On-farm diagnosis and effects of subclinical ketosis on milk production and reproductive performance in dairy cows

Abstract

The overall aim of this thesis was to improve the on-farm diagnosis of subclinical ketosis pre- and postpartum and to gain further knowledge about the effects and classification of subclinical ketosis within the first six weeks of lactation. To evaluate the metabolic situation of dairy herds and to detect affected cows, the measurement of non-esterified fatty acids (NEFA) and ß-hydroxybutyrate (BHBA) was shown to be a useful diagnostic tool. Circulating concentrations of NEFA and BHBA measure aspects of the success in adaptation to a state of negative energy balance. Prepartum measurement of NEFA on-farm would be a useful alternative to laboratory analysis, however, hand-held devices for the measurement of NEFA are not available yet. Therefore, the aim of the first study was to evaluate if different parameters of fat metabolism could serve as surrogates for NEFA. Specifically, it was determined if it is feasible to predict the concentration of NEFA by the measurement of BHBA, cholesterol, triglycerides (TAG) and HDL as surrogates. A total of 254 cows were included in the trial. One blood sample was taken from each cow between d 10 and d 1 prepartum. Second and third samples were collected on d 2 and d 10 postpartum, respectively. The coefficients of correlation between parameters were calculated and a receiver-operator characteristic curve analysis was conducted. The prediction of NEFA concentrations using only one of the parameters was insufficient. However, a NEFA concentration ≥ 0.5 mEq/L could be predicted with a high sensitivity (i.e., Se = 0.88) and specificity (i.e., Sp = 0.93) from d 3 to d 1 prepartum and a NEFA concentration ≥ 0.7 mEq/L could be reliably predicted on d 2 postpartum (i.e., AUC = 0.89, Se = 0.89, Sp = 0.76) when using a combination of BHBA, cholesterol and TAG as surrogates. Overall, the results suggest that a combination of different parameters of lipid metabolism could be used as surrogates for NEFA. However, hand-held devices for cholesterol and TAG would have to be evaluated for the usage in cows before this method could be used in practice. Postpartum the measurement of blood BHBA is a common tool for on-farm diagnosis of subclinical ketosis. Some authors speculated that there are two different types of ketosis differing in their onset and pathophysiology. According to that theory type I ketosis, the spontaneous type, occurs 3 to 6 weeks postpartum, whereas type II ketosis, known as “fat cow syndrome” occurs in week 1 to 2 postpartum. Several studies evaluated the effects of hyperketonemia within the first 2 weeks after parturition. However, there is no evidence if hyperketonemia occurring in week 3 to 6 of lactation has the same impact on health and production as the early type. Therefore, the aim of the second study was to evaluate the effects of hyperketonemia on milk production (1st test day milk yield and 100 DIM milk yield), reproductive performance (time to first service, first service conception risk, and time to pregnancy within 200 DIM) and early lactation culling risk within the first six weeks of lactation. A total of 655 Holstein dairy cows from 6 commercial dairy farms in Germany were enrolled between 1 and 4 DIM. Cows were tested twice weekly using an electronic handheld meter for BHBA for an examination period of 42 days resulting in 12 test results per cow. Hyperketonemia was defined as a BHBA concentration ≥ 1.2 mmol/l. The onset of hyperketonemia was described as early onset (first hyperketonemia event within the first 2 weeks postpartum) and late onset (first hyperketonemia event in week 3 to 6 postpartum). Prevalence and incidence of hyperketonemia were assessed based on the 12 examinations. Cumulative incidence of hyperketonemia was 48% and 72% for primiparous and multiparous cows, respectively. Mean prevalence was 17.5%. Early onset ketotic cows had a higher 1st test day milk yield (+ 3.0 kg/d, P < 0.001) and 100 DIM milk production (+ 301.6 kg; P < 0.001) compared to non-ketotic cows. There was no effect of late onset of ketosis on milk production. There were no effects of hyperketonemia on reproductive performance and culling risk, irrespective of onset of ketosis. In order to further investigate the hypothesis of type I and II ketosis a third study was conducted to evaluate the associations between hyperketonemia and hypoglycemia in early lactation. According to the theory of type I and II ketosis, early onset ketosis (week 1 to 2 postpartum) is the hyperglycaemic-hyperinsulinaemic form whereas late onset ketosis (week 3 to 6 postpartum) is the hypoglycaemic-hypoinsulinaemic form. A total of 655 dairy cows from 6 commercial dairy farms in Germany were enrolled between 1 and 4 days in milk (DIM). Cows were tested twice weekly for 6 weeks using an electronic handheld meter for glucose and BHBA, respectively. Hypoglycemia was defined as glucose concentration ≤ 2.2 mmol/L. Hyperketonemia was defined as a BHBA concentration ≥ 1.2 mmol/l. As described above, the onset of hyperketonemia was described as early onset (first HYK event within the first 2 weeks postpartum) and late onset (first HYK event in week 3 to 6 postpartum). The effect of ketosis status on blood glucose within 42 DIM was evaluated using a generalized linear mixed model. There was no effect of HYK on glucose concentration in primiparous cows (P > 0.1). Multiparous cows with early onset HYK had a lower glucose concentration (-0.21 mmol/L) compared to non-ketotic cows (P = 0.041). Unlike the theory of type I and II ketosis, hypoglycemia was not associated with late onset HYK but with early onset HYK. Overall, primiparous cows had a lower prevalence and incidence of hypoglycemia than multiparous cows. Hypoglycemia in multiparous cows was associated with higher 1st test day milk production and 100 DIM milk production. In conclusion, hypoglycemia mainly occurred in multiparous cows with early onset HYK whereas primiparous were at a lower risk for hypoglycemia, presumably due to their lower metabolic load.

