Komorbiditäten und Konzentration von Spurenelementen in der Leber europäischer Bisons aus dem Bieszczady-Gebirge (Polen)

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4332 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Der Wisent ist eine Art, deren Gesundheitsüberwachung bei Schutzmaßnahmen von wesentlicher Bedeutung ist. Bisher wurde die Konzentration der Elemente in dieser Art nur wenig erforscht. In den meisten früheren Studien wurde die Konzentration von Elementen nicht mit der Anfälligkeit für Krankheiten in Verbindung gebracht. In dieser Studie untersuchen wir den Zusammenhang zwischen Komorbiditäten bei europäischen Bisons und den Konzentrationen eines breiten Spektrums von Elementen in der Leber. Während der Überwachung der europäischen Bisonpopulation in Bieszczady (Südostpolen) im Zeitraum 2020–2022 wurden Proben gesammelt. Jedes Individuum wurde im Rahmen einer Obduktion auch visuell von einem Tierarzt vor Ort auf das Vorhandensein von Läsionen untersucht. Die Tiere wurden in drei Gruppen eingeteilt: Gruppe A – eine Art klinisches Zeichen; Gruppe B – zwei Arten klinischer Symptome; Gruppe C – drei oder mehr Arten klinischer Symptome. Die ICP-OES-Methode wurde angewendet, um die Konzentration von 40 Elementen in der Leber zu bestimmen. Die Diskriminanzanalyse zeigte deutliche Unterschiede zwischen dem Mineralstoffstatus von Personen in den Gruppen mit einer, zwei und mindestens drei Arten klinischer Symptome. Eine detaillierte Analyse ausgewählter Elemente ergab, dass bei acht Elementen ein Zusammenhang mit Alter, Geschlecht oder Komorbiditäten bestand. Cu, Se und Zn zeigten signifikante Unterschiede in Bezug auf Komorbiditäten, aber nur die Cu-Konzentration war niedriger, wenn die Häufigkeit von Läsionen höher war. Wir kamen zu dem Schluss, dass bei der Untersuchung des Mineralstoffstatus der Bevölkerung neben der Verfügbarkeit von Spurenelementen in der Umwelt auch der Gesundheitszustand der untersuchten Personen berücksichtigt werden sollte. Die Ableitung des Mineralstoffstatus der Population auf der Grundlage zufällig gewonnener Proben toter Individuen kann jedoch zu einem unvollständigen Überblick über die Population führen, insbesondere im Fall von Arten, die anfällig für Krankheiten sind, wie z. B. Wisente.

Die Erhaltung großer Säugetierpopulationen in den heutigen, vom Menschen veränderten Landschaften Europas ist eine schwierige und komplizierte Aufgabe. Ein Mangel an optimalen Lebensräumen, geringe Populationsgrößen, geringe genetische Variabilität, Anfälligkeit für Krankheiten, Migrationsbeschränkungen und Xenobiotika sind nur einige der größeren Probleme, mit denen Manager großer Säugetierpopulationen konfrontiert sind1,2. Der Gesundheitszustand ist der Schlüsselparameter, den Naturschützer verwenden, um die Auswirkungen dieser verschiedenen Bedrohungen zusammenzuführen. Bei großen Säugetieren gilt dieser Parameter (und nicht als einfaches Maß für die Zunahme der Tierzahlen) als nützlicher Indikator zur Beurteilung der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen3,4. Leider sind Studien zum Mineralstoffstatus freilebender geschützter Arten großer Säugetiere, einschließlich des europäischen Bisons, schwierig durchzuführen. Das Hauptproblem ist die Schwierigkeit, Forschungsproben von einer repräsentativen Gruppe von Tieren zu erhalten, insbesondere wenn das Material nicht ante mortem gesammelt werden kann, z. B. Gewebeproben aus inneren Organen. Aus diesem Grund basiert das Wissen über die Physiologie dieser Art entweder auf Studien an in Gefangenschaft gehaltenen Individuen oder auf einigen wenigen Feldproben, die oft von zufälligen Individuen entnommen werden. Aufgrund des geringen und unvorhergesehen gesammelten Forschungsmaterials ist es nicht möglich, tiefgreifende statistische Analysen durchzuführen und verlässliche Rückschlüsse auf den Einfluss von Lebensraumfaktoren auf den Gesundheitszustand geschützter Tiere zu ziehen.

Europäischer Bison (Bison bonasus L.) ist eine Art, deren Gesundheitsüberwachung bei Schutzmaßnahmen von wesentlicher Bedeutung ist5,6,7,8. Aufgrund der geringen genetischen Variabilität des europäischen Bisons haben selbst große freilebende Herden mit gesundheitlichen Problemen zu kämpfen, und manchmal ist es notwendig, restriktive Maßnahmen zur Eliminierung kranker Individuen zu ergreifen (z. B. Ref.9). Der Gesundheitszustand des Wisents wird jedoch nicht nur durch genetische Faktoren beeinflusst, sondern auch durch die Qualität der Lebensräume, die Möglichkeit, eine angemessene Menge lebenswichtiger Mikro- und Makroelemente aus der Umwelt zu beziehen, sowie die Fähigkeit, Vergiftungen zu vermeiden unerwünschte Elemente10,11. Es ist bekannt, dass der Mineralstoffstatus des Körpers stark mit dem Gesundheitszustand zusammenhängt und dass ein Mangel an Elementen oder eine Schwermetallvergiftung direkt oder indirekt die Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Krankheiten, einschließlich Parasitenbefall, beeinträchtigen kann12. Die molekularen Mechanismen, die für die biologische Funktion von Mineralien bei der Immunität verantwortlich sind, hängen in erster Linie mit der besonderen Rolle dieser Elemente bei der Aktivität mehrerer Enzymsysteme und der Regulierung der Genexpression zusammen13.

