, dass ernährungsbedingte und durch Fettleibigkeit bedingte Entzündungen eine Insulinresistenz weiter fördern und sich in chronischer Klauenrehe manifestieren. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die (patho-)physiologischen Wege der Klauenrehe bei Rindern zu verstehen und um herauszufinden, ob eine andere Haltung und ein angepasstes Management die Gesundheit von intensiv gefütterten Holstein Bullen verbessern könnte.
Fattening, Insulin Signaling, Laminitis, Metabolom, claw health
Bäßler, Sonja Christiane
2022
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bäßler, Sonja Christiane (2022): Consequences of intensive fattening: influence on claw health, blood metabolite profile and the insulin signaling cascade in tissues of Holstein fattening bulls. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Intensive fattening based on high amounts of easy digestible and starch-rich concentrate is a common practice to fatten bulls in order to achieve productivity targets. However, excessive intake of carbohydrate-rich diet is also known to cause rumen acidosis, laminitis or tail tip necrosis, commonly referred to as production diseases. Affected metabolic pathways and underlying mechanisms are not fully understood, yet. Therefore, the major objective of this study was to investigate metabolic consequences of an experimental diet in 20 months old Holstein bulls, comprising a chronically increased nutrient (energy, starch and protein) intake, delivered by additional dietary concentrate feed, in comparison to a feeding regimen only based on forage. Aims of this study were to characterize alterations of metabolite profiles with a targeted metabolomics approach, to elucidate changes in insulin signaling pathway and finally to combine data of claw health and fattening performance with metabolic data, in order to generate new hypotheses of (patho)physiological relationships between chronic excessive energy intake and laminitis. Holstein bulls intended for beef production were randomly assigned to a high energy and protein diet (HEP; metabolizable energy [ME] intake 169.0 ± 1.4 MJ/day; crude protein [CP] intake 2.3 ± 0.02 kg/day; calculated means ± SEM; n = 15) or a low energy and protein diet (LEP; ME intake 92.9 ± 1.3 MJ/day; CP intake 1.0 ± 0.01 kg/day; n = 15) for the last seven months of the fattening period. Claw health was documented and blood samples were collected at the beginning and at the end of the experimental period (slaughter). The bulls were slaughtered at the age of 20 months. Insulin concentrations (ELISA; Mercodia AB, Uppsala, Sweden), the metabolite profiles (AbsoluteIDQ® p180 kit, Biocrates, Innsbruck, Austria) and the blood biochemistry (Cobas c311 Analyzer, ROCHE, Mannheim, Germany) were analyzed in blood. Protein expression and extent of phosphorylation of insulin receptor (InsR; at Tyr1150), protein kinase B (PKB; at Ser473), AMP-activated kinase (AMPK; at Thr172) and mechanistic target of rapamycin (mTOR; at Ser2448) were semi-quantified in liver, muscle and retroperitoneal adipose tissue, by Western blot. The final body weight of the bulls was 807 ± 9 kg and 712 ± 12 kg (mean ± SEM) in the HEP and LEP groups, respectively. All HEP bulls showed signs of laminitis at slaughter, but none of LEP. Multivariate statistics revealed complex alterations in metabolite profiles of HEP bulls, 91 of 182 analyzed metabolites were significantly different between feeding groups. Mainly lower concentrations in HEP bulls were found in the substance classes of phosphatidylcholines (PCs) and sphingomyelins. In contrast, the concentrations of lyso-PC and amino acids were higher in intensively fed bulls. Especially the concentrations of branched-chain amino acids (BCAAs), with isoleucine, leucine and valine were higher in HEP bulls. The concentration of insulin was also increased, but not of glucose, in blood. The extent of phosphorylation of p-InsR in all three tissues and p-mTOR in muscle were under the limit of detection. In the liver expression of PKB, mTOR and AMPK were higher in HEP, as well as the extent of phosphorylation of mTOR. In adipose tissue the expression of InsR was decreased in HEP bulls, but in muscle there were no significant differences between the feeding groups. Strong differences in plasma metabolite profiles, signs of reduced insulin sensitivity in muscle and retroperitoneal adipose tissue were observed. These metabolic alterations were associated with an inflammatory state of diet-related chronic laminitis in Holstein bulls fed a HEP diet. Hyperinsulinemia and enhanced BCAAs are also characteristic for a prediabetic state in humans, indicating a conserved pathophysiological role of these metabolites. Triggers of laminitis in cattle and horses could be similar, proposing a relationship of diet induced and obesity related inflammation, further promoting insulin resistance and culminating in chronic laminitis. Future research is warranted to understand (patho-)physiological pathways of laminitis in cattle and how adapted husbandry and management is able to improve health of Holstein fattening bulls.

