The effects of maternal hyperglycemia on human umbilical vascular gene expression and neonatal rat lung development

Abstract

Background: Maternal diabetes affects many fetal organ systems, including the vasculature and the lungs. The offspring of diabetic mothers have respiratory adaptation problems after birth. The mechanisms are multifactorial and the effects are prolonged during the postnatal period. An increasing incidence of diabetic pregnancies accentuates the importance of identifying the pathological mechanisms, which cause the metabolic and genetic changes that occur in offspring, born to diabetic mothers.

Aims and methods: The aim of this thesis was to determine changes both in human umbilical cord exposed to maternal type 1 diabetes and in neonatal rat lungs after streptozotocin-induced maternal hyperglycemia, during pregnancy. Rat lungs were used as a model for the potential disease mechanisms. Gene expression alterations were determined in human umbilical cords at birth and in rat pup lungs at two week of age. During the first two postnatal weeks, rat lung development was studied morphologically and histologically. Further, the effect of postnatal hyperoxia on hyperglycemia-primed rat lungs was investigated at one week of age to mimic the clinical situation of supplemental oxygen treatment.

Results: In the umbilical cord, maternal diabetes had a major negative effect on the expression of genes involved in blood vessel development. The genes regulating vascular tone were also affected. In neonatal rat lungs, intrauterine hyperglycemia had a prolonged effect on gene expression during late alveolarization. The most affected pathway was the upregulation of extracellular matrix proteins. Newborn rat lungs exposed to intrauterine hyperglycemia had thinner saccular walls without changes in airspace size, a smaller relative lung weight and lung total tissue area, and increased cellular apoptosis and proliferation compared to control lungs, possibly reflecting an aberrant maturational adaptation. At one and two weeks of age, cell proliferation and secondary crest formation were accelerated in hyperglycemia-exposed lungs. Postnatal hyperoxic exposure, alone caused arrested alveolarization with thin-walled and enlarged alveoli. In contrast, the dual exposure of intrauterine hyperglycemia and postnatal hyperoxia resulted in the phenotype of thick septa together with arrested alveolarization and decreased number of small pulmonary arteries.

Conclusions: Maternal diabetic environment seems to alter the umbilical cord gene expression profile of the regulation of vascular development and function. Fetal hyperglycemia may additionally affect the genetic regulation of the postnatal lung development and may actually induce prolonged structural alterations in neonatal lungs together with a modifying effect on the deleterious pulmonary exposure of postnatal hyperoxia. This, combined with the novel human umbilical cord gene data could serve as stepping stones for future therapies to curb developmental aberrations.

Äidin hyperglykemian vaikutus geenien ilmentymiseen napanuorassa ja syntymän jälkeiseen rotan keuhkojen kehitykseen

Tausta: Äidin diabetes vaikuttaa kehittyvään sikiöön aiheuttaen monenlaisia lyhyt- tai pitkäkestoisia ongelmia syntymän jälkeen, kuten keuhkojen toiminnan tai verenkierron häiriöitä. Diabeteksen ja diabeetikkoraskauksien yleistyessä on tärkeää oppia tuntemaan niitä mekanismeja, jotka johtavat sikiön poikkeavaan kehitykseen tai ohjelmoitumiseen.

Tavoitteet ja menetelmät: Tässä väitöskirjatyössä selvitettiin sekä äidin tyypin 1 diabeteksen vaikutusta napanuoran geenien ilmentymiseen että kokeellisen streptosotosiinilla aiheutetun hyperglykemian vaikutusta rotanpoikasten keuhkojen kehitykseen. Rottamallia käytettiin siis mallintamaan äidin diabeteksen vaikutuksia kehittyvissä keuhkoissa. Ihmisnapanuoran lisäksi geenien ilmentymisprofiili tutkittiin rotanpoikasten keuhkoista kahden viikon iässä eli myöhäisessä alveolarisaatiovaiheessa. Lisäksi rottien keuhkojen kehitystä tarkasteltiin morfologisesti ja histologisesti syntymästä kahden viikon ikään asti. Hoidollista tilannetta mallinnettiin altistamalla emon hyperglykemialle altistuneet keuhkot vielä syntymänjälkeiselle lisähapelle. Näiden keuhkojen kehitystä tarkasteltiin viikon ikäisillä poikasilla.

Tulokset: Äidin diabetes vähensi verisuonten kehitystä säätelevien geenien ilmentymistä napanuorassa. Lisäksi verisuonten toimintaa säätelevien geenien ilmentyminen muuttui. Sikiöaikainen altistuminen hyperglykemialle aiheutti rotanpoikasten keuhkoissa muutoksia geenien ilmentymisessä vielä kahden viikon iässä, erityisesti solunulkoisen tukikudoksen rakennetta säätelevissä geeneissä. Hyperglykemia-altistus ohensi vastasyntyneen rotan keuhkorakkuloiden seinämiä vaikuttamatta kuitenkaan ilmatilojen kokoon, pienensi keuhkojen suhteellista painoa ja kudospinta-alaa, ja lisäsi solukuolemaa ja toisaalta solujen jakaantumista keuhkokudoksessa verrattuna terveen emon poikasten keuhkoihin. Viikon ja kahden viikon iässä solujen jakaantuminen ja sekundaaristen seinämien muodostus keuhkorakkuloissa olivat edelleen kiihtyneet. Syntymänjälkeinen lisähappialtistus yksinään aiheutti tyypillisen keuhkovaurion ohutseinäisine laajentuneine keuhkorakkuloineen, mutta kaksoisaltistuksessa eli emon hyperglykemialle jo altistuneissa keuhkoissa se aiheutti alveolarisaatiohäiriön, johon liittyi paksuksi jääneet keuhkorakkuloiden seinämät. Näissä seinämissä näkyi vähemmän pieniä keuhkoverisuonia kuin kontrollikeuhkoissa.

Päätelmät: Äidin diabeteksen vaikutus näkyy napanuorassa verisuonten kehitystä ja toimintaa säätelevien geenien poikkeavassa ilmentymisessä. Kehittyvissä keuhkoissa sikiöaikainen hyperglykemialle altistuminen saattaa muuttaa geenien ilmentymistä pitkäaikaisesti syntymän jälkeen ja aiheuttaa keuhkoihin rakenteellisia muutoksia, sekä muuntaa syntymänjälkeisen lisähapen aiheuttamaa keuhkovauriota. Nämä keuhkolöydökset yhdessä ihmisnapanuorista saadun geenidatan kanssa ovat uutta tietoa, joka voidaan ottaa huomioon suunnitellessa tulevaisuuden hoitoja äidin diabeteksen aiheuttamiin kehitysongelmiin.