New data to the pathophysiology, clinics and therapy of bovine mastitis

Abstract

In Chapter 1 metabolic and endocrine aspects of bovine mastitis in early weeks of lactation are discussed. After reviewing the endocrine and reproductive consequences of certain endotoxin-mediated diseases, the results of the experimental studies are made known. Due to the rapid genetic improvement nowadays many of the high-yielding cows suffer from clinical consequences (hepatic lipidosis and/or ketosis) of decompensated negative energy balance (NEB) in the postpartum period. In the early weeks of lactation these two metabolic complications often coincide, and are accompanied frequently by a high incidence of infectious diseases like acute (endo)metritis and mastitis, mostly due to a periparturient decrease in capacity of antimicrobial self-defense mechanisms. Up to now, however, we have not known yet whether the degree of this metabolic predisposition for mastitis is uniform regard-less of the causative microbe. The pathogenesis of coliform mastitis is based on the host response to endotoxin. During this process leukocytes release several inflammatory mediators (tumor necrosis factor, interleukines etc.). These mediators can cause both severe inflammatory symptoms in the udder and disorders in the metabolic and endocrine functions of the cow. The possible metabolic and endocrine predisposition for clinical mastitis outbreak as well as the mastitis related metabolic and endocrine changes were studied in 4 trials on large scale dairy herds. The cows affected by mastitis in the puerperium had shown more elevated AcAc, BHB, NEFA and rT3, and lower IGF-I, T4 and T3 levels previously than those remained healthy dur-ing the first 4 weeks after calving (Exp. 1, 2.). This tendency related to a more severe form of energy imbalance and derived mainly from parameters of mastitic cows infected with GP and GN environmental pathogens or affected by NDP mastitis. However, just after calving the data of those with S. aureus IMI were very close to their healthy herdmates. Significant predictive value was attributed only to the elevation of BHB, but not to any others of NEB re-lated changes in circulating levels of hormones and metabolites. This predictive value was highly significant for GN microbes. Based on these findings we suppose that in the early weeks of lactation rather the hyperketonaemia than the NEB itself can predispose the cow for mastitis. Elevated BHB levels were detected in the first samples of cows with NDP+GN mastitis taken within some hours after the outbreak of clinical symptoms. The BHB dependent character of NDP+GN mastitis was obvious in the first four weeks after calving. During the sampling pe-riod the BHB levels started to decrease and reached the physiological range within some hours. Contrary to this continuously decreasing tendency in BHB, in the first some hours of the course a temporary elevation of NEFA level was seen in cows with NDP+GN mastitis, but not in those with GP mastitis. The observed NEFA increase might be the catabolic consequence of endotoxin induced endocrine changes. About 23 % of the cows in Exp. 2 showed < 40.00 nmol/l (e.g. lower than the mean - SD of symptomless, normoketonaemic cows; n=199) cortisol response to the ACTH challenge and were considered as temporary hypocorticoid. At the time of challenge all the cows were healthy, and neither the baseline level of cortisol, nor the degree of ACTH-induced cortisol response predisposed the cow for mastitis. However, if hypocorticoid cows were affected by GN or NDP mastitis in the first 14 days after calving, they showed more severe clinical symptoms and had higher risk for a fatal course, than their normocorticoid counterparts. The LPS-induced cortisol increase was also detected in the Exp. 1, 3 and 4 of the current trial. However, in our cases: in the 3 cows died in the earliest few days after calving in Exp. 3. no cortisol increase was detected at all. The cows in Exp. 4 showed significantly lower ACTH-induced cortisol response in the early puerperium, than in the later stages of lactation. The two cows died of E. coli and NDP mastitis could hardly response to the ACTH challenge. The clinical outbreak of mastitis was diagnosed in both of them also in the early puerperium. In cows with NDP+GN mastitis in the early puerperal phase the ACTH challenged cortisol increment inversely related to the severity of clinical symptoms. These experiences have confirmed the regulatory role of physiological cortisol response in production and release of certain interleukins and TNFα in GN mastitis, emphasizing the clinical importance of temporary hypocorticism in postpartum dairy cows and the clinical importance of anti-inflammatory therapy in mastitic cows showing severe general symptoms of this disease. Simultaneously with the LPS-induced cortisol elevation also a slight, temporary progesterone (P4) increase was seen in cows with NDP+GN mastitis. This temporary P4 increment was detectable only when