Hipoksja definiowana jako stan niedoboru tlenu, może wywoływać unikalne reakcje komórkowe i molekularne, które są kluczowe dla zrozumienia jej roli w różnych patologiach. Może zakłócać sekwencje rozwojowe, prowadząc do zmian i urazów molekularnych, komórkowych oraz neuronalnych. Ponadto wczesna ekspozycja na niedotoksję przerywa rozwój ośrodkowego układu nerwowego (OUN), upośledzając łączność aksonów i rozwój synaps1.
Ponadto, chociaż wykazano, że hipoksja ma niekorzystny wpływ na rozwój OUN, może również odgrywać kluczową rolę fizjologiczną w określonych warunkach, takich jak podczas embrigenezy. Normalna hipoksja fizjologiczna odnosi się do sytuacji, w której poziom tlenu jest naturalnie niski podczas rozwoju embrionalnego, co przynosi korzyści rozwojowi. Proces ten pozwala komórkom embrionalnym produkować energię poprzez wspieranie metabolizmu beztlenowego, wspiera rozwój układu krążenia poprzez przyspieszenie unaczynienia, zapewnia prawidłowy rozwój serca i kości oraz stymuluje migrację komórek grzebienia nerwowego2. Natomiast hipoksja występująca poza fizjologicznym kontekstem może negatywnie wpływać na rozwój i ogólne zdrowie, w tym rozwój embrionalny, co może prowadzić do przedwczesnego porodu lub nawet śmiertelności embrionalnej1. Jest to zatem poważny problem zdrowia publicznego, ponieważ wiele noworodków doświadcza schorzeń hipoksyjnych podczas normalnego porodu, często bez natychmiastowego zauważenia przez opiekunów lub personel medyczny3. Ponadto zmiany łączności neuronalnej związane z hipoksją są powiązane z zaburzeniami neurorozwojowymi, w tym zaburzeniami ze spektrum autyzmu (ASD) oraz niepełnosprawnościami intelektualnymi1.
Z molekularnego punktu widzenia hipoksja może wpływać na rozwój neuro poprzez zmianę ekspresji genów regulujących funkcje synaptyczne, zaburzając łączność neuronalną i przyczyniając się do rozwoju zaburzeń neurorozwojowych4.
Klinicznie niedotlenienie noworodków wpływa na rozwój OUN poprzez szlaki hormonalne imetaboliczne 1. W odpowiedzi na ostrą hipoksję podwzgórze szybko uwalnia hormon uwalniający kortykotropinę oraz wazopresynę argininową, co następnie wywołuje uwalnianie hormonów adrenokortykotropowych z przedniej przysadki mózgowej, a następnie produkcję glukokortykoidów w korze nadnerczy płodu, a stopień tej reakcji koreluje z intensywnością i czasem trwania hipoksji. Ta szybka reakcja osi podwzgórze-przysadka-nadnercz (HPA) na ostry stres podkreśla kluczową rolę glukokortykoidów w ograniczaniu fizjologicznych skutków stresu i utrzymaniu homeostazy płodu poprzez wpływanie na powiązaną ekspresję genów, syntezę białek oraz metabolizm komórkowy 5,6.
Obniżony prawidłowy poziom tlenu aktywuje różne odpowiedzi na hipoksję, z których większość jest regulowana przez czynniki transkrypcyjne, czynniki indukujące hipoksję (HIF) oraz komórkowe czujniki tlenu, takie jak hydroksylazy prolilowe (PHDs)1. HIF-1, regulator homeostazyO2 , jak wykazano w badaniach in vitro 7, jest heterodimerem złożonym z HIF-1α i HIF-1β8. W warunkach hipoksycznych zastąpienie atomu wodoru grupą hydroksylową w kompleksie jest redukowane, co prowadzi do nagromadzenia HIF-1α, który następnie dimerizuje się z HIF-1β. W rezultacie dimer HIF-1 translokuje się do jądra, gdzie aktywuje transkrypcję setek genów1.
Zależność neuronów od tlenu sprawia, że są one szczególnie podatne na stres hipoksyczny. Dlatego hipoksja może mieć istotny wpływ na fizjologię mózgu, z długoterminowymi konsekwencjami dla funkcji neuronów, poprzez upośledzenie aksonalnego odznaczania ścieżek i rozwój synaps9. Te zmiany w połączeniach neuronalnych mogą predysponować do różnych zaburzeń neurorozwojowych, takich jak ASD czy niepełnosprawność intelektualna 9,10.
Asfiksja okołoporodowa definiowana jest jako niedobór tlenu podczas porodu i może wystąpić w wyniku zdarzeń okołoporodowych, takich jak krwotok matki i płodu, ucisk pępowiny, komplikacje łożyska, pęknięcie macicy, dystokcja barku lub niezdolność noworodka do wzięcia pierwszego oddechu. To poważne zdarzenie dotyka około czterech milionów noworodków na całym świecie każdego roku i skutkuje milionem zgonów noworodków(11, 12, 13). Chociaż większość niemowląt przeżywa epizody niedotlenienia oksiężności, niektórzy pacjenci rozwijają encefalopatię niedotleniono-niedokrwienną, która może prowadzić do trwałych problemów neurologicznych, takich jak napady padaczkowe, porażenie mózgowe, opóźnienia poznawcze i deficyty ruchowe. Dodatkowo uduszenie i niedokrwienie mogą powodować zaburzenia funkcjonowania różnych narządów i układów, takich jak OUN (28%), układ sercowo-naczyniowy (25%), nerki (50%) oraz płuca (23%).
