The different strategies of tissue engineering for functional reconstruction of critical-size bone defects require a thorough knowledge of physiological mechanisms of bone repair. Bone healing is a complex process affected by various mediators. Several investigations have studied the gene expression 1 to 3 days after an acute or experimental fracture. Little is known about the humoral and cellular in vivo reaction in the early stages of bone healing. In contrast to other methods of molecule sampling and detection, which usually lead to the inhibition of the biological activity following complex sample preparation and quantification, microdialysis is a real-time monitoring technique which can be applied in living tissues providing a strong link between analytical methodology and biochemistry. In this study, the optimal conditions for microdialysis in a critical size rat long bone defect model for both in vivo and in vitro analyses were developed. Mediators and components of the extracellular matrix occurring in the first 24 to 48 hours of bone healing locally and systemically were monitored via microdialysis and blood sampling, respectively. Furthermore, novel proteins and their modulation were explored during this time frame. In vitro microdialysis was used to optimize the condition for protein recovery. Addition of bovine serum albumin (BSA) resulted in an enhanced recovery of interleukin (IL)-6. The maximal relative recovery (RR) was from 15.0% without BSA and 23.6% with BSA, while the maximal RR of transforming growth factor (TGF)-β1 was 11.2% with BSA and the concentration of TGF-β1 was below the detection limit of enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) without BSA. Using in vivo microdialysis, total protein concentrations varied between 0.20±0.12 mg/mL and 0.44±0.18 mg/mL. Among the mediators produced in the fracture hematoma within 24 h after the injury, IL-6 was secreted with the highest concentration of 309.1 pg/mL between 12 and 15 h after creation of the critical size bone defect. Meanwhile, the detectable concentrations of TGF-β1 in microdialysates ranged from 3.6 to 44.0 pg/mL and in blood plasma TGF-β1 was constantly producted ranging from 656.3 to 8398.2 pg/mL for 24 h after bone defct. Moreover, another constant producted growth factor in blood plasma was PDGF-BB and the concentration ranged from 222.1 to 589.4 pg/mL for 8 h after bone defect. Using high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS), 36 proteins were identified in the microdialysates over 8 h, and 884 proteins were identified on probes which were implanted into the bone defect over 24 h. Among the proteins identified in the hematoma, only a minority originated from the extracellular space. Protein analysis indicated five pathways associated with bone healing that were overrepresented after creating soft tissue and bone defects, of which FGF signaling was specific for bone defects. Furthermore, C-X-C motif ligands CXCL-1, CXCL-2, CXCL-3, CXCL-4, CXCL-5, CXCL-7, rodent bone protein (RoBo-1), insulin-like growth factor (IGF)-I, and chitinase-3-like protein 1 were detected in the fracture hematoma. These proteins are potentially associated to early bone healing. As seen by histological analysis, polymorphonuclear leukocytes (PMNs) and lymphocytes penetrated into the fracture hematoma immediately after surgery and peaked at 24 h. This study for the first time presents data from both the local and systemic acute response to bone and soft tissue injury in a small animal model. The results of mcrodialysis sampling may serve as a baseline for future investigations on different models and time frames. Several proteins and pathways have been identifeid as potentially important for early bone regeneration warranting in depth analysis in further studies. / Zur Entwicklung neuer Strategien der Geweberegenerierung in kritischen Knochendefekten, die sich durch Selbstheilungsprozesse nicht schließen, ist das Verständnis der beteiligten physiologischen Prozesse essentiell. Der Wiederaufbau von Gewebe, wie etwa während Knochenheilungsprozesse ist komplex reguliert und erfordert das koordinierte Zusammenspiel einer Vielzahl von Zellen und Mediatoren. Obwohl bereits in zahlreichen Studien die Veränderungen in der Genexpression in den ersten 3 Tagen nach einer akuten oder experimentell induzierten Fraktur untersucht wurden, ist noch immer wenig über die zellulären und humoralen Vorgänge in den frühen Phasen der Knochenheilung in vivo bekannt. Gebräuchliche