faneblad 3 - Pia Haubro.pdf

Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos
kvæg.
eller
”Er der en årsag til forskellig ko reaktion på smitte med mastitis agens? ”
Abstract
Pia Haubro Andersen, dyrlæge, ph.d., dr.med.vet. professor, stordyrskirurgi – pia@kvl.dk
Stine Jacobsen, dyrlæge ph.d., adjunkt
Trine Tølbøll, duyrlæge ph.d., adjunkt
Institut for Produktionsdyr og Heste
KVL
At køer opfører sig forskelligt og reagerer klinisk og biokemisk forskelligt på en given stimulus er
et velkendt faktum alle praktiserende dyrlæger oplever dagligt. Nogle køer bliver aldrig syge,
producerer masser af mælk og kalve og opnår en høj levealder. Sådanne ”superraske” køer er
interessante udfra et avlsmæssigt perspektiv. Men i stedet for at undersøge årsagerne til den
biologiske variation har vi har i stedet udtænkt sindrige statistiske metoder, der eliminerer effekten
heraf ! Kendskabet til årsagerne til variationen er særdeles sparsom. Særligt perioden omkring
kælvning er anerkendt som en periode, hvor kvæg pådrager sig særlig mange sygdomme, både
infektiøse og metaboliske. En typisk - men ulden - forklaring er at koens immunforsvar er nedsat i
denne periode.
Immunsystemet er udviklet og tilpasset selektivt på grund af en stærk evolutionær tilpasning til
bestemte slags infektioner. Immunforsvarssystemet består af en uspecifik og en specifik del. Den
specifikke del består af B- og T-lymfocytterne og antigenpræsenterende celler. Denne del af
immunforsvaret udvikles som kroppens respons på en konstant ændring i antigenmiljøet, og er
ganske godt kendt og udnyttet, fx i forbindelse med fremstilling af vacciner. Den uspecifikke del
består bl.a. af de fagocyterende celler, natural killer cells, komplement og evnen til at producere
visse andre cirkulerende proteiner, som Stine Jacobsens indlæg vil komme meget nærmere ind på i
morgen. De uspecifikke forsvarsmekanismer er tilstede ved fødslen, uafhængigt af forudgående
stimulation.
Agens ved mastitis er altid en eller anden mikroorganisme, som på trods af ovenstående forsvar, har
lykkedes med at inficere yveret.
Næste led i forsvaret er så den inflammatoriske reaktion. Inflammationen – og den efterfølgende
heling – udgør nu koens vigtigste forsvar mod bakterier, virus og trauma. En vellykket
inflammatorisk reaktion er derfor afgørende for udfaldet af mastitis. Den mastitis terapi, der
iværksættes, sigter optimalt på at støtte den inflammatoriske proces med hensyn til elimination af
mikroorganisme, oprydning i vævet, og endelig heling.
Men fik koen en inflammation i yveret fordi den ikke havde specifikke antistoffer nok, eller var de
uspecifikke forsvarsmekanismerne ikke gode nok ? Det er et spørgsmål som er vanskeligt at svare
på. Men vaccinationer med fx coli vacciner har endnu ikke ledt til noget tydeligt gennembrud i
forbindelse med nedbringelse af frekvensen af coliform mastitis. Ligesom den hidtidige mastitis
forsknings fokus på bestemte agens og deres egenskaber kun har ændret lidt ved mastitis
Faneblad 3, side 1 af 7

Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
incidensen. Omvendt findes der ikke eksempler på enkelte uspecifikke egenskaber, som har gjort en
afgørende forskel.
Det er vist at evnen til et effektivt inflammatorisk respons er et nøje og kompliceret samspil
mellem immunsystem, karsystem og helingsmekanismerne. Derfor er der muligvis ingen grund til
at skelne nøje mellem de to ovennævnte spørgsmål, fordi en ændring i immunsystemet vil betinge
en ændring i det inflammatoriske respons. Der er helt sikkert ikke er tale om variationer i en enkelt
faktor, men om variationer i store komplekse systemer, som involverer ukendte mængder af
processer og feed-back mekanismer.
Med de ny kvantitative immun-genetiske metoder, der er under hastig udvikling disse år –
genomics, proteomics, metabolomics ect - er der udsigt til at vores forståelse for koens egne
forsvarsmekanismer vil øges ganske dramatisk de kommende årtier. En øget forståelse vil gøre det
muligt at tilpasse koens livsbetingelser endnu bedre til det den produktion vi ønsker. Og dermed vil
der være skabt mulighed for at sikre større sundhed og velfærd, mindre medicinforbrug – og endnu
mindre arbejdsgrundlag for dyrlægerne!
Dette indlæg vil fokusere på at forsøge at dokumentere omfanget af variation i det inflammatoriske
respons hos kvæg, som er udløst af sygdomsmodellen endotoksin. Mulige årsagsforhold og
perspektiver for mastitis behandlingen vil blive diskuteret.
Endotoksin – en valid inflammatorisk model ?
Endotoksin findes alle vegne, i luft, føde, mave tarmkanal, ligesom de gram-negative baktierier,
hvis cellevæg de stammer fra. Men kommer endotoksin i kontakt med levende pattedyrsceller,
initieres et af de voldsomst inflammatorisk respons en celle kan præstere. Rammes mange celler –
som fx i blodbanen – opstår et systemisk inflammatorisk respons – sepsis - som i mange tilfælde
ender fatalt. Humant har behandlingssuccesraten ikke ændret sig væsentligt fra de ca 60%
overlevelse, der er i dag. Det er således organismens inflammatoriske respons, som ender med at
udslette den – ikke endotoksinet i sig selv.
Kvæg eksponeres for endotoksin via lokaliserede gram negative infektioner, som fx pasteurellose,
hvor et enkelt organ – her lungerne – er inficeret. En anden, mindre kendt, eksponerings rute er via
mave-tarm kanalen, hvor endotoksin trænger igennem en kompromitteret GI barriere, fx som følge
af vom acidose, vom-distension, enteritis eller stress. Kvæg hører samtidig til en af mest endotoksin
følsomme dyrearter, mennesket inklusive.
Som bekendt provokerer endotoksin de neutrofile granulocytter, monocytter til frigørelse af et sæt
af biologisk aktive substanser, som omfatter bl.a. pro-inflammatoriske cytokiner,
prostaglandinderivater, katecholaminer og fri iltradikaler. Afhængig af omfanget af
endotoksinpåvirkningen bevirker disse substanser et reproducerbart klinisk respons og et sæt
metaboliske hændelser, som mere eller mindre stopper al anabolisk aktivitet og i stedet inducerer
katabolisk nedbrydning af kroppens vævsreserver.
Det inflammatoriske respons kan blive så kraftigt, at det ødelægger mere væv end
denendotoksin/invaderende mikroorganisme. Herved kan der opstå organsvigt og død, eller mere
kontrolleret vævsdød i form af apoptosis. Det er velkendt at coliform mastitis kan resultere i en tør
kirtel, men også at denne kirtel, ved næste laktation, kan komme i gang igen, som om intet var
hændt. For unge dyr er en endotoksininduceret lidelse en alvorlig hændelse, idet kroppen prioriterer
Faneblad 3, side 2 af 7

Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
reparation af vævsskade over vækst. Alvorlig inflammation medfører således en signifikant ringere
tilvækst hos kalvene. Den forringede tilvækst er sandsynligvis reguleret via frisætning af nitro
oxider (eNOS), som styrer det vaskulære flow til organerne. Mælkeproduktionen vil ligeledes være
afhængig af det vaskulære flow.
Endotoksin kan derfor betragtes som en proinflammatorisk mediator, som eksperimentelt kan
bruges til kortlægning af fx inflammationsreaktioner og variationer heri. Som særlig relevant for
dette seminar er endotoksin særdeles egnet i forskning i den coliforme mastitis.
Endotoksin
Endotoksin-kaskaden
Moderat versus alvorligt reagerende køer
Endotoksins biologiske effekter er ganske vist kvalitativt reproducerbare, men varierer kvantitativt
overordentligt meget. I de seneste 50 år er dette blevet slået hen med henvisning til forskelligheder i
endotoksin præparation, forskelligheder i dyrematerialet med hensyn til køn, alder, fysioloigsk stade
ect. I 1990érne blev det imidlertid postuleret at nogle køer måske var såkaldt moderate responders i
modsætning til dem, der meget alvorligt syge af en given påvirkning – severe responders. Det viste
sig ved at en række ensartede eksperimentelle E. coli infektioner i yveret bevirkede at nogle køer
blev alvorligt syge, hvor andre blev moderat syge i kort tid (van de Putte et al. 1993).
Da endotoksin i sig selv ikke er specielt toksisk er det nærliggende at antage at det er koens evne til
at mobilisere et passende inflammatorisk respons, der udgør den afgørende forskel. Om der er tale
om individuel variation i fx specifikke antistoffer mod endotoksin, genetisk betingede forskelle i fx
Faneblad 3, side 3 af 7

Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
antallet af receptorer på de enkelte reagerende celler vides ikke præcist endnu. Vores egne forsøg
tyder dog ikke på at dette er tilfældet.
Individuel variation i en endotoksin challenge
I et forsøg med 8 køer, som 3 gange med 3 ugers mellemrum blev behandlet med endotoksin i
stigende doser – 10, 100 og 1000 ng /kg, undersøgte vi en række kliniske og biokemiske markører
(Jacobsen et al. 2005) med formål at for første gang at undersøge og dokumentere omfanget at
variationen i det endotoksinrespons, som er beskrevet i det foregående.
Alle køerne blev syge - af så små doser som 10 nanogram endotoksin/kg. Det er en meget lille
påvirkning, som ikke vil kunne spores i en endotoksin test. Forsøgets højere doseringer ville
teoretisk have kunnet spores i en endotoksin test på et endotoksin niveau, som varer til det der er
blevet målt i blod fra mælkevenenhos køer fra klinisk praksis med spontant opstået coliform
mastitis ( Katholm og Andersen 1992). Der er altså tale om absolut realistiske mængder endotoksin
og derunder !
Nedenfor ses i tabel 1 ses en samlet opgørelse over de enkelte markører, der blev målt i forsøget og
det er regnet ud hvor af variationen der kan tilskrives faktoren ”individ”. Fx bidrager det enkelte
individs leukocyttal til ca 60 % af variationen, hvorimod rektal temperatur ikke synes særlig vigtig i
den sammenhæng.
Faneblad 3, side 4 af 7

Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
Tabel 1. Statistisk signifikans af effekt af tid, LPS dosis, individ, og interaktion mellem tid og LPS -
dosis på klinisk, hæmatologiske og biokemiske respons på LPS; samt procentvis fordeling af den del af
variationen, det enkelte individ bidrager med.
P-values
Respons parameter Tid (hour) LPS dose Individual Time*dose
Variation som
kan tilskrives
individ 1
Rektal temperatur

Contractions/5 min.
15
10
5
0
0 24 48 72 96 120 144
Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
Andre vigtige fund var at et endotoksinmedieret klinisk respons ikke altid er ledsaget af feber, og at
så små mængder endotoksin som 10 nanogram pr kg kan inducerer vomstase i flere døgn. Den
samme dosis LPS (1000 nanogram/kg) kan inducere vomlammelse på eén ko, der varer 4 timer, og i
en anden, der varer 96 timer (fig 2).
Det kliniske billede ved endotoksikose synes derfor langt mere knyttet til den enkelte ko end til
infektionen ”størrelse”. Denne tankegang kan muligvis analogiseres til forholdene for coliform
mastitis.
På denne baggrund kan anvendelse af NSAID eller steroider og anden understøttende behandling,
som fx smertebehandling og væsketerapi, have en også teoretisk veldefineret plads i behandlingen
af mastitis.
Konklusion
Der er en betydelig variation i den måde køer orkestrerer deres inflammatoriske respons på.
Variationen i visse responsparametre kan af og til være større end en behandlingseffekt. Det er
samtidig denne variation, der er forudsætningen for en mulig avlsfremgang. Mere forskning er
påkrævet med henblik på at identificere de faktorer, der skaber en rask ko – frem for de faktorer, der
skaber sygdom !
Gode litteratur referencer:
Hours after LPS challenge
Cow I (48 hours)
Cow II (24 hours)
Cow III (12 hours)
Cow IV (72 hours)
Cow V (48 hours)
Cow VI (96 hours)
Cow VII (4 hours)
Cow VIII (12 hours)
Figure 10. Changes in ruminal motility in individual cows after challenge
with 1000 ng Escherichia coli LPS/kg. Number in parathesis are the time
needed to reestablish baseline ruminal motility
Faneblad 3, side 6 af 7

