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Stress metabolico, risposta infiammatoria e biodiversità
delle bovine da latte Erminio Trevisi
Department of Animal Sciences, Food
and Nutrition (DIANA )
Università Cattolica del S. Cuore, Piacenza (ITALY)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
Tavola rotonda RNIV - SOFIVET
“Biodiversità e resistenza alla mastite nelle bovine da latte”
1
Summary
Punti critici nella fisiologia bovina (frisona) • Periodo di transizione (TP): sollecitazioni
metaboliche ed immunitarie
• Implicazione del fegato
• cause & conseguenze
Risposte fisiologiche in razze con minor
merito genetico per produzione latte • Qualche dato della letteratura …
• La nostra esperienza
Implicazioni (possibile contributo delle razze
autoctone)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 2
IMMAGINE
IMMAGINE
1. of immune competence (Kehrli 1997, Lacetera et al., 2005)
2. Marked NEB (mobilization of adipose & muscle t.)
3. Inflammatory like status (Cappa et al.,
1989; Bionaz et al., 2007), also in apparently healthy dairy cows
4. Oxidative stress (Formigoni et al., 1997;
Bernabucci et al., 2005; Bionaz et al., 2007)
5. Hypocalcemia (Goff,
2007; DeGaris & Lean, 2009)
Critical points of TP (Holstein Friesian)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
Which is the sequence of events?
Goff & Horst
Bertoni e Trevisi, 2013 VET CLIN N AM-FOOD A 29(2):413–431
Grummer / Theriogenology 68S (2007) S281–S288
3
NEFA
BOHB
Energy balance in dairy cows
Healthy cows grouped in accordance to changes of DMI in the last 2 wk before the calving:
NR = DMI without reduction (13);
LR = DMI decrease in the last few days (11);
ER = DMI decrease from 10 days pre-calving (5)
(Trevisi et al., 2002) TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 4
Days from calving
Days from calving
The inflammatory condition increases the lipo-mobilization and promotes the ketosis (secondary)
NEFA BOHB
ER in ketosis
Energy balance (& inflammation) in healthy & sick (before calving) cows
Healthy cows grouped in accordance to changes of DMI in the last 2 wk before the calving: NR = no reduction (13); LR = decrease in the last few days (11); ER = decrease from 10 days pre-calving (5) (Trevisi et al., 2002)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 5
Days from calving Days from calving
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
Timing of the Critical Points (healthy subjects)
6
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
-60 -40 -20 0 20 40 60
Immune capacity
Oxidative stress
Inflammation
NEB Ideal: NEB, inflammation, ox stress = 0% Immune capacity, Ca = 100%
% capacity/phenomenon (at early dry period) Calcemia
Days from parturition
Trevisi & Minuti. 2016 RVS 116:47-54.
The role of the
Immune System
seems crucial
IMMAGINE
IMMAGINE
TP & immunity
Jahan et al. Vet. Imm. Immun., 2015
When began changes of IS?
from -21 DFC (Kehrli, 1997, Lacetera et al., 2005)
only few days before calving (Jahan et al., 2015)
In any cases, changes start before calving also in healthy subjects
Some functions of Immune System (IS) are
depressed before the calving:
phagocytosis of NEU
proliferation of LINF
levels of other components (Ig, IFNγ, lysozyme)
… and signaled a recrudescence of existing intra-mammary infections or new infections
Goff & Horst
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 7
Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità TO 22/06/18
IMMAGINE
IMMAGINE
Is the immunodeficiency an oversimplification?
Some functions of Immune
System (IS) are depressed
before the calving:
phagocytosis of NEU
proliferation of LINF
Goff & Horst, 1997, JDS 80:1260-1268
Critical revision of Kehrli’s paper:
- Heifers (following results in literature mainly come from cows)
- Correction of immunologic data with a “steer population”
- Kehrli et al. concluded “immunodepression appears after calving (but
not for all the parameters)”
Kehrli et al., 1989 AJVR: 50:207
?
8
9 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità Trevisi et al., IJAS 2015
PIC during TP: Stable in late
pregnancy
Higher in
pregnancy vs
lactation
Huge differences
among cows in
late pregnancy
Highest PIC in late
pregnancy:
1. Lower DMI
2. More diseases
3. Lower milk yield
Control (0 LPS): IL-1β & IL-6 were higher in dry period vs
early lactation
LPS Stimulations: • The highest response of IL-1β from -20 to 3 DFP
• The highest response of IL-6 from -3 to 3 DFP
• Maximum response of IL-6 was observed in all phases at
the lower intensity of stimuli (LPS) used
IL-1β IL-6
Whole blood stimulation Assay (WBA) with LPS
TP & susceptibility to inflammatory stress
WBA
Stimulation ex vivo
with LPS: 0, 0.01 and 5
µg LPS /ml of blood
Incubation (in a rotative
oven): 38°C for 3.5 h
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
Jahan et al. Vet Imm & Imm 2015 10
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
WBA test: different dose effect of LPS for IL1-b and
IL-6 indicating a differences in the sensitivity of immune
cells for cytokines production
Minuti et al., JDS 99 (E-Suppl. 1): 504-505
11
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
• In tarda lattazione si verifica un progressivo
aumento di alcune attività immunitarie
(innata e adattativa), e perifericamente si
attenuano alcune risposte
• Ciò supporta l’ipotesi che alcune funzioni
del sistema immunitario siano dis-
regolate nel periparto (ma non soppresse)
• Tipico della bovina da latte o solo di frisona
e razze ad alto merito genetico (latte)?
