Diagnosis and treatment of acute puerperal metritis in dairy cows

Abstract

Acute puerperal metritis is characterized by reddish-brown, fetid, watery vaginal discharge in combination with an elevated rectal temperature of ≥ 39.5°C. Cows with acute puerperal metritis have an impaired reproductive performance, are more likely to be culled and have less milk production in comparison to healthy cows (Fourichon et al., 2000; Wittrock et al., 2011; Machado et al., 2014). Moreover, animal welfare is impaired due to painfulness of the inflamed uterus (Stojkov et al., 2015). The widespread use of 3rd generation cephalosporins for the treatment of acute puerperal needs to be re- evaluated due to the worldwide debate on emerging antibiotic resistances (Chenault et al., 2004; Lima et al., 2014; Machado et al., 2014). Hence, there is the need to encourage prudent use of antibiotics and alternative therapies to antibiotics. Therefore, the overall objective of this work was 1) to evaluate the diagnosis of acute puerperal metritis in order to reduce false positively treated cows and 2) to evaluate an alternative treatment of acute puerperal metritis. Even though measurement of rectal temperature is part of most fresh cow protocols (Smith and Risco, 2005), this time consuming procedure is only implemented by 34% of farms in Germany (Heuwieser et al., 2010). Therefore, the first study investigated if milk temperature measured by an automatic milking system is a reliable indicator of body temperature of dairy cows and if cows with fever could be detected automatically. The results showed a moderate correlation between vaginal temperature and milk temperature (r = 0.52). Moreover, vaginal temperature was higher (39.1 ± 0.4°C, n = 418) than milk temperature (38.6 ± 0.7°C, n = 418) with a mean difference of 0.5 ± 0.6°C, which might have been caused by cooling effects of the milk tubes. Two different approaches assessed the ability to identify cows with fever by milk temperature. In the first approach, the combination of 39.0°C as a threshold for the milk temperature and 39.5°C for at least 2 h per day as a threshold for vaginal temperature resulted in the highest combination of sensitivity (0.65) and specificity (0.65). In the second approach it was evaluated, if measurement of milk temperature could identify cows with fever at a given milking event. A threshold of milk temperature > 38.7°C delivered the best combination of sensitivity (0.77) and specificity (0.66) when fever was defined as vaginal temperature ≥ 39.5°C. In conclusion, milk temperature should be interpreted with great caution because of high false positive and false negative rates and therefore cannot be recommended as an alternative to measurement of rectal temperature. Because a lack of objectively measurable criteria for the diagnosis of acute puerperal metritis has been reported (Sannmann et al., 2013a; Burfeind et al., 2014b), the second study evaluated the association between an acute phase protein and acute puerperal metritis. Specifically, it was evaluated if, in addition to acute puerperal metritis, other variables occurring within the first 5 DIM are associated with elevated haptoglobin at 5 DIM. The results showed that primiparous cows had a greater median haptoglobin concentration (2.25 g/L, IQR 1.45−2.50, n = 146) than multiparous cows (1.13 g/L IQR 0.52−2.22; n = 302). Therefore, different haptoglobin thresholds based on references from literature for all cows (1.4 g/L), primiparous (2.49 g/L) and multiparous cows (1.4 g/L) were used for further analysis. Cows with elevated BHBA (≥ 1.2 mmol/L) at 5 DIM had 2.39−2.87 times the odds of elevated haptoglobin depending on parity. Multiparous cows with assisted calving had a 2.46 times higher risk for elevated haptoglobin whereas primiparous cows with assisted calving had no elevated risk for elevated haptoglobin at 5 DIM. Moreover, multiparous cows with retained fetal membranes were 5.51 times as likely to have elevated haptoglobin as cows without retained fetal