|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Фенотипическая пластичность сердечно-сосудистой системы при повреждающих и благоприятных воздействиях на организм в пренатальном онтогенезеНИР
Phenotypic plasticity of the cardiovascular system with adverse and beneficial influences on the organism in prenatal ontogenesis
- Руководитель НИР: Тарасова О.С.
- Ответственные исполнители: Борзых А.А., Гайнуллина Д.К., Кузьмин В.С.
- Участники НИР: Воронина Я.А., Кирюхина О.О., Кузьмин И.В., Макуха Ю.А., Потехина В.М., Селиванова Е.К., Швецова А.А.
- Подразделение: Кафедра физиологии человека и животных
- Срок исполнения: 29 апреля 2019 г. - 15 декабря 2021 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-15-00210
- Номер ЦИТИС: ÀÀÀÀ-À19-119070890054-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Физиологические механизмы деятельности, развития и устойчивости организма человека и животных
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Биомедицинские и ветеринарные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.39.29 Кровообращение
- 34.39.35 Физиология почек
- 34.39.39 Физиология эндокринной системы. Гормональная регуляция
- 34.39.49 Физиологически активные вещества
- Классификатор OECD: Физиология
-
Ключевые слова:
ионные токи кардиомиоцитов, тонус кровеносных сосудов, физическая нагрузка, сократимость миокарда, автономная нервная система, оксид азота, гладкая мышца, эндотелий, артериальная гипертензия, внутриутробное программирование
myocardium contractility, exercise, arterial hypertension, intrauterine programming, cardiomyocyte ion currents, autonomic nervous system, arterial tone, nitric oxide, smooth muscle -
Описание:
Проект направлен на изучение в экспериментах на лабораторных животных (крысах) фенотипических модификаций, возникающих в сердечно-сосудистой системе во время внутриутробного развития организма и сохраняющихся как в раннем постнатальном онтогенезе, так и во взрослом возрасте. Будут изучены механизмы сердечно-сосудистых изменений при двух типах воздействий, имеющих общую и принципиально важную для развития плода мишень, но изменяющих функционирование этой мишени противоположным образом. Такой мишенью в нашем проекте будет служить регуляторная система оксида азота, влияния которой необходимы для нормальной дифференцировки кардиомиоцитов, а также эндотелиальных и гладкомышечных клеток сосудов (Pilz & Casteel, 2003; Lincoln et al., 2006; Liu & Feng, 2012). Снижение и повышение активности NO-зависимых механизмов в организме беременной самки будет проводиться, соответственно, с использованием экспериментальных моделей преэклампсии (ингибирование синтеза оксида азота в организме беременных самок) и регулярной физической нагрузки в аэробном режиме (произвольный бег в колесе). В задачи проекта входит: (1) исследование функциональных нарушений в организме потомства при экспериментальной преэклампсии матери; (2) исследование изменений в организме потомства, обусловленных физической тренировкой матери; (3) коррекция обусловленных преэклампсией функциональных нарушений в организме матери и, следовательно, потомства с использованием физической тренировки. При решении каждой из задач проекта с использованием комплекса современных функциональных, биохимических и молекулярно-биологических методик предполагается всесторонне охарактеризовать механизмы нервной регуляции сердца и сосудов, биоэлектрическую активность, кальциевый гомеостаз и сократимость миокарда, состояние эндотелия и гладкой мышцы резистивных артерий почки, сердца и других органов, а также паттерны генной экспрессии, содержание структурных и регуляторных белков и активность ключевых сигнальных путей в клетках сердца и сосудов. Основное внимание будет уделено изучению механизмов, которые, по результатам наших предыдущих исследований, характеризуют уровень зрелости сердечно-сосудистой системы и механизмов ее регуляции и, следовательно, должны подвергаться наиболее выраженным модификациям при изменении условий развития плода в организме матери. Будет изучена связь таких сердечно-сосудистых изменений с повреждающим влиянием активных форм кислорода на клетки сердца и сосудов. Еще одним важным этапом работы станет исследование роли метилирования ДНК в долговременной регуляции экспрессии генов в клетках сердечно-сосудистой системы потомства. Актуальность проблемы для фундаментальной и практической медицины обусловлена, в первую очередь, необходимостью понимания механизмов кардиоваскулярных расстройств при такой опасной патологии как преэклампсия, которая встречается у 3-5% беременных женщин и характеризуется повышением артериального давления и нарушением функции почек (Herrera-Garcia & Contag, 2014). Следует отметить, что ключевым механизмом патогенеза преэклампсии является дисфункция сосудистого эндотелия, нарушение синтеза оксида азота или снижение его биодоступности (Brennan et al., 2014; Osol et al., 2017). Второй аспект научно-практической актуальности проекта связан с необходимостью понимания механизмов корректирующего влияния физической тренировки на протекание многочисленных сердечно-сосудистых нарушений, в том числе связанных с патологиями беременности (Yung et al., 2009).