Analysemethoden erfordern komplexe Verfahren zur Probenentnahme und Nachweisreaktionen währenddessen die biologische Aktivität der untersuchten Mediatoren häufig graduell verloren geht. Die Mikrodialyse hingegen kann in Echtzeit am lebenden Objekt und am Ort der Verletzung durchgeführt werden und bildet somit eine erfolgsversprechende Plattform um die Probengewinnung noch enger mit der anschließenden biochemischen Nachweistechnik zu verbinden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die optimalen Konditionen zur Mikrodialyse erstmals an einem kritischen Defektmodell eines Ratten-Röhrenknochens zur in vivo und in vitro Applikation ermittelt. Dazu wurde das Vorkommen verschiedener Komponenten der extrazellulären Matrix und ausgewählter Mediatoren während der ersten 24 bis 48 Stunden der Knochenheilung überwacht. Neben der durch Mikrodialyse gewonnenen Proben wurden auch Blutproben verarbeitet um sowohl die lokale, als auch systemische Konzentration der untersuchten Proteine zu erfassen. Durch eine Proteomanalyse konnten zudem bislang in diesem Prozess unbekannte Moleküle identifiziert und verfolgt werden. Zur Optimierung der Mikrodialyse wurden zunächst die Bedingungen hinsichtlich der Proteinrückgewinnung verbessert. Durch den Zusatz von Rinderserumalbumin (BSA) konnte die Rückgewinnung von Interleukin (IL)-6 erhöht werden. Die maximale relative Rückgewinnung (RR) konnte von 15.0% ohne BSA auf 23.6% mit BSA gesteigert werden. Noch dramatischer war dieser Effekt für den transforming growth factor (TGF)-β1 von dessen eingesetzter Menge in vitro 11.2% detektiert werden konnte, während in der BSA-freien Dialyselösung kein TGF-β1 nachgewiesen wurde. Die RR blieb stets unter der Detektionsgrenze des verwendeten enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). In vivo-Dialysate enthielten totale Proteinkonzentrationen zwischen 0,20±0,12 mg/mL und 0,44±0,18 mg/mL. Von den innerhalb von 24 h nach Verletzung im Frakturhämatom produzierten Mediatoren wurde IL-6 am stärksten exprimiert. Die höchsten Konzentrationen (309,1pg/mL) konnten hierfür nach 12 bis 15 Stunden nach Einführung des Defekts gemessen werden. Die Konzentrationslevel von TGF-β1 hingegegen betrug nur 3,6 bis 44,0 pg/mL.Mittels high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS), konnten 36 Proteine in den über 8 Stunden gewonnenen Mikrodialysaten, und 884 Proteine von Explantaten, die 24 h im Knochendefekt integriert waren, identifiziert werden. Von den im Frakturhämatom identifizierten Proteinen war nur eine Minderheit extrazellulären Ursprungs. Durch die Proteomanalyse konnten fünf Signalwegskaskaden identifiziert werden. Von diesen trat „FGF (fibroblast growth factor) signaling“ ausschließlich in Knochendefekten, nicht jedoch in den zur Kontrolle mitgeführten reinen Weichgewebedefekten auf. Im Frakturhämatom konnten die, C-X-C motif-Liganden CXCL-1, CXCL-2,CXCL-3, CXCL-4, CXCL-5, CXCL-7, rodent bone protein (RoBo-1), insulin-like growth factor (IGF)-I, und das chitinase-3-like protein 1 nachgewiesen werden. Die identifizierten Proteine könnten von Bedeutung für die Steuerung früher Knochenheilungsprozesse sein. Histologische Untersuchungen zeigten, dass polymorphkernige Leukozyten (PMNs) und Lymphozyten sofort nach der Operation in das Frakturhämatom einwandern und ihre Anzahl nach etwa 24 h ihr Maximum erreicht. Diese Studie präsentiert erstmals Daten der lokal und systemisch ablaufenden zellulären und humoralen Vorgänge als Antwort auf einen Weichgewebs-bzw. Knochendefekt in einem Nagetier-Kleintiermodell. Die Mikrodialyse-Resultate stellen eine vielversprechende Grundlage für zukünftige Untersuchungen in anderen Modellen dar. Außerdem bilden die hier identifizierten Proteine und Signalwege eine Gruppe potenter Kandidaten für weiterführende Untersuchungen zur Knochenregeration.

The different strategies of tissue engineering for functional reconstruction of critical-size bone defects require a thorough knowledge of physiological mechanisms of bone repair. Bone healing is a complex process affected by various mediators. Several investigations have studied the gene expression 1 to 3 days after an acute or experimental fracture. Little is known about the humoral and cellular in vivo reaction in the early stages of bone healing. In contrast to other methods of molecule sampling and detection, which usually lead to the inhibition of the biological activity following complex sample preparation and quantification, microdialysis is a real-time monitoring technique which can be