Physiologie I - Atmung I

Prof. Dr. Dr. Petra Reinhold
Fachbereich Veterinärmedizin, Institut für Veterinär-Physiologie
Husten & Co.
Die Besonderheiten der Rinderlunge
Kontakt:
[email protected]
Tel: 03641 – 804 2269
Kälberhaltung – Aulendorf 26.02.2015
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Bovine respiratorische Erkrankungen
Bezeichnungen / Begriffe
• Rindergrippe, Rindergrippe – Komplex
• Enzootische Pneumonie (EP)
• Enzootische Bronchopneumonie
• BRD – bovine respiratory disease
• BRDC – bovine repiratory disease complex
• Shipping fever
• Händlerhusten
• Respiratorischer Krankheitskomplex des Rindes
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Bovine respiratorische Erkrankungen
= multifaktoriell verursachte Krankheitsgeschehen
Faktoren
des TIERES
STRESS
Faktoren der
UMGEBUNG
mikrobielle
Faktoren
= ERREGER
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Gliederung
1. Warum sind Rinder besonders anfällig für Atemwegserkrankungen?

Entwicklung der Lunge und postnatale Lungenreifung

Anatomische und physiologische Besonderheiten
der Rinderlunge / Prädispositionen
2. Erreger – Wirt – Interaktionen

Zusammenwirken von Bakterien und Viren

Interaktionen zwischen Stress und bakteriellen Infektionen
3. Anforderungen an die Haltungsbedingungen von Kälbern / Prophylaxe
4. Konsequenzen von Atemwegserkrankungen für das HKL-System
Kälberhaltung - Aulendorf, 26. 02.2015
4
Bovine respiratorische Erkrankungen
= multifaktoriell verursachte Krankheitsgeschehen
Faktoren
des TIERES
STRESS
Faktoren der
UMGEBUNG
mikrobielle
Faktoren
= ERREGER
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Entwicklung der Rinder-Lunge
alveolär
Endblindsäcke
kanalikulär
pseudoglandulär
Mensch
embryonal
1
4
7
10
13
(Burri, 1997)
16
19
22
25
28
31
34
Wochen (embryonale Entwicklung)
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Rind
(de Zabala &
Weinman, 1984)
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Entwicklung der Rinder-Lunge
Die Lunge des neugeborenen Kalbes
Morphologisch: Grundstruktur einer vollständig entwickelten Lunge
Anzahl an Alveolen: 5 - 10 x 109
(= 120 - 150 m² Alveolaroberfläche)
Castleman & Lay, Am. J. Vet. Res. 1990
Die "Lungenreifung" findet aber erst wenige Tage vor dem Geburtstermin statt
Bildung von Surfactant
(oberflächenaktive Substanz)
 erleichtert beim Einatmen
das Ausdehnen der Alveole
Atemnotsyndrom bei Frühgeburten (Surfactant-Mangel!)
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Entwicklung der Rinder-Lunge
Postnatales Wachstum
[ nach Castleman & Lay, 1990]
Mittlere Anzahl an Alveolen (x 109)
500
20
400
15
300
10
200
5
0
Mittlere Alveolaroberfläche (m²)
100
45
55
80
135
180
0
45
30
60
Lebenstag
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109
80
135
180
Körpermasse [kg]
Körpermasse [kg]
1-7
55
150
1-7
30
60
109
150
Lebenstag
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Entwicklung der Rinder-Lunge
Die wesentlichsten Fakten:
Morphologische Grundstruktur einer vollständig
entwickelten Lunge zum Zeitpunkt der Geburt
Die Entwicklung der Lunge nach der Geburt
korreliert besser mit der Körpermasse als mit dem Alter
gute Körpermasse-Entwicklung
= gute Lungen-Entwicklung !