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Diagnostik der subklinischen Ketose vor und nach der Abkalbung zu verbessern und weitere Erkenntnisse über die Auswirkungen und die Einteilung der subklinischen Ketose innerhalb der ersten sechs Laktationswochen zu gewinnen. Zur Bewertung der Stoffwechsellage von Milchviehbeständen und zum Auffinden betroffener Kühe hat sich die Messung von freien Fettsäuren (NEFA) und ß-Hydroxybutyrat (BHBA) als nützliches Diagnostikum herausgestellt. Die Messung der Konzentrationen von NEFA und BHBA im Blut können zur Bewertung einer erfolgreichen Adaptation an einen Zustand der negativen Energiebilanz herangezogen werden. Die prepartale Messung von NEFA direkt auf dem Betrieb mithilfe von Handmessgeräten wäre eine nützliche Alternative zur Laboranalyse. Allerdings sind solche Geräte für die Messung von NEFA derzeit noch nicht verfügbar. Daher war das Ziel der ersten Studie herauszufinden, ob andere Parameter des Fettstoffwechsels als Alternative zur NEFA-Messung dienen können. Insbesondere wurde bestimmt, ob es möglich ist, die Konzentration von NEFA durch die kombinierte Messung von BHBA, Cholesterol, Triglyceriden (TAG) und High Density Lipoproteinen (HDL) vorherzusagen. Insgesamt wurden 254 Kühe in die Studie aufgenommen. Von jeder Kuh wurde zwischen dem 10. und 1. Tag vor der Abkalbung eine Blutprobe entnommen. Eine weitere Probe wurde jeweils am 2. und 10. Tag nach der Abkalbung entnommen. Die Korrelationskoeffizienten zwischen den Parametern wurden berechnet und eine ROC-Kurven-Analyse wurde durchgeführt. Die Vorhersage der NEFA-Konzentration mithilfe eines Parameters war unzureichend. Jedoch konnte bei Verwendung einer Kombination von BHBA, Cholesterol und TAG zwischen dem 3. und dem 1. Tag prepartum eine NEFA-Konzentration ≥ 0,5 mEq / L mit einer hohen Sensitivität (Se = 0,88) und Spezifität (Sp = 0,93) vorhergesagt werden und am 2. Tag postpartum eine NEFA-Konzentration ≥ 0,7 mEq / L vorhergesagt werden (AUC = 0,89; Se = 0,89; Sp = 0,76). Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass eine Kombination verschiedener Parameter des Lipidstoffwechsels als Ersatz für die NEFA-Messung verwendet werden könnte. Allerdings müssen Handmessgeräte für Cholesterin und TAG für die Verwendung bei Kühen angepasst werden, bevor dieses Verfahren in der Praxis angewandt werden kann. Postpartum ist die Messung von BHBA im Blut eine weit verbreitete Methode, um subklinische Ketose vor Ort zu diagnostizieren. Es wird vermutet, dass es zwei verschiedene Arten von Ketose gibt, welche sich in ihrem zeitlichen Auftreten und der Pathophysiologie unterscheiden. Laut dieser Theorie gibt es zwei Formen der Ketose: Typ I, der spontane Typ, welcher 3 bis 6 Wochen nach der Abkalbung auftritt und Typ II, auch bekannt unter dem Begriff "Fat Cow Syndrome", welcher zwischen der ersten und zweiten Woche nach der Abkalbung vorkommt. In zahlreichen Studien wurden die Auswirkungen subklinischer Ketose innerhalb der ersten zwei Wochen nach der Geburt untersucht. Jedoch ist bisher nicht bekannt, ob die späte Form der subklinischen Ketose (3. bis 6. Woche postpartum) vergleichbare Auswirkungen auf Gesundheit und Leistung hat wie die frühe Form. Ziel der zweiten Studie war es daher, die Auswirkungen der subklinischen Ketose innerhalb der ersten 6 Wochen postpartum auf die Milchleistung (Einsatzleistung und 100-Tage- Leistung), die Fruchtbarkeit (Rastzeit, Erstbesamungserfolg und Güstzeit) und die