Mineralkonzentrationen bei europäischen Bisons wurden selten untersucht, und es wurden nur wenige Untersuchungen durchgeführt, um die Anfälligkeit der europäischen Bisons für Krankheiten mit Konzentrationen von Elementen in Verbindung zu bringen. Ein Beispiel für eine solche Forschung ist die Arbeit von Dymnicka et al.14, die einen niedrigeren Fe-Gehalt im Blutserum von Tieren mit Balanoposthitis feststellten. Darüber hinaus fanden Hoby et al.15 erhöhte Jod- und verringerte Manganwerte im Blut europäischer Bisons mit digitalen Dermatitis-Läsionen. Dziaba et al.16 fanden jedoch keinen Unterschied in der Konzentration ausgewählter Elemente im Serum zwischen gesunden europäischen Bisons und solchen mit parasitärer Invasion (Fasciola hepatica) und Läsionen, die auf eine nekrotische Balanoposthitis hinweisen. In anderen Arbeiten werden meist die Konzentrationen ausgewählter Elemente beschrieben, jedoch ohne einen detaillierten Zusammenhang mit dem Gesundheitszustand der untersuchten Arten. Beispielsweise fanden Kośla et al.17 heraus, dass die Kalziumkonzentration in ausgewählten Geweben europäischer Bisons aus dem Białowieska-Wald höher war als bei anderen Rindern (Wild- und Hausrinder). Bei europäischen Bisons im Białowieska-Wald wurde ein Se-Mangel festgestellt, der im Vergleich zu anderen Populationen in Ostpolen den niedrigsten Gehalt an Lebern aufwies10,11,18,19. Einige Personen im Białowieska-Wald wiesen auch einen Mangel an Co, Cu, Mn, Na und Zn10,14 auf. Darüber hinaus wurden im Knyszyńska-Wald im Vergleich zum Białowieska-Wald noch geringere Cu- und Na-Konzentrationen festgestellt, was wahrscheinlich auf die Nahrungsaufnahme der Tiere durch Feldfrüchte zurückzuführen ist11. Andererseits wiesen europäische Bisons im Bieszczady-Gebirge im Vergleich zu anderen Populationen in Ostpolen die höchsten Ba-, Ca-, Cd- und Se-Konzentrationen auf11. Darüber hinaus wurden bei einigen Tieren im Bieszczady-Gebirge extrem hohe Cd-Konzentrationen festgestellt.

Unter Berücksichtigung des oben Gesagten haben wir versucht, den Zusammenhang zwischen den Konzentrationen von Mikro- und Makroelementen und der Anfälligkeit für Krankheiten bei europäischen Bisons zu beurteilen. Die Studie wurde an europäischen Bisons im Bieszczady-Gebirge durchgeführt und die Forscher fanden heraus, dass diese Tiere offenbar sehr anfällig für bestimmte Gesundheitsstörungen sind, darunter Infektionskrankheiten wie Rindertuberkulose6 oder Thelasiose, die bei verschiedenen Rinderarten zur Erblindung führt20. In den letzten Jahren haben diese beiden Krankheiten zur Ausrottung Dutzender europäischer Bisons in diesem Gebiet geführt. Im Bieszczady-Gebirge wurde auch häufiger als in anderen polnischen Populationen eine erhöhte Prävalenz von Neospora-caninum-Antikörpern21 und Schmallenberg-Virus22 festgestellt. In diesem Gebiet wurde in Polen der erste Fall von Ashwortius sidemi (Nematoda, Trichostrongylidae, ein neuer Parasit des europäischen Bisons) gefunden23.

Ziel dieser Studie war es, eine umfassende Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Komorbiditäten bei europäischen Bisons und den Konzentrationen eines breiten Spektrums von Elementen in der Leber zu versuchen. Wir verwendeten eine einzigartig große Forschungsstichprobe: 63 Leberproben von Personen, für die gleichzeitig Autopsieprotokolle erstellt wurden. In dieser Arbeit gehen wir davon aus, dass der Lebermineralstatus der untersuchten Personen je nach Grad der Krankheitslast variiert und signifikante Unterschiede in den Konzentrationen bestimmter lebenswichtiger Elemente beobachtet werden.

Alle Versuchsprotokolle (einschließlich der Tötung europäischer Bisons) wurden von der Generaldirektion für Umweltschutz in Polen auf der Grundlage des Naturschutzgesetzes vom 16. April 2004 genehmigt. Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die Sammlung und Lagerung von Proben toter Personen für die Studie beruhte nämlich auf der Entscheidung des Regionaldirektors für Umweltschutz in Warschau. Alle Methoden werden gemäß den ARRIVE-Richtlinien gemeldet.