-
Abstract:
The project aims to study in experiments on laboratory animals (rats) the mechanisms of phenotypic modifications that occur in the cardiovascular system during the intrauterine development and persist both in early postnatal ontogenesis and in adulthood. The mechanisms of cardiovascular modifications in early ontogenesis induced by two types of treatment that have a common and essentially important for the fetus development target but affect it in the opposite way. The target in our project will be the regulatory system of nitric oxide, the effects of which are necessary for normal differentiation of cardiomyocytes, as well as vascular endothelial and smooth muscle cells (Pilz & Casteel, 2003; Lincoln et al., 2006; Liu & Feng, 2012). The decrease and increase in the activity of NO-dependent mechanisms in the rat will be provoked by experimental models of preeclampsia (inhibition of NO synthesis in the body of pregnant females) and regular exercise in the aerobic mode (voluntary wheel running), respectively. Three tasks will be solved during the project progress: (1) the study of functional disorders in the body of the offspring in an experimental preeclampsia; (2) the study of changes in the body of the offspring due to the exercise training of the pregnant female; (3) correction of functional impairment caused by preeclampsia in the mother's organism and, consequently, of her offspring using physical training. When solving each of the project’s tasks, it is proposed to comprehensively characterize the nervous control mechanisms of the heart and blood vessels, bioelectric activity, calcium homeostasis and myocardial contractility, endothelium and smooth muscle functioning in resistance arteries of the kidney, heart and other organs, as well as patterns of gene expression, the content of structural and regulatory proteins and the activity of key signaling pathways in the heart and vessel cells using a complex of modern functional, biochemical and molecular biological techniques. The focus will be on studying the mechanisms that, according to the results of our previous studies, characterize the level of maturity of the cardiovascular system and the mechanisms of its regulation and, therefore, should be subjected to the most pronounced modifications when the conditions for the development of the fetus in the mother's body change. The relation of such cardiovascular changes to the damaging effects of reactive oxygen species on the cells of the heart and blood vessels will be studied. Another important topic of the project will be the study of the role of DNA methylation in the long-term regulation of gene expression in offspring cardiovascular system. The urgency of the issue for fundamental and clinical medicine is primarily due to the need to understand the mechanisms of cardiovascular disorders in such dangerous pathology as preeclampsia, which occurs in 3-5% of pregnant women and is characterized by increased blood pressure and impaired renal function (Herrera-Garcia & Contag, 2014). It should be noted that vascular endothelium dysfunction, impaired nitric oxide synthesis and a decrease in its bioavailability is deemed as a key mechanism of the preeclampsia pathogenesis (Brennan et al., 2014; Osol et al., 2017). The second aspect of the scientific and practical relevance of the proposed project is related to the need to understand the mechanisms of the beneficial effects of physical training on the range of cardiovascular disorders, including those associated with pregnancy pathologies (Yung et al., 2009).
