Analyse von unerwünschten Arzneimittelwirkungen antibiotikahaltiger Euterinjektoren von Mastitiden bei Kühen der Rasse Holstein- Friesian unter Berücksichtigung von Leistungsniveau, Genetik und Produktionsbedingungen

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, detailliert Wechselwirkungen zwischen dem binären Gesundheitsmerkmal klinischer Mastitis auf der einen und Produktionsmerkmalen (z. B. Milch-kg) und funktionalen Merkmalen (z.B. somatischer Zellgehalt) auf der anderen Seite unter simultaner Berücksichtigung von Umwelt und genetisch bedingten Einflussgrößen auf phänotypischer und genetischer Ebene abzubilden. Die Studie fokussierte auf innovative Aspekte der genetisch-statistischen Modellierung bzgl. der Anwendung von rekursiver Pfadmodellmethodik und einer erstmalig durchgeführten detaillierten Beschreibung bzw. Aufteilung von Umwelteffekten im Kontext quantitativ genetischer Studien. Die Aufteilung der Umwelteffekte beinhaltete nicht nur herkömmliche bekannte Effekte wie den der Herde, des Herdentesttags oder der Laktationsnummer, sondern auch tierindividuelle antibiotische Applikationen. Diese antibiotischen Applikationen wurden als zusätzlicher Effekt in die statistische Modellierung integriert, um deren Einfluss auf Produktionsmerkmale und funktionale Merkmale im weiteren Laktationsverlauf abschätzen zu können. Unerwünschte Effekte einer antibiotischen Applikation auf andere Merkmale mit ökonomischer oder auch ethologischer Relevanz implizieren eine unerwünschte Nebenwirkung von antibiotischen Applikationen im weiteren Sinne, aber basierend auf einer objektiv erfassten und quantitativ und qualitativ hochwertigen Datengrundlage. Darüber hinausgehend erfolgte die direkte Evaluierung antibiotischer Applikationen zur Behandlung klinischer Mastitiden bzgl. etwaiger auftretender unerwünschter Arzneimittelwirkungen (UAW) im Sinne der klassischen Definition. Eine systematische Analyse mit der Definition einer UAW nicht als Effekt, sondern direkt als Merkmal, erfolgte basierend auf a) initiierter Versuchsdesigns b) der intensiven Zusammenarbeit mit kooperierenden externen Tierarztpraxen und c) bereits in Datenbanken elektronisch hinterlegter Information. Basis der direkten Analyse von UAW war die UAW Datenbank des Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit in Berlin, in der unerwünschte Arzneimittelwirkungen seit 2005 zentral erfasst werden. Die beiden weiteren Datensätze zur quantitativ genetischen Modellierung „zu indirekten UAW“ mittels Pfadmodellmethodik waren zum einen ein Datensatz von 19870 Holstein Friesian Kühen, die in 9 Testherden in Thüringen gehalten wurden (Datensatz II) sowie ein Datensatz von 1275 Braunviehkühen, die in 46 kleinstrukturierten Betrieben in der Schweiz gehalten wurden (Datensatz III). Insgesamt wurden in Rahmen der vorliegenden Arbeit sechs verschiedene wissenschaftliche Studien (siehe Kapitel III - Kapitel VIII) auf Grundlage von drei Datenbanken bzw. Datensätzen angefertigt. Diese Kapitel stehen im Gesamtkontext dieser Dissertationsschrift.