Daten und Proben wurden im Zeitraum Mai 2020 bis März 2022 (alle Monate außer Januar und Juli) während der Überwachung der europäischen Bisonpopulation in Bieszczady (Südostpolen) gesammelt. 61 der 63 Personen wurden im Rahmen der Thelasiose-Bekämpfung eliminiert. Zwei Tiere wurden tot aufgefunden. Diese Tötung europäischer Bisons war legal, da zuvor eine entsprechende Genehmigung der Generaldirektion für Umweltschutz in Polen eingeholt wurde. Alle weiteren rechtlichen Fragen im Zusammenhang mit diesen Aktivitäten sind in Klich et al.2 beschrieben. Das Kriterium für die Auswahl europäischer Bisons zur Eliminierung waren deutliche Veränderungen im Augapfel, Undurchsichtigkeit des Augapfels oder Blindheit. Die Tiere wurden durch einen Schuss aus einer Jagdwaffe im Bereich der Wirbelsäule getötet, ohne dass die inneren Organe beschädigt wurden. Pharmakologische Wirkstoffe wurden nicht eingesetzt. Es wurden Daten über Alter, Geschlecht und Standort jedes Tieres (mithilfe eines GPS-Empfängers) gesammelt. Im Rahmen der Obduktion wurde jedes Individuum von Tierärzten vor Ort auch visuell auf das Vorhandensein von Läsionen untersucht. Die Tiere wurden gemäß dem festgelegten Protokoll einer Autopsie unterzogen. Die Autopsien wurden von einem Team aus drei Tierärzten durchgeführt. Bei diesen europäischen Bisons wurden zahlreiche anatomopathologische Läsionen gefunden, die auf Krankheiten hinweisen; Normalerweise gab es mehr als eine Art von Läsion pro Person. Die gefundenen Läsionen waren: (1) Lungennematoden; (2) Läsionen, die auf Thelasiose hinweisen (Verstopfung des Bindehautsacks, Keratitis und Hornhauttrübung, Anophthalmie, Bildung von Erosionen und Geschwüren am Auge, Blindheit); (3) Läsionen, die auf eine frühere Lungenentzündung hinweisen; (4) Läsionen, die auf eine frühere Enteritis hinweisen; (5) Nierenzysten; (6) tuberkuloseähnliche Läsionen (TBL); (7) mehrere Abszesse am gesamten Schlachtkörper; (8) Läsionen, die auf eine nekrotische Dermatitis hinweisen; (9) Läsionen, die auf eine nekrotische Balanoposthitis hinweisen; (10) Läsionen der Trachealbronchien.

Während der tierärztlichen Untersuchung wurden Leberproben entnommen, in einem tragbaren Kühlschrank gekühlt, ins Labor transportiert und bis zur Analyse bei –20 °C gelagert. Leberproben wurden aus dem zentralen Teil des rechten Leberlappens entnommen. Insgesamt wurden Leberproben von 27 Frauen (im Alter von 0,5 bis 18 Jahren) und 36 Männern (im Alter von 3 bis 20 Jahren) entnommen. Bei keiner der Kühe wurde eine Trächtigkeit beobachtet. Wir haben insgesamt 63 Proben an verschiedenen Orten im Bieszczady-Gebirge gesammelt, die sowohl den westlichen als auch den östlichen Rand des dortigen Heimatgebiets des europäischen Bisons abdecken (Abb. 1). Bei 62 der 63 Tiere wurden Läsionen festgestellt.

Untersuchungsgebiet – Standort der ausgerotteten europäischen Bisons, die für diese Studie beprobt wurden. Die Abbildung wurde in Quantum GIS v.3.4.5 (https://qgis.org) und CorelDRAW Standard 2020 (https://www.corel.com) generiert.

Das Laborverfahren zur Analyse von Leberproben mittels ICP-OES-Spektrometrie wurde bereits von Klich et al.11 beschrieben. Hier sind wir nach dem gleichen Verfahren vorgegangen. Kurz gesagt (basierend auf der Beschreibung von Klich et al.11) wurden 500 mg lyophilisierte Leberprobe mit einer Genauigkeit von 1 mg abgewogen. Anschließend wurden 10 ml konzentriertes HNO3 in Analysequalität (Sigma Aldrich, Deutschland) zugegeben und die Mineralisierung mithilfe eines Mikrowellenaufschlusssystems (Speedwave, Berghof, Deutschland) durchgeführt. Anschließend wurde diese klare Lösung in einen 50-ml-Messkolben überführt, der dann mit demineralisiertem Wasser gefüllt und mittels ICP-OES-Spektrometrie (Thermo Fisher Scientific iCAP6500) analysiert wurde. Die folgenden Geräteeinstellungen wurden verwendet: HF-Generatorleistung von 1150 W, HF-Generatorfrequenz von 27,12 MHz, Kühlmittelgasdurchfluss von 16 l/min, Trägergasdurchfluss von 0,65 l/min, Hilfsgasdurchfluss von 0,4 l min−1, maximale Integrationszeit von 15 s, Pumpenrate von 50 U/min, axiale Betrachtungskonfiguration, 3 Wiederholungen und eine Spülzeit von 20 s.