Vollendung der funktionellen „Lungenreifung“
bei Körpermasse von etwa 300 kg bzw.
im Alter von ca. einem Jahr [Lekeux et al., 1984; Gustin et al., 1988]
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► geringes spezifisches Lungenvolumen
Die Lunge des Rindes ist klein (im Verhältnis zur Körpermasse)
http://www.lungprotectiontherapy.com/veterinarians/techinfo.asp
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► geringe Gasaustauschkapazität (1)
Körpermasse
Lungenvolumen
VO2max / kg
spezifisch
(ml O2 / sec / kg)
(kg)
(ml / kg)
Hund
28
56
2.27
Ziege
28
64
0.90
Pony
175
56
1.48
Kalb
149
38
0.61
nach Weibel et al. (1987) Respir. Physiology 69, 81-100
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► geringe Gasaustauschkapazität (2)
Alveolar-
Kapillar-
Schichtdicke
oberfläche
volumen
alv.-kap. Membran
(m² / kg KM)
(ml / kg KM)
(10-4 cm)
Hund
2.75
4.18
0.51
Ziege
2.43
4.38
0.52
Pony
1.85
3.12
0.51
Kalb
1.43
2.39
0.42
nach Weibel et al. (1987) Respir. Physiology 69, 81-100
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► starke Segmentierung
Segment =
• kleinster diskreter Teil einer Lunge, der von
bindegewebigem Septum umgeben ist
• ein zuführender Bronchus
• ein funktionell zugehöriges
Blutsystem
bovine Lunge = 71 Segmente
ovine Lunge = 18 Segmente
humane Lunge = 18 Segmente
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► Konsequenzen der Segmentierung

hoher Anteil von Bindegewebe in der Lunge
 höhere resistive Widerstände
 geringe Dehnbarkeit des Lungengewebes
 Interpretation von Röntgenbildern - CAVE !

jedes Segment ist eine funktionelle Einheit
 chirurgisch gut trennbar
 Erkrankungen bleiben oft lokal begrenzt
 Befunde eines Segmentes sind nicht auf
andere Lungenbezirke übertragbar
(Nachteil bei BAL !)
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► Konsequenzen der Segmentierung auf das Atmungsmuster:
gering geringere Dehnbarkeit = geringere Atemtiefe
Ruheatmung
Lungentyp I
Lungentyp III
Atemzugvolumen / kg KM
8-10 ml/kg
12 ml/kg
Atemzugvolumen (Vt)
[KM = 500 kg]
4-5 Liter
6 Liter
Atmungsfrequenz (fR)
20 AZ/min
12 AZ/min
Atemzeitvolumen
(Vmin = Vt x fR)
80-100 Liter
72 Liter
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► hohe Ventilationsleistung schon bei Ruheatmung
Atemzugvolumen in Relation
zum totalen Lungenvolumen
Atemminutenvolumen in Relation
zum totalen Lungenvolumen
[VTidal / VLunge]
[VMin / VLunge]
Mensch
11
1,3
Hund
14
2,8
Katze
8
1,5
Ziege
8
1,5
Rind
29
8,7
Pferd
14
1,6
[nach Veit &
Farrell, 1978]
 weniger Reserven für Ventilation (z.B. bei Transporten oder Erkrankungen)
 intensiver Austausch mit Umgebungsluft
(hohe Exposition gegenüber Schadgasen, Erregern, …, sofern in Stallluft
vorhanden)
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
► alveoläre Belüftung: keine kollateralen Atemwege!
Martin’sche Kanäle > 120 µm
Lambert’sche Kanäle 30 µm
Alveolarporen (Kohn) 2 - 30 µm
( hohe kollaterale Resistance )
 Hund / Katze / Frettchen / Kaninchen : vorhanden
 Pferd / Schaf :
teilweise vorhanden
 Rind / Schwein :
nicht vorhanden !
Bei Obstruktionen zuführender Atemwege : ATELEKTASEN !
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Besonderheiten der Rinder-Lunge
Prädispositionen für Atemwegs- und Lungenerkrankungen
Rinder haben (pro kg Körpermasse)
eine kleine Lunge und eine geringe alveolare Gasaustauschfläche
Die Lunge des Rindes ist stark segmentiert
 BAL-Befunde nicht übertragbar auf gesamte Lunge
 geringere Dehnbarkeit = geringere Atemtiefe + hohe Atmungsfrequenz
Um den O2-Bedarf zu decken, müssen schon in Ruheatmung größerer
Anteile der Lunge belüftet werden als bei anderen Tierarten
 d.h. weniger Reserven für Ventilation
(z.B. bei Transporten oder Erkrankungen)
 d.h. intensiver Austausch mit Umgebungsluft
(hohe Exposition gegenüber Schadgasen, Erregern, etc.)