Immunologisches Reaktionsvermögen als Indikator für Belastungen bei der Milchkuh

Mit ansteigenden Jahresmilchleistungen werden die Kühe einer hohen metabolischen Belastung ausgesetzt, die bei einer suboptimalen Gestaltung der Lebensbedingungen mit einer Erhöhung der Inzidenzrate von Faktorenkrankheiten einhergehen kann. Im Vordergrund der Untersuchungen stand die Frage, inwieweit metabolische Belastungszustände von Milchkühen in der Phase des Puerperiums und in Abhängigkeit von der Milchleistung sowie Belastungen durch eine klinische Erkrankung zu Beginn der Laktation mit Hilfe von Parametern der immunologischen Abwehr und der Reaktion des Immunsystems auf eine Challenge dargestellt werden können. In die Untersuchung wurden insgesamt 68 klinisch gesunde sowie 20 klinisch erkrankte Milchkühe der Rasse Holstein Friesian einbezogen. Die Untersuchungen erfolgten in den Zeiträumen 10-21 Tage sowie 14-15 Wochen nach der Kalbung. Dazu wurden an jeweils drei Untersuchungstagen (Tag 0, 2, 7) Blutproben aus der Vena jugularis entnommen. Zur Stimulierung des unspezifischen Immunsystems wurde in beiden Versuchszeiträumen an den Untersuchungstagen 0 und 2 der Paramunitätsinducer Zylexis® appliziert. Ferner wurde den Kühen zu Beginn der Laktation der Tollwutimpfstoff Rabisin® verabreicht. Für die Auswertung wurden die untersuchten Milchkühe in Gruppen unterteilt. Die klinisch gesunden Kühe wurden anhand der nach Fett und Eiweiß korrigierten 305-Tage-Leistung in die Gruppe M = mittleres Leistungsniveau (Milchmengenleistung 6.500-8.990 kg) und die Gruppe H = hohes Leistungsniveau (Milchmengenleistung 9.000-12.500 kg) aufgeteilt. Die klinisch erkrankten Kühe wurden in der Gruppe K zusammengefasst. Zur Beurteilung der Immunabwehr wurden die Parameter Phagozytoseaktivität der isolierten Neutrophilen Granulozyten, die Vollblutbakterizidie, die Lymphozytenproliferation mit den Mitogenen ConA, PHA und PWM sowie die spezifische Antikörperbildung gegen Tollwut untersucht. Anhand der Parameter Phagozytoseaktivität, Vollblutbakterizidie und Lymphozytenproliferation wurde zusätzlich die Reaktion auf die Challenge mit dem Paramunitätsinducer Zylexis® überprüft. Zur Erfassung der metabolischen Belastungszustände wurden verschiedene Stoffwechselparameter und hämatologische Parameter erfasst. Zu Beginn der Laktation konnten bei den Kühen in der mittleren und hohen Leistungsgruppe signifikant höhere Konzentrationen an ß-Hydroxybuttersäure und Freien Fettsäuren im Vergleich zu der Laktationsmitte festgestellt werden. Die Kühe mit einem hohen Leistungsniveau zeigten darüber hinaus eine signifikant höhere Bilirubinkonzentration am Laktationsanfang gegenüber der Laktationsmitte. Die mittlere Konzentration der freien Fettsäuren lag bei den Kühen in beiden Leistungsgruppen oberhalb des Referenzbereiches und wies auf eine negative Energiebilanz zu Laktationsbeginn hin. Die mittleren Konzentrationen bzw. Enzymaktivitäten der Parameter Cholesterol, Harnstoff, AST, GLDH, γ-GT, Gesamtprotein, Kalzium und Phosphor wiesen in der Laktationsmitte signifikant höhere Werte als am Laktationsanfang auf. Dabei lagen die mittleren Enzymaktivitäten von AST und GLDH sowie die Konzentrationen von Harnstoff und Gesamtprotein in der Laktationsmitte oberhalb des Referenzbereiches. Die untersuchten Stoffwechselparameter wurden durch die Challenge mit einem Paramunitätsinducer nicht signifikant beeinflusst. Hinsichtlich der Immunparameter zeigten die Milchkühe mit einem mittleren Leistungsniveau in Abhängigkeit vom Laktationszeitpunkt zu Beginn der Laktation eine signifikant höhere Phagozytoseaktivität gegenüber der Laktationsmitte (p < 0,05). Die Gruppe mit einem hohen Leistungsniveau wies dagegen keine signifikanten Unterschiede in der Phagozytoseaktivität zwischen den beiden Untersuchungszeiträumen auf. Bei den Immunparametern Vollblutbakterizidie und Lymphozytenproliferation konnten bei den Kühen beider Gruppen keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit vom Laktationszeitpunkt festgestellt werden. Im Hinblick auf die Milchleistung wiesen die Kühe in den beiden Leistungsgruppen am Untersuchungstag 0 weder zu Beginn noch in der Mitte der Laktation signifikante Unterschiede bezüglich der untersuchten Immunparameter auf. Nach der Challenge durch den Paramunitätsinducer reagierten einzig die Kühe mit einer mittleren Leistung zu Beginn der Laktation auf die Challenge mit einer signifikanten Reduzierung der mittleren Phagozytoseaktivität von Tag 0 zu Tag 2 (p < 0,05). Bei den weiteren untersuchten Immunparametern konnten weder bei den Kühen mit einer mittleren noch mit einer hohen Leistung eine signifikante Reaktion auf die Challenge nachgewiesen werden. Die klinisch erkrankten Kühe zeigten im Vergleich zu den klinisch gesunden Kühen keine unterschiedlichen Konzentrationen bzw. Aktivitäten der untersuchten Stoffwechselparameter. Auch konnten anhand der immunologischen Parameter und der Reaktion auf die Challenge keine Unterschiede zwischen den klinisch gesunden Kühen festgestellt werden. Die in der vorliegenden Untersuchung geprüften metabolischen Belastungen konnten weder anhand der Immunparameter noch durch die Reaktion der Immunparameter auf eine Challenge dargestellt werden. Es wird geschlussfolgert, dass das immunologische Reaktionsvermögen nicht geeignet ist, um als Indikator für Belastungszustände bei der Milchkuh herangezogen zu werden.