no active corpus luteum was present on the ovary, and it was considered to be of adrenal origin as a side product of the LPS-forced cortisol synthesis. Studying the thyroid gland function significant decrease in plasma levels of both the T4 and T3 (in Exp. 3), and diminished TRH-challenged T4 and T3 increase (in Exp. 4) were detected, probably due to the cytokine loading must have been the most intensive in the severe forms of NDP+GN mastitis. These mastitis related changes were more obvious in more advanced stages of the course (in Exp. 3), were more pronounced in the early puerperium than in the late puerperium or during peak lactation (both in Exp. 3 and 4), and were extremely dramatic in the few cases died of mastitis soon after sampling. Contrary to the experiences in cows with NDP+GN mastitis, only mild or no mastitis-induced alterations were detected in animals affected by GP mastitis. The cows with NDP+GN mastitis were characterized by significantly more elevated rT3 levels. These –supposedly endotoxin mediated – differences derived from the data of the most severe cases. This observation reveals that due to a mastitis related endotoxin loading in cows not only the 5’D-dependent activation of T4 to T3 may be impaired but also the capacity of its 5D-katalyzed inactivating pathway to rT3 can be increased: this may be a significant contribution for the LPS-induced decrease of T4 in plasma. The low prepartum T4 levels in the cows which later exhibited GN mastitis may indicate either that cows with low T4 status were more susceptible to infection by GN organisms or that the endotoxin-released products were already acting on the thyroid gland before clinical mastitis was evident. The immunosuppressive consequences of decompensated NEB (associated with low T4 status), rather than the low plasma levels of T4 and T3 by themselves were sup-posed to predispose the cows for mastitis in Exp. 1 and 2. The insulin and IGF-I levels of our cows in Exp. 2 reflected the energy plus protein (but mainly energy) balance, and the low day 1-3 level of IGF-I in cows showing mastitis some days later confirm only the higher susceptibility of these individuals to intramammary infection caused by environmental pathogens in the early weeks of lactation. Significant independent associations of serum T4 with T3 and IGF-I levels during the puerperium were found in the Exp. 1 and 2. A temporary elevation in plasma insulin was usually observed also in the first 2-3 samples of our cases with NDP+GN mastitis in Exp. 3. In complete agreement with the findings of model studies the IGF-I level was still almost unaffected at the time of this insulin elevation, and started to decrease continuously thereafter. Similar changes in insulin and IGF-I were seen almost never in cows with GP mastitis. These results have confirmed that the endotoxin-induced changes of both the GH-IGF-I axis and insulin participate in the shift of the metabolism towards catabolic events also in ruminants including the postpartum dairy cows. Based on these results, we conclude that GN- (endotoxin-) mastitis related alterations in metabolic and endocrine systems may have practical importance in postpartum dairy cows. So it may be justified to exclude the mastitic cows (or at least of those with sever general symptoms) from trials studying the endocrine, metabolic and reproductive effects of certain feeding technologies and/or treatment procedures.

In Chapter 2 the drying off therapy of the bovine mastitis discussed. Antibiotic treatment at drying off aims at both eliminating the existing IMI and preventing new infections. During the dry period, elimination of the infection with antibiotics is more likely than during lactation as the drug is not milked out, and a higher and more uniform concentration of antibiotics is maintained in the udder. In addition, there are no economic losses due to discarding of milk containing antibiotic. Systemic dry cow therapy may have advantages: better distribution of the suitable drug in the udder tissue which may lead better cure of IMI. After reviewing the dry cow therapy, the results of the experimental study are made known. Systemic (intramuscular, IM) vs. local (intracisternal, IC) routes of spiramycin-based drying off therapy were compared for efficacy on 65 Staphylococcus aureus infected udder quarters of 38 dairy cows. Single-dose (30 000 IU/kg) IM treatment (single IM group) resulted in a similarly low bacteriological recovery rate (14%) as seen in the untreated controls (18%). IM treatment (30 000 IU/kg) on 4 consecutive days (4 IM group) resulted in significantly higher quarter-based recovery rates than that in the single IM group. The bacteriological recovery rates obtained in the intracisternal and 4 IM groups were quite similar but remained below 50%. Based on these findings as well as on the high costs of repeated intramuscular treatment regime there is no reason to give extra preference to the systemic application of spiramycin at drying off in the practice.

