Nutrición y desarrollo de la glándula mamaria Kristy M. Daniels, PhD 2014 Colombia

Introducción

La Universidad de Ohio State

La Universidad de Ohio State

Embrión – feto – ternera -- vaca Biología Manejo

La crianza de ternera parece diferente USA Region tropical en Brazil

Desarrollo de la glándula mamaria Genética Ambiente Nutrición

Colombia como yo la entiendo Zona tropical pero diferentes climas Lecherias en pastoreo Cruces de razas común – Hoy, enfocados a Holstein

Algunos retos de la industria lechera colombiana, como yo los entiendo Parásitos internos y externos Adaptación de las razas lecheras para alcanzar la producción deseada (genética) Ambiente (estres por temperatura) Manejo nutricional

Las terneras de hoy serán las vacas del futuro

La crianza de terneras es costosa Los costos de criar terneras son en promedio el 20% de los costos de la finca , (Heinrichs, 1993)

Mayores costos = concentrado y labores Resumen de encuesta de Wisconsin 2013: costos de una novilla desde el nacimiento hasta el mes 23 Nacimiento a destete (69 d) costo Destete a 23 meses costo, $ Costo total $ Bajo 168 770 938 Pro 363 1,863 2,226 Alto 904 3,806 4,710 Mayores costos = concentrado y labores Hoard’s Dairyman. March 25, 2014. Feed Costs Consume Heifer Rearing Expenses. T. Kohlman Hoard’s Dairyman. March 10, 2014. Calf Care Takes Money and Time. M. Hagedorn

Beneficios de reducir la edad al primer parto Acortar periodo no productivo de la vida Leche en el tanque de enfriamiento antes Retornos sobre la inversión mas rápidos

La edad el primer parto a venido decreciendo en los últimos 25 años 27-30 Sources: Sejrsen et al., 1982; USDA, 1996, 2002, 2007

Edad al primer servicio a bajado también en los últimos 25 años 18-21 Heifers must be bred at a younger age That last slide showed that puberty was reached at oh, say 8 to 12 months Making it theoretically possible to calve heifers in at 17 to 21 months of age or so The historical data points to the passage of time before conception People don’t typically breed the animal’s on their first heat they wait a couple and/or use a combination of weight and size Recent protocol for a paper I read was at least 13 mo of age and at least 771 pounds

Peso corporal en la pubertad no ha cambiado en los últimos 25 años Ocurre alrededor de 280 a 290 kg como lo muestran: Sejrsen et al., 1982 Capuco et al., 1995 Radcliff et al., 1997 Lammers et al., 1999 Meyer et al., 2006 Zanton and Heinrichs, 2007 Entonces, ¿como bajar la edad a la pubertad? Animals must be bred sooner (younger) than they were in years past Cannot breed until sexually mature = the biology has not changed Management has changed Body weight at puberty (large-breed dairy animals, such as Holsteins) has not changed appreciably over the past 25 years These are experimental data based not solely on observed standing heats. These are based off from concentrations of blood progesterone. Once a threshold is reached, scientists interpret that as signs of a functional corpus luteum on the ovary

Pubertad alcanzada a los La edad a la pubertad puede ser reducido al incrementar la ganancia media diaria (GMD) Estudios de: Sejrsen et al., 1982 Capuco et al., 1995 Radcliff et al., 1997 Lammers et al., 1999 Meyer et al., 2006 Pubertad alcanzada a los 245 a los 359 d Heifers fed to gain faster reach setpoint sooner (YOUNGER) The age range in these studies a little over 8 mo (Meyer) up to about 12 mo (Capuco) So ~8 to 12 mo of age for “modern heifers” Equates to 245 d up to 359 days = difference in 114 days (~ 4 months)

Una ilustración para alcanzar la pubertad : llegando a un punto de partida mas rápido GMD = 1.0 kg 242 43 kg al nacimiento 285 kg pubertad _____ d a pubertad 484 GMD = 0.5 kg 285 kg pubertad _____ d a pubertad 43 kg al nacimiento

