Study of cow subclinical hypocalcemia and development of new tools for its diagnostic and prevention

Abstract

Les vaques de llet sofreixen pèrdues de calci (Ca) quan comença la lactació i poden veure’s afectades per la hipocalcèmia clínica (sèrum Ca < 6mg/dL) o subclínica (Ca < 8.5mg/dL). Donat que la incidència clínica és del 5%, el problema més rellevant es troba en els casos subclínics (SCHC) perquè tenen una prevalença més elevada. Aquests casos no poden ser tractats degut a la falta d’eines de diagnosi. Per tal d’estudiar l’impacte, les conseqüències i la regulació de SCHC, i per desenvolupar estratègies de diagnòstic i de prevenció, es van dur a terme quatre estudis. Al primer estudi, es va avaluar l’associació de SCHC amb vàries malalties del peripart. El 75% de les vaques tenien SCHC. El desplaçament d’abomàs, la ketosi, la retenció de placenta i la metritis van ser més propenses a trobar-se en vaques amb SCHC. Les vaques afectades tenien una producció de llet més elevada. El zel apareix abans en vaques normocalcèmiques. A més, la gravetat de les diferents malalties està relacionada amb la intensitat de la SCHC. Per entendre els mecanismes involucrats, un segon estudi es va dur a terme per clarificar els papers de la calcitonina a l’inici de la malaltia i a la prevenció de la hipocalcèmia sota acidosi metabòlica. Una pujada de calcitonina en vaques amb SCHC greu després de parir perjudica la recuperació del Ca sanguini perquè la resposta del receptor de la PTH (PTHR) no és suficient com per activar la vitamina D i compensar l’efecte de la calcitonina. L’acidosi metabòlica prevé la hipocalcèmia perquè l’expressió de PTHR s’incrementa al ronyó. A més, l’activitat de la calcitonina es veu perjudicada a pHs baixos i això incrementa el rol hipercalcèmic de la PTH. Basat en aquest fet, al tercer estudi es va intentar una estratègia per prevenir la hipocalcèmia basada en immunització passiva contra calcitonina. Anticossos policlonals van neutralitzar la calcitonina in vitro i a un model de rata, augmentant la concentració de Ca en sang. Un mètode assequible per produir en massa va ser derivat d’una naïve phage library de ScFv. El ScFv B10 va reconèixer i neutralitzar la calcitonina in vitro, però no va afectar els nivells de Ca en sang quan es va administrar en vedells o vaques. Més estudis seran necessaris per entendre les dificultats de l’estratègia proposada. Un sistema de diagnòstic seria molt útil per identificar i tractar vaques hipocalcèmiques. En el quart i últim estudi, es va desenvolupar un sistema analític semiautomàtic i portable basat en transistors de camp ió-selectius amb membranes fotocurables selectives per ions de Ca2+. Aquest sensor determina concentracions de Ca en sang de boví de forma ràpida i fiable i pot ser aplicat en mesures en vaques al camp.

Dairy cows suffer blood calcium (Ca) losses as lactation begins and might be affected by hypocalcemia in its clinical (serum Ca < 6mg/dL) or subclinical state (serum Ca < 8.5mg/dL). Since clinical incidence is only about 5%, the most relevant problem concerns subclinical cases (SCHC) because of a higher prevalence. These cases cannot be treated due to the lack of diagnostic tools. In order to study the impact, consequences and regulation of SCHC and to develop preventive and diagnostic strategies, four studies were conducted. In the first study, the association of SCHC with several periparturient diseases was evaluated. Seventy five percent of cows incurred SCHC. Displaced abomasum, ketosis, retained placenta, and metritis were more likely to happen in cows with SCHC. Affected cows had a greater milk production. Normocalcemic cows showed their first heat sooner. Also, the severity of SCHC is related to the severity of the different periparturient diseases. In order to understand the exact mechanisms involved, a second study was performed to clarify the potential roles of calcitonin in the onset of SCHC and in the prevention of hypocalcemia under metabolic acidosis. A calcitonin rise in severe SHCH cows after calving impairs the recovery of blood Ca because PTH receptor (PTHR) response is not sufficient to activate vitamin D and compensate the calcitonin effect. Metabolic acidosis prevents hypocalcemia because the expression of PTHR is up-regulated in kidney. Moreover, an impairment of calcitonin activity at low pH enhances the hypercalcemic role of PTH. Based on this calcitonin role, in the third study an approach to prevent hypocalcemia through passive immunization against calcitonin was tested. Polyclonal antibodies neutralized calcitonin in vitro and in a rat model, raising the blood Ca concentration. An affordable method of mass-production was designed from a naïve ScFv phage library. The ScFv B10 recognized and neutralized calcitonin in vitro, but it did not affect blood Ca levels when administered to cattle requiring further research to understand the main difficulties of the proposed strategy. A diagnostic system would be very useful to identify and treat hypocalcemic cows. In the fourth and last study we developed a portable semiautomatic analytical system based on ion-selective field effect transistors with Ca2+ ion selective photocurable membranes. This sensor determines bovine serum calcium concentration in a reliable and fast way and can be applied in the field in cow-side measurements.