Ähnlich dem Analyseverfahren von Klich et al.11 wurden die folgenden Multielement-Stammlösungen (Inorganic Ventures) als Standards verwendet:

CCS-4: Al, As, Ba, Be, Bi, Ca, Cs, Ga, In, K, Li, Mg, Na, Rb, Se, Sr 100 mg/L in 7 % HNO3.

CCS-5: B, Ge, Hf, Mo, Nb, P, Re, S, Sb, Si, Sn, Ta, Ti, W, Zr 100 mg/L in 7 % HNO3 und 1 % HF.

CCS-6: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Tl, V, Zn 100 mg/L in 7 % HNO3.

Ähnlich wie bei Klich et al.11 wurden zur Berechnung der prozentualen Wiederfindung drei zufällig ausgewählte Proben, die einzeln mit bekannten Mengen der Analysestandards versetzt wurden, als Positivkontrollen verwendet (Ergänzungstabelle S1). Zusätzlich wurde ein zertifiziertes Referenzmaterial, NIST Rinderleber 1577c (Sigma Aldrich, Deutschland), analysiert, um die Richtigkeit der Methode zu überprüfen11. Die Genauigkeit der Methode wurde auf der Grundlage eines Multielement-zertifizierten Referenzmaterials, Periodensystem-Mix 1 TraceCERT (Sigma Aldrich, Deutschland), geschätzt. Etwa alle Dutzend Proben wurde eine Multielement-Standardprobe gemessen (Ergänzungstabelle S2).

Die Tiere wurden nach der Anzahl der festgestellten pathologischen Veränderungen in Gruppen eingeteilt, da einige Arten von Läsionen meist zu selten auftraten oder bei fast allen Individuen auftraten. Es ist zu beachten, dass die Leberproben von Personen stammten, die hauptsächlich aufgrund sichtbarer klinischer Symptome aus der Population ausgeschlossen wurden; Daher hätte theoretisch jeder von ihnen bei der Obduktion Läsionen aufweisen müssen, sodass ein Vergleich mit gesunden Personen nicht möglich war. Da alle untersuchten europäischen Bisons verschiedene Läsionen aufwiesen, wurden die Tiere unabhängig von der Art der Läsionen in drei Gruppen eingeteilt: Gruppe A – eine Art klinisches Zeichen; Gruppe B – zwei Arten klinischer Symptome; Gruppe C – drei oder mehr Arten klinischer Symptome. Jede Person wurde somit einer Komorbiditätskategorie zugeordnet. Anhand dieser Kategorien (Gruppen) führten wir allgemeine und detaillierte Analysen der Unterschiede im Mineralstoffstatus der untersuchten Personen durch.

Die allgemeine Analyse umfasste die Ergebnisse der Konzentrationen aller 40 ermittelten Elemente und wurde durchgeführt, um die allgemeinen Unterschiede im Mineralstatus der untersuchten Personengruppen (A, B und C) auszudrücken. Zu diesem Zweck wurde eine Diskriminanzanalyse verwendet, bei der die Gruppen A, B und C als Gruppierungsvariablen und eine Konzentration aller untersuchten Elemente als erklärende Variablen verwendet wurden. Vor dieser Analyse wurden die Daten durch Box-Cox-Transformation normalisiert. Die statistische Analyse wurde mit der Statistica-Software v13.3 (TIBCO Software Inc.) durchgeführt.

Die detaillierte Analyse wurde für 19 ausgewählte Elemente durchgeführt, d. h. die grundlegenden Mikro- und Makroelemente, die in der Literatur am häufigsten beschrieben werden: Al, As, Ca, Cd, Co, Cu, Fe, Li, Hg, Mg, Mn, Mo , Ni, Pb, Se, Sn, Ti, V und Zn. Mit IBM SPSS v24.0 (Armonk, New York) wurden drei Arten statistischer Tests durchgeführt:

Die Elementkonzentrationsmuster wurden mit der Pearson-Korrelation identifiziert, bei der alle 19 Elemente unter Verwendung aller 63 Proben miteinander korreliert wurden.

Mithilfe linearer Modelle wurde die lineare Abhängigkeit jedes Elements von der Krankheitsanfälligkeit (wie oben) sowie dem Geschlecht und Alter der Tiere analysiert. Vor dieser Analyse wurden die abhängigen Variablen (Konzentration eines bestimmten Elements), die nicht normalverteilt waren, durch Box-Cox-Transformation normalisiert. Es wurde ein allgemeines lineares Modell (für Variablen, die eine Normalverteilung zeigten) oder ein verallgemeinertes lineares Modell (für Variablen, bei denen die Transformation fehlschlug) verwendet. 19 lineare Modelle für jedes Element wurden separat unter Verwendung von 62 Proben (nur Tiere mit Läsionen) erstellt.