Kollaterale Atemwege fehlen (Neigung zu Atelektasen!)
 keine Kompensationsmöglichkeit bei Atemwegs-Obstruktionen
 verminderte lokale Abwehr in schlecht ventilierten Alveolarbereichen
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Bovine respiratorische Erkrankungen
= multifaktoriell verursachte Krankheitsgeschehen
Faktoren
des TIERES
STRESS
Faktoren der
UMGEBUNG
mikrobielle
Faktoren
= ERREGER
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Physiologische Abwehrmechanismen
► mukoziliäre Clearance in den Atemwegen
Transportgeschwindigkeit
1,5 - 2,0 cm / min
( Trachea > Bronchien > Bronchiolen )
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Viren
Parainfluenza 3-Virus (PI-3)
Bovines Adenovirus (BAV)
REO-Virus
Rhinovirus 1 und 2
Bovines Coronavirus (BCV)
mögliche Wegbereiter für
bakterielle
Sekundärinfektionen
Bovines Respiratorisches Synzytial-Virus (BRSV)
Bovines Herpesvirus-1 (BHV-1)
Bovines Virusdiarrhoe-Virus (BVDV)
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Virale Infektion
Schädigungsmechanismus (1)
Zilien der Epithelzellen ‚abrasiert‘
Mukozilare Clearance gestört
„Wegbereiter“ für
Sekundärinfektionen
Foto: Prof. Morgenroth, Bochum
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Virale Infektion
Schädigungsmechanismus (2)
Ödem der
Bronchialschleimhaut
Bronchospasmus
Obstruktionen
(erhöhte Atemwegswiderstände)
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Minderbelüftung
nachgeordneter
Alveolarbezirke
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Folgen einer Obstruktion
► alveoläre Belüftung beeinflusst lokale Abwehr
Die Abwehrleistung der Alveolarmakrophagen wird durch das
lokale Angebot an O2 beeinflusst.
 minderbelüftete
Alveolarbereiche
= alveoläre Hypoxie
( PAO2  )
 Phagozytose
Foto: Prof. Morgenroth, Bochum
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Bakterien
= fakultativ pathogen, z.T. ubiquitär vorhanden
Pasteurellen
• Mannheimia haemolytica
• Pasteurella multocida
gram-negative Bakterien, Endotoxin
(LPS) und andere Toxine als Pathogenitätsfaktoren, Vorkommen auf gesunden
Schleimhäuten (d.h. in Nasen-oder
Rachentupfern gesunder Tiere)
Mykoplasmen
• M. bovis
• M. dispar
‚atypische‘ Bakterien, sehr klein, keine
Zellwand, variable Oberflächenantigene,
entziehen sich oft der Immunantwort des
Wirtes, können im Wirt persistieren
Trueperella (ehem. Arcanobacterium) pyogenes
Histophilus somni (vormals Haemophilus somnus)
opportunistische
Erreger
Chlamydien ???
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Bovine respiratorische Erkrankungen
Zusammenwirken von Krankheitserregern
Viren (z.B. PI-3, BRSV)
Entzündung der Atemwege
Bronchitis / Bronchiolitis
• Zilienrasen der Epithelzellen ‚abrasiert‘
• mukoziliäre Clearance gestört
• Bronchospasmen
Bakterien und deren Toxine:
Entzündung des Lungengewebes
Pneumonie
• Zellinfiltration – Lungengewebe
• Gefäßschäden – Exsudat – Ödem
• Surfactant ?
