Stress metabolico, risposta infiammatoria e biodiversità delle bovine da latte

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1 Tavola rotonda RNIV - SOFIVET Biodiversità e resistenza alla mastite nelle bovine da latte 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) erminio.trevisi@unicatt.it TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 1

2 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

3 Critical points of TP (Holstein Friesian) 1. of immune competence (Kehrli 1997, Lacetera et al., 2005) 2. Marked NEB (mobilization of adipose & muscle t.) IMMAGINE 3. Inflammatory like status (Cappa et al., 1989; Bionaz et al., 2007), also in apparently healthy dairy cows 4. Oxidative IMMAGINE stress (Formigoni et al., 1997; Bernabucci et al., 2005; Bionaz et al., 2007) Goff & Horst Grummer / Theriogenology 68S (2007) S281 S Hypocalcemia (Goff, 2007; DeGaris & Lean, 2009) TO 22/06/18 Bertoni e Trevisi, 2013 VET CLIN N AM-FOOD A 29(2): Which is the sequence of events? Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 3

4 Energy balance in dairy cows NEFA Days from calving 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) BOHB (Trevisi et al., 2002) Days from calving TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 4

5 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) Days from calving NEFA BOHB ER in ketosis Days from calving The inflammatory condition increases the lipomobilization and promotes the ketosis (secondary) TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 5

6 Timing of the Critical Points (healthy subjects) % capacity/phenomenon (at early dry period) Calcemia 100 Immune capacity The role of the Immune System seems crucial Days from parturition Oxidative stress Inflammation Ideal: NEB, inflammation, ox stress = 0% Immune capacity, Ca = 100% NEB Trevisi & Minuti RVS 116: TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 6

7 IMMAGINE TP & immunity 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 intramammary infections or new infections 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 IMMAGINE Goff & Horst Jahan et al. Vet. Imm. Immun., 2015 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 7

8 Is the immunodeficiency an oversimplification? Some functions of Immune System (IS) are depressed before the calving: phagocytosis of NEU proliferation of LINF? IMMAGINE IMMAGINE Goff & Horst, 1997, JDS 80: 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) TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità Kehrli et al., 1989 AJVR: 50:207 8

9 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 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità Trevisi et al., IJAS

10 TP & susceptibility to inflammatory stress Whole blood stimulation Assay (WBA) with LPS IL-1β IL-6 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 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 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità Jahan et al. Vet Imm & Imm

11 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): TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 11

12 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 12 SI Innato nel TP (frisone) 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 disregolate nel periparto (ma non soppresse) Tipico della bovina da latte o solo di frisona e razze ad alto merito genetico (latte)?

13 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

14 Adattamenti immunometabolici delle bovine nel TP 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 -. TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 14

15 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

16 JERSEY (JE) vs HOLSTEIN (Ho) (entrambe alto merito genetico) ALLEVAMENTO NUOVA ZELANDA PASCOLO PARTI STAGIONALI JE 20 JE vs 20 Ho (0 e 42 DIM) Ho 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 JDS 84: ) BACK et al., 2006, Proc. Of the New Zealand Society of Animal Production 66: TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 16

17 JERSEY (JE) vs HOLSTEIN (Ho) (entrambe alto merito genetico) ALLEVAMENTO NUOVA ZELANDA PASCOLO PARTI STAGIONALI JE 20 JE vs 20 Ho (0 e 42 DIM) Ho 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: TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 17

18 German Red Pied (GRP) vs German Holstein (GHo) ALLEVAMENTO BIOLOGICO GERMANIA GRP 49 GRP vs 46 GH (0 e 35 DIM) GHo GRP : BCS + elevato vs GHo e < calo postparto (idem da confronto con Holstein e Rossa Danese; Friggens et al., 2007 JDS 90: ) GHo: + PRODUTTIVE da 2 a 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 vti Agricolture and Forestry Research 4(61): TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 18

19 Frisona (FH) vs Rendena (REN) ALLEVAMENTO Multirazza (PV) REN 4 REN vs 6 FH (TP) FH Curone et al RVS 116:88-98 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 19

20 Frisona (FH) vs Rendena (REN) 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) Curone et al RVS 116:88-98 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 20

21 Frisona (FH) vs Rendena (REN) 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 Curone et al RVS 116:88-98 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 21

22 HOLSTEIN (Ho) vs BROWN SWISS (BS) 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 Vet Immunol. Immunopathol 181:15-23 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 22

23 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? Listeria Gibson et al Vet Immunol. Immunopathol 181:15-23 Cells of S. Typhimurium TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 23

24 HOLSTEIN (Ho) vs BROWN SWISS (BS) 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 * Zymosan = ß-glucano con legami ß-1,3 e ß-1,6 Gibson et al Vet Immunol. Immunopathol 181:15-23 TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 24

25 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

26 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 PAMPs = pathogenassociated molecular pattern; DAMPs = damageassociated molecular pattern Heat stress Oxidative stress Activity excess Emotional stress GENETIC EPIGENETIC Physical symptoms: fever, tissue damage, pain Pathogens disease Parasites Trauma/injury Inflammation (PIC, e.g. IL1β-IL6-TNFα) + RICERCA per comprendere i meccanismi fisiopatologici in modelli animali ben caratterizzati geneticamente (entro e tra razze) 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) (Johnson and Finck, 2001) TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 26

27 Many thanks for attention Main Collaborators (UNICATT) Dr Andrea Minuti PostDoc Dr Matteo Mezzetti PhD Dr Annarita Ferrari PostDoc Dr Fiorenzo Piccioli Cappelli Senior Researcher Alessandro Catellani Unicatt - MS TO 22/06/18 Trevisi E-Risposte fisiologiche biodiversità 27