applied in living tissues providing a strong link between analytical methodology and biochemistry. In this study, the optimal conditions for microdialysis in a critical size rat long bone defect model for both in vivo and in vitro analyses were developed. Mediators and components of the extracellular matrix occurring in the first 24 to 48 hours of bone healing locally and systemically were monitored via microdialysis and blood sampling, respectively. Furthermore, novel proteins and their modulation were explored during this time frame. In vitro microdialysis was used to optimize the condition for protein recovery. Addition of bovine serum albumin (BSA) resulted in an enhanced recovery of interleukin (IL)-6. The maximal relative recovery (RR) was from 15.0% without BSA and 23.6% with BSA, while the maximal RR of transforming growth factor (TGF)-β1 was 11.2% with BSA and the concentration of TGF-β1 was below the detection limit of enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) without BSA. Using in vivo microdialysis, total protein concentrations varied between 0.20±0.12 mg/mL and 0.44±0.18 mg/mL. Among the mediators produced in the fracture hematoma within 24 h after the injury, IL-6 was secreted with the highest concentration of 309.1 pg/mL between 12 and 15 h after creation of the critical size bone defect. Meanwhile, the detectable concentrations of TGF-β1 in microdialysates ranged from 3.6 to 44.0 pg/mL and in blood plasma TGF-β1 was constantly producted ranging from 656.3 to 8398.2 pg/mL for 24 h after bone defct. Moreover, another constant producted growth factor in blood plasma was PDGF-BB and the concentration ranged from 222.1 to 589.4 pg/mL for 8 h after bone defect. Using high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS), 36 proteins were identified in the microdialysates over 8 h, and 884 proteins were identified on probes which were implanted into the bone defect over 24 h. Among the proteins identified in the hematoma, only a minority originated from the extracellular space. Protein analysis indicated five pathways associated with bone healing that were overrepresented after creating soft tissue and bone defects, of which FGF signaling was specific for bone defects. Furthermore, C-X-C motif ligands CXCL-1, CXCL-2, CXCL-3, CXCL-4, CXCL-5, CXCL-7, rodent bone protein (RoBo-1), insulin-like growth factor (IGF)-I, and chitinase-3-like protein 1 were detected in the fracture hematoma. These proteins are potentially associated to early bone healing. As seen by histological analysis, polymorphonuclear leukocytes (PMNs) and lymphocytes penetrated into the fracture hematoma immediately after surgery and peaked at 24 h. This study for the first time presents data from both the local and systemic acute response to bone and soft tissue injury in a small animal model. The results of mcrodialysis sampling may serve as a baseline for future investigations on different models and time frames. Several proteins and pathways have been identifeid as potentially important for early bone regeneration warranting in depth analysis in further studies.:I. Table of content II. List of abbreviations 1 Summary 2 Introduction 2.1 The process of bone healing 2.1.1 Stages of fracture healing 2.1.2 Early stage of inflammation 2.2 Clinical challenges 2.3 Microdialysis 2.3.1 The principle of Microdialysis 2.3.2 Parameters influencing the recovery 2.4 Aim of this study 3 Materials 3.1 Materials, devices and animals 3.2 Chemicals 3.3 Buffers and solutions 4 Methods 4.1 Background 4.2 In vitro microdialysis 4.2.1 Preparation of the protein solution 4.2.2 Microdialysis sampling procedure 4.3 In vivo microdialysis 4.3.1 Surgical procedure 4.3.2 Sample collection 4.4 Plasma samples 4.5 Determination of the fluid recovery 4.6 Determination of the relative recovery 4.7 Total protein measurement 4.8 Cytokine and growth factor analysis 4.8.1 IL-1β, IL-6, TNF-α and PDGF-BB ELISA 4.8.2 VEGF ELISA 4.8.3 TGF-β1 ELISA 4.8.4 BMP-2 ELISA 4.8.5 Proteome profilerTM array 4.9 Proteomic analysis 4.10 Histological analysis 4.11 Statistical analysis 5 Results 5.1 Protein selection 5.2 Determination of fluid recovery in vitro and in vivo 5.3 Determination of relative recovery (RR) in vitro 5.4 Determination of total protein concentration in vivo 5.5 Determination of cytokine and growth factor concentration in the microdialysate in vivo 5.5.1 IL-6 concentration 5.5.2 TGF-β1 concentration 5.5.3 IL-1β concentration 5.5.4 TNF-α concentration 5.5.5 PDGF-BB, BMP-2 and VEGF