Die Auswirkung ausgewählter pathologischer Veränderungen bei europäischen Bisons (anhand von 62 Proben) auf drei ausgewählte Elemente (d. h. Cu, Se und Zn, die statistisch durch Komorbiditäten erklärt wurden) wurde mithilfe linearer Modelle (allgemeine lineare Modelle für Se und verallgemeinertes lineares Modell für) verifiziert Cu und Zn). Die abhängige Variable in jedem Modell war die Konzentration eines bestimmten Elements. Die erklärenden Variablen waren (a) das Vorhandensein von Lungennematoden (LUNG_NEM); (b) das Vorhandensein von Läsionen, die auf eine frühere Lungenentzündung (PNEUMONIE) hinweisen; (c) das Vorhandensein aller anderen Läsionen zusammen, mit Ausnahme von Läsionen, die auf Thelasiose hinweisen (SONSTIGES). Die Läsionen wurden in dieser Analyse kombiniert, da jede von ihnen bei den untersuchten Tieren selten vorkam. Wir haben Läsionen, die auf Thelasiose hinweisen, nicht berücksichtigt, da fast alle Tiere an dieser Krankheit litten.

Einzelne Läsionen traten bei den untersuchten Wisenten unterschiedlich häufig auf. Am häufigsten wurden Läsionen gefunden, die auf eine Thelasiose hinwiesen (97 %, bei 61 von 63 Ind.), das Vorhandensein von Lungennematoden (41 %, bei 26 von 63 Ind.) und Läsionen, die auf eine frühere Lungenentzündung hinwiesen (22 %, bei 14 von 63 Ind.). 63 Ind.). Andere Arten anatomopathologischer Läsionen wurden nur bei ein bis drei Personen gefunden (Ergänzungstabelle S3).

Die Diskriminanzanalyse zeigte deutliche Unterschiede im Mineralstoffstatus in den Gruppen von Personen mit einem, zwei und drei Arten klinischer Symptome, auch ohne Berücksichtigung der Art der Läsion (Abb. 2). Komorbiditäten unterschieden den Wisent deutlich hinsichtlich der Konzentration der Elemente. Europäische Bisons der Gruppe C (mit drei oder mehr Arten klinischer Symptome) unterschieden sich von den anderen Gruppen (A und B), aber auch Gruppe B (Tiere mit zwei Arten klinischer Symptome) unterschied sich von Gruppe A (Europäische Bisons mit einer Art). des klinischen Zeichens). Daher verursacht jede nachfolgende Erkrankung einen deutlichen mehrdimensionalen Effekt auf die Leberkonzentrationen der untersuchten Elemente. Die analysierten Daten können mittels zweier Diskriminanzfunktionen (F1 und F2) beschrieben werden, die 100 % der Variabilität beschreiben (Abb. 2, Tabelle 1). Die Konzentration der Elemente ist in der Ergänzungstabelle S4 dargestellt.

Diagramm der Funktionen F1 und F2, die bei der Diskriminanzanalyse des Mineralstatus der drei europäischen Bisongruppen mit unterschiedlicher Anzahl an Läsionen verwendet wurden (Gruppe A – ein Typ klinischer Symptome; Gruppe B – zwei Arten klinischer Symptome; Gruppe C). – drei oder mehr Arten klinischer Symptome) basierend auf der ICP-OES-Analyse von 40 Elementen in Leberproben. Der kumulative Unterscheidungswert der Funktionen F1 und F2 beträgt 100 %. Die Zahl wurde in Statistica v13.3 (https://www.statsoft.pl/statistica_13/) und CorelDRAW Standard 2020 (https://www.corel.com) generiert.

Insgesamt wurden 53 statistisch signifikante Korrelationen zwischen den analysierten Elementen gefunden (Ergänzungstabelle S5). Es überwogen positive Beziehungen (37 positive Beziehungen und 16 negative Beziehungen). Von den 19 analysierten Elementen zeigte nur Fe keine lineare Beziehung zu den anderen Elementen. Am häufigsten korrelierten Ca oder Se mit anderen Elementen, beide korrelierten jedoch mit sechs Elementen (Ca korrelierte mit Cd, Mg, Ni, Se, V und Zn; Se korrelierte mit As, Ca, Cd, Hg, Li und Mg). Die Korrelationen waren schwach, wobei der Wert von Pearsons r in keinem von ihnen 0,5 überstieg. Die stärksten Beziehungen traten paarweise auf: Al–Zn (r = 0,480), As–Se (r = − 0,457) und Cd–Se (r = 0,459).

Eine detaillierte Analyse ausgewählter Elemente ergab, dass bei acht Elementen ein Zusammenhang mit Alter, Geschlecht oder Komorbiditäten festgestellt werden konnte. Nur zwei Elemente (Cd und Ni) korrelierten mit dem Alter der Tiere (Ergänzungstabelle S6). Allerdings zeigte nur die Cadmiumkonzentration einen positiven Zusammenhang mit dem Alter. Sechs Elemente unterschieden sich je nach Geschlecht (Ca, Cu, Mg, Mo, Ni, Zn), und Frauen wiesen stets geringere Konzentrationen dieser Elemente auf als Männer (Abb. 3). Von den 19 analysierten Elementen zeigten drei signifikante Unterschiede in Bezug auf Komorbiditäten: Cu, Se und Zn (Abb. 4). Europäische Bisons mit einer geringeren Häufigkeit verschiedener Läsionen hatten eine höhere Cu-Konzentration. In zwei weiteren Fällen (Se, Zn) sind die Konzentrationen dieser Elemente umso höher, je zahlreicher die Läsionen sind (Gruppen B und C). Dennoch unterschied sich im Fall von Zn Gruppe A deutlich von Gruppe B, nicht jedoch von Gruppe C; Im Fall von Cu und Se unterschied sich Gruppe A statistisch von den beiden Gruppen B und C (Abb. 4).