Crianza rápida y primer parto Esta parece ser una buena estrategia, cierto? Hay puntos negativos Primera lactación más baja y menores rendimientos de por vida (a veces, pero no siempre; el tiempo es importante)

De esto sabemos por casi 100 años Estudio métodos prácticos para levantar novillas Le preocupaban: Costos del concentrado La influencia de las estrategias de manejo sobre el valor del animal C.H. Eckles, circa 1916 University of Missouri Archives

Algunas novillas de Eckles animal altamente alimentado a los 30 meses animal levemente alimentado a los 30 meses 1287 lb 52.7 pulgadas a la cruz 5 meses a primer preñez 843 lb 48.4 pulgadas a la cruz 5.5 meses a primer preñez Eckles, 1915

Conclusiones mayores, 100 años atrás Animales altamente alimentados muestran rápido crecimiento del esqueleto, después se vuelven gordos Novillas altamente alimentadas fueron levemente inferiores en producción de leche “Aparentemente algunos efectos negativos en la producción de leche vinieron de la alta ración de grano”. ~ Eckles, 1915 Se puede atribuir algo de esto a la genética?

Estudio en gemelas, Swanson (1960) 7 pares de novillas gemelas Grupo de control Grupo altamente alimentado 5 pares empezaron a los 3 meses 1 par empezo a los 7 meses 1 par empezo a los 11 meses Novillas gemelas altamente alimetadas produjeron menos leche que sus hermanas “normalmemte” alimentadas.

Curva de lactación promedio de 7 pares de gemelas idénticas, comparando fuerte alimentación vs. alimentación normal antes del primer parto Figure 4 in E. W. Swanson, 1960 JDS

Producción de leche en segunda lactación, mismos animales Figure 5 in E. W. Swanson, 1960 JDS

En el estudio de Swanson (1960) Dada una genética muy similar, la baja producción de novillas altamente alimentadas llevan a sospechar que la ubres no funcionaban normalmente Posible efecto directo de la ingesta de nutrientes Se decidió entonces mirar el tejido

“Sección de la ubre de la pareja 2 que fue altamente alimentada mostrando un desarrollo incompleto del sistema lóbulo-alveolar” Fat accumulation? Or incomplete development from the get-go? Foto tomada cerca del final de la 2da lactación. Figure 6 in E. W. Swanson, 1960 JDS

Swanson también noto… Aunque números experimentales son pequeños Fue una indicación que las novillas altamente alimentadas desde las edades tempranas se vieron mas afectadas (3 meses a 7 meses de vida) Esto llevo a más estudios… E. W. Swanson, 1960 JDS

El estudio más citado en esta área La constante de equilibrio, α, indica si un órgano esta creciendo más rápido que (alometría; α > 1) o a la misma tasa que (isometría; α = 1) el cuerpo. 3 a 10 meses de edad Figure 1 in Sinha and Tucker, 1969 JDS

¿Qué está pasando acá? De ~ 3 a 10 meses de edad, la glándula mamaria crece más rápido que el resto del cuerpo (Sinha and Tucker, 1969) Esto se ve como la base para el desarrollo de la glándula mamaria reducido en novillas alimentadas con dietas de alta energía

Después de que el estudio de Sinha and Tucker fue publicado La regla del pulgar se volvió: “No sobrealimentar a sus novillas” Especialmente cuando tienen ~3 a 10 meses de edad. La glándula mamaria es muy sensible a efectos de sobrealimentación a esta edad Razón: Parece que reduce el desarrollo de la glándula mamaria y por ende, la producción de leche (inferido a partir de estudios previos)

El factor: Medir el tiempo Dietas de alta energía permiten rapida ganancia de BW y excesos de grasa de 3 a 10 meses de edad muestran un peor desarrollo de la glándula mamaria (Sejrsen and Purup, 1997; Swanson 1960) Tasas aumentadas de ganancia en los primeros 2 meses de vida? Generalmente, efectos positivos en glándula mamaria

