Saliva Biomarker development and their implementation into a point of care compatible measurement concept for metabolic disease monitoring in cattle

Abstract

Nowadays, about 30% to 50% of all dairy cows are affected by a negative energy balance leading to a metabolic or infectious disease during the transition period. A key factor in finding appropriate preventive actions is the ability to successfully predict metabolic diseases at an early stage. In this thesis, the influence of lactation phases on circadian rhythms and diurnal variations on non-esterified fatty acids (NEFA), beta-hydroxybutyrate (BHB), total bilirubin (tBIL) and aspartate aminotransferase (AST) in high yield dairy cows and the long-term effects of ketosis and fat cow syndrome on the course of those biomarkers was studied. Moreover, a highly sensitive assay for tBIL in bovine saliva was developed. Final, commercial screen-printed electrodes (SPEs) for a method transfer were evaluated. Time and lactation stage influence the concentration of the biomarkers NEFA, BHB and tBIL in serum. Circadian rhythmicity was found in high lactating cows for NEFA and BHB. Based on these findings, a novel intra-day monitoring of NEFA to analyze the individual energy balance and a new guideline for single-point measurements is presented. Ketosis altered the BHB profile until high lactation. The optimal cut-off for the prediction of ketosis was 0.54 mmol/l BHB measured on the tenth day post partum. The limit of detection of the tBIL assay was improved by a factor of 230. In a first pilot study, the tBIL course in saliva and serum followed the same pattern. Final, in the investigation of SPEs a detection limit of 100 nM ferricyanide in saliva buffer was achieved.

Heutzutage sind im Schnitt 30-50% aller Milchkühe von einer negativen Energiebilanz, welche im weiteren Verlauf zu metabolischen oder infektiösen Krankheiten in der Transitionsperiode führt, betroffen. Um präventive Maßnahmen treffen zu können, spielt die Möglichkeit der Krankheitsprognose zu einem frühen Zeitpunkt eine besondere Schlüsselrolle. In dieser Arbeit werden der Einfluss der Laktationsphasen auf zirkadiane Rhythmik und tageszeitliche Variationen von nicht veresterten freien Fettsäuren (NEFA), beta-Hydroxybutyrat (BHB), totales Bilirubin (tBIL) und Aspartat-aminotransferase (AST) in Hochleistungsmilchkühen und der Langzeiteffekt von Ketose und dem Fettmobilisationssyndrome auf den Verlauf der genannten Biomarkern untersucht. Des Weiteren wurde eine hochsensitive Analysemethode für tBIL zur Messung im Rinderspeichel entwickelt. Zudem wurden kommerziell erhältliche Siebdruckelektroden (SPEs) für einen Methodentransfer getestet. Tageszeit und Laktationsphase beeinflussten die Konzentration von NEFA, BHB und tBIL im Serum. Zirkadiane Rhythmik wurde in hochlaktierenden Kühen für die Parameter NEFA und BHB gefunden. Basierend auf den Ergebnissen, werden ein neues intra-tages Messschema für NEFA zur Analyse des individuellen Energiebedarfs und eine neue Richtlinie für Einzelmessungen vorgestellt. Ketose hat den Verlauf von BHB bis in die Hochlaktation beeinflusst. Der optimale Grenzwert für die frühzeitige Prognose von Ketose wurde mit 0.54 mM BHB im Serum, gemessen am zehnten Tag post partum, berechnet. Die Nachweisgrenze der Analysemethode von tBIL wurde um den Faktor 230 verbessert. In einer ersten Pilotstudie ähnelt sich der tBIL Verlauf im Speichel und im Serum. In der Untersuchung von SPEs konnte eine Nachweisgrenze von 100 nM Ferricyanide im Speichelpuffern erreicht werden.