Mittlere (± SE) Leberkonzentration von Ca, Cu, Mg, Mo, Ni, Zn in Bezug auf das Geschlecht. Alle paarweisen Vergleiche waren statistisch signifikant (p < 0,05) in den allgemeinen (für Ca, Mg, Mn, Mo und Ni) oder verallgemeinerten (für Cu und Zn) linearen Modellen (Messeinheiten gelten nicht für Mo, das BOX-Cox-transformiert wurde). ). Die Zahl wurde in SPSS v24.0 (https://www.ibm.com/products/spss-statistics) und CorelDRAW Standard 2020 (https://www.corel.com) generiert.

Mittlere (± SE) Leberkonzentration von Cu, Se und Zn in den drei Gruppen europäischer Bisons im Hinblick auf das Vorhandensein von Komorbiditäten (Einzelheiten siehe Methoden). Rote horizontale Linien zeigen die statistische Signifikanz der paarweisen Vergleiche (p < 0,05) im allgemeinen (Se) oder verallgemeinerten (für Cu und Zn) linearen Modell an. Die Zahl wurde in SPSS v24.0 (https://www.ibm.com/products/spss-statistics) und CorelDRAW Standard 2020 (https://www.corel.com) generiert.

Eine lineare Modellanalyse bestimmter Läsionstypen in Bezug auf die Elementkonzentration in der Leber europäischer Bisons zeigte keinen statistisch signifikanten Effekt für Cu (Tabelle 2). Im Fall von Zn zeigte die Kategorie ANDERE, die verschiedene Arten von Veränderungen umfasst, einen signifikanten Effekt im Modell. Im Fall von Se führten lediglich Veränderungen, die auf Lungennematoden hindeuteten, zu einer signifikanten Differenzierung des Wisents hinsichtlich der Konzentration dieses Elements in der Leber (Tabelle 2).

In dieser Arbeit haben wir anhand von relativ umfangreichem und einzigartigem Forschungsmaterial erhebliche Defizite in der Konzentration wichtiger Elemente sowie Zusammenhänge zwischen dem Mineralstoffstatus und Komorbiditäten bei den untersuchten Tieren aufgezeigt. Im Folgenden versuchen wir aufzuzeigen, welche ökologischen und physiologischen Mechanismen für diese Ergebnisse verantwortlich sein könnten.

Die Leber ist ein wichtiges Speicherorgan für den labilen Pool essentieller Spurenelemente im Körper24 und dort findet die Synthese der meisten Akute-Phase-Proteine, also der Metalltransportproteine25, statt. Die Konzentration bestimmter Elemente in der Leber spiegelt deren Konzentration und Verfügbarkeit in der Umwelt wider. Infolge von Entzündungen und Infektionskrankheiten kommt es jedoch zu einer Umverteilung von Elementen zwischen Gewebe und Blut, die durch eine infektionsbedingte Synthese von metallbindenden (Transport-)Proteinen, einschließlich Akute-Phase-Proteinen, und Antagonismus zwischen Spurenelementen ausgelöst wird26,27 ,28,29,30. In unserer Studie haben wir es wahrscheinlich mit einer kombinierten Wirkung dieser Prozesse zu tun, und zwar sowohl hinsichtlich des Gehalts (Verfügbarkeit) bestimmter Elemente in der Umwelt als auch physiologischer Störungen, die durch Krankheitszustände und Elementantagonismen verursacht werden.

Im Vergleich zu den Referenzwerten für Rinder31 weisen die beobachteten durchschnittlichen Leberwerte von Cu und Se auf deren Mangel im Körper hin. Einer der Hauptgründe für den Mangel an diesen Mikroelementen im Gewebe von Wiederkäuern ist die schlechte Bioverfügbarkeit und/oder ein geringer Gehalt dieser Mikroelemente im Boden, in dem diese Tiere leben32. In Polen beträgt der durchschnittliche Se-Gehalt im Boden 0,27 mg kg-1 dw33, während laut der Arbeit von Gupta & Gupta34 ein Se-Gehalt im Bereich von 0,1–0,6 mg kg-1 als Defizit gilt. Daher wird in Polen häufig ein Se-Mangel im Gewebe frei lebender Wiederkäuer beobachtet, darunter auch Wisente10,11,35,36. Darüber hinaus können hohe S- und Mo-Werte im Boden und in der Nahrung (trotz eines angemessenen Cu-Gehalts) die Cu-Absorption im Darm von Wiederkäuern erheblich verringern und so einen sekundären Mangel an diesem Mikroelement hervorrufen37,38. Die Anwendung von N und P kann auch zu einer Verdünnung von Cu im Gewebe von Kulturpflanzen führen39. Darüber hinaus kann Cd direkt mit Cu um Absorptionsstellen konkurrieren40,41. Im Bieszczady-Gebirge wurde eine hohe Cd-Konzentration festgestellt, und europäische Bisons fressen in diesem Gebiet Feldfrüchte42.

