The influence of L-carnitine on hematology and functional blood parameters of dairy cows with special focus on high resolution data around parturition

Abstract

The transition period, defined as three weeks before to three weeks after parturition, is one of the most critical times in the production cycle of dairy cows. On the one hand, cows have to cope with increased energy demand, while on the other hand, feed intake decreases due to stress and pain during parturition. This results in an negative energy balance and, consequently, at the beginning of body fat tissue mobilization. Lipomobilization increases the blood concentration of NEFA. This is accompanied by an increase in the blood concentration of ketone bodies, such as BHB. In addition to changes in energy metabolism, alterations in the immune function of dairy cows occur during the transition period. Stress and pain during calving lead to elevated blood levels of glucocorticoids, such as cortisol, which affect the immune system. Furthermore, the immune system is affected by increased concentrations of NEFA and BHB. At the same time, oxidative stress occurs due to an imbalance between the production of reactive oxygen species (ROS) and the activity of the antioxidative system. In general, the period around calving and its consequences constitute a very complex process influenced by many interdependent factors. One key factor in energy production is the quaternary amine L-carnitine (LC), which is necessary for the transport of short-chain fatty acids from the cytosol to the mitochondrial matrix. Furthermore, several studies have demonstrated the antioxidant and membrane-stabilizing effects of LC. This study aimed to investigate the effects of dietary LC supplementation on energy metabolism, hematology, and immune functions of dairy cows during the transition period. In addition, the first 72 h after calving were observed at high resolution to show the characteristic courses of the examined parameters, which, to the best of our knowledge, have not yet been analyzed. To attain this aim, 60 pluriparous Holstein Friesian cows were assigned to two groups based on their lactation number, body weight, body condition score, and fat-corrected milk yield from previous lactation. The LC group (CAR) received 25 g of rumen-protected LC. The study started 42 days before excepted calving and ended 110 days after parturition. To evaluate the performance and health of the animals, feed and milk samples were collected regularly, and feed intake, milk yield, body weight, and BCS were documented (Manuscript I). Additionally, NEB was calculated, and NEFA, BHB, and triglyceride concentrations in the blood were determined (Manuscript I). Also, the concentration of LC in the blood as well as that of the precursors γ-butyrobetaine (γBB), Nε-trimethyllysine (TML), and acetylcarnitine (ACA) was examined (Manuscript I). Red blood cell counts and antioxidant enzyme activity were measured to obtain more information on the oxygen supply and antioxidant status of the animals (Manuscript II). To evaluate the immunological status and inflammatory response, white blood cell count, phagocytic activity, ROS production, and lymphocyte populations were analyzed (Manuscript III). Dietary supplementation with LC increases blood LC, γBB, and ACA concentrations. Furthermore, LC supplementation resulted in better utilization of NEFA and TG. This was manifested by an increased blood concentration of triglycerides and a lower concentration of NEFA. Moreover, increased levels of platelets and eosinophils were detected in the CAR group, confirming the membrane-stabilizing effect of LC and the associated longer cell lifespan. Additionally, immunological functions were affected by LC supplementation. The ability of polymorphonuclear cells (PMN) to phagocytose bacteria was analyzed by the mean fluorescence intensity (MFI) of ROS-producing PMN, and the phagocytic capacity decreased compared to the CON group. Simultaneously, the efficiency of ROS production by PMN increased in CAR cows. These results suggest an altered immune function around calving, but not suppression, as is often described in the literature. In addition, this study showed that calving affected almost all analyzed data. The strongest changes in hematology and cell function were found four hours after calving. Furthermore, the influence of LC supplementation on immunological parameters was observed in the first few hours after parturition, indicating that LC supplementation may have an effect at energetically critical times. In conclusion, the present study showed that dietary LC supplementation affected energy metabolism, cell vitality, and cell function during the critical period around calving. However, this study also showed the clear influences of calving, which may be even more pronounced than animal-specific differences. Future studies should record the LC supply of cells to enable a more detailed description of the energetic situation of cells such as blood cells.