In Chapter 3 the bovine mastitis caused by P. zopfii alga is discussed. This form of mastitis have not been reported from Hungary previously. The reviewed disease attacks the high producing, machine milked dairy cows. It occurs worldwide in tropical and temperate climatic areas, and mostly appears sporadically in a therapy-resistant form. However, in poorly man-aged dairy herds it may be endemic, causing serious economic losses as a result of decreased milk quality and quantity and culling of infected animals. In the years 1998-99 223 in 32 large-scale dairy herds cases of bovine mastitis by Prototheca zopfii were identified by the author. In the following years algae were isolated from several cows in more than 50 dairy herds. The ratio of algal mastitis increased from 2 % to 4.5 % in years 1999 and 2001, respectively. All of these farms were in Hungary, at a continental type, temperate zone climate. Both the sporadic and epidemic forms of P. zopfii mastitis were ob-served. Three of these dairy herds with a high incidence of algal mastitis were closely studied (farm survey). All the herds affected by the epidemic form had poor hygienic conditions and suffered from several managerial faults, but no specific predisposing factors could be identified. In most of the cases the type II variant of this pathogen was isolated. However, from 3 cows type III variant of P. zopfii was also isolated. This variant has not been isolated previously from bovine mastitis cases. The cows had a higher chance of new infection in the early weeks of lactation and in the summer. The P. zopfii infection usually resulted in a chronic subclinical, or a mild clinical mastitis followed by a dramatic loss in milk production and permanent increase in somatic cell count. The histopathological findings could be characterized, as a progressive interstitial mastitis associated with alveolar atrophy. The self-recovery rate was very low. Prototheca zopfii is concluded as a common mastitis pathogen of the dairy cows in Hungary as well.

Az értekezés első fejezetében a szerző a tejtermelő teheneknek az ellés körüli időszakban előforduló tőgygyulladásaival, különösen a mastitisnek az anyagcserével és a hormonális rendszerrel összefüggő vonatkozásaival foglalkozik. A nemzetközi szakirodalom alapján át-tekinti az endotoxin-mediálta betegségek kórélettanát és endokrín következményeit, majd beszámol az elvégzett kísérletekről. A nagy tejtermelésű teheneknél az ellést követő időszakban gyakran alakul ki a negatív ener-gia-egyensúly (negative energy balance, NEB) következményeként májelzsírosodás és/vagy ketózis. A laktáció első heteiben, e két metabolikus zavarral együtt gyakran jelentkeznek bizonyos fertőző betegségek, mint a heveny endometritis és a klinikai tőgygyulladás.Ezek kialakulásában többnyire a szervezet antimikrobiális védekezőrendszerének ellés körüli, átmeneti működési elégtelensége játssza a fő szerepet. Jelenleg nem ismert, hogy az említett metabolikus zavarok milyen mértékben hajlamosítják a tehenet a különböző kórokozók által előidézett tőgygyulladásra. A coliform baktériumok okozta mastitis kórfejlődésének alapja a szervezetnek az endotoxinokra (lypopoliszacharid, LPS) adott válasza. Ekkor a fehérvérsejtekből különféle mediátorok szabadulnak fel (pl. tu-mor necrosis faktor {TNFα}, interleukinek stb.), amelyek részt vesznek a mastitis