membranes. Finally, acute puerperal metritis within the first 5 DIM was highly associated with elevated haptoglobin (odds ratio: 2.74−5.01) depending on parity. In summary, different variables occurring at the same time period as acute puerperal metritis were associated with elevated haptoglobin at DIM 5. It is speculated, that the association of calving ease, retained fetal membranes and periparturient metabolic stress could explain the reported moderate sensitivity and specificity (Huzzey et al., 2009; Dubuc et al., 2010; Burfeind et al., 2014a) in the detection of metritic cows by measuring serum haptoglobin concentrations. When using haptoglobin as a diagnostic tool for the detection of acute puerperal metritis, these potential confounders have to be considered. The third study was designed in order to compare the efficacies of ketoprofen and ceftiofur for the treatment of acute puerperal metritis. The effect on clinical cure, subsequent milk yield, prevalence of endometritis and reproductive performance were evaluated. Cows with acute puerperal metritis were allocated to treatment with ketoprofen or treatment with ceftiofur and cows that showed fever on d 4 to 7 after inclusion received an extended treatment with ceftiofur. Cows treated with ketoprofen had 3.47 times the odds (n = 558) of extended treatment compared to cows treated with ceftiofur. Occurrence of purulent vaginal discharge was similar among treatment groups (ketoprofen: 56%, ceftiofur: 53%). However, cows with extended treatment had 2.00 times the odds (n = 438) of endometritis compared to cows without extended treatment. Treatment group did not affect mean 100 DIM milk yield (ketoprofen group 3531 ± 816 kg, ceftiofur group 3571 ± 743 kg), first artificial insemination pregnancy risk (ketoprofen group: 20% vs. ceftiofur group: 25%; n = 480), time to first artificial insemination (ketoprofen group: 75 d; 95% CI: 73−77 d vs. ceftiofur group: 73 d; 95% CI: 71−75 d; n = 437) and time to pregnancy (ketoprofen group: 133 d; 95% CI: 120−147 d vs. ceftiofur group: 143 d; 95% CI: 132−154 d; n = 437). In conclusion, more than half of the cows initially treated with ketoprofen needed an extended treatment with ceftiofur (61%). However, there is potential of reducing antibiotic use by utilizing ketoprofen for the treatment of acute puerperal metritis as up 39% of cows initially treated with ketoprofen did not need an extended treatment and the occurrence of purulent vaginal discharge, milk yield and reproductive performance was not negatively affected. Overall, the first two studies on the diagnosis of acute puerperal metritis clearly demonstrated that further research for an improvement of the diagnosis of acute puerperal metritis is still warranted. Measurement of milk temperature by automatic milking systems to detect febrile cows is insufficient, because of high false positive and false negative rates. Although a high association between acute puerperal metritis and serum haptoglobin could be shown in the second study, also other variables impacting the same postpartum period as acute puerperal metritis were associated with elevated haptoglobin and therefore have to be considered when haptoglobin is used as a diagnostic measure. The third study showed that in terms of alternative treatment of acute puerperal metritis, ketoprofen could be used as an initial treatment without negative effects on reproductive performance or milk production. Finally, antibiotic usage could be minimized and moreover, the cow´s welfare could potentially be improved due to the analgesic effect of ketoprofen.

