Определяемая как состояние дефицита кислорода, гипоксия может вызывать уникальные клеточные и молекулярные реакции, которые имеют решающее значение для понимания ее роли в различных патологиях. Это может нарушить последовательность развития, что приведет к молекулярным, клеточным и нейронным изменениям и травмам. Кроме того, раннее воздействие гипоксии прерывает развитие центральной нервной системы (ЦНС), нарушая аксональные связи и развитие синапсов1.
Кроме того, хотя было показано, что гипоксия оказывает неблагоприятное воздействие на развитие ЦНС, она также может играть важную физиологическую роль при определенных условиях, например, во время эмбриогенеза. Нормальная физиологическая гипоксия относится к ситуации, при которой уровень кислорода естественным образом низок во время эмбрионального развития. Этот процесс позволяет эмбриональным клеткам вырабатывать энергию, способствуя анаэробному метаболизму, поддерживает развитие системы кровообращения, ускоряя васкуляризацию, обеспечивает правильное развитие сердца и костей, а также стимулирует миграциюклеток нервного гребня. И наоборот, гипоксия, возникающая вне физиологического контекста, может оказывать неблагоприятное воздействие на развитие и общее состояние здоровья, включая эмбриональное развитие, что может привести к недоношенности или даже эмбриональнойлетальности. Таким образом, это серьезная проблема общественного здравоохранения, поскольку многие новорожденные испытывают гипоксические состояния во время нормальных родов, часто без немедленного распознавания со стороны лиц, осуществляющих уход, или медицинского персонала3. Кроме того, изменения в нейронных связях, связанные с гипоксией, связаны с нарушениями развития нервной системы, включая расстройства аутистического спектра (РАС) и интеллектуальныенарушения.
С молекулярной точки зрения, гипоксия может влиять на развитие нервной системы, изменяя экспрессию генов, регулирующих синаптические функции, тем самым нарушая нейронные связи и способствуя развитию нарушений развития нервнойсистемы.
Клинически неонатальная гипоксия влияет на развитие ЦНС через гормональные и метаболические пути1. В ответ на острую гипоксию гипоталамус быстро высвобождает кортикотропин-рилизинг-гормон и аргинин-вазопрессин, что затем вызывает выброс адренокортикотропного гормона из передней доли гипофиза, за которым следует выработка глюкокортикоидов в коре надпочечников плода, и степень этой реакции коррелирует с интенсивностью и продолжительностью гипоксии. Эта быстрая реакция оси гипоталамо-гипофизарно-надпочечников (HPA) на острый стресс подчеркивает критическую роль глюкокортикоидов в ограничении физиологических последствий стресса и поддержании гомеостаза плода путем влияния на связанную с этим экспрессию генов, синтез белка и клеточный метаболизм 5,6.
Снижение нормального уровня кислорода активирует различные реакции на гипоксию, большинство из которых регулируются факторами транскрипции, факторами, индуцируемыми гипоксией (HIFs), и клеточными сенсорами кислорода, такими как пролилгидроксилазы (PHD)1. HIF-1, регулятор гомеостазаO2 , как показано в исследованиях in vitro 7, представляет собой гетеродимер, состоящий из HIF-1α и HIF-1β8. В условиях гипоксии замещение атома водорода гидроксильной группой в комплексе снижается, что приводит к накоплению HIF-1α, который затем димеризуется с HIF-1β. В результате димер HIF-1 транслоцируется в ядро, где активирует транскрипцию сотенгенов1.
Кислородозависимая природа нейронов делает их особенно восприимчивыми к гипоксическому стрессу. Таким образом, гипоксия может оказывать значительное влияние на физиологию мозга с долгосрочными последствиями для функции нейронов, нарушая поиск аксональных путейи развитие синапсов. Эти изменения в нейронных связях могут предрасполагать к различным нарушениям развития нервной системы, таким как РАС иумственная отсталость.
Перинатальная асфиксия определяется как кислородное голодание во время родов и может возникнуть в результате перинатальных событий, таких как материнско-фетальное кровотечение, сдавление пуповины, плацентарные осложнения, разрыв матки, дистоция плечевого сустава или неспособность новорожденного сделать свой первый вдох. Это серьезное событие ежегодно затрагивает около четырех миллионов новорожденных во всем мире и приводит к одному миллиону неонатальных смертей 11,12,13. Хотя большинство младенцев выживают после эпизодов гипоксии, у некоторых пациентов развивается гипоксически-ишемическая энцефалопатия, которая может привести к постоянным неврологическим проблемам, таким как судорожные расстройства, церебральный паралич, когнитивные задержки и двигательный дефицит. Кроме того, асфиксия и ишемия могут вызывать дисфункцию различных органов и систем, таких как ЦНС (28%), сердечно-сосудистая система (25%), почки (50%) и легкие (23%)11.
