Oral Bioavailability of Flavonoids and Their Effects on the Metabolic and Antioxidative Status in Neonatal Calves

Maciej, Josefine

Flavonoids are secondary plant metabolites with numerous health-promoting properties. The feeding industry widely use flavonoids as ʽgreenʼ feed supplements even scientific evidence of their value are often hypothetical. Due to their high susceptibility to diseases, the use of flavonoids in neonatal calves might be especially useful. However, to determine biological effects in vivo, flavonoids must be systemically available in calves, but this is not known yet. Therefore, the aim of this study was to determine BV and their biological effects of the most abundant flavonoids quercetin and catechin in neonatal calves. In part one of the study, calves (n = 7 per group) were fed quercetin as aglycone or as glucorhamnoside rutin or no flavonoid (control group) on d 2 and 29 of life. Blood samples were taken in defined time intervals before and until 48 h after flavonoid administration via jugular vein catheters. Quercetin and its methylated (isorhamnetin, tamarixetin) and dehydroxylated (kaempferol) metabolites were analyzed in blood plasma using HPLC with subsequent fluorescence detection. It was shown that quercetin is systemically available both as aglycone and as rutin in neonatal calves, but BV of quercetin aglycone was higher than BV of rutin as previously shown in monogastric species. Furthermore, BV of quercetin and its metabolites was greater on d 2 than on d 29 of life and the proportion of quercetin metabolites differed greatly between the two d, which possibly can deduced to maturation of the gastrointestinal tract. In part two of the study effects of a three-wk administration of quercetin aglycone, rutin or a green tea extract containing mainly catechins, on performance, health, and the antioxidative capacity and oxidative stress in neonatal calves were evaluated. A fourth group was used as control group (n = 7 calves per group) and did not receive any flavonoid sopplementation. No group differences were found for zootechnical parameters, but a slight benefit in health status when catechins were fed. Effects of flavonoid feeding on metabolic status were not seen in this study, but total protein, albumin, urea, lactate, glucose, NEFA, insulin, and cortisol reflected typical time changes during postnatal calf development. Markers of the antioxidative capacity in blood plasma (TEAC, FRAP) showed incisive differences in time, seen in a sharp increase of TEAC and in a decrease of FRAP plasma concentrations postpartum. However, oxidative stress markers (TBARS, F2-isoprostanes) did not illustrate distinct group and time effects due to great interindividual variances. Taken together, this study clearly demonstrated that the bioavailability of quercetin is determined by its chemical form and depends to a major extent on physiological processes of digestion and gastrointestinal maturation in calves. In contrast, the influence of flavonoids on the antioxidative status did not show clear results, thus an improvement of the antioxidative status in neonatal calves by flavonoid administration cannot be confirmed by this study.

Flavonoide sind sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, denen zahlreiche gesundheits-fördernde Eigenschaften zugesprochen werden. In der Futtermittelindustrie haben Flavonoide deshalb als „grüne“ Zusatzstoffe bereits weitreichend Einzug erhalten, auch wenn wissenschaftlich fundierte Nachweise bezüglich ihrer Wirkung im Nutztier oftmals hypothetisch sind. Besonders für neugeborene Kälber scheint aufgrund ihrer erhöhten Krankheitsanfälligkeit der Einsatz von pflanzlichen Zusatzstoffen sinnvoll. Allerdings müssten Flavonoide für biologische Effekte systemisch im Kalb verfügbar sein, wofür es bis jetzt noch keine Belege gibt. Somit war es Ziel dieser Arbeit die Bioverfügbarkeit und die biologischen Effekte der weit verbreiteten Flavonoide Quercetin und Catechin beim neugeborenen Kalb zu untersuchen. Dazu erfolgte im ersten Teil dieser Studie die Fütterung von Quercetin als reines Aglykon oder mit entsprechendem Zuckerrest als Glukorhamnosid Rutin am 2. und 29. Lebenstag der Kälber (n = 7 pro Gruppe). Vor, sowie bis zu 48 Stunden nach der Flavonoidapplikation, wurden in definierten Zeitabständen Blutproben gewonnen und der Gehalt an Quercetin sowie der jeweiligen methylierten (Isorhamnetin, Tamarixetin) und dehydroxylierten (Kaempferol) Metaboliten mittels Hochleistungsflüssigkeits-chromatographie mit anschließender Fluoreszenzdetektion analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass Quercetin sowohl als Aglykon als auch als Rutin systemisch im Kalb verfügbar war, wobei die systemische Verfügbarkeit von Quercetin nach Fütterung des Aglycons höher war als nach Fütterung von Rutin. Weiterhin wurde am 2. Lebenstag eine deutlich höhere Bioverfügbarkeit von Quercetin und seinen Metaboliten festgestellt als am 29. Lebenstag. Auch war der Anteil der einzelnen Quercetinmetabolite an der Gesamt¬flavanolkonzentra¬tion im Blutplasma stark verändert, was möglicherweise auf den unterschiedlichen Grad der Darmentwicklung am 2. und 29. Lebenstag zurückgeführt werden kann. Im zweiten Teil der Studie wurde die Leistungsentwicklung, der Gesundheitsstatus sowie die antioxidative Kapazität und der oxidative Stress bei Kälbern untersucht, denen über einen Zeitraum von drei Wochen entweder Quercetin in Form des Aglycons oder als Rutin oder ein Grünteeextrakt, der hauptsächlich Catechine enthielt, verabreicht wurde. Eine vierte Kälbergruppe bekam keine Flavonoide zugefüttert und diente als Kontrollgruppe (n = 7 pro Gruppe). Hierbei konnten in den erhobenen zootechnischen Parametern keine Gruppenunterschiede, jedoch ein leichter Vorteil durch die Fütterung von Catechin im Gesundheitsstatus, festgestellt werden. Effekte der Flavonoidfütterung auf den Stoffwechsel der Kälber, ausgedrückt durch Gesamtprotein, Albumin, Harnstoff, Laktat, Glukose, nicht-veresterte Fettsäuren, Insulin und Cortisol, konnten in dieser Studie nicht dargelegt werden, jedoch wiesen diese Parameter entwicklungsphysiologische Zeitveränderungen auf. Marker der antioxidativen Kapazität im Blutplasma (TEAC, FRAP) zeigten prägnante Zeitunterschiede, ausgedrückt durch einen deutlichen Anstieg der TEAC und einen ausgeprägten Abfall der FRAP nach der Geburt. Marker für den oxidativen Stress (TBARS, F2-Isoprostane) hingegen zeigten im Blutplasma aufgrund der starken individuellen Streuung keine eindeutigen Behandlungs- und Zeiteffekte. Zusammenfassend konnte mit dieser Studie gezeigt werden, dass die Bioverfügbarkeit von Quercetin durch dessen chemische Form determiniert ist und zum größtenteils von verdauungsphysiologischen Vorgängen und der Darmreifung des Kalbes abhängig ist. Dagegen zeigten die hier durchgeführten Untersuchungen zum Einfluss der Flavonoide auf den antioxidativen Status der Kälber keine eindeutigen Ergebnisse, so dass eine Verbesserung des antioxidativen Status nach Flavonoidgabe bei neugeborenen Kälbern mit dieser Studie nicht bestätigt werden konnte.

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Maciej, Josefine: Oral Bioavailability of Flavonoids and Their Effects on the Metabolic and Antioxidative Status in Neonatal Calves. 2015.

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