Eines der Hauptsymptome eines Se- und Cu-Mangels bei Rindern ist die Anfälligkeit dieser Tiere für Infektionen43,44,45. In dieser Arbeit hatte die untersuchte Gruppe von Tieren sowohl einen Se- als auch einen Cu-Mangel und mindestens eine Art Krankheitssymptom (61 von 63 Tieren wiesen einen Cu-Mangel und 53 der 63 Tiere einen Se-Mangel auf). Es könnte daher vermutet werden, dass dieser gleichzeitige Mangel an Se und Cu zu einer Verschlechterung der Gesundheit des europäischen Bisons führte. Die Rolle von Cu und Se im Immunsystem ist unter anderem antioxidativ: Cu fungiert als Cofaktor für die Cu/Zn-Superoxidase-Dismutase (Cu/Zn-SOD) und Se ist im aktiven Zentrum der Glutathionperoxidasen (GPx) essentiell. 46,47. Darüber hinaus ist ein weiteres Cu-Protein, die Cytochrom-C-Oxidase, ein integraler Bestandteil der Sauerstoffkette und an der ATP-Bildung beteiligt. Es ist bekannt, dass Cu-Mangel bei Rindern die Aktivität von Cu/Zn-SOD und Cytochrom-C-Oxidase in Leukozyten verringert48. Zu den weiteren Immunfunktionen von Cu und Se gehören ihre Rolle bei der T-Zell-Proliferation und -Differenzierung (Se und Cu) und ihre Beteiligung an der direkten antimikrobiellen Wirkung (Cu)46. Darüber hinaus sind essentielle Spurenelemente (Cu, Zn) auch integrale Bestandteile von Coeruloplasmin und Zn-bindendem Metallothionein (Akutphasenproteine vom Cu-Protein-Typ), wobei letzteres während der akuten Phase einer Infektionskrankheit produziert wird26.

Im untersuchten Gewebe steigen mit zunehmender Komorbidität (zwei oder mehr Erkrankungen pro Person) die Konzentrationen von Zn und Se, während der Cu-Gehalt abnimmt. Ähnliche Ergebnisse, d. h. ein Anstieg des Zn-Spiegels während der Erkrankung, wurden bei Ratten mit Adjuvans-Arthritis30, bei Mäusen, die mit Coxsackievirus B327 infiziert waren, und bei Mäusen mit Sepsis49 beobachtet. Rhodes et al.50 fanden heraus, dass eine Malabsorption von Cu bei amerikanischen Bisons durch eine erhöhte Absorption von Se, Mo oder Zn sowie durch Parasitenbefall verursacht werden könnte. Diese Autoren kamen zu dem Schluss, dass ein Ungleichgewicht der Spurenelemente und ein Parasitenbefall zum verringerten Gewicht und der verringerten Geburtenrate der Tiere beitrugen. Ein charakteristisches Merkmal der meisten akuten Infektionskrankheiten (unabhängig vom sie verursachenden Faktor) ist eine Abnahme des Zn-Spiegels und ein Anstieg des Cu-Spiegels im Serum (Anstieg des Cu/Zn-Verhältnisses)28,51. Hier war beim untersuchten europäischen Bison der Anstieg des Zn-Spiegels in der Leber (statistisch im Zusammenhang mit Komorbiditäten beim europäischen Bison) wahrscheinlich das Ergebnis der Mobilisierung dieses Elements aus dem Serum in die Leber, wohingegen der Rückgang des Cu-Gehalts in der Leber hing mit einer erhöhten Freisetzung von Cu aus diesem Gewebe in das Serum zusammen. Chronische Entzündungen fördern die Umverteilung von Zn aus dem Plasma in die Leber, was unter anderem durch die durch Entzündungsfaktoren induzierte Expression des Zn-Importers (ZIP14) und die Synthese von Metallothionein im Lebergewebe erklärt wird49,52. Darüber hinaus kann eine übermäßige Coeruloplasmin-Synthese während einer Entzündung dazu führen, dass Cu aus anderen Geweben entzogen wird, insbesondere aus der Leber, die der Hauptort der Synthese dieses Proteins ist53.