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения проекта будут комплексно раскрыты механизмы изменений, развивающихся в сердечно-сосудистой системе потомства самок вследствие дефицита или повышения активности NO-зависимой регуляции. Впервые будет изучено влияние преэклампсии и физической нагрузки матери на показатели сердечно-сосудистой системы потомства в раннем постнатальном онтогенезе. Далее будут охарактеризованы отставленные нарушения регуляции сердца и артерий разных органов у взрослого потомства самок с этой патологией. У потомства самок, выполнявших во время беременности регулярную физическую нагрузку, мы ожидаем выявить обратные изменения части исследуемых показателей. Полученные данные позволят говорить о внутриутробном программировании сердечно-сосудистых нарушений при экспериментальной преэклампсии и о благоприятном влиянии регулярной физической нагрузки. Далее мы ожидаем установить, что аэробная физическая тренировка является эффективным средством сглаживания связанных с преэклампсией сердечно-сосудистых нарушений. Наконец, мы предполагаем увидеть, что метилирование ДНК является одним из механизмов, посредством которых дефицит или повышение продукции оксида азота в организме матери вызывает долговременные изменения экспрессии ключевых генов-регуляторов в клетках сердечно-сосудистой системы потомства. Полученные данные могут стать теоретической основой нового немедикаментозного подхода к коррекции отставленных сердечно-сосудистых последствий преэклампсии. Научно-практическая значимость предлагаемого проекта выходит за рамки сердечно-сосудистой физиологии и медицины, поскольку создаваемая сердцем циркуляция крови в сосудистом русле необходима для адекватного функционирования всех систем организма млекопитающих, включая человека. Решение задач проекта будет способствовать повышению рождаемости и естественному росту численности населения Российской Федерации, в соответствии с Указом «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года», а также переходу к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в соответствии с положениями «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации».
- Добавил в систему: Тарасова Ольга Сергеевна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 29 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Фенотипическая пластичность сердечно-сосудистой системы при повреждающих и благоприятных воздействиях на организм в пренатальном онтогенезе |
| Результаты этапа: | ||
| 2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Фенотипическая пластичность сердечно-сосудистой системы при повреждающих и благоприятных воздействиях на организм в пренатальном онтогенезе |
| Результаты этапа: | ||
| 3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Фенотипическая пластичность сердечно-сосудистой системы при повреждающих и благоприятных воздействиях на организм в пренатальном онтогенезе |
| Результаты этапа: Важным результатом работы по проекту в 2021 г. является экспериментальная проверка гипотезы о коррекции сердечно-сосудистых патологий в организме взрослого потомства самок с преэклампсией с использованием физической тренировки матери во время беременности. Преэкламсию моделировали с использованием ингибитора синтеза оксида азота L-NAME (потребление с питьевой водой в концентрации 250 мг/л с 10 дня беременности до родов). В работе использовали разработанную нами методику физической тренировки в произвольном режиме нагрузки (бег в колесе), которая обеспечивает естественный и комфортный для крыс паттерн двигательной активности и не вызывает их стрессирования. Кроме того, эта методика обеспечивает соответствие интенсивности нагрузки функциональному состоянию организма (ухудшение состояния сопровождается снижением беговой активности и наоборот). Это ярко проявлялось в нашем эксперименте: в первой половине беременности самки демонстрировали достаточно высокий уровень беговой активности, но при потреблении L-NAME их суточный пробег снижался, что, по всей видимости, было связано c развитием артериальной гипертензии и брадикардии. Однако самки продолжали бегать в колесе и в период потребления L-NAME, в связи с чем физическая активность матери могла оказывать влияние на внутриутробное развитие будущего потомства в течение всего периода пренатального онтогенеза. Физическая активность самок, потреблявших L-NAME, не оказывала влияния на прирост массы тела во время беременности, биохимические и гормональные показатели крови, а также длительность беременности, количество и массу тела крысят в помете. Тренировка не затронула ключевые характеристики индуцированной L-NAME экспериментальной преэклампсии, такие как развитие артериальной гипертензии и снижение содержания метаболитов NO в крови, что можно объяснить сравнительно небольшой длительностью воздействия (беременность у крыс длится всего три недели), а также локализацией изменений не во всех, а лишь в определенных регионах сосудистого русла. Также надо отметить, что эти показатели были измерены