kialakításában, de metabolikus és a hormonális rendszert érintő hatásaik is lehetnek. A szerző négy -nagyüzemi méretű tejtermelő tehenészetben végzett- kísérletben vizsgálta a klinikai mastitisre hajlamosító, valamint a tőgygyulladást kísérő anyagcsere és hormonális zavarokat. Az 1. és 2. kísérletben, a puerperium időszakában, tőgygyulladásban megbetegedett teheneknek, a betegség kialakulása előtt gyűjtött vérplazma mintáiban magasabb acetecetsav (AcAc), β-OH-vajsav (BHB), nem észterifikált zsírsav (NEFA) és reverz-trijódtironin (rT3), valamint alacsonyabb inzulinszerű növekedési faktor (IGF-I), tiroxin (T4)és trijódtironin (T3)szintek voltak mérhetők, mint az egészséges istállótársak mintáiban. Ez a tendencia arányos volt a NEB súlyosságával, és elsősorban a Gram pozitív (GP) és Gram negatív (GN) környezeti kórokozók, valamint a nem detektált patogének (NDP) által okozott mastitises tehenek adataiból származott. A S. aureus mastitises tehenek az egészségesekhez hasonló metabolikus és hormonális paraméterekkel rendelkeztek. A tőgygyulladás kialakulásának esélyét szignifikánsan (vizsgált paraméterek közül) a BHB szint jelezte előre. Ez a mastitis hajlamosságot jelző korreláció különösen magasnak bizonyult GN baktériumok esetében. Ezen eredmények alapján úgy tűnik, hogy a tehenek tőgygyulladással szembeni fogékonysága nem közvetlenül a negatív energia mérleg, hanem elsősorban a kialakuló hyperketonaemia következménye. A NDP és GN tőgygyulladás klinikai tüneteinek megjelenését követő néhány órán belül vett, első mintákban emelkedett BHB szintet mértünk. Ez a jelenség a laktáció első négy hetében volt megfigyelhető. A mintavétel további részében a BHB szintje folyamatosan csökkent, és órákon belül elérte a fiziológiás értéket. A BHB szintjének folyamatos csökkenésével szem-ben, a NEFA szintjében, a klinikai mastitis megjelenését követően, egy átmeneti emelkedés volt mérhető, ami valószínűleg, az endotoxin által kiváltott endokrín folyamatok katabolikus következménye. GP mastitisben megbetegedett tehenekben ez a változás nem volt észlelhető. A 2. kísérletben az ACTH-stimulációt követően a tehenek 23 %-a 40 00 nmol/l-nél alacsony-abb kortizolszinttel válaszolt, és így megfelelt az ún. időleges hypocorticismus ismérveinek. Az ACTH-stimuláció időpontjában valamennyi állat egészséges volt, és sem a bazális kortizolszint, sem az ACTH-stimulációra adott válasz mértéke nem volt szoros korrelációban a mastitis kialakulásával. Azonban, ha az ellést követő 14 napon belül egy ilyen hypocorticoid tehénnél GN vagy NDP mastitis lépett föl, a betegség klinikai tünetei szignifikánsan súlyosabbak voltak, és gyakoribb volt az elhullással járó végkifejlet, mint a normocorticoid istállótársak esetében. Az LPS-indukálta kortizolszint-emelkedést az 1., 3. és 4. kísérletben is detektálni lehetett. Azonban a 3. és 4. kísérletben, a korai puerperiumban –GN és NDP mastitis miatt- elhullott teheneknél nem vagy alig volt észlelhető a kortizolszint emelkedése, a betegség megjelenése után. A 4. kísérletben a korai puerperiumban az ACTH-stimulációra adott válasz szignifikánsan alacsonyabb volt, mint a laktáció későbbi szakaszaiban. Az ebben az időszakban előforduló GN és NDP tőgygyulladás súlyossága fordított arányban volt az ACTH-stimulációra adott válaszkészséggel. A fent felsorolt eredmények megerősítik, hogy GN mastitisben a kortizolnak fontos élettani