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Bovine respiratorische Erkrankungen
… der typische Krankheitsverlauf
bakterielle Sekundärinfektion
Virusinfektion
AVA, 2012
Foto: FLI
Tier wirkt matt & abgeschlagen
Fieber, Appetit reduziert
Atmungsfrequenz: erhöht
Augen/Nase:
wässrig-seröse Sekrete
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2–3d
Nasenausfluss:
muko-purulent
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Bovine respiratorische Erkrankungen
= multifaktoriell verursachte Krankheitsgeschehen
Faktoren
des TIERES
STRESS
Faktoren der
UMGEBUNG
mikrobielle
Faktoren
= ERREGER
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Stress und Stress-Antwort
STRESS
Stressrezeptoren im Gehirn
Aktivierung des Hypothalamus
Aktivierung des
sympathischen NS
CRH
HVL
Aktivierung der
HHN-Achse
NN-Mark
NN-Rinde: cAMP ↑
Ausschüttung von
Katecholaminen
Adrenalin
Noradrenalin
Synthese/Sekretion
von Glukokortikoiden
Cortisol Corticosteron
(Säuger)
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‚slow acting‘
‚fast acting‘
ACTH
(Vögel, Nager)
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Stress und bakterielle Infektionen
… ein komplexer Zusammenhang
Stresshormone (Katecholamine, Glukokortikoide)
traditionelle Sichtweise:
Beeinflussung des
Immunsystems des Wirtes
neues Forschungsfeld:
direkte Effekte
auf Mikroorganismen
(gilt insbesondere für Bakterien, die
als ‚silent carrier‘ bereits im Wirt
vorhanden sind)
= „mikrobielle Endokrinologie“
(Interaktionen zwischen Mikrobiologie
& Neurophysiologie)
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Stress und bakterielle Infektionen
… ein komplexer Zusammenhang
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Stress und bakterielle Infektionen
► Reaktion der im Wirt vorhandenen Bakterien bei Stress
1. Bakterien ‚schlummern‘ im Wirt / Wirtstier klinisch unauffällig
2. akuter Stress  Bakterien registrieren die Stresshormonen im
Wirt (kleine hormon-ähnliche Moleküle; ‚Histidin-Sensor-Kinasen‘)
Bakterien
„quorum sensing“
gram - / gram +
erhöhte Expression von
Stress-Response-Genen:
• Metabolismus ↑
• Wachstum ↑
• Virulenz ↑
• Kolonisation / Adhärenz ↑
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Fe als
Nahrungsquelle für
Bakterienwachstum
Adrenalin
Noradrenalin
Katecholamine
mobilisieren Eisen
aus Fe-bindenden
Proteinen des
Wirtes
(z.B. Transferrin,
Laktoferrin)
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Stress und bakterielle Infektionen
► Akuter Stress wirkt anders als chronischer Stress!
SympathikusAktivierung
(Katecholamine)
Aktierung
HHN-Achse
(Glukokortikoide)
Erreger & Wirtsorganismus
akuter Stress:
schnelle Reaktion der Bakterien dominiert
Vermehrung der Erreger
chronischer Stress:
• Verschiebung der Zytokinbalance im Wirt
von Th-1 zu Th-2 Antwort
• Suppression zellvermittelter Immunreaktionen
Infektion nimmt anderen Verlauf ….
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Stress und bakterielle Infektionen
► typische Stressoren in der Kälberhaltung
Fütterung
Haltungsbedingungen
Futterumstellungen
Stallklima
(Temp., rel. LF,
Schadgase)
STRESS
Mikroklima
(direkte Umgebung
des Tieres)
Belegungsdichte
& Gruppengröße
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Tiertransporte
Umstallungen
Rangordnung
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Bovine respiratorische Erkrankungen
= multifaktoriell verursachte Krankheitsgeschehen
Faktoren
des TIERES
Faktoren der
UMGEBUNG
mikrobielle
Faktoren
STRESS
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= ERREGER
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Anforderungen an die Haltung
► Bedeutung der Luftqualität
WIE (viel) atmet ein Kalb ?
(80 kg KM)
Atemzugvolumen: 10 ml/kg = 800 ml
Atmungsfrequenz:
20 – 30 min-1
Ventilation pro Minute:
16 - 24 Liter
Ventilation pro Stunde : ca. 1200 Liter
Ventilation pro Tag : ca. 30.000
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Liter
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Anforderungen an die Haltung
Gestaltung des Raumklimas für Tiere
Ställe müssen…
… ausreichend wärmegedämmt und so ausgestattet sein, dass
Zirkulation, Staubgehalt, Temperatur, relative Feuchte und
Gaskonzentration der Luft in einem Bereich gehalten werden, der
für die Tiere unschädlich ist.