concentration 5.6 Determination of further cytokines and chemokines in the microdialysate in vivo 5.7 Protein determination using HPLC-MS/MS analysis 5.7.1 Proteins in the microdialysate 5.7.2 Proteins on the surface of the probe 5.8 Protein annotation 5.9 Determination of cytokines and growth factors in the blood plasma 5.9.1 Determination of IL-6 in the blood plasma 5.9.2 Determination of TGF-β1 in the blood plasma 5.9.3 Determination of PDGF-BB in the blood plasma 5.10 Histological analysis of the hematoma 6 Discussion 6.1 Fluid recovery 6.2 Influence of the crystalloid perfusate on relative recovery 6.3 Relative recovery of cytokines and growth factors in vitro 6.4 In vivo microdialysis 6.4.1 Total protein concentration 6.4.2 Annotation of proteins in hematoma identified by HPLC-MS/MS 6.4.3 Identification of cytokines and bone related proteins 6.5 The humoral inflammatory response 6.6 Cellular response 7 Conclusions 8 References 9 Appendix 9.1 Figure index 9.2 Table index III. Eidesstattliche Erklärung IV. Selbständigkeitserklärung V. Acknowledgements / Zur Entwicklung neuer Strategien der Geweberegenerierung in kritischen Knochendefekten, die sich durch Selbstheilungsprozesse nicht schließen, ist das Verständnis der beteiligten physiologischen Prozesse essentiell. Der Wiederaufbau von Gewebe, wie etwa während Knochenheilungsprozesse ist komplex reguliert und erfordert das koordinierte Zusammenspiel einer Vielzahl von Zellen und Mediatoren. Obwohl bereits in zahlreichen Studien die Veränderungen in der Genexpression in den ersten 3 Tagen nach einer akuten oder experimentell induzierten Fraktur untersucht wurden, ist noch immer wenig über die zellulären und humoralen Vorgänge in den frühen Phasen der Knochenheilung in vivo bekannt. Gebräuchliche Analysemethoden erfordern komplexe Verfahren zur Probenentnahme und Nachweisreaktionen währenddessen die biologische Aktivität der untersuchten Mediatoren häufig graduell verloren geht. Die Mikrodialyse hingegen kann in Echtzeit am lebenden Objekt und am Ort der Verletzung durchgeführt werden und bildet somit eine erfolgsversprechende Plattform um die Probengewinnung noch enger mit der anschließenden biochemischen Nachweistechnik zu verbinden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die optimalen Konditionen zur Mikrodialyse erstmals an einem kritischen Defektmodell eines Ratten-Röhrenknochens zur in vivo und in vitro Applikation ermittelt. Dazu wurde das Vorkommen verschiedener Komponenten der extrazellulären Matrix und ausgewählter Mediatoren während der ersten 24 bis 48 Stunden der Knochenheilung überwacht. Neben der durch Mikrodialyse gewonnenen Proben wurden auch Blutproben verarbeitet um sowohl die lokale, als auch systemische Konzentration der untersuchten Proteine zu erfassen. Durch eine Proteomanalyse konnten zudem bislang in diesem Prozess unbekannte Moleküle identifiziert und verfolgt werden. Zur Optimierung der Mikrodialyse wurden zunächst die Bedingungen hinsichtlich der Proteinrückgewinnung verbessert. Durch den Zusatz von Rinderserumalbumin (BSA) konnte die Rückgewinnung von Interleukin (IL)-6 erhöht werden. Die maximale relative Rückgewinnung (RR) konnte von 15.0% ohne BSA auf 23.6% mit BSA gesteigert werden. Noch dramatischer war dieser Effekt für den transforming growth factor (TGF)-β1 von dessen eingesetzter Menge in vitro 11.2% detektiert werden konnte, während in der BSA-freien Dialyselösung kein TGF-β1 nachgewiesen wurde. Die RR blieb stets unter der Detektionsgrenze des verwendeten enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). In vivo-Dialysate enthielten totale Proteinkonzentrationen zwischen 0,20±0,12 mg/mL und 0,44±0,18 mg/mL. Von den innerhalb von 24 h nach Verletzung im Frakturhämatom produzierten Mediatoren wurde IL-6 am stärksten exprimiert. Die höchsten Konzentrationen (309,1pg/mL) konnten hierfür nach 12 bis 15 Stunden nach Einführung des Defekts gemessen werden. Die Konzentrationslevel von TGF-β1 hingegegen betrug nur 3,6 bis 44,0 pg/mL.Mittels high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS), konnten 36 Proteine in den über 8 Stunden gewonnenen Mikrodialysaten, und 884 Proteine von Explantaten, die 24 h im Knochendefekt integriert waren, identifiziert werden. Von den im Frakturhämatom identifizierten Proteinen war nur eine Minderheit extrazellulären Ursprungs. Durch die Proteomanalyse konnten fünf Signalwegskaskaden identifiziert werden. Von diesen trat „FGF (fibroblast growth factor) signaling“ ausschließlich in Knochendefekten, nicht jedoch