szabályozó szerepe van egyes interleukinek és a TNFα termelődésében és felszabadulásában, egyben aláhúzzák az ellés utáni időszakban megfigyelt átmeneti hypocorticismus és a gyulladáscsökkentő terápia jelentőségét súlyos klinikai tünetekkel járó tőgygyulladásban. Az endotoxinok által indukált kortizolszint-növekedéssel egyidőben, átmeneti, kismértékű progeszteronszint- (P4-) emelkedés is megfigyelhető volt GN és NDP mastitisben. Ezt az időleges P4 emelkedést csak akkor lehetett észlelni, ha a petefészken nem volt aktív sárgatest. A mellékvesekéregben folyó intenzívebb kortizolszintézis melléktermékének tekinthető. A pajzsmirigy működését vizsgálva megállapítást nyert, hogy a súlyos GN mastitis során bekövetkező intenzív citokin-felszabadulás eredményeképp, szignifikánsan alacsonyabb plazma T4 és T3 szint (3. kísérlet), valamint csökkent mértékű TRH-stimulációra adott T4 és T3 válaszkészség (4. kísérlet) mérhető. Ezek az elváltozások erőteljesebbé váltak a betegség előrehaladásával (3. kísérlet) és fokozottan érvényesültek a korai puerperiumban (3. és 4. kísérlet). Különösen drámai változások voltak mérhetők a néhány mastitisben elhullott állat esetében. GP tőgygyulladás esetében hasonló folyamatok nem vagy csak alig észlelhető mértékben voltak megfigyelhetők. A GN és NDP mastitisben súlyosan megbetegedett teheneket szignifikánsan emelkedett rT3 szint jellemezte. Ez a megfigyelés nemcsak arra utal, hogy endotoxin hatására tehenekben lecsökken a T4 és a T3 5’-dejodináz függő aktiválása, hanem arra is, hogy fokozódik ezen hormonok 5-dejodináz által katalizált inaktiválása (rT3-má) is: ez jelentős tényező lehet az LPS-indukálta plazma T4 szint csökkenésben. A később GN mastitisben megbetegedett teheneknél az ellés előtt alacsonyabb T4 szintet mértünk. Valószínűnek látszik, hogy ez is a dekompenzált negatív energia-egyensúly egyik következménye (1. és 2. kísérlet). Az inzulin és IGF-I szintje a 2. kísérletben, tükrözte a tehén energia és fehérje egyensúlyát. A később mastitisben megbetegedő teheneknél az ellés utáni 1-3. napon észlelhető, alacsonyabb IGF-I szint, megerősíti, hogy ezen állatok, a laktáció első heteiben fokozottan érzékenyek a környezeti kórokozók által előidézett tőgyfertőzésekre. Az 1. és 2. kísérletben szignifikáns korreláció volt a szérum T4 és T3 valamint IGF-I szintje között. GN és NDP mastitisben megbetegedett tehenekben az első 2-3 mintában rendszerint emelkedett plazma inzulinszint volt mérhető (3. kísérlet). A modellkísérletek eredményeivel összhangban ebben az időpontban az IGF-I szintje még nem változott, annak csökkenése csak később kezdődött. GP tőgygyulladás során hasonló változásokat sohasem lehetett észlelni. Ezek az eredmények megerősítik, hogy az endotoxin hatást követő katabolikus folyamatok megindításában mind a növekedési hormon-IGF-I tengely, mind pedig az inzulin részt vesz, ellés után lévő tejelő tehenekben is. Összegezve a felsorolt eredményeket megállapítható, hogy a GN (endotoxin) mastitishez kapcsolódó metabolikus és endokrin változásoknak ellés után lévő, tejtermelő tehenekben gyakorlati jelentőségük van. Ennek alapján javasolható, hogy a tőgygyulladásos teheneket (de legalább a súlyos tüneteket mutató állatokat) ki kell zárni az olyan kísérletekből, amelyek egyes takarmányozási és gyógykezelési technológiák metabolikus, endokrinológiai és szaporodásbiológiai hatását vizsgálják.