SI Innato nel TP (frisone)
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Summary
Punti critici nella fisiologia bovina (frisona) • Periodo di transizione (TP): sollecitazioni
metaboliche ed immunitarie
• Implicazione del fegato
• cause & conseguenze
Risposte fisiologiche in razze con minor
merito genetico per produzione latte • Qualche dato della letteratura …
• La nostra esperienza
Implicazioni (possibile contributo delle razze
autoctone)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 13
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 14
Limiti e carenze del confronto di razze a diversa
pressione selettiva sui dati metabolici: - Considerate le problematiche delle razze + selezionate il
confronto dovrebbe avvenire nella fasi più critiche (es.
TP, risposta ad un evento indesiderato)
- Mancano confronti rigorosi nello stesso ambiente (es.
soddisfatti i requisiti fisiologici, come i nutrizionali)
- Scarsità di dati relativi all’intero TP
- Dati spesso ottenuti in sistemi di allevamento estensivi
(meno standardizzati)
- Spesso confronti tra razze comunque già selezionate per
aumentare performance produttiva
- ….
Adattamenti immuno-
metabolici delle bovine nel TP
Holstein non selezionata (Hold) vs
selezionata (Hohigh)
UK
Pluripare; Merito
genetico 1964 vs odierno
Stessa dieta
12 Hold vs 12 Hohigh
• Produzione latte media Hold<Hohigh: di 4500 L/305 d
• Dopo 4 mesi alle stesse condizioni allevamento: LPS i.v. (0.25 μg/kg PV)
• Hold vs Hohigh ha una più elevata espressione dei recettori epatici di insulina e IGF,
ed una più bassa de recettore per GH
• Il trattamento con LPS altera l’espressione dei geni epatici correlati all’asse
somatotropico, glucosio e metabolismo lipidico, ma causa analoghe alterazioni nelle
bovine con diverso merito genetico
• QUINDI: il miglioramento genetico ha modificato la risposta metabolica, ma non alla
sollecitazione del sistema immunitario Cousillas et al., 2016, JDS 99(E-suppl.1):517
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 15
JERSEY (JE) vs HOLSTEIN (Ho)
(entrambe alto merito genetico)
ALLEVAMENTO
NUOVA ZELANDA
PASCOLO
PARTI STAGIONALI
20 JE vs 20 Ho
(0 e 42 DIM)
• Produzione latte media (dei 42 d): JE = 17.1 Ho = 25.8 Kg/capo/d
• nessuna differenza di variazione di PESO e BCS,
• valori ematici di GLUCOSIO e IGF1 analoghi
• JE vs Ho: > contenuto di NEFA e BHB ematico dal 21 dim
piu’ LEPTINA
• Dati contrastanti sulla mobilizzazione riserve: JE vs Ho hanno NEB meno prolungato
nel post parto (Rastani et al. 2001 JDS 84:1201-1209 )
BACK et al., 2006, Proc. Of the New Zealand Society of Animal Production 66:390-396
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 16
JE Ho
JERSEY (JE) vs HOLSTEIN (Ho)
(entrambe alto merito genetico)
ALLEVAMENTO
NUOVA ZELANDA
PASCOLO
PARTI STAGIONALI
20 JE vs 20 Ho
(0 e 42 DIM)
• Produzione latte media dei 42 d: JE = 17.1 e Ho = 25.8 Kg/capo/d
• JE vs Ho: > % grasso del latte (ma = % proteine), per più efficiente ripartizione dei
precursori lipidici (endogeni ed esogeni) verso la mammella
• nessuna differenza significativa sulla durata dell’ANAESTRO
BACK et al., 2006, Proc. Of the New Zealand Society of Animal Production 66:390-396
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 17
Ho JE
German Red Pied (GRP) vs
German Holstein (GHo)
ALLEVAMENTO
BIOLOGICO GERMANIA
49 GRP vs 46 GH
(0 e 35 DIM)
• GRP : BCS + elevato vs GHo e < calo postparto (idem da confronto con Holstein e
Rossa Danese; Friggens et al., 2007 JDS 90:5291-5305)
• GHo: + PRODUTTIVE da 2a settimana di lattazione
+ alta concentrazione BHB nel latte
nessuna differenza a livello di concentrazione di NEFA ematici
+ basso GLDH ( GLutammato Deidrogenasi), probabilmente per < deaminazione
Barth et al. 2011. vTI Agricolture and Forestry Research 4(61):307-316
GRP GHo
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 18
Frisona (FH) vs Rendena (REN)
ALLEVAMENTO
Multirazza (PV)
4 REN vs 6 FH