Bei den untersuchten europäischen Bisons wurden bei Individuen mit einer größeren Anzahl pathologischer Veränderungen auch höhere Konzentrationen von Se in der Leber beobachtet als bei Individuen mit nur einer Art von Läsion. Dieses Ergebnis legt nahe, dass der Se-Metabolismus durch eine Zunahme der Anzahl von Läsionen beeinflusst werden kann, da die Akkumulation von Se in der Leber bei einer größeren Anzahl von Läsionen beobachtet wurde. Die Daten in der Literatur zum Einfluss von Krankheitszuständen (Infektionen) auf die Se-Konzentration in der Leber sind recht unklar54,55,56,57. Es lässt sich jedoch spekulieren, dass die in unserer Studie beobachtete erhöhte Se-Anreicherung auf Veränderungen im Körper während einer Entzündung zurückzuführen sein könnte. Insbesondere während der Entzündung, die mit Infektionen einhergeht, erhöht sich die Durchlässigkeit der Blutgefäße, was zu einem erhöhten Se-Transfer aus dem Blutkreislauf in das Gewebe führen könnte47.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse haben neben dem kognitiven Aspekt auch eine praktische Dimension, denn sie zeigen deutlich, dass es bei der Erforschung des Mineralstoffstatus einer bestimmten Tierpopulation darauf ankommt, den Gesundheitszustand der untersuchten Tiere zu berücksichtigen Einzelpersonen. Es stimmt, dass es immer noch große Wissenslücken gibt und weitere Forschung erforderlich ist, um verlässliche Aussagen über den Gesundheitszustand geschützter Arten zu treffen. Leider sind die Möglichkeiten zur Durchführung solcher Tests oft begrenzt, weshalb die erzielten Ergebnisse mit großer Vorsicht betrachtet werden sollten. Die Ableitung des Mineralstoffstatus einer bestimmten Tierpopulation auf der Grundlage zufällig gewonnener Proben toter Individuen kann zu einem unvollständigen und verzerrten Bild der Population führen, insbesondere im Fall von Arten, die anfällig für Krankheiten sind, wie z. B. Europäische Bisons. In manchen Fällen kann jedoch die Analyse des Gehalts an Mikro- und Makroelementen in Haaren, die in vivo entnommen wurden, als Indikator für den Mineralstoffstatus von Wildtieren nützlich sein58. Dennoch zeigen die Ergebnisse unserer Forschung, dass der Mineralstoffstatus eines Individuums in einer bestimmten Population bereits durch eine einzige Krankheit/Krankheit erheblich beeinflusst werden kann. Dies zeigt, wie wichtig eine professionelle und gründliche tierärztliche Untersuchung der Person ist, von der Proben für die Laboranalyse entnommen werden. Gleichzeitig zeigt es den Bedarf an interdisziplinärerer Forschung zu Arten wie dem europäischen Bison, die ökologische, konservierende, physiologische und veterinärmedizinische Aspekte miteinander verbindet.

Die während der aktuellen Studie generierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Vor Beginn der Studie wurde eine Genehmigung vom Generaldirektor für Umweltschutz eingeholt. Diese Arbeit wurde vom Waldfonds Polen im Rahmen des „Komplexen Projekts zum Schutz europäischer Bisons durch staatliche Wälder“ [Vertrag Nr. OR.271.3.10.2017] unterstützt. Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Abteilung für Tiergenetik und Tierschutz, Warschauer Universität für Biowissenschaften (SGGW), Ciszewskiego 8, 02-786, Warschau, Polen

Daniel Klich, Marlena Wojciechowska und Wanda Olech

Abteilung für Biomedizin und Umweltforschung, Katholische Universität Johannes Paul II. Lublin, Konstantynów 1J, 20-708, Lublin, Polen

Rafał Łopucki & Iwona Zwolak

Kreisveterinärinspektion, Młynarska 45, 38-500, Sanok, Polen

Stanislaw Kaczor

Abteilung für Lebensmittelhygiene und Schutz der öffentlichen Gesundheit, Institut für Veterinärmedizin, Warschauer Universität für Biowissenschaften (SGGW), Nowoursynowska 166, 02-787, Warschau, Polen

Anna Didkowska

Institut für Agrarphysik, Polnische Akademie der Wissenschaften, Doświadczalna 4, 20-290, Lublin, Polen

Dariusz Wiącek

Abteilung für Pathologie und Veterinärdiagnostik, Institut für Veterinärmedizin, Warschauer Universität für Biowissenschaften (SGGW), Nowoursynowska 166, 02-787, Warschau, Polen

Wojciech Bielecki

Das Institut für Biowissenschaften, die Katholische Universität Johannes Paul II. Lublin, Konstantynów 1 H, 20-708, Lublin, Polen

Kajetan Perzanowski

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DK konzipierte die Ideen und entwarf die Methodik; DK, SK, KP und MW sammelten das Material und die Daten; DK, R.Ł. und DW führten Laborarbeiten durch, DK und R.Ł. analysierte die Daten; DK, R.Ł., IZ, AD und WB leiteten die Erstellung des Manuskripts. SK, DW, KP, MW und WO überprüften das Manuskript, WO erhielt Fördermittel. Alle Autoren haben sich kritisch an den Entwürfen beteiligt und die endgültige Freigabe zur Veröffentlichung erteilt.

Korrespondent ist Daniel Klich.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Klich, D., Łopucki, R., Kaczor, S. et al. Komorbiditäten und Konzentration von Spurenelementen in der Leber europäischer Bisons aus dem Bieszczady-Gebirge (Polen). Sci Rep 13, 4332 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31245-z

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Eingegangen: 12. November 2022

Angenommen: 08. März 2023

Veröffentlicht: 15. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31245-z

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