A második fejezetben a szerző áttekinti a tejtermelő tehenek ún. szárazraállítási terápiájával kapcsolatos irodalmi adatokat, majd beszámol a spiramycinnel végzett terápiás kísérleteinek eredményéről. Az elapasztáskor végzett antibiotikumos gyógykezelésnek a célja kettős: kiterjed a a laktáció alatt fennálló tőgygyulladás gyógyítására és az elapasztás után várható fertőzések megelőzésére. A szárazonállás alatt a fertőzések eliminálására nagyobb esély kínálkozik, mint a laktációban, mivel a beadott gyógyszert nem fejik ki, és a lecsökkent tejtermelés miatt magasabb és egyenletesebb hatóanyag-koncentráció jöhet létre. A laktáció alatt végzett gyógykezelések után az élelmezésügyi várakozási idő leteltéig a tejet a közfogyasztástól el kell vonni. Ez a jelentős gazdasági veszteség az elapasztáskor végzett gyógykezelést nem terheli. A megszokott intracisternális tőgyinfúziókkal végzett terápiával szemben a szisztémás (intramusculáris, intravénás) gyógykezelésnek várható előnye, hogy a megfelelő hatóanyag jobban eloszlik a tőgyszövetben, és ez nagyobb arányú bakteriológiai gyógyulást eredményezhet. A szerző intramuscularisan (IM) és intracysternalisan (IC) alkalmazott, spiramycin alapú szárazraállítási terápia hatékonyságát hasonlította össze 38 tehén 65 S. aureus mastitises tőgynegyedében. Az egyszer alkalmazott IM kezelés (30 000 NE/ttkg) a kezeletlen kontroll-hoz hasonló bakteriológiai gyógyulást eredményezett (14%<>18%). A 4 egymást követő napon ismételt IM terápia szignifikánsan jobb eredményt hozott (48%) (tőgynegyedenként végzett értékeléskor), hasonlóan az IC kezeléshez (40%). Ezek az adatok közel állnak a más gyógykezelési protokollal elért eredményekhez. A költség-hatékonyság számítás alapján a vizsgált gyógykezelési eljárások nem jelentenek áttörést a nehezen kezelhető mastitisek elleni védekezésben.

A harmadik fejezetben a szerző áttekinti a Prototheca zopfii alga által okozott tőgygyulladás nemzetközi szakirodalmát, beszámol a betegség első hazai megállapításáról, és az ezzel kapcsolatos kutatási eredményekről. Az algás tőgygyulladás elsősorban a nagy tejtermelésű, fejőgéppel fejt szarvasmarhák betegsége. Világszerte előfordul, elsősorban trópusi-szubtrópusi éghajlat mellett, de a mérsékelt égövön is leírták. Általában sporadikusan jelentkezik, és terápia-rezisztens mastitisként kór-jelzik, azonban nem megfelelő üzemi technológia/higiénia esetén halmozottan is előfordulhat. Ilyen esetekben a jelentős tejtermelés csökkenés, a tej magas szomatikus sejtszáma, és az indokolt állatselejtezések révén komoly gazdasági veszteségeket okoz. A szerző 1998-1999-ben 32 tehenészet 223 tőgygyulladásos tehenéből mutatta ki a kórokozót. Az ezt követő években rendszeresen diagnosztizált P. zopfii mastitist, több mint 50 üzemben. 1999-ről 2001-re, 2%-ról 4,5%-ra emelkedett az algával fertőzött tehenek aránya a szerző által vizsgált tejmintákban. A betegség általában szórványosan, de közel 10 telepen, halmozottan fordult elő. 3 ilyen üzemben további vizsgálatokat is végzett a kórkép állományon belüli elterjedtségének, kórtani és klinikai jellegzetességeinek, illetve a fertőzés forrásának a tisztázására. Ezen farmok mindegyikén több, tőgygyulladásra hajlamosító technológiai hiányosságot talált, de specifikusan az algás tőgygyulladásért felelős tényezőt nem sikerült azonosítani. A legtöbb esetben a P. zopfii II. típusát tenyésztette ki a mastises tejmintákból, de három esetben a P. zopfii III. típusa bizonyult kórokozónak. Ezidáig ennek a típusnak a kór-tani szerepéről a nemzetközi szakirodalomban nem jelent meg leírás. Tapasztalatai szerint a termelés csökkenésével és a tej szomatikus sejtszámának (SCC) a hosszan tartó, jelentős fokú emelkedésével járó elváltozás többnyire idült lefolyású, tünetszegény, vagy szubklinikai, kórszövettanilag progrediáló, a mirigyvégkamra sorvadásával járó, interstitalis mastitisként jellemezhető. Az öngyógyulási hajlam nagyon gyenge, ezért a betegség elleni védekezés fontos eszköze a fertőzött állatok selejtezése. A szerző adatai alapján a P. zopfii által okozott tőgygyulladással napjainkban az ország egész területén számolni kell.