Abgangsrate zu untersuchen. Insgesamt wurden 655 Holsteinkühe aus 6 kommerziellen Milchviehbetrieben in Deutschland zwischen dem 1. und 4. Tag postpartum in die Studie aufgenommen. Kühe wurden zweimal wöchentlich mit einem elektronischen Handmessgerät für BHBA für einen Untersuchungszeitraum von 42 Tagen getestet, sodass pro Kuh 12 Testergebnissen vorlagen. Hyperketonämie wurde als BHBA-Konzentration ≥ 1,2 mmol / L definiert. Je nachdem wann Hyperketonämie zum ersten mal vorkam, wurde diese als frühes Auftreten (Woche 1 bis 2 postpartum) bzw. spätes Auftreten (Woche 2 bis 6 postpartum) definiert. Prävalenz und Inzidenz von Hyperketonämie wurde basierend auf den 12 Untersuchungsergebnissen berechnet. Die kumulative Inzidenz von Hyperketonämie betrug 48% bzw. 72% für primipare bzw. multipare Kühe. Die mittlere Prävalenz betrug 17,5%. Kühe mit früh auftretender Ketose hatten im Vergleich zu nicht ketotischen Kühen eine höhere Einsatzleistung (+ 3,0 kg / d, P <0,001) und 100-Tage-Leistung (+ 301,6 kg; P <0,001). Spät auftretender Ketose hatte keine Auswirkungen auf die Milchproduktion. Unabhängig vom zeitlichen Auftreten, hatte Hyperketonämie keine Auswirkungen auf die Fruchtbarkeit und Abgangsrate. Zur weiteren Untersuchung der Theorie zu Typ I und II Ketose wurde eine dritte Studie durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Hyperketonämie und Hypoglykämie in der Frühlaktation zu untersuchen. Laut dieser Theorie handelt es sich bei früh auftretender Ketose (1. bis 2. Woche postpartum) um die hyperglykämisch-hyperinsulinämische Form und bei der spät auftretenden Ketose (3. bis 6. Woche postpartum) um die hypoglykämischhypoinsulinämische Form. Insgesamt wurden 655 Milchkühe aus 6 kommerziellen Milchviehbetrieben in Deutschland zwischen dem 1. und 4. Tag nach der Abkalbung in die Studie aufgenommen. Die Kühe wurden zweimal wöchentlich für 6 Wochen mit jeweils einem elektronischen Handmessgerät für Glukose und BHBA getestet. Hypoglykämie wurde als Glucosekonzentration ≤ 2,2 mmol / L definiert. Hyperketonämie wurde als BHBAKonzentration ≥ 1,2 mmol / l definiert. Wie oben beschrieben wurde Hyperketonämie in frühes Auftreten (Woche 1 bis 2 postpartum) bzw. spätes Auftreten (Woche 2 bis 6 postpartum) eingeteilt. Die Auswirkung des Erkrankungszeitpunktes auf die Glukosekonzentration im Blut innerhalb von 42 Tagen in Milch wurde unter Verwendung eines generalisierten linearen gemischten Modells ausgewertet. Bei erstlaktierenden Kühen war kein Effekt von Hyperketonämie auf die Glukosekonzentration zu beobachten (P> 0,1). Kühe ab der 2. Laktation mit früh auftretender Ketose hatten eine geringere Glukosekonzentration (-0,21 mmol / L) im Vergleich zu nicht ketotischen Kühen (P = 0,041). Im Unterschied zur Theorie der Typ I und II Ketose, gab es keinen Zusammenhang zwischen Hypoglykämie und spät auftretender Hyperketonämie, stattdessen war Hypoglykämie mit früh auftretender Hyperketonämie assoziiert. Die Prävalenz und Inzidenz der Hypoglykämie war bei erstlaktierenden Kühen insgesamt niedriger als bei Kühen ab der 2. Laktation. Hypoglykämie bei Kühen ab der 2. Laktation war mit einer höheren Einsatzleistung und 100-Tage-Leistung verbunden. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Hypoglykämie vor allem bei Kühen ab der 2. Laktation mit früh auftretender Hyperketonämie vorkam, während erstlaktierende Kühe ein geringeres Risiko für Hypoglykämie hatten, vermutlich aufgrund der geringeren metabolischen Belastung.