Cleanliness versus cow comfort – an insolvable problem?

Cubicle should provide good resting comfort as well as clean udders. Dairy cows in cubicle houses often face a restrictive environment with regard to resting behaviour, whereas cleanliness may still be impaired. This study aimed to determine reliable behavioural measures regarding resting comfort applicable in on-farm welfare assessments. Furthermore, relationships between cubicle design, cow sizes, management factors and udder cleanliness (namely teats and teat tips) were investigated. Altogether 15 resting measures were examined in terms of feasibility, inter-observer reliability (IOR) and consistency of results per farm over time. They were recorded during three farm visits on farms in Germany and Austria with cubicle, deep litter and tie stall systems. Seven measures occurred to infrequently to allow reliable recording within a limited observation time. IOR was generally acceptable to excellent except for 'collisions during lying down', which only showed good IOR after improvement of the definition. Only three measures were acceptably repeatable over time: 'duration of lying down', 'percentage of collisions during lying down' and 'percentage of cows lying partly or completely outside lying area'. These measures were evaluated as suitable animal based welfare measures regarding resting behaviour in the framework of an on-farm welfare assessment protocol. The second part of the thesis comprises a cross-sectional study on resting comfort and cow cleanliness including 23 Holstein Friesian dairy herds with very low within-farm variation in cubicle measures. Height at withers, shoulder width and diagonal body length were measured in 79-100 % of the cows (herd size 30 to115 cows). Based on the 25 % largest animals, compliance with recommendations for cubicle measures was calculated. Cleanliness of different body parts, the udder, teats and teat tips was assessed for each cow in the herd prior to morning milking. No significant correlation was found between udder soiling and teat or teat tip soiling on herd level. The final model of a stepwise regression regarding the percentage of dirty teats per farm explained 58.5 % the variance and contained four factors. Teat dipping after milking which might be associated with an overall clean and accurate management style, deep bedded cubicles, increasing cubicle maintenance times and decreasing compliance concerning total cubicle length predicted lower teat soiling. The final model concerning teat tip soiling explained 46.0 % of the variance and contained three factors. Increasing litter height in the rear part of the cubicle and increased alley soiling which is difficult to explain, predicted for less soiled teat tips, whereas increasing compliance concerning resting length was associated with higher percentages of dirty teat tips. The dependent variable ‘duration of lying down’ was analysed using again stepwise regression. The final model explained 54.8 % of the total variance. Lying down duration was significantly shorter in deep bedded cubicles. Further explanatory though not significant factors in the model were neck-rail height, deep bedding or comfort mattresses versus concrete floor or rubber mats and clearance height of side partitions. In the attempt to create a more comprehensive lying down measure, another analysis was carried out with percentage of ‘impaired lying down’ (i.e. events exceeding 6.3 seconds, with collisions or being interrupted) as dependent variable. The explanatory value of this final model was 41.3 %. An increase in partition length, in compliance concerning cubicle width and the presence of straw within bedding predicted a lower proportion of impaired lying down. The effect of partition length is difficult to interpret, but partition length and height were positively correlated on the study farms, possibly leading to a bigger zone of clear space for pelvis freedom. No associations could be found between impaired lying down and teat or teat tip soiling. Altogether, in agreement with earlier studies it was found that cubicle dimensions in practice are often inadequate with regard to the body dimensions of the cows, leading to high proportions of impaired lying down behaviour, whereas teat cleanliness is still unsatisfactory. Connections between cleanliness and cow comfort are far from simplistic. Especially the relationship between cubicle characteristics and lying down behaviour apparently is very complex, so that it is difficult to identify single influential factors that are valid for all farm situations. However, based on the results of the present study the use of deep bedded cubicles can be recommended as well as improved management with special regard to cubicle and litter maintenance in order to achieve both better resting comfort and teat cleanliness.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.

