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Metabolites.2022 Feb;12(2).

乳牛における熱ストレスおよび飼料による糞便中の代謝物の変化と、炎症およびリーキーガットマーカーとの関連性

Modulation of Fecal Metabolites by Heat Stress and Diet, and Their Association with Inflammation and Leaky Gut Markers in Dairy Cows.

PMID: 35208216

抄録

糞便中の代謝物プロファイルを解析することで、環境ストレス要因や食餌に対する動物の反応の基礎となるメカニズムについて新たな知見を得ることができる可能性がある。我々は、泌乳乳牛において、14日間の熱ストレス期間および熱ストレス下でのミネラル・ビタミン補給が糞便中の代謝物プロファイルに及ぼす影響を評価し、熱ストレス、リーキーガットおよび炎症の生理学的マーカーとの関連性を調べることを目的とした。12頭の多産ホルスタイン牛(42.2 ± 5.6 kg milk/d; 83.4 ± 27.1 DIM)が、分割プロットデザインの実験に登録された。主計画は、飼料中のビタミンEとSeのレベルを以下のように設定した。(1) 低値 (L-ESe; 20 IU/kg vitamin E, 0.3 ppm Se) または (2) 高値 (H-ESe 200 IU/kg Vitamin E, 1.2 ppm Se)。各区画内で、6頭の牛を、(1) 熱ストレス(HS;全湿度指数(THI):82)、 (2) 熱中性での対飼(TNPF;THI=64)、または (3) HSにビタミンDとカルシウムを補充(HS+DCa;1820 IU/kg と 1.5% Ca;THI:82)にランダムに振り分け、3×3ラテン方陣計画で14日間の期間を経て7日間のウォッシングアウトで繰り返し実施した。糞便中のアミノ酸、脂肪酸、生体アミン、ビタミンなど94種類の代謝物濃度を測定した。L-ESe群に比べ、H-ESe群ではα-トコフェロールが3倍増加したが、δ-トコフェロールは78%減少した(< 0.01)。しかしながら,α-トコフェロールと他のすべての糞便代謝物や生理的熱ストレス指標との相関解析では,有意な関連は認められなかった。また、本圃と処理との間の交互作用は観察されなかった。TNPFと比較して、HSは血漿腫瘍壊死因子α(TNF-α)、血漿リポ多糖結合蛋白(LBP)、乳汁体細胞数(SCC)、呼吸数、直腸温、糞中のトリデシル酸およびミリスチン酸、ビタミンB、レチノールを増加させ、一方で糞中のアミノ酸、ヒシジン、メチルヒシジン、アセチルオルニチン、アルギニンなどの減少が見られた(< 0.05)。一方、HS+DCaは糞便中のメチルヒスチジン濃度を増加させ、乳汁分泌量、血漿TNF-α、LBP、および直腸温を低下させた。判別分析の結果,便中ヒスチジン,タウリン,アセチルオルニチン,アルギニン,β-アラニン,オルニチン,酪酸+iso-酪酸,血漿非エステル化脂肪酸,TNF-α,LBP,CRP,牛乳のSCCがHSの予測因子であることが判明した.いくつかの代謝産物はHS+DCaを予測したが、トリプトファンのみがHSと識別可能であった。結論として、熱ストレスおよびビタミンDとカルシウムの補給は、ビタミンEとSeの食事量とは無関係に、熱ストレスを受けた乳牛の糞便メタボロームに影響を与える可能性があることが分かった。この結果は、いくつかの糞便代謝物が熱ストレスの生理学的指標とよく関連していることを示唆しており、したがって、乳牛の熱ストレス下で起こっている腸レベルの変化について洞察を与える可能性がある。

The analysis of fecal metabolite profiles could provide novel insights into the mechanisms underlying animal responses to environmental stressors and diet. We aimed to evaluate the effects of a 14-day heat stress period and of dietary mineral and vitamin supplementation under heat stress on fecal metabolite profiles and to investigate their associations with physiological markers of heat stress, leaky gut, and inflammation in lactating dairy cows. Twelve multiparous Holstein cows (42.2 ± 5.6 kg milk/d; 83.4 ± 27.1 DIM) were enrolled in an experiment in a split-plot design. The main plot was the level of dietary vitamin E and Se, as follows: (1) low (L-ESe; 20 IU/kg vitamin E, 0.3 ppm Se) or (2) high (H-ESe 200 IU/kg vitamin E, 1.2 ppm Se). Within each plot, six cows were randomly assigned to either (1) heat stress (HS; Total Humidity Index (THI): 82), (2) pair-feeding in thermoneutrality (TNPF; THI = 64), or (3) HS with vitamin D and Ca supplementation (HS+DCa; 1820 IU/kg and 1.5% Ca; THI: 82) in a replicated 3 × 3 Latin square design with 14-day periods and 7-day washouts. The concentrations of 94 metabolites were determined in fecal samples, including amino acids, fatty acids, biogenic amines, and vitamins. Relative to the L-ESe group, the H-ESe group increased α-tocopherol by threefold, whereas δ-tocopherol was decreased by 78% ( < 0.01). Nevertheless, correlation analysis between α-tocopherol and all the others fecal metabolites or physiological heat stress measures did not show significant associations. No interactions between main plot and treatments were observed. Relative to TNPF, HS increased plasma tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), plasma lipopolysaccharide-binding protein (LBP), milk somatic cell counts (SCC), respiratory rates, rectal temperatures, fecal tridecylic and myristic acids, vitamin B, and retinol, whereas it decreased fecal amino acids such as histidine, methyl histidine, acetyl ornithine, and arginine ( < 0.05). In contrast, HS+DCa increased fecal methyl histidine concentrations and reduced milk SCC, plasma TNF-α, and LBP, as well as rectal temperatures. Discriminant analysis revealed fecal histidine, taurine, acetyl ornithine, arginine, β-alanine, ornithine, butyric + iso-butyric acid, plasma non-esterified fatty acids, TNF-α, LBP, C-reactive protein, and milk SCC were predictive of HS. Several metabolites were predictive of HS+DCa, although only tryptophan was discriminant relative to HS. In conclusion, both heat stress and the supplementation of vitamin D and Ca can influence the fecal metabolome of dairy cows experiencing heat stress, independently of dietary levels of vitamin E and Se. Our results suggest that some fecal metabolites are well associated with physiological measures of heat stress and may thus provide insights into the gut-level changes taking place under heat stress in dairy cows.