Кроме того, незрелость сосудистой системы головного мозга и слабая ауторегуляция являются факторами, предрасполагающими новорожденных к ишемическим рискам. В таких процессах воспаление и окислительный стресс являются основными медиаторами гипоксически-ишемического повреждения новорожденных и связанных с ним механизмов гибели клеток. Аномальный апоптоз может подвергать развивающийся мозг риску двигательных и когнитивных расстройств14.
Учитывая сложность РАС, важно понимать лежащую в его основе генетику, которая, по-видимому, имеет полигенную структуру, а также факторы окружающей среды, определяющие его развитие. В частности, полигенная основа РАС подразумевает многофакторную этиологию, при которой генетическая предрасположенность взаимодействует с внешними факторами, в том числе с гипоксией. Конкордантность в 60-92%, наблюдаемая у монозиготных близнецов, подчеркивает важность генетических влияний, в то время как несогласованность указывает на то, что факторы окружающей среды также играют роль. Распространенность аутизма оценивается в 13 на 10 000, и считается, что этот показатель увеличился за последние15 лет. Исследования подтверждают гипотезу о том, что воздействие факторов окружающей среды во время беременности может увеличить риск развития аутизма, но результаты этих исследований часто противоречивы из-за различий в диагностических критериях, группах сравнения, размере выборкии методах оценки воздействия.
Хотя отличительные невропатологические данные неясны, исследования выявляют микроскопические и функциональные аномалии мозга. Эти аномалии позволяют предположить, что этиологически значимый период может быть внутриутробным и что патогенез может начаться в пренатальном периоде. Воздействие во время беременности является основным направлением эпидемиологических исследований потенциальных факторов риска аутизма. В частности, гипотеза о том, что акушерские осложнения могут увеличивать риск развития РАС, подтверждается многими исследованиями, но величина и последствия этих эффектов варьируются вразных исследованиях.
Помимо генетических факторов, ключевую роль в регуляции экспрессии генов в условиях гипоксии играют эпигенетические механизмы. Примечательно, что микроРНК представляют собой ключевой регуляторный механизм в клеточном ответе на гипоксию, например, их влияние на HIF. На ранних стадиях гипоксии специфические изменения уровней микроРНК могут способствовать накоплению HIF-1 и поддержанию стабильных уровней HIF-2 и HIF-318. Несмотря на то, что профиль экспрессии многих микроРНК изменяется в условиях гипоксии и ишемии, было показано, что ограниченное количество микроРНК, ассоциированных с гипоксией, играют функциональную роль и влияют на экспрессию HIF. Это объясняет, почему разные ткани человека различаются по гипоксическим реакциям из-за тканеспецифической экспрессии микроРНК18.
Новые данные также указывают на то, что специфические микроРНК вовлечены в патологию РАС. В нашей предыдущей работе мы продемонстрировали, что miR-19a-3p, miR-361-5p, miR-150-5p, miR-126-3p и miR-499a-5p, которые, как известно, регулируют выживаемость клеток, дифференцировку и стрессовые реакции при раке, демонстрируют аберрантную экспрессию у пациентов с РАС, потенциально влияя на исходы развития нервной системы. Затем мы подтвердили эти результаты на образцах крови, гипоталамуса и спермы мышей с РАС, показав устойчивую связь изменений в генной регуляциис заболеванием. Эти результаты указывают на то, что подавление этих микроРНК на критических стадиях роста и развития может оказывать значительное влияние на развитие таких заболеваний, как РАС. Это еще раз демонстрирует глубокое влияние неонатальной гипоксии на молекулярные и поведенческие характеристики.
В этом исследовании мы проверили влияние легкой и умеренной неонатальной гипоксии на риск развития аутизма во взрослом возрасте. Для этого новорожденные мыши подвергались различным уровням гипоксии. Действительно, мыши, которые испытали гипоксию при рождении, демонстрируют поведенческие изменения во взрослом возрасте и, что более важно, на молекулярном уровне изменения, связанные с РАС. Таким образом, наши результаты предоставили ценную информацию о долгосрочных последствиях гипоксии.