in den zur Kontrolle mitgeführten reinen Weichgewebedefekten auf. Im Frakturhämatom konnten die, C-X-C motif-Liganden CXCL-1, CXCL-2,CXCL-3, CXCL-4, CXCL-5, CXCL-7, rodent bone protein (RoBo-1), insulin-like growth factor (IGF)-I, und das chitinase-3-like protein 1 nachgewiesen werden. Die identifizierten Proteine könnten von Bedeutung für die Steuerung früher Knochenheilungsprozesse sein. Histologische Untersuchungen zeigten, dass polymorphkernige Leukozyten (PMNs) und Lymphozyten sofort nach der Operation in das Frakturhämatom einwandern und ihre Anzahl nach etwa 24 h ihr Maximum erreicht. Diese Studie präsentiert erstmals Daten der lokal und systemisch ablaufenden zellulären und humoralen Vorgänge als Antwort auf einen Weichgewebs-bzw. Knochendefekt in einem Nagetier-Kleintiermodell. Die Mikrodialyse-Resultate stellen eine vielversprechende Grundlage für zukünftige Untersuchungen in anderen Modellen dar. Außerdem bilden die hier identifizierten Proteine und Signalwege eine Gruppe potenter Kandidaten für weiterführende Untersuchungen zur Knochenregeration.:I. Table of content II. List of abbreviations 1 Summary 2 Introduction 2.1 The process of bone healing 2.1.1 Stages of fracture healing 2.1.2 Early stage of inflammation 2.2 Clinical challenges 2.3 Microdialysis 2.3.1 The principle of Microdialysis 2.3.2 Parameters influencing the recovery 2.4 Aim of this study 3 Materials 3.1 Materials, devices and animals 3.2 Chemicals 3.3 Buffers and solutions 4 Methods 4.1 Background 4.2 In vitro microdialysis 4.2.1 Preparation of the protein solution 4.2.2 Microdialysis sampling procedure 4.3 In vivo microdialysis 4.3.1 Surgical procedure 4.3.2 Sample collection 4.4 Plasma samples 4.5 Determination of the fluid recovery 4.6 Determination of the relative recovery 4.7 Total protein measurement 4.8 Cytokine and growth factor analysis 4.8.1 IL-1β, IL-6, TNF-α and PDGF-BB ELISA 4.8.2 VEGF ELISA 4.8.3 TGF-β1 ELISA 4.8.4 BMP-2 ELISA 4.8.5 Proteome profilerTM array 4.9 Proteomic analysis 4.10 Histological analysis 4.11 Statistical analysis 5 Results 5.1 Protein selection 5.2 Determination of fluid recovery in vitro and in vivo 5.3 Determination of relative recovery (RR) in vitro 5.4 Determination of total protein concentration in vivo 5.5 Determination of cytokine and growth factor concentration in the microdialysate in vivo 5.5.1 IL-6 concentration 5.5.2 TGF-β1 concentration 5.5.3 IL-1β concentration 5.5.4 TNF-α concentration 5.5.5 PDGF-BB, BMP-2 and VEGF concentration 5.6 Determination of further cytokines and chemokines in the microdialysate in vivo 5.7 Protein determination using HPLC-MS/MS analysis 5.7.1 Proteins in the microdialysate 5.7.2 Proteins on the surface of the probe 5.8 Protein annotation 5.9 Determination of cytokines and growth factors in the blood plasma 5.9.1 Determination of IL-6 in the blood plasma 5.9.2 Determination of TGF-β1 in the blood plasma 5.9.3 Determination of PDGF-BB in the blood plasma 5.10 Histological analysis of the hematoma 6 Discussion 6.1 Fluid recovery 6.2 Influence of the crystalloid perfusate on relative recovery 6.3 Relative recovery of cytokines and growth factors in vitro 6.4 In vivo microdialysis 6.4.1 Total protein concentration 6.4.2 Annotation of proteins in hematoma identified by HPLC-MS/MS 6.4.3 Identification of cytokines and bone related proteins 6.5 The humoral inflammatory response 6.6 Cellular response 7 Conclusions 8 References 9 Appendix 9.1 Figure index 9.2 Table index III. Eidesstattliche Erklärung IV. Selbständigkeitserklärung V. Acknowledgements

Einleitung: Die Transitphase ist bei Milchkühen mit gravierenden Veränderungen im Metabolismus verbunden. Darüber hinaus ist sie mit Umstellungen im Haltungsumfeld verbunden, welche die Adaptationsmechanismen der Kühe beanspruchen. Aufgrund dieser Herausforderungen erhöht sich das Risiko für produktionsbedingte Erkran¬kungen. Die Leber übernimmt aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen, u.a. als Hauptorgan des Stoffwechsels, eine besondere Rolle. Nach wie vor sind die zu Grunde liegenden pathophysiologischen Abläufe nicht vollständig ergründet. Neue Analysemethoden, wie die Metabolomics Technologie, ermöglichen tiefere Einsichten in Stoffwechselvorgänge und Ursachen für individuelle Unterschiede der Erkran¬kungswahrscheinlichkeit sowie die Wirkweise von metaphylaktischen bzw. therapeu¬tischen Maßnahmen. Die positiven Wirkungen von Butafosfan und Cyanocobalamin (BCC) hinsichtlich Ketoseprävention und Leistung wurden bereits aufgezeigt. Die