Die Transitphase ist eine der kritischsten Zeiten im Reproduktionszyklus einer Milchkuh. Zum einen müssen die Kühe einen erhöhten Energiebedarf bewältigen, zum anderen ist die Futteraufnahme aufgrund von Schmerzen und Stress reduziert. Hieraus resultiert eine negative Energiebilanz und der Körper beginnt Fettreserven abzubauen. Durch die Lipomobilisation erhöht sich die Konzentration an NEFA im Blut. Dies geht einher mit einem Anstieg der Blutkonzentration von Ketonkörpern wie BHB. Zusätzlich kommen in der Transitphase der Milchkuh massive Veränderungen in der Immunfunktion hinzu. Durch Stress und Schmerzen während der Geburt steigt der Blutspiegel der Glucocorticoide wie Cortisol, die das Immunsystem beeinflussen. Darüber hinaus wird das Immunsystem durch die erhöhten Konzentrationen von NEFA und BHB beeinflusst. Gleichzeitig entsteht oxidativer Stress durch eine Imbalance in der Produktion von ROS und der Aktivität des antioxidativen Systems. Insgesamt ist die Periode um die Kalbung ein sehr komplexer Prozess, welcher von vielen verschiedenen voneinander abhängigen Faktoren beeinflusst wird. Eine wichtige Schlüsselfunktion für die Energiegewinnung könnte dabei das quartäre Amin L-Carnitin (LC) einnehmen, das für den Transport von kurzkettigen Fettsäuren aus dem Zytosol in die mitochondriale Matrix notwendig ist. Des Weiteren konnte in mehreren Studien eine antioxidative und membranstabilisierende Wirkung von LC nachgewiesen werden. Die Hypothese dieser Arbeit war daher herauszufinden, ob eine LC Supplementierung einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel, die Hämatologie und die Immunfunktionen der Kuh während der Transitphase hat. Zusätzlich wurden, unserer Kenntnis nach zum ersten Mal, die ersten 72 Stunden nach der Kalbung hochaufgelöst untersucht, um charakteristische Verläufe einzelner untersuchter Parameter darstellen zu können. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden 60 pluripare Holstein Friesian Kühe in zwei Gruppen eingeteilt. Die L-Carnitin Gruppe (CAR) erhielt 25 g pansengeschütztes LC pro Kuh und Tag. Der Versuch begann 42 Tage vor der erwarteten Kalbung und endete 110 Tag nach der Geburt. Zur Bewertung der Produktionsleistung und der Gesundheit der Tiere wurden regelmäßig Futter- und Milchproben genommen, Futteraufnahme und Milchleistung erfasst sowie Körpergewicht und BCS festgehalten (Manuskript I). Zusätzlich wurde die NEB berechnet und den Tieren Blut entnommen, um die NEFA-, BHB- und Triglycerid-Konzentrationen zu bestimmen (Manuskript I). Ebenfalls wurde die LC- Konzentration im Blut untersucht sowie die der Vorläufer γ-Butyrobetain (γBB), Nε-Trimethyllysin (TML) und Acetylcarnitin (ACA) (Manuskript I). Zusätzlich wurde das rote Blutbild und die Aktivität antioxidativer Enzyme bestimmt, um nähere Informationen zur Sauerstoffversorgung der Tiere und des antioxidativen Status zu erhalten (Manuskript II). Zur Bewertung von immunologischen Vorgängen und Entzündungsgeschehen wurde das weiße Blutbild, die Phagozytoseaktivität, die ROS-Produktion und die Lymphozytenpopulationen näher untersucht (Manuskript III). Durch die Supplementierung mit LC konnte ein Anstieg der LC-Blutspiegel sowie auch der Vorläuferstufen γBB und ACA festgestellt werden. Die LC Supplementierung führte zudem zu einer besseren Verwertung von NEFA und TG. Dies äußerte sich in einer erhöhten Konzentration von TG im Blut und einer niedrigeren NEFA-Konzentration. Außerdem konnten in der CAR Gruppe erhöhte Anteile von Thrombozyten und Eosinophilen festgestellt werden. Dies bestätigte die membranstabilisierende Wirkung von LC und eine damit verbundene längere Lebensdauer der Zellen. Die Immunfunktion wurde ebenfalls durch LC beeinflusst. Die Fähigkeit der polymorph-nukleären Zellen (PMN) Bakterien aufzunehmen, nahm im Vergleich zur CON-Gruppe ab. Neben dieser Fähigkeit schien in der CAR Gruppe zur gleichen Zeit auch die Phagozytosekapazität geringer zu sein, begleitet von einer effizienteren Produktion von ROS durch die PMN. Diese Ergebnisse deuten zwar auf eine veränderte Immunfunktion um die Kalbung herum hin, allerdings nicht auf eine in der Literatur oft beschriebene Supprimierung. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Kalbung nahezu alle erhobenen Daten beeinflusst hat. Die stärksten Veränderungen in der Hämatologie und der Zellfunktion wurden vier Stunden nach der Kalbung festgestellt. In dieser Zeit wurden auch die Effekte durch LC gefunden, was darauf hindeutet, dass LC durchaus einen Einfluss haben kann, allerdings nicht generell, sondern nur zu energetisch kritischen Zeiten. Abschließend konnte diese Studie zeigen, dass eine diätetische LC Supplementierung in kritischen Zeiten einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel hat und die Vitalität und Funktion von Zellen beeinflussen kann. Allerdings zeigten sich in dieser Studie auch deutliche Einflüsse der Kalbung, welche möglicherweise sogar stärker ausgeprägt sind als tierindividuelle Unterschiede.