Die akute Metritis beim Rind ist durch übelriechenden, wässrigen, rot-braunen Ausfluss und eine erhöhte Körpertemperatur ≥ 39,5°C innerhalb der ersten 10 Tage nach dem Abkalben charakterisiert (Sheldon et al., 2006). Erkrankte Kühe haben schlechtere Fruchtbarkeitsleistungen, ein erhöhtes Abgangsrisiko und eine geringere Milchleistung im Vergleich zu gesunden Kühen (Fourichon et al., 2000; Wittrock et al., 2011; Machado et al., 2014). Außerdem ist das Wohlbefinden der Tiere durch die erst kürzlich nachgewiesene Schmerzhaftigkeit des entzündeten Uterus beeinträchtigt (Stojkov et al., 2015). Die Behandlung der akuten puerperalen Metritis umfasst in der Regel eine systemische Antibiose mit einem Cephalosporin der dritten Generation (Ceftiofur). Die Anwendung von Antibiotika in der Nutztiermedizin gerät jedoch mehr und mehr in den Mittelpunkt der Kritik und die Verhinderung der Verbreitung von Resistenzen sollte angestrebt werden (Chenault et al., 2004; Lima et al., 2014; Machado et al., 2014). Deshalb ist es umso wichtiger Alternativen zur antibiotischen Therapie unter Berücksichtigung des Tierwohls, sowie wirtschaftlicher Fruchtbarkeitsleistungen zu finden. Durch eine präzise und tiernahe Diagnostik lassen sich außerdem Tiere identifizieren, die von einer frühzeitigen Therapie profitieren und solche, die keiner therapeutischer Maßnahmen bedürfen. In dieser Doktorarbeit wird deshalb die Diagnose und Therapie der akuten Metritis bei Milchkühen bearbeitet. Speziell wird dafür die Möglichkeit des automatisierten Fiebermessens evaluiert, Einflussfaktoren auf einen häufig angewandten Entzündungsparameter zur Metritisdetektion untersucht und die Möglichkeit einer alternativen Therapie getestet. Das tägliche Messen der Körpertemperatur ist Bestandteil vieler Protokolle zur Überwachung der Gesundheit von Frischabkalbern (Smith and Risco, 2005). Diese Maßnahme ist allerdings zeitintensiv und wird laut einer Umfrage von nur 34% der befragten Betriebe in Deutschland routinemäßig durchgeführt (Heuwieser et al., 2010). Seit Ende der neunziger Jahre werden immer mehr Automatische Melksysteme in landwirtschaftlichen Milchviehbetrieben genutzt. Weltweit waren es 2012 bereits 16.000 Betriebe (de Koning, 2013). Aus diesem Grund wurde in der ersten Studie untersucht, ob die von Automatischen Melksystemen erfasste Milchtemperatur mit der Körpertemperatur von Milchkühen vergleichbar ist und ob fieberhafte Kühe zuverlässig erkannt werden können. Zusammenfassend war die mittlere Vaginaltemperatur höher (39,1°C ± 0,4°C, n = 418) als die mittlere Milchtemperatur (38,6°C ± 0,7°C, n = 418) mit einer mittleren Differenz von 0,5°C ± 0,6°C. Dieser Unterschied lässt sich eventuell durch ein Abkühlen der Milch in Melkbecher und Milchschlauch in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erklären. Der Korrelationskoeffizient (r) von Milch- und Vaginaltemperatur betrug 0,52. Um zu untersuchen, wie zuverlässig fieberhafte Kühe anhand der Milchtemperatur identifiziert werden können, wurden zwei verschiedene Ansätze gewählt. Dabei wurden jeweils unterschiedliche Definitionen von Fieber evaluiert. Eine Kombination aus Körpertemperatur ≥ 39,5°C für mindestens 2 Stunden am Tag und ein Grenzwert von mindestens 39,0°C für die Milchtemperatur stellte im ersten Ansatz die höchst mögliche Kombination von Sensitivität (0,65) und Spezifität (0,65) dar. Im zweiten Ansatz wurde überprüft, ob sich höhere Übereinstimmungen zeigen lassen, wenn die Milchtemperatur mit der Körpertemperatur während eines konkreten Melkvorganges miteinander verglichen werden. Die höchste Kombination von Sensitivität (0,77) und Spezifität (0,66) ergab sich hierbei durch eine Kombination aus Milchtemperatur > 38,7°C und Körpertemperatur ≥ 39,5°C. Zusammenfassend lässt sich schließen, dass die von Automatischen Melksystemen gemessene Milchtemperatur aufgrund einer hohen Falsch-Positiv-Rate, wie auch einer hohen Falsch-Negativ-Rate mit großer Vorsicht zu interpretieren ist und deshalb nicht als alternative Messmethode zur Rektaltemperaturmessung verwendet werden sollte. Allerdings wird auch das Messen der Körpertemperatur von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird und objektiv messbare Kriterien um eine akute Metritis mit ausreichend hoher Sicherheit zu identifizieren fehlen derzeit (Sannmann et al., 2013a; Burfeind et al., 2014b). Deshalb wurde in einer zweiten Studie der Zusammenhang eines Akute-Phase-Proteins und der Erkrankung an akuter Metritis