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Auch plötzliche Schwankungen der Umgebungstemperatur führen zum Auftreten respiratorischer Erkrankungen
18 – 20 °C
5 °C
35 °C
Mykoplasmen dominant
Pasteurellen dominant
n = 12
n = 11
n=8
Lunge obB
vereinzelte Pneumonieherde
pneumonische Veränderungen bis zur Größe eines Lungenlappens
> 50 % der Lunge pneumonisch verändert
[Reinhold P; Elmer S (2002): DTW 109 (Heft 4), 193-198]
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Bovine respiratorische Erkrankungen
= die wesentlichsten Aspekte der Prophylaxe
Gutes Geburtsmanagement (Atemnot & Infektionen beim Neugeborenen
vermeiden) + optimale Versorgung mit Kolostrum (Immunschutz)
Gute Fütterung / Körpermasse-Entwicklung
bis zur Vollendung der funktionellen Lungenreife
Gute Qualität der eingeatmeten Luft - d.h. frei von Schadgasen
(z.B. Ammoniak) und Erregern (Viren, Bakterien, Pilzsporen)
Vermeidung von starken Temperaturschwankungen, Zugluft oder
schleusendem Wind bei niedrigen Temperaturen
Vermeidung jeglicher sonstiger Stressoren
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Bovine respiratorische Erkrankungen
► Was zu beachten ist…
Immunsystem
stärken
 Kolostrum
Wirt:
Die Lunge des Kalbes
ist prädisponiert
‚Stressoren‘
vermeiden
UMGEBUNG
optimieren!
• Stallklima
• Fütterung
 Transporte ↓
 Belegungsdichte ↓
Erregerdruck
reduzieren
STRESS
 Gruppengröße ↓
ERREGER
minimieren!
• Viren
• Bakterien
 Hygiene, Reinigung, Desinfektion
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Bovine respiratorische Erkrankungen
► Konsequenzen für das Herz-Kreislauf-System
V‘
Q‘
V‘ / Q‘ – Quotient = 1
Die kleinen Arterien im pulmonalen Kreislauf reagieren direkt
und unmittelbar auf den O2-Gehalt in den Alveolen !
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Das pulmonale Gefäßbett
und seine physiologischen Reaktionen
normale
alveoläre Belüftung
PAO2
13,3 kPa
Minderbelüftung
alveoläre Hypoxie
PAO2 
hypoxische pulmonale
Vasokonstriktion (HPV)
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Bovine respiratorische Erkrankungen
► Entstehung einer pulmonalen Hypertonie
PO2 
normaler
Gefäßdurchmesser
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irreversibel
akute hypoxische
pulmonale
Vasokonstriktion
( HPV )
Proliferation der
Gefäßwand
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Bovine respiratorische Erkrankungen
► Entstehung eines Cor pulmonale
HPV lokal als physiologischer
Adaptationsmechanismus
•
HPV generalisiert
•
bei lokalen alveolären Hypoxien
bei dauerhafter alveolärer
Hypoxie
z. B. Höhenluft
z. B. Atemwegserkrankungen

Ziel :
- ständige Anpassung der
regionalen Durchblutung
an die regionale Belüftung
= Maximierung des
Sauerstoffgehaltes im
arteriellen Blut
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
Konsequenzen :
- pulmonale Hypertonie
- struktureller Umbau
der Gefäßwand
- Rechtsherzinsuffizienz
( Cor pulmonale )
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Vasokonstriktion
Das pulmonale Gefäßbett
reagiert tierartlich verschieden stark
 Rind & Schwein:
starke Reaktion
 Pferd, Ziege, Kaninchen:
mittelgradige Reaktion
 Hund,
Katze, Schaf :
geringe Reaktion
Schichtdicke der Gefäßmuskulatur
[Cunningham: Textbook of Veterinary Physiology]
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Bovine respiratorische Erkrankungen
Literaturempfehlungen
Kaske M, Kunz H-J, Reinhold P (2012): Die enzootische Bronchopneumonie des
Kalbes – ein Update. Praktischer Tierarzt 93 (Heft 3), 232-245
Kaske M, Kunz H-J, Reinhold P, Zwick YC (2012):
Atemwegserkrankungen beim Kalb. Die Essenz unter dem
Aspekt von Haltung, Management und Kälbergesundheit.
Agrar- und Veterinärakademie (AVA), Reihe Nutztierpraxis Rind
Müller KE (2012): Bedeutung von Stressoren im Komplex der
enzootischen Bronchopneumonie der Kälber und Jungrinder.
Tierärztliche Umschau 67, 55-61
Proceedings of the 2009 Bovine Respiratory Disease (BRD) Symposium,
5–6 August 2009, Colorado Springs, Colorado, USA, Animal Health Research
Reviews 10(2), 99, Cambridge University Press, ISSN 1466-2523,
doi:10.1017/S1466252309990089
Kälberhaltung – Aulendorf 26.02.2015
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