(TP)
Curone et al. 2018. RVS 116:88-98
REN FH
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 19
Frisona (FH) vs Rendena (REN)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 20
Curone et al. 2018. RVS 116:88-98
_____ FH
_____ REN
FH vs REN: maggiore lipomobilizzazione (inizio lattazione) e chetogenesi,
minore massa muscolare, ma analoga (o maggiore?) mobilizzazione
FH vs REN: ad inizio lattazione, maggiore risposta immunitaria (+ globuline)
qualche «sofferenza» epatica transitoria ( bilirubina)
Frisona (FH) vs Rendena (REN)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 21
Curone et al. 2018. RVS 116:88-98
_____ FH
_____ REN
FH vs REN:
tipica risposta di fase acuta post parto più intensa e prolungata
aumento degli antiox totali più marcato nel postparto, come risposta
endogena alla risposta immunitaria
ALLEVAMENTO
CONVENZIONALE
UK
6 Ho vs 6 BS
IPOTESI: “…observations by farmers & veterinarians
noted that BS tend to have a lower somatic cell counts
(SCC) vs Ho… BS are thought to be less susceptible to
mastitis“
STUDIO ha dimostrato:
• nessuna differenza produzione tra le due razze in
allevamento
• BS confermano < contenuto in SCC vs Ho
Gibson et al. 2016. Vet Immunol. Immunopathol 181:15-23
HOLSTEIN (Ho) vs
BROWN SWISS (BS)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 22
HOLSTEIN (Ho) vs
BROWN SWISS (BS) Test ex-vivo (pluripare, fase lattazione non dichiarata): Macrofagi bovine BS
producono più ROS di bovine Ho (se infettati con listeria) e restano attivi più a lungo in presenza di patogeni (es. > % di batteri S. Typhimurium inattivati)
Differenze attribuibili a caratteristiche genetiche:
• probabile > attività di fagocitosi e battericidica dei macrofagi BS
• il < contenuto di SCC nel latte di BS è compatibile con miglioramento dei meccanismi di risposta immunitaria in mammella
• E a livello sistemico?
Cells of S. Typhimurium Listeria
Gibson et al. 2016. Vet Immunol. Immunopathol 181:15-23
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 23
• Macrofagi Ho vs BS se stimolati con LPS producono più IL-1β (marker dell’attivazione dell’inflammosoma)
• Macrofagi Ho (vs BS) in coltura producono meno NO e + IL-1β, ma
quando trattati con Zymosan* e L-arginasi (inibitore dei RNS) non riducono produzione di NO e neppure IL-1β
Gibson et al. 2016. Vet Immunol. Immunopathol 181:15-23
HOLSTEIN (Ho) vs BROWN SWISS (BS)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 24
* Zymosan = ß-glucano con legami ß-1,3 e ß-1,6
Summary
Punti critici nella fisiologia bovina (frisona) • Periodo di transizione (TP): sollecitazioni
metaboliche ed immunitarie
• Implicazione del fegato
• cause & conseguenze
Risposte fisiologiche in razze con minor
merito genetico per produzione latte • Qualche dato della letteratura …
• La nostra esperienza
Implicazioni (possibile contributo delle razze
autoctone)
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 25
“disease”
Inflammation (PIC, e.g. IL1β-IL6-TNFα)
Activity excess
Oxidative stress
Parasites Pathogens Heat stress Trauma/injury
Nutrition:
- Deficiency / excesses
- poisoning (i.e.
mycotoxins)
- digestive disorders
- lack of anti-inflammatory
nutrients (later)
Mental symptoms:
loss of interest for
environment,
depression, irritability,
mild cognitive disorders,
suffering
(Dantzer et al., 2008)
Physical symptoms:
fever, tissue
damage, pain
(Johnson and Finck, 2001)
Variabilità di risposta ai challenge naturali (es. TP) tra ed entro razza Diversità dei meccanismi di adattamento (immunitari e metabolici) Non scontato che razze + produttive abbiano peggiori capacità di adattamento
TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità
PAMPs =
pathogen-
associated
molecular
pattern;
DAMPs =
damage-
associated
molecular
pattern Emotional stress
26
GENETIC
EPIGENETIC
+ RICERCA per comprendere i meccanismi fisiopatologici in
modelli animali ben caratterizzati geneticamente (entro e tra razze)