Role of insulin in the development of metabolic and reproductive malfunctions of periparturient dairy cows

Abstract

In dairy cows selected for high milk production theperiparturient insulin resistance (IR) may play a pivotal role both in adaptation to the energy demands of milk synthesis and in the pathogenesis of some metabolic malfunctions and organic diseases related to the negative energy balance (NEB). Insulin is the most important anabolic hormone with significant functions in carbohydrate, lipid and protein metabolism, which acts to maintain body depots and to prevent ketogenesis. Moreover, insulin is one of the key metabolic molecules which mediate the crosstalk between the hypothalamic-ovarian axis and the body energy state. In humans the release ofcytokines, that occurs in association with obesity and inflammatory diseases (especially in those with endotoxemia), and the release of non esterified fatty acids plays an important role in the development of IR. In dairy cow inflammatory diseases with intensive endotoxin/cytokine release (puerperal mastitis and metritis, clinical endometritis) are frequent complications in the puerperal phase. Our understanding on the relationship between periparturient metabolic disorders, insulin resistance and the poor reproductive performance in the modern dairy cow is limited, yet. Our goal was to investigate the periparturient insulin pattern and IR in high lactating dairy cows in relation with some metabolic and reproductive malfunctions and to improve postpartum ovarian function through energy supplementations in cows under different management systems. We showed that pancreatic ß-cell function and the biological potency of insulin is impaired in cows with long-term hyperketonemia. Short-term elevations in plasma free fatty acids and ketone bodies may not potentially induce further increase in peripheral tissue insulin resistance in the early lactation. However, severe inflammatory diseases like puerperal metritis may potentially further depress insulin secretion of the pancreatic ß-cells and the whole body insulin responsiveness of dairy cows, with long-term effects on metabolism and reproduction. Furthermore we also found that the revised quantitative insulin sensitivity check index (RQUICKI) as was assessed earlier only in healthy animals should be applied with cautions in the assessment of insulin sensitivity in dairy cows in different physiological and disease states (Exp. 1). We found that top-dressing of pulverized propylene glycol (PGL) on the total mixed ration from d 14 before calving till d 10 after calving was not effective in improving metabolic profile, insulin sensitivity, the time of first postpartum ovulation and pregnancy rate. Most probably the relatively good energy balance of the animals involved in our studylimited the effectiveness of the supplement. However, the method of allocation and the absorbent incorporated for the PGL product used in the present study contributed to the inefficacy (Exp. 2). In contrast, in lean cows, which were kept under pasture condition, the pre-partum supplementation with cracked corn grain improved the energy balance, peripheral insulin concentrations and decreased the time to the first pp ovulation. (Exp. 3).It is obvious that the effectiveness of periparturient energy supplementation is greatly dependent on the initial energy state of the animals. We hope that our results contribute to our understanding on dairy cow physiology and help to choose appropriate dietary tools in improving metabolic and reproductive performance.

Tejhasznú szarvasmarhában az ellés körül kialakuló inzulinrezisztencia (IR) központi szerepet játszik mind a tejtermelés energiaszükségletéhez való alkalmazkodásban, mind pedig egyes ellés körüli anyagforgalmi- és szaporodásbiológiai zavarok kórfejlődésében. Az inzulin a lipidmobilizáció és a ketonanyagok képződése ellen ható egyik legfontosabb anabolikus hatású hormon. Az anyagcserében betöltött szerepe mellett számos szaporodásbiológiai hatása is ismert: szérumszintjebefolyásolja a hipofízis-petefészek-tengely működését, valamint a tüszők és a sárgatest szteroidgenezisét. Emberben bizonyított, hogy összefüggés van az elhízás, a plazma magas szabadzsírsav-koncentrációja, egyes gyulladásos mediátorok és az IR kialakulása között. A laktáció korai szakaszában szarvasmarhában gyakoriak a nagy mennyiségűendotoxin-felszabadulással járó szaporodásbiológiai zavarok, mint például a mastitis, vagy a puerperális metritis. Ugyanakkor az ellés körül kialakuló anyagforgalmi zavarok, az inzulinrezisztencia és a csökkent szaporodásbiológiai teljesítmény közötti kölcsönhatásokról szóló ismereteink ma még hiányosak. Célunk volt tejhasznú szarvasmarhában az ellés körüli inzulinrezisztencia, valamint egyes anyagforgalmi és szaporodásbiológiai zavarok közötti összefüggések tanulmányozása. Vizsgáltuk továbbá, hogy különbözőtartási körülmények között az ellés körül alkalmazott energia-kiegészítés milyen hatással van az inzulin szérumszintjére, a hasnyálmirigy β-sejtjeinek inzulintermelésére, az inzulinrezisztencia fokára, valamint a petefészek működésére. Kimutattuk, hogy a tartós hyperketonaemia, valaminta puerperális metritis tovább csökkentik a hasnyálmirigy inzulin-elválasztását ésannak biológiai hatását Holstein-Fríz tehenekben. Korábban csupán egészséges tehenekben vizsgált inzulinérzékenységi index (Revised Quantitative Insulin Sensitivity Check Index) eredményeink szerint csak körültekintően alkalmazható az inzulinérzékenységben bekövetkezőváltozások mérésére eltérőélettani állapotú, illetve különbözőpuerperalis kórképben (szubklinikai ketosis, puerperalis metritis) szenvedőállatokban (1. kísérlet). Kimutattuk továbbá, hogy az ellés körül a monodiétás takarmány kiegészítése porított propilénglikollal nem volt hatással az általunk vizsgált anyagforgalmi és endokrin paraméterekre, illetve nem befolyásolta az első ovuláció idejét intenzív tartási körülmények közötttartott nagy tejtermelésűtehenekben. Ennek hátterében nemcsak a kiegészítés módja, és a vivőanyag bendőbeli emésztést befolyásoló tulajdonsága állhat, hanem a vizsgálatba bevont állatok viszonylag jó energia-ellátottsága is (2. kísérlet). Ezzel szemben, legelőre alapozott takarmányozáskor a vemhesség utolsó heteiben gyenge tápláltsági állapotú tehenekben az ellés előtt alkalmazott kukoricadara alapú enegia-kiegészítés javította az állatok energia-egyensúlyát, növelte a perifériás inzulinszinteket, valamint elősegítette, hogy a petefészek működése az ellést követően mielőbb ciklikussá váljon (3. kísérlet). Reményeink szerint eredményeink hozzájárulnak az ellés körüli anyagforgalmi és hormonális változások jobb megértéséhez, illetve segítenek a megfelelőtakarmányozási eszközök kiválasztásában a nagy tejtermelésűtehenek szaporodásbiológiai állapotának javításához.