Sensor-based Control of Chewing and Rumination Behavior of Dairy Cows

The measurement of feed intake, feeding time and rumination time, summarized by the term feeding behavior, are helpful indicators for early recognition of animals which show deviations in their behavior. The overall objective of this work was the development of an early warning system for inadequate feeding rations and digestive and metabolic disorders, which prevention constitutes the basis for health, performance, and reproduction. In a literature review, the current state of the art and the suitability of different measurement tools to determine feeding behavior of ruminants was discussed. Five measurement methods based on different methodological approaches (visual observance, pressure transducer, electrical switches, electrical deformation sensors and acoustic biotelemetry), and three selected measurement techniques (the IGER Behavior Recorder, the Hi-Tag rumination monitoring system and RumiWatchSystem) were described, assessed and compared to each other within this review. In the second study, the new system for measuring feeding behavior of dairy cows was evaluated. The measurement of feeding behavior ensues through electromyography (EMG). For validation, the feeding behavior of 14 cows was determined by both the EMG system and by visual observation. The high correlation coefficients indicate that the current system is a reliable and suitable tool for monitoring the feeding behavior of dairy cows. The aim of a further study was to compare the DairyCheck (DC) system and two additional measurement systems for measuring rumination behavior in relation to efficiency, reliability and reproducibility, with respect to each other. The two additional systems were labeled as the Lely Qwes HR (HR) sensor, and the RumiWatchSystem (RW). Results of accordance of RW and DC to each other were high. The last study examined whether rumination time (RT) is affected by the onset of calving and if it might be a useful indicator for the prediction of imminent birth. Data analysis referred to the final 72h before the onset of calving, which were divided into twelve 6h-blocks. The results showed that RT was significantly reduced in the final 6h before imminent birth.

Metabolic disorders in the transition period indicate that the dairy cows' ability to adapt is overstressed

Metabolic disorders are a key problem in the transition period of dairy cows and often appear before the onset of further health problems. They mainly derive from difficulties the animals have in adapting to changes and disturbances occurring both outside and inside the organisms and due to varying gaps between nutrient supply and demand. Adaptation is a functional and target-oriented process involving the whole organism and thus cannot be narrowed down to single factors. Most problems which challenge the organisms can be solved in a number of different ways. To understand the mechanisms of adaptation, the interconnectedness of variables and the nutrient flow within a metabolic network need to be considered. Metabolic disorders indicate an overstressed ability to balance input, partitioning and output variables. Dairy cows will more easily succeed in adapting and in avoiding dysfunctional processes in the transition period when the gap between nutrient and energy demands and their supply is restricted. Dairy farms vary widely in relation to the living conditions of the animals. The complexity of nutritional and metabolic processes Animals 2015, 5 979 and their large variations on various scales contradict any attempts to predict the outcome of animals’ adaptation in a farm specific situation. Any attempts to reduce the prevalence of metabolic disorders and associated production diseases should rely on continuous and comprehensive monitoring with appropriate indicators on the farm level. Furthermore, low levels of disorders and diseases should be seen as a further significant goal which carries weight in addition to productivity goals. In the long run, low disease levels can only be expected when farmers realize that they can gain a competitive advantage over competitors with higher levels of disease.