Los primeros 2 meses de vida Estatus nutricional elevado, parece benefico (Brown et al., 2005) Muy bajo, no es perjudicial. (Meyer et al., 2006; Daniels et al., 2009) PAR appears refractory MFP directly influenced There is a whole other period of mammary gland growth/development that is just now beginning to be explored. Dr. Jim Drackely at Illinois seems quite interested, as am I personally, at that Love to get into – there is some exciting data on this in general, in sheep and beef species no reason to think that dairy cows are immune to this physiological process Mammary structures can be seen in very young embryos Nutritional imprinting Metabolic programming Dry cow diet

Producción de leche en respuesta a pre-destete o uso de lactoreemplazador Estudio Leche, kg Foldager and Krohn, 1991 1,405s Bar-Peled et al., 1998 453t Foldager et al., 1997 519t Ballad et al., 2005 (@200 DIM) 700s Shamay et al., 2005 (post-weaning protein) 981s Davis-Rincker et al., 2011 416ns Drackley et al., 2007 835ns Raith-Knight et al., 2009 718ns Terre et al., 2009 624ns Morrison et al., 2009 (no diff in calf growth) 0ns Moallem et al., 2010 (post-weaning protein) 732s Soberon et al., 2012 522s

Meta para los próximos minutos Ilustrar como las ubres crecen y se desarrollan en el tiempo Ambiente (Estrés al calor) Genética Nutrición Fotoperiodo

La ubre es un órgano único Parturition PREGNANCY SECRETORY PHASE Conception INVOLUTION Postpuberty Prepuberty Embryonic Fetal Mayoría de actividad es post-parto Crecimiento: Cambio en tamaño Desarrollo: Cambio en estructura o función No es funcional hasta la primer preñez

Origen y desarrollo de la glándula Mamaria La glandula mamaria son glándulas de piel Provienen de 2 capas embrionarias Ectodermo Mesodermo

Ectodermo Parénquima Equivalente a la piel embrionaria Origina el epitelio mamario Parénquima (PAR) Será la parte funcional de la glándula Parénquima

Mesodermo MFP Origina el tejido conectivo Mesénquima Estroma Almohadilla de grasa mamaria (MFP) Ejemplos de estructuras derivadas del mesodermo Aereolar, fibroso, y tejído conectivo elástico Adipocitos (células grasas) Nervios Vasos sanguíneos Vasos linfáticos MFP

Tejído mamario en el útero ~30días del embrión en el bovino (Tiempo de implantación) Ectodermo embrionario se engruesa por el lado ventral Mesénquima, parte del mesodermo (Rosado) = Comienzo del MFP dorsal Ectodermo (Negro) = Comienzo de parénquima ventral Adapted from Larson (1985)

Crecimiento embrionario de la Glándula Estadio Embrión Corte Edad del embrión, días Banda 32 Raya 34 Linea 35 Cresta 37 Axón 40 Brote 43

Formación del Pezón en el feto dorsal Mesénquima ventral Ectodermo Proliferación rápida de celulas del mesénquima forza el brote hacía la superficie del epitelio circundante Turner (1930)

Formación inicial del Pezón Cranial Caudal

Brotes primarios y secundarios Cranial Caudal Brote Primario Brotes secundarios Canalización del brote primario

Formación del Canal del Pezón A medida que se desarrolla el pezón, la punta se invagina. La superficie se keratiniza, formando asi el canal del pezón

Epidermis (epitelio keratinizado) Histología del Pezón. Vaca Madura; vista longitudinal Epidermis (epitelio keratinizado) Cisterna del Pezón Pliegues rosetta Esfínter (epitelio keratinizado)

Cisternas del pezón del esfínter son formadas en el periodo fetal Cranial Caudal Secondary sprouts Gland cistern Teat cistern Streak canal Hair buds