zugrundeliegenden Wirkmechanismen sind jedoch unzureichend erforscht. Zur Erlan¬gung evidenzbasierter Erkenntnisse sind auch in der Buiatrik aktuell noch prospektive, randomisierte, verblindete Tierversuche nötig. Sie sind mit Risiken für die Gesundheit und Produktivitätsverlusten bei den Versuchstieren verbunden. Genaue Angaben zu Qualität und Quantität derartiger Ausfälle für Feldversuche gibt es allerdings kaum. Ziele der Untersuchung: Die Dissertationsschrift hatte das Ziel, das Metabolom im Lebergewebe in Bezug zu klinischen und laborchemischen Merkmalen sowie zu Gesundheits- und Produktionsdaten von Milchkühen während der Transitphase zu charakterisieren. Weiterhin sollte der Effekt der metaphylaktischen Behandlung mit BCC auf das Leber-Metabolom evaluiert sowie die Auswirkungen eines intensiven Versuchsprotokolls auf die Gesundheit und Leistungskennzahlen erfasst werden. Tiere, Material und Methoden: Aus einer Herde mit 660 Deutsch-Holstein-Kühen wurden im ersten Teil der Studie 87 gesunde Kühe einbezogen (Publikation 1). Diese wurden ab Tag 14 ante partum (Tag –14) bis Tag 49 post partum (Tag 49) täglich klinisch überwacht. An den Tagen –7 bis –5 und 1 bis 3 wurden die Kühe intravenös mit BCC in zwei Dosierungen (5 / 10 ml Catosal® pro 100 kg Körpermasse; 0,05 mg / ml Cyanocobalamin, 100 mg / ml Butafosfan; Bayer Animal Health GmbH, Leverkusen, Deutschland) bzw. Natriumchlorid-haltigem Placebo behandelt. Die statistische Analyse wurde mit multivariaten [partielle Diskriminanzanalyse der kleinsten Quadrate (PLS-DA)] und univariaten Methoden (lineares gemischtes Modell) durchgeführt. Den Kühen wurden mehrfach Blut- (n = 8), Lebergewebe- (n = 4) und Harnproben (n = 13) entnommen. Zu sieben Zeitpunkten wurde die Leber sonographisch untersucht bzw. die Rückenfettdicke vermessen. Sämtliche Gesundheits-, Leistungs- und Reproduk¬tionsmerkmale wurden digital im Programm Herde® (dsp-Agrosoft GmbH, Ketzin / Havel, Deutschland) dokumentiert. Im zweiten Teil der Studie wurden gesundheitliche Schäden, die potenziell mit den Versuchsmaßnahmen im Zusammenhang standen, erfasst und ausgewertet. Dazu wurden 206 Kühe als nicht manipulierte Vergleichstiere für die Gesundheits- und Produktionsmerkmale hinzugezogen (Publikation 2). Die Milchleistung Ergebnisse: Insgesamt bestätigen die Ergebnisse stoffwechselassoziierte Veränder¬ungen im Metabolom während der Transitphase. Die Kühe wurden anhand derartiger Unterschiede des Leber-Metaboloms in drei Metabotypen (A – C) eingeteilt. Die Be¬handlung mit BCC wirkte sich unterschiedlich auf diese Stoffwechselprofile aus. Die Veränderungen im Leber-Metabolom deuten auf die Steigerung der Beta-Oxidation und den effizienteren Triacylglycerol-Export in der Leber hin. Dieser Effekt war auf phänotypische Merkmale beim Einsatz der höheren Dosis im Vergleich zur niedrigeren Dosis signifikant. Der deutlichste Behandlungseffekt wurde beim Metabotyp B am Tag 7 beobachtet. Für den zweiten Teil der Dissertation wurden die Folgen des durch¬geführten Tierversuches näher untersucht. Die meisten Schäden waren mit der Entnahme der Leberbiopsien assoziiert (Biopsiestelle: diffuse Entzündung der Bauch¬wand, erhöhte Echogenität im Lebergewebe). Die Milchleistung der Versuchskühe lag unter und die somatische Zellzahl über der der nicht-manipulierten Vergleichskühe (statistisch signifikant, P=0.001). Bei den Versuchskühen wurde eine geringere Totgeburtenrate erreicht. Der Versuch hatte keinen Einfluss auf die Überlebensdauer der Versuchstiere. Schlussfolgerungen: Es konnten Kühe identifiziert werden, die aufgrund ihres Metabotyps während der Transitphase einem besonderen Risiko ausgesetzt waren (Metabotyp B). Für diese Risikotiere konnte eine dosisabhängige, positive Wirkung der Behandlung mit BCC auf den Gesundheitsstatus erzielt werden. Weiterhin zeigte sich, dass ein intensives Studienprotokoll bei Milchkühen im Herkunftsbetrieb unterschiedliche Auswirkungen auf Gesundheits- und Produktionskennzahlen haben kann. Diese Analyse trägt zur Abschätzung der Risiken derartiger Verfahren bei und kann somit hilfreich bei der Planung und Durchführung weiterer Studien sein.:1. EINLEITUNG 1 2. LITERATURÜBERSICHT 4 2.1 Die Transitphase bei Milchkühen 4 2.1.1 Physiologie der Adaptation 4 2.1.2 Das Lipomobilisationssyndrom 7 2.2 Untersuchungen des Metaboloms zur Ergründung pathophysiologischer Reaktionsnetzwerke in der Transitphase 10 2.2.1 „Omics“-Methoden 10 2.2.2 Metabolomics 11 2.2.3 Technische Durchführung 11 2.2.4 Anwendung in der Veterinärmedizin 12 2.3 