Individuel variation i det endotoksin-medierede inflammationsrespons hos kvæg
Pia Haubro Andersen, Professor, KVL m.fl.
Danske Kvægfagdyrlægers årsmøde 2005
Andersen, P. H. 2000. Bovine endotoxicosis. Aspects of relevance to ruminal acidosis, Dr.Vet.Med.Sci. Dissertation,
KVL
Eades, S. C. 1993. Endotoxemia in dairy cattle: role of eicosanoids in reticulorumen stasis. J. Dairy Sci. 76:414-420.
Elsasser, T. H., M. Richards, R. Collier, and G. F. Hartnell. 1996. Physiological responses to repeated endotoxin
challenge are selectively affected by recombinant bovine somatotropin administration to calves. Dom. Anim.
Endocrinol. 13:91-103.
Elsasser, T.H:, Steel, N.C., and Fayer, R: Cytokines, stress and growth modulation. In: Cytokines in Animal Health and
disease. Myers MJ and Murtaugh M.P.Eds., Marcel Dekker Inc., New Your 1995 pp261 – 290
Hirvonen, J., K. Eklund, A. M. Teppo, Gy. Huszenicza, M. Kulcsár, H. Saloniemi, and S. Pyörälä. 1999. Acute phase
response in dairy cows with experimentally induced Escherichia coli mastitis. Acta Vet. Scand. 40:35-46.
Jacobsen, S, T. Toelboell, P. H. Andersen: Clinical And Hematological Responses To Lipopolysaccharide In Dairy
Cows Are Dose-Dependent And Display Significant Inter-Individual Variation.Veterinary Research, to appear March
2005.
Katholm, J., and P. H. Andersen. 1992. Acute coliform mastitis in dairy cows: endotoxin and biochemical changes in
plasma and colony-forming units in milk. Vet. Rec. 131:513-514.
Kenison, D. C., T. H. Elsasser, and R. Fayer. 1991. Tumor necrosis factor as a potential mediator of acute metabolic
and hormonal responses to endotoxemia in calves. Am. J. Vet. Res. 52:1320-1326.
Lohuis, J. A. C. M., J. H. M. Verheijden, C. Burvenich, and A. S. J. P. A. M. van Miert. 1988. Pathophysiological
effects of endotoxins in ruminants. 1. Changes in body temperature and reticulo-rumen motility, and the effect of
repeated administration. Vet. Q. 10:109-116.
Lohuis, J. A. C. M., Y. H. Schukken, J. H. M. Verheijden, A. Brand, and A. S. J. P. A. M. van Miert. 1990. Effect of
severity of systemic signs during the acute phase of experimentally induced Escherichia coli mastitis on milk
production losses. J. Dairy Sci. 73:333-341.
Michaels, F. H., and K. L. Banks. 1988. Contribution of various host factors to resistance to experimentally induced
bacterial endotoxemia in calves. Am. J. Vet. Res. 49:557-562.
Semrad, S. D., and R. Dubielzig. 1993. Effect of phenylbutazone and repeated endotoxin administration on hemostasis
in neonatal calves. Am. J. Vet. Res. 54:1339-1346.
Steiger, M., M. Senn, G. Altreuther, D. Werling, F. Sutter, M. Kreuzer, and W. Langhans. 1999. Effect of a prolonged
low-dose lipopolysaccharide infusion on feed intake and metabolism in heifers. J. Anim. Sci. 77:2523-2532.
Faneblad 3, side 7 af 7