untersucht. Speziell wurde der Einfluss von metabolischem Stress, Geburtsstörungen, Nachgeburtsverhaltung und Metritis auf die Haptoglobinkonzentration untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Erstkalbinnen höhere Haptoglobinkonzentrationen hatten (2,25 g/L, IQR 1,45−2,50, n = 146), als multipare Tiere (1,13 g/L, IQR 0,52−2,22, n = 302). Deswegen basierten die folgenden Analysen auf unterschiedlichen Grenzwerten für alle Kühe (1,4 g/L), primipare Kühe (2,49 g/L und multipare Kühe (1,4 g/L). Kühe, die an Tag 5 postpartum eine erhöhte Konzentration von β-Hydroxybutyrat (≥ 1,2 mmol/L) zeigten, hatten 2,39−2,87-mal die Chance auch eine erhöhte Haptoglobinkonzentration an Tag 5 zu haben. Multipare Kühe mit Geburtsstörungen hatten außerdem 2,46-mal die Chance für erhöhte Haptoglobinwerte an Tag 5, wobei primipare Kühe mit Geburtsstörungen keinen Einfluss auf die Haptoglobinkonzentration hatten. Des Weiteren hatten Kühe mit Nachgeburstverhalten 5,51-mal so wahrscheinlich erhöhte Haptoglobinwerte, wie Kühe ohne Nachgeburtsverhalten. Schlussendlich hatten Kühe, die an einer akuten Metritis erkrankt waren 2,74−5,01-mal so wahrscheinlich eine erhöhte Haptoglobinkonzentration wie Kühe ohne akute Metritis, abhängig von der Parität. Der Zusammenhang von Geburtsstörungen, Nachgeburtsverhalten, peripartalem metabolischem Stress und Haptoglobin kann eine mögliche Erklärung für die begrenzte Sensitivität und Spezifität von Haptoglobin für die Metritisdiagnostik sein. Wenn dieser Parameter für die Metritisdiagnostik eingesetzt werden soll, müssen die genannten potentiellen Störgrößen berücksichtigt werden. In einer dritten kontrollierten, randomisierten Studie wurde eine alternative Therapiemethode zur antibiotischen Behandlung der akuten Metritis evaluiert. Dafür wurden Kühe mit fieberhafter Metritis nach einem von zwei Protokollen (Ceftiofur oder nicht-steroidales Antiphlogistikum) behandelt und der Effekt auf Heilungsrate, Milchleistung, Endometritisprävalenz und Fruchtbarkeit untersucht. Die antiphlogistische, antipyretische und analgetische Wirkung von Ketoprofen sollte den erkrankten Kühen während der Behandlung die Möglichkeit zur Selbstheilung geben. Kühe aus der Ketoprofengruppe wurden 3,47-mal so wahrscheinlich mit Ceftiofur nachbehandelt, wie Kühe aus der Ceftiofurgruppe. Die Endometritisprävalenz unterschied sich nicht zwischen den beiden Behandlungsgruppen (Ketoprofengruppe: 56%, Ceftiofurgruppe: 53%). Allerdings erkrankten Kühe, die nachbehandelt werden mussten 2-mal so wahrscheinlich an Endometritis, wie Kühe ohne Nachbehandlung. Die Behandlungsgruppe hatte keinen Einfluss auf die Milchleistung, den Erstbesamungserfolg und die Güstzeit. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mehr als die Hälfte der Kühe, die initial mit Ketoprofen behandelt worden waren, eine Nachbehandlung mit Ceftiofur benötigten. Andererseits mussten 39% der Kühe mit akuter Metritis nicht nachbehandelt werden. Somit kann der Einsatz von Antibiotika in der Nutztiermedizin deutlich verringert werden, denn sowohl Milchleistung wie auch Fruchtbarkeitsleistung wurden nicht negativ durch die Behandlung mit Ketoprofen beeinflusst. Insgesamt zeigen die ersten beiden Studien, dass weitere Untersuchungen zur Verbesserung der Diagnose der akuten Metritis nötig sind. Die Messung der Milchtemperatur mit Automatischen Melksystemen zur Detektion von fieberhaften Kühen ist ungenügend. Obwohl in der zweiten Studie ein hoher Zusammenhang zwischen akuter Metritis und Haptoglobinkonzentration bestätigt werden konnte, wurde darüber hinaus auch gezeigt, dass andere Faktoren, die zeitgleich mit der akuten Metritis auftreten, ebenfalls im Zusammenhang mit der Haptoglobinkonzentration stehen und berücksichtigt werden müssen. Die dritte Studie zeigt, dass eine Initialtherapie mit Ketoprofen keine nachteilige Wirkung auf Milchleistung und Fruchtbarkeitsergebnisse hat und daher als Alternative zur antibiotischen Therapie verwendet und als effektiver Ansatz zur Reduktion des Antibiotikaeinsatzes angesehen werden kann.