Desarrollo Mamario en el feto (adaptado de Larson, 1985) Estadío Ilusatración Días de Gestación Formación temprana del Pezón 65 Brote Primario 80 Brote Secundario 90 Canalización del Brote Primario 100 Desarrollo del pezón y de la glándula Gland Cistern Teat Cistern 110 130 Desarrollo del ligamento medio suspensorio 180

Crecimiento del embrión y de la glándula mamaria Aparentemente autónomo Efectos en: Estrés al calor Genética Nutrición de la madre Turner, 1930

Estrés al calor durante periodo seco reduce la siguiente lactancia Vacas en frío Vacas con estrés al calor Tao et al., 2011

Estrés al calor durante periodo seco afecta la proliferación de células epiteliales en la glándula mamaria Vacas en frío Vacas con estrés al calor Tao et al., 2011

Estrés al calor durante periodo seco afecta peso de la ternera al nacer Variable Estres Calórico Cooling SEM P value Peso al nacer, kg 36.5 42.5 1.2 <0.01 Peso al destete, kg 65.9 78.5 4.0 0.04 Para pensar: el estrésal calor puede afectar crecimiento de la glándula mamaria en las crias. Se requieren más estudios! Tao et al., 2011

Crecimiento y desarrollo de la glándula mamaria después de nacer Nacimiento hasta 2 meses de edad Almohadilla continua creciendo Ductos epiteliales se elongan y ramifican Invasión de la almohadilla Ventral a Dorsal Ductos epiteliales se infiltran, remodelan y reemplazan la almohadilla Toma aumentada de nutrientes, aparentemente ventajoso

La ubre: Nacimiento a 2 meses de edad. MFP PAR Nacimiento a 1 mes 1 a 2 meses Adapted from Smith; Physiology of Lactation, 1959

Novillas de 8 semanas alimentadas en una de las dos dietas Moderada Alta Item (n=5) (n=6) SEM P > F Total glándula, g 106 185 16 0.01 Total glandula, g/100 kg BW 181 255 22 0.05 Parénquima, g 1.2 4.5 0.9 0.03 Parénquima, g/100 kg BW 1.9 6.2 1.1 Almoadilla (MFP), g 10.7 36.0 4.4 0.005 Almohadilla (MFP), g/100 kg BW 18.1 49.5 6.1 0.009 Brown et al., 2005

Parénquima “invade” la almohadilla Corte transversal vertical de los cuartos traseros de una novilla prepuberta From R. M. Akers, 2002

Novilla Holstein 8 semanas de edad Epithelial tissue; parenchyma Fat pad Teat cistern Dorsal Ventral Novilla Holstein 8 semanas de edad

Tejído mamario en oveja en prepubertad, resaltando la Parénquima Disecsion de una glándula PAR a 10x

Crecimiento alométrico de la glándula en la prepubertad Toma elevada de nutrientes, es considerada mala en este momento 2 a 4 meses 4 a 9 meses Adapted from Smith; Physiology of Lactation, 1959

Crecimiento durante la gestacion en la pubertad 9 to 24 mo Toma elevada de nutrientes no esta considerada mal. Pero cuidado! From H.D. Tyler, Iowa State University Adapted from Smith; Physiology of Lactation, 1959

Ubre en lactante Tejído glandular

Glándula en lactante

Génetica y crecimiento de la glándula Holsteins puras (Comparadas a Gyr) muy probablemente tendrán: Mayor número de células epiteliales al nacer Estas, tienen potencial de producción de leche Ventaja para toda la vida Mayor actividad de producción por célula por lactancia Evidencia: Estudio comparativo de crecimiento y desarrollo de glándula mamaria entre novillas Hereford y Holstein (Keys et al., 1989)

Keys et al., 1989

Fotoperiodo Novillas Lactantes Secas Mecanismo endocrino incluye Melatonina y IGF-I (Insulin-like growth factor 1) Manipulation of photoperiod to increase mammary growth and milk yield

