Gedefinieerd als een toestand van zuurstoftekort, kan hypoxie unieke cellulaire en moleculaire reacties uitlokken die van cruciaal belang zijn voor het begrijpen van zijn rol in verschillende pathologieën. Het kan ontwikkelingssequenties verstoren, wat leidt tot moleculaire, cellulaire en neuronale veranderingen en verwondingen. Bovendien onderbreekt vroege blootstelling aan hypoxie de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel (CZS), waardoor de axonale connectiviteit en de ontwikkeling van synapsen worden belemmerd1.
Bovendien, hoewel is aangetoond dat hypoxie nadelige effecten heeft op de ontwikkeling van het CZS, kan het ook een cruciale fysiologische rol spelen onder specifieke omstandigheden, zoals tijdens de embryogenese. Normale fysiologische hypoxie verwijst naar een situatie waarin het zuurstofgehalte van nature laag is tijdens de embryonale ontwikkeling op een gunstige manier. Dit proces stelt embryonale cellen in staat energie te produceren door het anaërobe metabolisme te bevorderen, ondersteunt de ontwikkeling van de bloedsomloop door de vascularisatie te versnellen, zorgt voor een goede ontwikkeling van het hart en de botten en stimuleert de migratie van neurale lijstcellen2. Omgekeerd kan hypoxie die buiten de fysiologische context optreedt, nadelige effecten hebben op de ontwikkeling en de algehele gezondheid, inclusief de embryonale ontwikkeling, wat kan leiden tot vroeggeboorte of zelfs embryonale letaliteit1. Het is daarom een groot probleem voor de volksgezondheid, aangezien veel pasgeborenen tijdens de normale bevalling hypoxische aandoeningen ervaren, vaak zonder onmiddellijke herkenning door verzorgers of medisch personeel3. Bovendien zijn afwisselingen in neuronale connectiviteit geassocieerd met hypoxie gekoppeld aan neurologische ontwikkelingsstoornissen, waaronder autismespectrumstoornissen (ASS) en verstandelijke handicaps1.
Vanuit een moleculair perspectief kan hypoxie de neurologische ontwikkeling beïnvloeden door de expressie van genen die synaptische functies reguleren te veranderen, waardoor de neuronale connectiviteit wordt verstoord en wordt bijgedragen aan de ontwikkeling van neurologische ontwikkelingsstoornissen4.
Klinisch gezien beïnvloedt neonatale hypoxie de ontwikkeling van het CZS via hormonale en metabole routes1. Als reactie op acute hypoxie geeft de hypothalamus snel het corticotropine-releasing hormoon en argininevasopressine af, dat vervolgens de afgifte van adrenocorticotroop hormoon uit de hypofysevoorkwab veroorzaakt, gevolgd door de productie van glucocorticoïden in de foetale bijnierschors en de mate van deze respons is gecorreleerd met de intensiteit en duur van hypoxie. Deze snelle respons van de hypothalamus-hypofyse-bijnier (HPA) -as op acute stress onderstreept de cruciale rol van glucocorticoïden bij het beperken van de fysiologische effecten van stress en het handhaven van foetale homeostase door geassocieerde genexpressie, eiwitsynthese en cellulair metabolisme te beïnvloeden 5,6.
Verlaagde normale zuurstofniveaus activeren verschillende reacties op hypoxie, waarvan de meeste worden gereguleerd door transcriptiefactoren, hypoxie-induceerbare factoren (HIF's) en cellulaire zuurstofsensoren zoals prolylhydroxylasen (PHD's)1. HIF-1, een regulatorvan de O2-homeostase zoals aangetoond in in vitro studies7, is een heterodimeer dat bestaat uit HIF-1α en HIF-1β8. Onder hypoxische omstandigheden wordt de vervanging van het waterstofatoom door een hydroxylgroep in het complex verminderd, wat leidt tot de accumulatie van HIF-1α, dat vervolgens dimeriseert met HIF-1β. Als gevolg hiervan transloceert het HIF-1-dimeer naar de kern, waar het de transcriptie van honderden genen activeert1.
De zuurstofafhankelijke aard van neuronen maakt ze bijzonder vatbaar voor hypoxische stress. Daarom kan hypoxie een aanzienlijke invloed hebben op de hersenfysiologie, met langetermijnimplicaties voor de neuronale functie, door axonale pathfinding en synapsontwikkeling te belemmeren9. Deze veranderingen in neuronale verbindingen kunnen vatbaar zijn voor verschillende neurologische ontwikkelingsstoornissen zoals ASS en verstandelijke beperking 9,10.
Perinatale verstikking wordt gedefinieerd als zuurstofgebrek tijdens de bevalling en kan optreden als gevolg van perinatale gebeurtenissen zoals maternale foetale bloeding, compressie van de navelstreng, placentacomplicaties, baarmoederruptuur, schouderdystocie of het niet inademen van de pasgeborene. Deze ernstige gebeurtenis treft elk jaar ongeveer vier miljoen pasgeborenen wereldwijd en resulteert in een miljoen neonatale sterfgevallen 11,12,13. Hoewel de meeste zuigelingen episodes van hypoxie overleven, ontwikkelen sommige patiënten hypoxisch-ischemische encefalopathie, wat kan leiden tot permanente neurologische problemen zoals convulsies, hersenverlamming, cognitieve vertragingen en motorische stoornissen. Bovendien kunnen verstikking en ischemie disfunctie veroorzaken van verschillende organen en systemen, zoals het CZS (28%), het cardiovasculaire systeem (25%), de nieren (50%) en de longen (23%)11.
