title: Describing the metabolic status of dairy cows using exhaled breath
Creators: name: Eichinger, Julia
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 630

description: The steadily increased milk yield in high-yielding dairy cows during early lactation results in high energy demands that exceed energy intake, leading to the mobilization of body tissue reserves and a greater susceptibility to metabolic and inflammatory diseases. Therefore, a reliable assessment of metabolic disorders and metabolic status is crucial for maintaining animal health and productivity on dairy farms and for understanding underlying metabolic processes in research. Current methods involve invasive sampling of blood and ruminal fluid, as milk characteristics lack sufficient sensitivity. Analyzing exhaled VOC of dairy cows could be a promising, non-invasive alternative, reflecting the cows` metabolic status due to variations of VOC influenced by endogenous metabolic processes. The present work, which has been published or submitted for peer-reviewed publications, discusses investigations regarding the applicability of exhaled VOC in describing the metabolic status of dairy cows. The first step forward involved detailed elaboration of the current challenges in this research field in a broad context. These challenges include the absence of an appropriate, established sampling setup due to the risk of sampling ambient or technically derived VOC, in addition to the low concentration and susceptibility to losses of cows’ endogenous exhaled VOC. This has led to significant gaps in understanding the physiological relevance of exhaled VOC, compounded by issues in VOC data analysis, the identification of discriminatory VOC, and linking them to their underlying pathways. To address and overcome these challenges, this work resulted in the development of an optimized sampling setup for exhaled VOC from dairy cows using polymer-based SPE cartridges, followed by our key strategies for sample preparation, storage, and analysis. This technical setup and strategies as a prerequisite, the physiological relevance of exhaled VOC was investigated in depth. Several key strategies were devised for this purpose. During data analysis, correction for multiple testing and consideration of performance parameters were deemed crucial. The selection of discriminatory VOC relied on criteria with appropriate thresholds that could be applied in combination. VOC identification was based on criteria aimed at minimizing misidentification while ensuring standardized procedures. Through the application of these strategies, we were able to confirm the usability of exhaled VOC for describing diet-induced metabolic status, along with a high number and concentration of identified VOC from exhaled breath compared to those from other biological matrices. Moreover, the high physiological relevance of exhaled VOC was confirmed by the identification of their underlying pathways and new potential biomarkers for describing the metabolic status of fat catabolism in the context of energy deficiency in dairy cows. Furthermore, this work sets the stage for optimizing exhaled VOC sampling for untargeted analysis and facilitating the identification of new potential biomarkers. This was achieved by using synthetic air as the inhalation source for dairy cows to minimize interferences with environmental VOC and by the selection of the appropriate SPE cartridge for exhaled VOC sampling based on our indicated selection criteria. Additionally, this work outlined how the findings can be applied as a targeted approach to the routine, non-invasive assessment of the metabolic status of dairy cows on practical farms, especially in the context of fat catabolism during energy deficiency. This could be achieved through the use of electronic noses conditioned to detect acetone and fatty aldehydes, which were identified as potential new biomarkers within this work.