Percepción y transducción de señal del fotoperiodo Light impinging on eye stimulates retina photoreceptors that transmit an INHIBITORY signal to the pineal gland of brain Internerouns, carry signals back to brain

Fotoperiodo y lactancia Luz llega al ojo, estimula los receptores de luz en la retina que transducen una señal INHIBITORIA a la glándula pineal del cerebro

Localización de la glándula pineal en relación a otras estructuras

La glándula pineal “Tercer ojo” Aceptada como la mediadora activa de efectos del fotoperiodo Luz inhibe la actividad de la N-acetiltransferasa, enzima que regula la sintesis de malatonina Secreción de Melatonina es muy baja durante la exposición a la luz Secreción de Melatonina es muy alta en la oscuridad Darkness is critical; in absence of darkness – animals can’t track day length anymore and circadian rhythms get out of whack. Experimental blinding and removal of pineal gland result in loss of photoperiodic response / rhythmic melatonin release

Oscuridad es Critica En ausencia de oscuridad – animales no pueden tener noción del día, y el ritmo circadiano se interrumpe Ritmo Circadiano Del Latin: circa, “alrededor”; diem, ”día" Manejado endogenamente, ciclo de ~24h ”Incluido" (Autosostenible), acciones fisiológicas que se ajustan a señales externas Señal primaria = luz del día Experimental blinding and removal of pineal gland result in loss of photoperiodic response and rhythmic melatonin release

Estudios en Venados Rojos En primavera (días largos): Incremento del tamaño corporal Incremento en IGF-I Decrece la melatonina Light hitting the eye of the cow activates certain hormones. The first response is to send a signal to suppress the release of the hormone melatonin. Cows use the daily pattern of melatonin to set their internal clock, influencing the secretion of a number of other hormones, including insulin-like growth factor-1 (IGF-1). Increases in IGF-1 influence the mammary gland to increase milk production. So increasing the hours of daylight decreases the amount of melatonin in the cow, which in turn increases the production of IGF-1, which increases milk production.

In Ganado… Luz que llega al ojo, suprime la secreción de melatonina Vacas usan patrón del día para mantener el reloj interno influenciando la secreción de IGF-I (Insulin-like growth factor 1) 24 h of light is bad 24 h of darkness is bad How much light is “best”?

IGF-I en el Ganado… Incrementos en IGF-I aumenta crecimiento de la glándula y producción de leche. Entonces, incremento en horas del dia, disminuye cantidad de melotonina en la vaca. Esto aumenta produccion de IGF-I, lo cual incrementa crecimiento de la glándula y por ende, producción de leche

Manipulación del fotoperiodo en novillas prepubertas 4 meses en uno de los dos fotoperiodos Fotoperiodo de Día corto 8 h 16 h Fotoperiodo de Día Largo 16 h 8 h Al final, Fotoperiodo de dia largo aumentó IGF-I, Parénquima y tejído

Manipulación del fotoperiodo en lactantes Switch from 8 h 16 h Fotoperiodo de Día corto 16 h 8 h Fotoperiodo de Día largo That’s about 5.5 pounds/cow/d!

Manipulación del fotoperiodo en lactantes Día Corto Día largo Hatched bar = when photoperiod was imposed Need to add reference to these graphs Dahl, 2000

Producción aumenta al menos Resumen de estudios con incremento en el fotoperiodo en lactantes establecidas Producción aumenta al menos 2.5 kg/vaca/día Dahl and Peticlerc, 2003

Manipulación del fotoperiodo en lactantes 16 h 8 h Fotoperiodo de Día largo Esta vez, alimentaron con melatonina tambien Efecto del fotoperiodo? Dia Largo + melatonina Dia Largo PHOTOPERIOD EFFECT? Similar to short days – didn’t see the IGF-I or growth effects Dahl, 2000

Manipulación del fotoperiodo en el periodo seco Cual es mejor esta vez?? 8 h 16 h Dia Corto 16 h 8 h Día Largo That’s about 5.5 pounds/cow/d!