Prinzipien pro- und metaphylaktischer Maßnahmen in der Transitphase 14 2.3.1 Zufuhr von Energieträgern 19 2.3.2 Beeinflussung des Pansenmikrobioms 19 2.3.3 Beeinflussung des Leberstoffwechsels 220 2.4 Auswirkungen von Studienprotokollen auf den Organismus von Versuchstieren 23 2.4.1 Evidenzbasierte Medizin 23 2.4.2 Evidenzbasierte Veterinärmedizin: Versuche am Tier 24 2.4.3 Belastungen durch Studienprotokolle 25 2.4.4 Beurteilung studienassoziierter Belastungen 26 2.5 Schlussfolgerungen aus der Literaturrecherche und Arbeitshypothesen 27 3. MATERIAL UND METHODEN 29 3.1 Studiendesign 29 3.1.1 Tierversuchsantrag und Präambel 29 3.1.2 Patientenmaterial 29 3.2 Spezielle Untersuchungsgänge der Kühe der Versuchsgruppe 30 3.2.1 Untersuchungen 30 3.2.2 Probenentnahme 30 3.2.3 Probenhandling und Analyse von Blut-, Leber- und Harnproben 32 3.2.4 Sonographische Untersuchung 321 4. PUBLIKATION 1 332 5. PUBLIKATION 2 565 6. DISKUSSION 743 6.1 Präambel 743 6.2 Diskussion der Eignung des Versuchsprotokolls zur Beantwortung der Zielstellung 74 6.3 Angewandtes Therapieschema und Effekte der Butafosfan- und Cyanocobalamintherapie 75 6.3.1 Dosierung, Applikationsart und Behandlungshäufigkeit 754 6.3.2 Diskussion des Therapieschemas im Kontext der neuen EU-Tierarznei¬mittel-Verordnung 78 6.3.3 Mögliche Effekte bei erkrankten Tieren, Ausblick 79 6.4 Diskussion der Auswirkungen des intensiven Versuchsprotokolls auf die Gesundheit und Leistungskennzahlen der Milchkühe während des Versuchs 80 6.4.1. Direkte Schäden an den Tieren durch studienbedingte Manipulationen 80 6.4.2. Auswirkung auf die Gesamtgesundheit der Tiere 821 6.4.3. Einfluss auf das Abgangsgeschehen bei den Tieren 843 6.5 Bedeutung der Befunddokumentation in Protokollen und Verwendung von Scoring-Sheets zur Datenerhebung sowie der Wert einer Überwachung der Versuchstiere durch erfahrene Tierärzte 84 7 ZUSAMMENFASSUNG 87 8 SUMMARY 89 9 LITERATURVERZEICHNIS 91 10 ANHANG 118 11 DANKSAGUNG 151 / Introduction: The transition period in dairy cows is characterised by significant metabolic changes. Management changes commonly occur at the same time, causing stress and impairing the adaptation mechanisms of the cows, which increases the risk of production diseases. The liver is the main metabolic organ and therefore plays a crucial role in the adaptive changes that occur in the transition period. However, several basic pathophysiological mechanisms that occur in the transition period are not completely understood. Novel methods of analysis such as metabolomics technology improve the interpretation of metabolic processes and the individual differences in the probability of illness among cows. Furthermore, these techniques allow a better understanding of the modes of action of metaphylactic and therapeutic measures. The beneficial effects of Butafosfan and cyanocobalamin (BCC) with respect to ketosis prevention and milk yield have been established but the underlying mechanisms of action are not completely understood. Prospective, randomised and blinded animal testing remains a cornerstone of the search for evidence-based knowledge in many medical fields including buiatrics. However, animal testing is associated with an increased risk of health problems and loss of production, and the magnitude and types of risks are not clearly defined. Objectives: The primary goal of this dissertation was to characterise the metabolome of liver tissue in relation to clinical and laboratory variables as well as health and production parameters in transitional dairy cows. A secondary goal was to investigate the effect of metaphylactic treatment with BCC on the metabolome of the liver and the effect of an intensive experimental protocol on the health and production parameters in dairy cows. Animals, Materials and Methods: In the first part of the study (publication 1), 87 healthy cows from a herd of 660 German Holstein cows were used. The cows were monitored clinically every day from day 14 antepartum (day –14) until day 49 postpartum (day 49). On days –7 to –5 and 1 to 3, the cows received either 5 or 10 ml BCC (Catosal® per 100 kg body weight; 0.05 mg/ml cyanocobalamin, 100 mg/ml Buta¬fosfan; Bayer Animal Health GmbH, Leverkusen, Germany) or a placebo of coloured isotonic saline solution administered intravenously. Statistical analysis was performed using multivariate [partial least squares discriminant analysis (PLS-DA)] and univariate methods (linear mixed model). The cows underwent serial blood (n = 8), liver biopsy sample (n = 