Ponadto niedojrzałość układu naczyniowego mózgu oraz słaba autoregulacja są czynnikami predysponującymi noworodki do ryzyka niedokrwiennego. W takich procesach zapalenie i stres oksydacyjny są głównymi mediatorami uszkodzeń niedotleniowo-niedokrwiennych noworodków oraz powiązanych mechanizmów śmierci komórek. Nieprawidłowa apoptoza może narażać rozwijający się mózg na ryzyko zaburzeń ruchowych i poznawczych14.
Biorąc pod uwagę złożoność ASD, kluczowe jest zrozumienie genetyki, która wydaje się mieć strukturę poligeniczną, a także czynniki środowiskowe determinujące jego rozwój. W szczególności poligeniczne podstawy ASD implikują etiologię wieloczynnikową, w której predyspozycje genetyczne oddziałują z czynnikami zewnętrznymi, w tym z hipoksją. Zgodność 60%-92% zaobserwowana u bliźniąt jednojajowych podkreśla znaczenie wpływów genetycznych, podczas gdy niezgodność wskazuje, że rolę odgrywają także czynniki środowiskowe. Częstość występowania autyzmu szacowana jest na 13/10 000, a wskaźnik ten prawdopodobnie wzrósł w ostatnich latach15. Badania potwierdzają hipotezę, że narażenie na czynniki środowiskowe w czasie ciąży może zwiększać ryzyko autyzmu, jednak wyniki tych badań są często niespójne ze względu na różnice w kryteriach diagnostycznych, grupach porównawczych, wielkości próby oraz metodach oceny narażenia15,16.
Chociaż charakterystyczne wyniki neuropatologiczne są niejasne, badania ujawniają mikroskopijne i funkcjonalne nieprawidłowości mózgu. Te nieprawidłowości sugerują, że okres etiologicznie istotny może być w łonie matki, a patogeneza może rozpocząć się w okresie prenatalnym15. Ekspozycje w czasie ciąży są głównym tematem badań epidemiologicznych dotyczących potencjalnych czynników ryzyka autyzmu. W szczególności hipoteza, że powikłania położnicze mogą zwiększać ryzyko ASD, jest wspierana przez wiele badań, jednak skala i konsekwencje tych efektów różnią się w zależności od badań17.
Oprócz czynników genetycznych, mechanizmy epigenetyczne odgrywają kluczową rolę w regulacji ekspresji genów w warunkach hipoksyjnych. Warto zauważyć, że miRNA stanowią kluczowy mechanizm regulacyjny w odpowiedzi komórkowej na hipoksję, na przykład ich wpływ na HIF. We wczesnych stadiach hipoksji specyficzne zmiany poziomu miRNA mogą przyczyniać się do akumulacji HIF-1 oraz utrzymania stabilnych poziomów HIF-2 iHIF-3-18. Chociaż profil ekspresji wielu miRNA jest zmieniany w warunkach hipoksycznych i niedokrwiennych, wykazano, że ograniczona liczba miRNA związanych z hipoksją odgrywa rolę funkcjonalną i wpływa na ekspresję HIF . To wyjaśnia, dlaczego różne ludzkie tkanki różnią się w odpowiedziach hipoksycznych z powodu specyficznej ekspresji miRNAtkankowej 18.
Nowe dane wskazują również, że konkretne miRNA są powiązane z patologią ASD. W naszych wcześniejszych badaniach wykazaliśmy, że miR-19a-3p, miR-361-5p, miR-150-5p, miR-126-3p oraz miR-499a-5p, które są znane z regulacji przeżycia komórek, różnicowania i reakcji stresowych w nowotworach, wykazują nieprawidłową ekspresję u pacjentów z ASD, co może wpływać na wyniki neurorozwojowe. Następnie potwierdziliśmy te wyniki we krwi, próbkach podwzgórza i plemników z myszymi modeli ASD, wykazując spójne powiązanie zmian regulatorów genów z chorobą19. Wyniki te wskazują, że obniżenie tych miRNA na kluczowych etapach wzrostu i rozwoju może mieć istotny wpływ na rozwój chorób takich jak ASD. To dodatkowo pokazuje głęboki wpływ niedotlenienia noworodków na cechy molekularne i behawioralne.
W tym badaniu testowaliśmy wpływ łagodnej do umiarkowanej niedotlenienia noworodka na ryzyko rozwoju autyzmu w dorosłości. Aby to osiągnąć, noworodkowe myszy były narażone na różne poziomy hipoksji. Rzeczywiście, myszy, które doświadczyły hipoksji przy urodzeniu, wykazują zmiany zachowań w dorosłości, a co ważniejsze – na poziomie molekularnym – zmiany związane z ASD. W ten sposób nasze wyniki dostarczyły cennych informacji na temat długoterminowych skutków hipoksji.