description: Die stetig steigende Milchleistung von Hochleistungskühen in der Frühlaktation führt zu einem hohen Energiebedarf, der die Energieaufnahme übersteigt. Das führt zur Mobilisierung von Körperreserven und zu einer erhöhten Anfälligkeit für weitere Stoffwechseldysregulationen. Daher ist eine zuverlässige Beurteilung von Stoffwechselstörungen und des Stoffwechselstatus von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Tiergesundheit und Produktivität in Milchviehbetrieben und für das Verständnis der zugrunde liegenden Stoffwechselprozesse in der Forschung. Die derzeitigen Methoden erfordern invasive Probenahmen von Blut und Pansensaft, da Milchmerkmale nicht ausreichend sensitiv sind. Die Analyse der ausgeatmeten VOC von Milchkühen könnte eine vielversprechende, nicht-invasive Alternative darstellen. Diese können den Stoffwechselzustand der Kuh widerspiegeln, da VOC durch endogene Stoffwechselprozesse beeinflusst werden. In der vorliegenden Arbeit wurden in Fachjournalen bereits veröffentlichte oder eingereichte Daten bezüglich notwendiger Forschung diskutiert, um die ausgeatmeten VOC für die Beschreibung des metabolischen Status von Milchkühen nutzbar zu machen. In einem ersten Schritt wurden die aktuellen Herausforderungen in diesem Forschungsbereich detailliert und in einem breiten Zusammenhang herausgearbeitet. Zu diesen Herausforderungen gehören das Fehlen einer geeigneten Probenahmetechnik aufgrund möglicher Kontaminationen mit VOC aus der Umwelt oder von der Probenahmetechnik, sowie der geringen Konzentration und Verlustanfälligkeit der endogenen ausgeatmeten VOC von Kühen. Dies resultiert in erheblichen Lücken im Verständnis der physiologischen Bedeutung von ausgeatmeten VOC, die durch Probleme bei der Analyse von VOC-Daten, der Identifizierung diskriminierender VOC und der Verknüpfung mit den zugrundeliegenden Stoffwechselwegen noch verstärkt werden. Um diese Herausforderungen anzugehen und zu überwinden, führte diese Arbeit zur Entwicklung eines optimierten Probenahmesystems für ausgeatmete VOC von Milchkühen unter Verwendung von polymerbasierten SPE-Kartuschen, gefolgt von unseren Schlüsselstrategien für Probenvorbereitung, Lagerung und Analyse. Dieser technische Aufbau und die Strategien bildeten die Voraussetzung für die Untersuchung der physiologischen Bedeutung der ausgeatmeten VOC. Für die Durchführung dieser Untersuchung wurden mehrere Schlüsselstrategien entwickelt. Bei der Datenanalyse wurde die Korrektur für Mehrfachmessungen und die Berücksichtigung von Performanceparameter als entscheidend angesehen. Die Auswahl der diskriminierenden VOC basierte auf Kriterien mit geeigneten Schwellenwerten, die auch in Kombination angewendet werden können. Die Identifizierung der VOC erfolgte anhand von Kriterien, die darauf abzielten, Fehlidentifizierungen zu minimieren und gleichzeitig eine standardisierte Identifizierung zu gewährleisten. Durch die Anwendung dieser Strategien konnten wir die Verwendbarkeit von ausgeatmeten VOC zur Beschreibung eines ernährungsbedingten Stoffwechselzustands bestätigen und eine im Vergleich zu anderen biologischen Matrices hohe Anzahl und Konzentration von identifizierten VOC in der Ausatemluft feststellen. Darüber hinaus wurde die hohe physiologische Relevanz der ausgeatmeten VOC durch die Identifizierung der zugrunde liegenden Stoffwechselwege und neuer potenzieller Biomarker zur Beschreibung des Stoffwechselstatus im Zusammenhang mit dem Fettabbau während Energiemangel bei Milchkühen bestätigt. Darüber hinaus schafft diese Arbeit die Voraussetzungen für die weitere Optimierung der Probenahme von ausgeatmeten VOC für ungezielte Analysen und erleichtert die Identifizierung neuer potenzieller Biomarker. Dies wird erreicht durch die Verwendung von synthetischer Luft zum Einatmen für Milchkühe, um Interferenzen mit VOC aus der Umwelt zu minimieren, und durch die Auswahl der geeigneten SPE-Kartusche für die Probenahme der ausgeatmeten VOC auf der Grundlage unserer vorgegebenen Auswahlkriterien. Darüber hinaus wurde skizziert, wie diese Arbeit in der Praxis für die routinemäßige, nicht- invasive Bewertung des Stoffwechselstatus von Milchkühen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Fettkatabolismus bei Energiemangel, eingesetzt werden kann. Dies könnte durch den Einsatz von elektronischen Nasen erreicht werden, die auf den Nachweis von Aceton und Fettaldehyden konditioniert sind, die in dieser Arbeit als neue potenzielle Biomarker identifiziert wurden.