Effects of the Flavonoids Quercetin and Rutin in Dairy Cows

Abstract

Periparturient high yielding dairy cows experience metabolic challenges that result in a negative energy balance and a range of postpartum health problems. To compensate for the negative energy balance, cows mobilize fatty acids from adipose tissues, which can lead to ketosis and fatty liver disease, typical periparturient metabolic disorders. Furthermore, the antioxidative status of these cows may be impaired. Flavonoids, such as quercetin and rutin, are polyphenolic substances found in all higher plants and have antioxidative and hepatoprotective potential and the ability to prevent or reduce lipid accumulation in the liver of rodents and humans. In addition, flavonoids can reduce the ruminal production of the greenhouse gas methane in vitro through their antibacterial properties. In ruminants, only few studies on the metabolic effects of flavonoids are available, thus the present studies were conducted to determine possible effects of flavonoids in dairy cows. The first study examined quercetin effects on energy expenditure, lipid and oxidative metabolism, as well as liver health in periparturient dairy cows. Quercetin was supplemented intraduodenally to circumvent microbial degradation in the rumen. Ten transition cows with duodenal fistulas were monitored for seven weeks. Beginning three weeks before expected calving, five cows were treated with 100 mg of quercetin dihydrate per kilogram of BW daily for 6 weeks, whereas the control cows received only the physiological saline solution. The total plasma flavonoid levels were more than 30 times higher in the quercetin- treated cows than in the control cows. The pp increases in plasma AST and GLDH activities as well as liver fat were less in the quercetin-treated cows than in the control cows. Quercetin had no effect on energy expenditure, lipid metabolism and oxidative status. A second study was conducted to investigate whether rutin, a relatively rumen stable form of quercetin, has effects on energy metabolism, methane production and production performance in dairy cows. Rutin trihydrate at a dose of 100 mg per kg BW was fed to a group of seven lactating dairy cows for two weeks in a cross-over-design. In a second step, two cows were fed the same ration but were supplemented with buckwheat seeds (Fagopyrum tartaricum) providing rutin at a comparable dose. Two other cows receiving barley supplements were used as controls in a change-over mode. Supplementation of pure rutin but not of rutin contained in buckwheat seeds increased the plasma quercetin content. Methane production and performance were not affected by rutin treatment in either form, but plasma glucose and BHBA were increased by pure rutin treatment, indicating a possible metabolic effect in dairy cows. In summary, the results indicate that the absolute concentrations of flavonoids in cows’ plasma and tissue as well as health conditions and the stage of lactation of the cow influence the specificity of quercetin effects. Effects of quercetin are contradictory under different settings and health promoting properties of quercetin seem to be more pronounced in cows under challenging metabolic health conditions.

Hochleistende Milchkühe in der peripartalen Phase durchleben aufgrund der einsetzenden Laktation vielfältige metabolische Herausforderungen, die in einer negativen Energiebilanz und einer Reihe postpartaler Gesundheitsprobleme resultieren können. Um die negative Energiebilanz zu kompensieren, mobilisieren die Kühe Fettgewebe, was zu Ketose und Fettlebersyndrom, den typischen metabolischen Problemen der peripartalen Phase, führen kann. Weiterhin kann der antioxidative Stoffwechsel dieser Kühe beeinträchtigt sein. Flavonoide wie Quercetin und Rutin sind pflanzliche polyphenolische Substanzen die antioxidatives sowie hepatoprotektives Potential besitzen. Außerdem können sie die Akkumulation von Lipiden in der Leber reduzieren oder verhindern. Darüber hinaus können Flavonoide in vitro, aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung, die Produktion des klimaschädlichen Gases Methan im Pansen reduzieren. Zu weiteren Wirkungen von Flavonoiden bei Wiederkäuern gibt es nur sehr wenige Studien, weshalb die vorliegenden Studien durchgeführt wurden, um mögliche Effekte der Flavonoide bei Milchkühen zu erforschen. Die erste Studie untersucht die Effekte des Flavonoids Quercetin auf den Energieumsatz, den Lipid- und den oxidativen Stoffwechsel sowie die Lebergesundheit bei Milchkühen in der peripartalen Phase. Das verwendete Quercetin wurde intraduodenal verabreicht, um einen mikrobiellen Abbau im Pansen zu vermeiden. Zehn duodenal fistulierte Milchkühe wurden über einen Zeitraum von sieben Wochen untersucht. Beginnend in der dritten Woche vor der erwarteten Kalbung erhielten fünf Tiere täglich 100 mg Quercetindihydrat pro kg Körpergewicht für eine Dauer von sechs Wochen, während die fünf Kontrolltiere lediglich physiologische Kochsalzlösung über die Fistel erhielten. Die mit Quercetin behandelten Kühe zeigten erhöhte Plasmaflavonoidwerte. Der Anstieg der Plasmaaktiviäten der leberspezifischen Enzyme Aspartataminotransferase und Glutamatdehydrogenase sowie des Leberfettgehalts nach der Kalbung waren in der Behandlungsgruppe geringer als in der Kontrollgruppe. Die Quercetingabe hatte keinen Effekt auf den Energieumsatz, den Lipidstoffwechsel und den oxidativen Status. Die zweite Studie wurde durchgeführt um die Wirkungen des pansenstabilen Flavonoids Rutin auf den Energiestoffwechsel, die Methanproduktion und die Leistung von Milchkühen zu untersuchen. Über zwei Wochen wurden sieben laktierenden Milchkühen in einem cross-over-Design täglich 100 mg Rutintrihydrat pro kg Körpergewicht mit dem Futter verabreicht. In einem weiteren Schritt bekamen zwei der Tiere rutinhaltige Buchweizensaat (Fagopyrum tartaricum) zugefüttert, wobei die gewählte Menge dem Rutingehalt der ersten Phase entsprach. Die Zufütterung von Rutin, aber nicht von rutinhaltigem Buchweizen, führte zu einem erhöhten Flavonoidspiegel im Plasma der Kühe. Die Methanproduktion sowie die Leistung der Tiere wurden durch keine der beiden Applikationsformen beeinflusst, allerdings stiegen die Plasmakonzentrationen von Glucose und BHBA unter Behandlung mit purem Rutin an. Dies weißt möglicherweise auf einen metabolischen Effekt von Rutin bei Milchkühen hin. Zusammenfassend weisen die Resultate beider Studien darauf hin, dass die absolute Flavonoidkonzentration im Plasma und im Gewebe sowie der Gesundheitszustand und das Laktationsstadium der Tiere die Art und Ausprägung der Flavonoideffekte beeinflusst. Die gesundheitsfördernden Effekte von Quercetin erscheinen ausgeprägter bei Milchkühen mit beeinträchtigtem Gesundheitsstatus.