4) and urine (n = 13) collection and sonographic examination of the liver (n = 7) and measurement of the back fat (n = 7). The herd management software Herde® (dsp-Agrosoft GmbH, Ketzin/ Havel, Germany) was used to document health, fertility and production parameters. The second part of the study (publication 2) dealt with adverse health effects that were potentially associated with the experimental protocol. For this purpose, 206 control cows were used for the comparison of health and production data. Results: Overall, the findings of this study confirm the occurrence of metabolomic changes related to metabolic processes during the transition period. The cows were divided into 3 metabolomic profiles (A to C) based on the changes in the liver metabolome. The effect of BCC on these profiles differed. The changes in the liver metabolome suggested an increase in β-oxidation and more efficient triacylglycerol export in the liver of cows treated with the higher dose of BCC. A comparison of the 2 doses of BCC showed that the higher dose had a significant effect on phenotypic traits. The largest treatment effect was seen in metabolomic profile B on day 7. Most study protocol-associated lesions were related to the liver biopsy procedure and included diffuse inflammation of the abdominal wall at the biopsy site and increased echogenicity of the hepatic tissue. In the experimental cows, the milk yield was lower, the somatic cell count was higher and the stillbirth rate was lower compared with the control cows (statistically significant, P=0.001). The survival rate did not differ between the experimental and control cows. Conclusions: This study allowed the identification of cows with an increased risk of metabolic disease based on their metabolic profile (profile B) during the transition period. A positive and dose-dependent effect of BCC on the health status was seen in those cows. An intensive experimental protocol can have different effects on health and production parameters in dairy cows. This study improves risk assessment for intensive experimental protocols and facilitates the planning and execution of future studies that involve animal testing.:1. EINLEITUNG 1 2. LITERATURÜBERSICHT 4 2.1 Die Transitphase bei Milchkühen 4 2.1.1 Physiologie der Adaptation 4 2.1.2 Das Lipomobilisationssyndrom 7 2.2 Untersuchungen des Metaboloms zur Ergründung pathophysiologischer Reaktionsnetzwerke in der Transitphase 10 2.2.1 „Omics“-Methoden 10 2.2.2 Metabolomics 11 2.2.3 Technische Durchführung 11 2.2.4 Anwendung in der Veterinärmedizin 12 2.3 Prinzipien pro- und metaphylaktischer Maßnahmen in der Transitphase 14 2.3.1 Zufuhr von Energieträgern 19 2.3.2 Beeinflussung des Pansenmikrobioms 19 2.3.3 Beeinflussung des Leberstoffwechsels 220 2.4 Auswirkungen von Studienprotokollen auf den Organismus von Versuchstieren 23 2.4.1 Evidenzbasierte Medizin 23 2.4.2 Evidenzbasierte Veterinärmedizin: Versuche am Tier 24 2.4.3 Belastungen durch Studienprotokolle 25 2.4.4 Beurteilung studienassoziierter Belastungen 26 2.5 Schlussfolgerungen aus der Literaturrecherche und Arbeitshypothesen 27 3. MATERIAL UND METHODEN 29 3.1 Studiendesign 29 3.1.1 Tierversuchsantrag und Präambel 29 3.1.2 Patientenmaterial 29 3.2 Spezielle Untersuchungsgänge der Kühe der Versuchsgruppe 30 3.2.1 Untersuchungen 30 3.2.2 Probenentnahme 30 3.2.3 Probenhandling und Analyse von Blut-, Leber- und Harnproben 32 3.2.4 Sonographische Untersuchung 321 4. PUBLIKATION 1 332 5. PUBLIKATION 2 565 6. DISKUSSION 743 6.1 Präambel 743 6.2 Diskussion der Eignung des Versuchsprotokolls zur Beantwortung der Zielstellung 74 6.3 Angewandtes Therapieschema und Effekte der Butafosfan- und Cyanocobalamintherapie 75 6.3.1 Dosierung, Applikationsart und Behandlungshäufigkeit 754 6.3.2 Diskussion des Therapieschemas im Kontext der neuen EU-Tierarznei¬mittel-Verordnung 78 6.3.3 Mögliche Effekte bei erkrankten Tieren, Ausblick 79 6.4 Diskussion der Auswirkungen des intensiven Versuchsprotokolls auf die Gesundheit und Leistungskennzahlen der Milchkühe während des Versuchs 80 6.4.1. Direkte Schäden an den Tieren durch studienbedingte Manipulationen 80 6.4.2. Auswirkung auf die Gesamtgesundheit der Tiere 821 6.4.3. Einfluss auf das Abgangsgeschehen bei den Tieren 843 6.5 Bedeutung der Befunddokumentation in Protokollen und Verwendung von Scoring-Sheets zur Datenerhebung sowie der Wert einer Überwachung der Versuchstiere durch erfahrene Tierärzte 84 7 ZUSAMMENFASSUNG 87 8 SUMMARY 89 9 LITERATURVERZEICHNIS 91 10 ANHANG 118 11 DANKSAGUNG 151