Association between Disease Severity, Heart Rate Variability (HRV) and Serum Cortisol Concentrations in Horses with Acute Abdominal Pain

Heart rate variability (HRV) is a noninvasive technique to detect changes in the autonomous nervous system. It has rarely been investigated in horses with colic. Therefore, the objective was to assess the evolution of HRV parameters and cortisol concentrations in horses with colic. The 43 horses included in this study were categorized into three groups according to the treatment (1, surgical; 2, conservative; 3, euthanized). The HRV and laboratory variables were measured at admission (T1), the day after admission (T2), and at discharge (T3) and compared between groups and over time with an ANOVA with Bonferroni correction. Relationships between the HRV parameters themselves and the laboratory variables was assessed by Pearson correlation coefficients. Evolution of the heart rate (HR) over time, mean normal to normal R intervals (meanNN) and cortisol concentrations indicate a decreased sympathetic stimulation over time in group 1 and 2, in contrast to group 3. For group 3, the meanNN and HR differed significantly to group 2 at T1 and to group 1 and 2 at T2. Treatment induced a change in the HRV and cortisol response in horses managed conservatively or surgically but not in horses that required euthanasia. However, further studies are required to assess the validity of HRV analyses in horses with colic

Heart rate variability in horses with colic

Die Herzfrequenzvariabilität (HRV) ist ein nichtinvasiver Parameter zur Erfassung der Aktivität des autonomen Nervensystems und hat in der Humanmedizin klinische Bedeutung in verschiedenen Bereichen erlangt. So wird die HRV beispielsweise als prognostischer Parameter für die Überlebenswahrscheinlichkeit nach Myokardinfarkt und zur Evaluierung von Diabetesneuropathien eingesetzt. Anwendung findet die HRV auch in der psychoanalytischen Medizin und in der Sportmedizin zur frühzeitigen Erkennung eines Erschöpfungssyndroms. Beim Pferd wurde die HRV bisher primär genutzt, um zu beurteilen, wie viel Stress die Pferde in unterschiedlichen Haltungsformen, durch unterschiedliche Trainingsmethoden und in unterschiedlichen Situationen wie Transport oder Teilnahme an Wettkämpfen tatsächlich erleiden. Nachdem es sich beim Pferd als verlässlicher Stressparameter erwies, fand die HRV auch mehr und mehr Einzug in die Pferdemedizin um verschiedene Schmerzlevel z.B. in der Hufrehetherapie beurteilen zu können oder auch um Dysautonomien bei Nervenerkrankungen wie der Equine Grass Sickness darzustellen. Vor diesem Hintergrund war es Ziel dieser Studie herauszufinden, inwieweit sich die HRV bei Pferden mit Kolik verändert und ob sich daraus eine Prognose für die Überlebenswahrscheinlichkeit oder eine Einschätzung für den Schweregrad der Kolik und damit die weitere Therapie ergeben kann. Ergänzend dazu wurden Parameter aus dem humoralen System evaluiert und zwar das alt bewährte Stresshormon Cortisol und die bisher in diesem Kontext wenig erforschten β-Endorphine. Dazu wurden 43 Pferde, die aufgrund von Kolik in die Klinik überwiesen wurden je nach Behandlungsmethode in drei Gruppen eingeteilt (Gruppe 1 = chirurgisch behandelte Koliker, Gruppe 2 = konservativ behandelte Koliker, Gruppe 3 = euthanasierte Koliker) und, soweit möglich, zu drei verschiedenen Messzeitpunkten (Tag 1 = Tag der Einlieferung, Tag 2 = Tag nach der Einlieferung, Tag 3 = Entlassungstag) untersucht. Dabei wurden die verschiedenen HRV-Parameter erhoben und das Blut u.a. hinsichtlich der Konzentration der Stressparameter β-Endorphine und Cortisol untersucht. Die β-Endorphinkonzentration wurde mittels ELISA und die Cortisolkonzentration wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie bestimmt. Die HRV wurde aus 5-minütigen EKG-Sequenzen mit Hilfe der zeit- und frequenzbezogenen Analyse ermittelt. Als zeitbezogene Parameter wurden das mittlere NN-Intervall (MeanNN), seine Standardabweichung (SDNN), die absolute und relative Anzahl der Paare benachbarter NN-Intervalle, die sich um mind. 50 ms vom vorausgehenden Intervall unterscheiden (NN50, pNN50), berechnet. Als frequenzbezogene Parameter wurden die hochfrequente Komponente (high frequency, HF, Parasympathikusaktivität) und die niederfrequente Komponente (low frequency, LF, hauptsächlich Sympathikusaktivität) der Spektralanalyse berechnet, außerdem deren Ratio LF/HF. Die Pferde aus Gruppe 1 und 3 zeigten an Tag 1 signifikant niedrigere HF-Werte und signifikant höhere LF-Werte, außerdem eine signifikant größere LF/HF-Ratio als die Pferde der Gruppe 2. HF steigerte sich im Verlauf des Aufenthalts in Gruppe 1, während LF und LF/HF abnahmen. An Tag 3 gab es keinen Unterschied mehr zwischen den Gruppen hinsichtlich HF, LF und LF/HF. Signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen bei NN50 und pNN50 gab es dahingegen erst an Tag 2, als die Koliker aus Gruppe 3, die primär aus finanziellen Gründen euthanasiert wurden, nicht mehr Teil der Gruppe waren. Hierbei fiel auf, dass Pferde mit infauster Prognose aufgrund schwerwiegender Erkrankungen wie Magen- oder Milzruptur bei beiden Parametern bereits an Tag 1 0-Werte aufwiesen. Die konservativ behandelten Pferde der Gruppe 2 hatten an Tag 1 und 2 signifikant niedrigere Cortisolwerte als die Pferde der Gruppe 1 und 3. Über den Zeitverlauf nahm die Cortisolkonzentration in allen Gruppen ab. Eine positive signifikante Korrelation ergab sich zwischen allen HRV-Parametern untereinander, außerdem zwischen