Bovendien zijn onvolwassenheid van het cerebrale vaatstelsel en slechte autoregulatie factoren die pasgeborenen vatbaar maken voor ischemische risico's. In dergelijke processen zijn ontsteking en oxidatieve stress de belangrijkste mediatoren van neonatale hypoxisch-ischemische schade en de bijbehorende celdoodmechanismen. Abnormale apoptose kan de zich ontwikkelende hersenen blootstellen aan risico's op motorische en cognitieve stoornissen14.
Gezien de complexiteit van ASS, is het essentieel om de onderliggende genetica te begrijpen die een polygene structuur lijkt te hebben, evenals de omgevingsfactoren die de ontwikkeling ervan bepalen. In het bijzonder impliceert de polygene basis van ASS een multifactoriële etiologie, waarbij genetische aanleg interageert met externe factoren, waaronder hypoxie. De 60%-92% concordantie die wordt waargenomen bij monozygote tweelingen benadrukt het belang van genetische invloeden, terwijl de discordantie aangeeft dat omgevingsfactoren ook een rol spelen. De prevalentie van autisme wordt geschat op 13/10.000, en dit percentage wordt verondersteld de afgelopen jaren te zijn toegenomen15. Studies ondersteunen de hypothese dat blootstelling aan omgevingsfactoren tijdens de zwangerschap het risico op autisme kan verhogen, maar de resultaten van deze onderzoeken zijn vaak inconsistent vanwege verschillen in diagnostische criteria, vergelijkingsgroepen, steekproefomvang en blootstellingsbeoordelingsmethoden15,16.
Hoewel de kenmerkende neuropathologische bevindingen onduidelijk zijn, onthullen studies microscopisch kleine en functionele hersenafwijkingen. Deze afwijkingen suggereren dat de etiologisch relevante periode in utero kan zijn en dat de pathogenese kan beginnen tijdens de prenatale periode15. Blootstellingen tijdens de zwangerschap zijn de belangrijkste focus van epidemiologisch onderzoek naar mogelijke risicofactoren voor autisme. Met name de hypothese dat verloskundige complicaties het risico op ASS kunnen verhogen, wordt door veel onderzoeken ondersteund, maar de omvang en gevolgen van deze effecten variëren tussen onderzoeken17.
Naast genetische factoren spelen epigenetische mechanismen een sleutelrol bij het reguleren van genexpressie onder hypoxische omstandigheden. MiRNA's vormen met name een belangrijk regulerend mechanisme in de cellulaire respons op hypoxie, zoals hun impact op HIF. Tijdens de vroege stadia van hypoxie kunnen specifieke veranderingen in miRNA-niveaus bijdragen aan de accumulatie van HIF-1 en het behoud van stabiele niveaus van HIF-2 en HIF-318. Hoewel het expressieprofiel van veel miRNA's verandert onder hypoxische en ischemiecondities, is aangetoond dat een beperkt aantal hypoxie-geassocieerde miRNA's een functionele rol speelt en de HIF-expressie beïnvloedt. Dit verklaart waarom verschillende menselijke weefsels verschillen in hypoxische responsen als gevolg van weefselspecifieke miRNA-expressie18.
Opkomende gegevens geven ook aan dat specifieke miRNA's betrokken zijn bij ASS-pathologie. In ons eerdere werk hebben we aangetoond dat miR-19a-3p, miR-361-5p, miR-150-5p, miR-126-3p en miR-499a-5p, waarvan bekend is dat ze celoverleving, differentiatie en stressreacties bij kanker reguleren, een afwijkende expressie vertonen bij ASS-patiënten, wat mogelijk van invloed is op neurologische ontwikkelingsresultaten. Vervolgens bevestigden we deze bevindingen in bloed-, hypothalamus- en spermamonsters van muismodellen van ASS, waarbij we een consistente associatie van genregulerende veranderingen met de ziekte aantoonden19. Deze resultaten geven aan dat de downregulatie van deze miRNA's in cruciale stadia van groei en ontwikkeling een aanzienlijke invloed kan hebben op de ontwikkeling van ziekten zoals ASS. Dit toont verder de diepgaande invloed van neonatale hypoxie op moleculaire en gedragskenmerken aan.
In deze studie hebben we de impact van milde tot matige neonatale hypoxie op het risico op het ontwikkelen van autisme op volwassen leeftijd getest. Om dit te doen, werden neonatale muizen blootgesteld aan verschillende niveaus van hypoxie. Muizen die bij de geboorte hypoxie ervoeren, vertonen inderdaad gedragsveranderingen op volwassen leeftijd en, nog belangrijker, op moleculair niveau, veranderingen die verband houden met ASS. Onze resultaten leverden dus waardevolle informatie op over de langetermijneffecten van hypoxie.