Abstract

Konsequenzen intensiver Mast: Einfluss auf die Klauengesundheit, das metabolische Profil im Blut und die Insulinsignalkaskade in Geweben von Holstein Mastbullen Sonja Christiane Bäßler Die intensive Fütterung mit hohen Mengen an stärke- und proteinreichem Kraftfutter ist eine gängige Praxis in der Bullenmast, um Leistungsziele zu erreichen. Eine übermäßige Aufnahme von leichtverdaubaren Kohlenhydraten kann bei Wiederkäuern aber zu Pansenazidose, Klauenrehe oder Schwanzspitzennekrose führen. Die betroffenen Stoffwechselwege und die zugrundeliegenden Mechanismen sind allerdings noch nicht vollständig geklärt. Daher war der Zweck dieser Studie, die metabolischen Folgen einer experimentellen Fütterung, die durch eine erhöhte Energie- und Nährstoffzufuhr (Stärke und Eiweiß) über sieben Monate bei Holstein-Bullen gekennzeichnet war, zu untersuchen. Eine Fütterung die nur auf Grundfuttermitteln basierte, diente als Vergleich. Ziele dieser Studie waren, erstens Veränderungen der metabolischen Profile mit einem gezielten Metabolomics-Ansatz zu charakterisieren. Zweitens Veränderungen im Insulin-Signalweg in Leber, Muskel und retroperitonealem Fettgewebe zu untersuchen. Um schließlich drittens, Verbindungen zwischen den Daten der Klauengesundheit und Mastleistung, sowie der Stoffwechseldaten zu erkennen, um neue Hypothesen über (patho)physiologische Zusammenhänge zwischen chronisch übermäßiger Energiezufuhr und Klauenrehe zu generieren. Holstein-Bullen, die für die Rindfleischproduktion bestimmt waren, wurden nach dem Zufallsprinzip entweder mit einem Futter mit hohem Energie- und Proteingehalt (HEP; Zufuhr von umsetzbarer Energie [ME] 169,0 ± 1,4 MJ/Tag; Zufuhr von Rohprotein [CP] 2,3 ± 0,02 kg/Tag; berechnete Mittelwerte ± SEM; n = 15) oder mit einem Futter mit niedrigem Energie- und Proteingehalt (LEP; Zufuhr von umsetzbarer Energie 92,9 ± 1,3 MJ/Tag; Zufuhr von Rohprotein 1,0 ± 0,01 kg/Tag; n = 15) gefüttert. Die Klauengesundheit wurde dokumentiert und Blutproben wurden zu Beginn und am Ende des Versuchszeitraums (Schlachtung) entnommen. Die Bullen wurden im Alter von 20 Monaten geschlachtet. Im Blut wurden die Insulinkonzentration (ELISA; Mercodia AB, Uppsala, Schweden), das metabolische Profil (AbsoluteIDQ® p180 Kit, Biocrates, Innsbruck, Österreich) und die Blutbiochemie (Cobas c311 Analyzer, ROCHE, Mannheim, Deutschland) analysiert. Außerdem wurde die Proteinexpression und das Ausmaß der Phosphorylierung des Insulinrezeptors (INSR; an Tyr1150), der Proteinkinase B (PKB; an Ser473), der AMP-aktivierten Kinase (AMPK; an Thr172) und des mechanistischen Ziels von Rapamycin (mTOR; an Ser2448) in der Leber, dem Muskel und dem retroperitonealen Fettgewebe mittels Western Blot semiquantifiziert. Das Endgewicht der Bullen betrug 807 ± 9 kg und 712 ± 12 kg (Mittelwert ± SEM) in der HEP- bzw. LEP-Gruppe. Alle HEP-Bullen zeigten bei der Schlachtung Anzeichen von Klauenrehe, aber keiner der LEP Bullen. Multivariate Statistiken zeigten komplexe Veränderungen in den metabolischen Profilen der HEP-Bullen, 91 von 182 analysierten Metaboliten unterschieden sich signifikant zwischen den Fütterungsgruppen. Vor allem in den Substanzklassen der Phosphatidylcholine (PC) und Sphingomyeline wurden bei HEP-Bullen geringere Konzentrationen gefunden. Im Gegensatz dazu waren die Konzentrationen der Lyso-PCs und Aminosäuren bei den intensiv gefütterten Bullen höher. Insbesondere die Konzentrationen der verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs), Isoleucin, Leucin und Valin waren bei HEP-Bullen höher. Die Insulinkonzentration im Blut der HEP Bullen war ebenfalls erhöht, nicht jedoch die Glukosekonzentration. Das Ausmaß der Phosphorylierung von p-InsR in allen drei Geweben und von p-mTOR im Muskel lag unter der Nachweisgrenze. In der Leber war die Expression von PKB, mTOR und AMPK bei HEP höher, ebenso das Ausmaß der Phosphorylierung von mTOR. Im Fettgewebe war die Expression von InsR bei HEP-Bullen verringert, im Muskel gab es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Fütterungsgruppen. Es wurden große Unterschiede in den Plasmastoffwechselprofilen und Anzeichen für eine verringerte Insulinsensitivität im Muskel- und retroperitonealen Fettgewebe beobachtet. Diese Stoffwechselveränderungen wurden mit einem entzündlichen Zustand von ernährungsbedingter chronischer Klauenrehe, bei Holstein-Bullen die eine HEP-Fütterung erhielten, assoziiert. Hyperinsulinämie und erhöhte Konzentrationen von BCAAs wurden auch als Charakteristika für einen prädiabetischen Zustand beim Menschen identifiziert. Dies könnte auf eine konservierte pathophysiologische Rolle dieser Metaboliten, über verschiedene Spezies hinweg, hinweisen. Auch die Auslöser der Klauen- bzw. Hufrehe bei Rindern und Pferden könnten ähnlich sein. Ein möglicher Zusammenhang zwischen chronisch exzessiver Energie- und Nährstoffaufnahme und Klauenrehe könnte sein, dass ernährungsbedingte und durch Fettleibigkeit bedingte Entzündungen eine Insulinresistenz weiter fördern und sich in chronischer Klauenrehe manifestieren. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die (patho-)physiologischen Wege der Klauenrehe bei Rindern zu verstehen und um herauszufinden, ob eine andere Haltung und ein angepasstes Management die Gesundheit von intensiv gefütterten Holstein Bullen verbessern könnte.