Cortisol, Herzfrequenz, Hämatokrit, Laktat und der LF/HF-Ratio. Hinsichtlich der β-Endorphine gab es weder signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen noch zwischen den Messzeitpunkten noch Korrelationen zu Cortisol- oder den HRV-Parametern. Die HRV als sensitiver, nichtinvasiver Parameter und die Bestimmung der Cortisolkonzentration sind im Gegensatz zur Bestimmung der β-Endorphinkonzentration dazu geeignet, Schmerz und Stress beim Pferd mit Kolik zu erfassen, eine Entscheidungshilfe bezüglich der einzuleitenden Therapie (chirurgisch vs konservativ) zu leisten und eine prognostische Aussage zu treffen. Mit einer höheren Fallzahl von aufgrund infauster Prognose euthanasierten Pferden könnte in künftigen Studien insbesondere der Frage nachgegangen werden, ob die zeitbezogenen Parameter NN50 und pNN50, also die absolute und relative Anzahl der Paare benachbarter NN-Intervalle, die sich um mind. 50 ms vom vorausgehenden Intervall unterscheiden, tatsächlich immer 0 ergeben. Ist dies der Fall, könnte solchen Pferden ein Behandlungsversuch und den Besitzern Kosten erspart bleiben.Heart rate variability is a noninvasive parameter to assess autonomic nervous system activity. In human medicine HRV became important in different sectors. In cardiology it is established to predict probability of survival for patients after myocardial infarction. It is also applied to evaluate diabetic neuropathy and it its established in psychoanalytic medicine and sports medicine to avoid chronic fatigue syndrome. In equine science HRV has been established basically to evaluate stress in horses in different situations that might be stressful such as transport, competitions, training methods and different husbandry conditions. Since it has been proven as a reliable parameter, HRV entered equine medicine to assess different stages of pain or to illustrate dysautonomia in nerve diseases like Equine Grass Sickness. Objectives of this study were to figure out to what extent HRV in horses with colic is different and whether a conclusion can be drawn regarding predictability of survivability and the way the horse should be treated. In addition parameter of the humoral system were evaluated including well-tried cortisol and non-established β-endorphines. For that purpose 43 horses admitted to equine hospital because of colic were distributed in 3 groups (group 1 = surgical, group 2 = conservative, group 3 = euthanized) and have been examined at 3 different measuring dates (day 1 = day of delivery, day 2 = day after delivery, day 3 = day of discharge). Blood samples were taken to be examined amongst others for β-endorphines and cortisol and HRV was determined out of 5-minutes-sequences of ECG records via time and frequency domain analysis. β-endorphin concentration was determined by ELISA and cortisol concentration was determined by high performance liquid chromatography. As time related parameters mean NN-interval (MeanNN), their standard deviation (SDNN) and absolute and relative number of pairs of adjacent NN intervals differing by more than 50 ms in the entire recording (NN50, pNN50) were calculated. As frequency related parameters high frequency power (HF, parasympathetic activity) and low frequency power (LF, mainly sympathetic activity) of spectral analysis were calculated and their ratio LF/HF. On day 1 the patients out of the surgical and euthanized groups showed significant lower HF-values and significant higher LF-values and a significant higher LF /HF-ratio than the patients out of the conservative group. HF-power increased significantly during the course of the hospitalization in the surgical group while LF-power and LF/HF-ratio significantly decreased. On day 3 there was no difference between horses regarding HF-power, LF-power and LF/HF-ratio. Significant differences concerning NN50 and pNN50 were present only on day 2, when the horses out of group 3, that have been euthanized because of financial reasons for the main part, were no longer part of this study. At this juncture it was conspicuous that horses that had an infaust prognosis due to severe diseases like rupture of stomach or spleen NN50 and pNN50 were “0” already at the day of admission. Cortisol values of the conservative treated horses out of group 2 were significantly lower than the cortisol values of the horses out of the surgical and euthanized groups on day 1 and 2. During the course of the hospitalization cortisol decreased in all groups. There was a significant positive correlation between HRV parameters among each other and between cortisol, heart rate, packed cell volume, lactate and LF/HF ratio. Regarding β-endorphines there were no significant differences between the groups nor between the different measuring dates and there were no significant correlations between β-endorphines, cortisol and HRV parameters. HRV as a sensitive non-invasive parameter and cortisol is, unlike β-endorphines, suitable to assess pain and stress in horses with colic, to serve as decision support concerning the therapy (surgical vs conservative) and to predict the outcome. To pursue the question of whether the time domain parameters NN50 and pNN50, which is the number of pairs of adjacent NN intervals differing by more than 50 ms in the entire recording and NN50 count divided by the total number of all NN intervals, are consistently “0” in colicky horses with unfavorable prognosis further studies with higher caseloads are requested. In that case, horses could be saved further treatments and owners could spare costs