Manipulación del fotoperiodo en el periodo seco Energy-corrected milk yield At calving, all cows returned to natural photoperiod conditions (Jan to June in Maryland, USA) INSET = avg ME of milk for the previous lactation, confirming that the groups were uniform with regard to production potential. En la siguiente lactancia Dahl, 2000

Fotoperiodo de día corto para vacas secas Parece que “Resetea” la habilidad de la vaca para responder a fotoperiodos de dia largo en la proxima lactancia Esto implica, desde un punto de vista biológico que las cas secas NO deberian tener la misma luminosidad que vacas lactantes Limiting light exposure of the dry cows to less than 12 hours each day allows their internal clock to reset, ensuring that during their next lactation a long-day photoperiod can again affect milk yield.

Dónde están las mayores oportunidades? Columbus is about 39 Dahl, 2000

Mapa de latitudes en USA Columbus, 4/25/14 Amanece, 6:40 AM Puesta del sol, 8:20 PM Northern locales stand to benefit most from natural photoperiod variations Longitud del día= 13h, 40 min Mayoría de Junio, Columbus tendrá 15 h de luz natural

Luz Natural y luz suplementaria A well-lit barn improves efficiency, comfort and safety.

Manejo de la longitud del periodo seco: Importancia del periodo seco? Un periodo seco es necesario para regeneración de tejído y células por ende, crucial para obtener máximas producciones de leche. Ciclo de Lctancia ideal para Holsteins (USA) 10 meses lactando 305 días 2 meses secas (Periodo seco) 60 días

Manejando el periodo seco RESUMEN NACIONAL DESEMPEÑO PRODUCTIVO Y REPRODUCTIVO ABRIL 2011 Indicador Valor Producción de leche diaria, kg 20.6 Promedio edad a primer parto, meses 31.9 Tiempo entre partos, meses 15.0 Días secos 96 Días en leche 205 Pico de producción, kg 28.1 http://www.holstein.com.co/index.php?doc=raza

Investigación que incluye periodo seco óptimo se enfoca en: Ganar más dias productivos No perdiendo producción en proxima lactancia Dias secos Producción de leche en prox. lactancia. <14 >90 45 a 70

Fisiología mamaria durante la involución Involución activa Involución mantenida Re-desarrollo Colostrogénesis y lactogénesis

1. Involución Activa Transición entre glándula activa a inactiva Empieza con al cesacion de ordeño Destete Secar las vacas Resultados de “milk stasis” En vaca, completo en 30 días despues del secado

Reversión hacia fenotipo indiferenciado

Día 0 de involución (Lactando normal) apical Nucleo Holst et al., 1987; J. Dairy Sci

Día 30 de involución apical No hay evidencia de vacuolas o secreción Nucleo Holst et al., 1987; J. Dairy Sci

Día 0 de involución (Lactancia Normal) Holst et al., 1987; J. Dairy Sci

Día 30 de Involución Alveolos colapsados Más estroma Holst et al., 1987; J. Dairy Sci

Colapso alveolar

2. Involución mantenida (mid dry period) Longitud de este periodo depende del total de días de periodo seco Si la involución activa dura ~4 semanas para completarse y redesarrollo toma 3 a 4 semanas, entonces estadío mantenido es muy corto o inexistente. Activo: ~4 sem = ~28dias Mantenido: variable Redesarrollo: ~3 to 4 sem = 21 a 28 días Base para tener 45 – 60 días de periodo seco 28 + 21 = 49 28 + 28 = 56 So the steady state may not be needed in cattle even

3. Redesarrollo Transición de inactivo a estadío activo División Celular (Nuevas células) Diferenciación de (lactogénesis) No se conoce mucho. Pero, empieza 3 a 4 sem preparto

Embrión – Feto – Ternera – Novilla -- Vaca Biología Manejo

GRACIAS! PREGUNTAS? daniels.412@osu.edu