у самок в спокойном состоянии и могут не вполне отражать регуляторные сдвиги в организме, возникающие во время бега в колесе. Важно, что ряд негативных последствий материнской преэклампсии был менее выраженным в сердечно-сосудистой системе потомства тренированных самок, что говорит о высокой чувствительности плода к условиям внутриутробного развития. Произвольная физическая тренировка способствовала нормализации нервной регуляции тонуса сосудов и работы сердца, которые были нарушены у потомства вследствие преэклампсии матери. Во-первых, тренировка предотвращала снижение уровня системного АД, которое было характерным для потомства неактивных самок с преэклампсией. Снижение АД у потомства самок с преэклампсией коррелировало со снижением мощности низкочастотных колебаний АД (в диапазоне 0.25-0.75 Гц) и устранялось блокадой ганглионарной передачи, что указывает на его связь со снижением нейрогенного тонуса сосудов. Во-вторых, физическая тренировка матери ослабляла негативное влияние преэклампсии на парасимпатическую регуляцию сердца, что проявлялось в нормализации сниженных вследствие преэклампсии реакций ЧСС при блокаде и активации периферических М-холинорецепторов. Эффекты агониста холинорецепторов на биоэлектрическую активность рабочего миокарда правого предсердия не различались у потомства, полученного от трех групп самок, также не было выявлено межгрупповых различий генной экспрессии в предсердии. Это говорит о том, что рабочий миокард предсердий менее подвержен изменениям вагусной регуляции вследствие преэклампсии и физической тренировки матери, чем пейсмекерная область сердца. Вопрос о влиянии преэклампсии и тренировки на центральные механизмы регуляции ЧСС требует дальнейшего исследования. Поскольку вагусные влияния играют кардиопротекторную роль, коррекция нарушений вагусной регуляции сердца, возникающих при неблагоприятных воздействиях на плод, с помощью физической тренировки матери представляет не только фундаментальный, но и прикладной интерес. В 2020 г. мы показали, что сосудистое русло почки взрослого потомства подвергается глубоким изменениям вследствие материнской преэклампсии. Междолевые артерии почки таких животных демонстрировали увеличенную адренореактивность и уменьшенные реакции эндотелий-зависимого расслабления, что было связано со снижением активности eNOS вследствие ингибиторного фосфорилирования Rho-киназой. Напротив, адренореактивность артерий почек у потомства тренированных самок с нормально протекающей беременностью была снижена по сравнению с контролем. Поэтому мы ожидали, что изменения в сосудистом русле почки вследствие тренировки матери смогут скомпенсировать нарушения регуляции, вызванные преэклампсией. Однако физическая тренировка не оказала влияния на адренореактивность артерий почки, активность в них регуляторных путей NO и Rho-киназы и экспрессию белков-участников этих путей. Поскольку NO является ключевым регулятором развития почки плода, даже сравнительно небольшое снижение биодоступности NO во время внутриутробного развития может вызывать необратимые изменения функционирования почки в постнатальном онтогенезе, которые не поддаются репрограммированию под влиянием специфических условий, которым подвергается плод во время выполнения самкой физической нагрузки. В заключительной части работы мы изучали роль метилирования ДНК в долговременных изменениях экспрессии генов, обусловленный дефицитом NO в период пренатального онтогенеза. Объектом исследования служили артерии почки, для которых нами было показано изменение экспресcии SOD1, а также более выраженное влияние ингибитора SOD на реакции эндотелий-зависимого расслабления взрослого потомства самок с преэклампсией по сравнению с артериями потомства контрольных самок. Исследовали метилирование промоторного участка гена Sod1, а также генов Sod2 и Sod3. Мы провели биоинформатический анализ и показали, что промоторы этих генов содержат CpG-островки, которыми особенно богаты гены Sod1 и Sod3: в пределах 400 п.н. перед точкой начала транскрипции находится 34 и 30 CpG-последовательностей соответственно, причём начало транскрибируемой области (после старта транскрипции) этих генов тоже содержит большое число CpG-островков. В промоторной области гена Sod3 были обнаружены четыре CpG-островка. Исследование метилирования промоторных областей генов было выполнено с помощью бисульфитной конверсии ДНК и ПЦР «в реальном времени» с праймерами, специфичными к метилированным сайтам. О корректности использованной методики говорят результаты определения уровня метилирования гена eNOS (Nos3, содержит восемь CpG-островков в промоторной области). Известно, что специфическая экспрессия eNOS в эндотелии сосудов определяется метилированием промотора гена Nos3 в гладкомышечных клетках. В промоторе гена Nos3 уровень метилирования в артериях обеих групп крыс составил приблизительно 80%, что вполне оправданно, так как медия мелких артерий состоит из 5-6 слоев гладкомышечных клеток, объем каждой из которых больше, чем объем клетки эндотелиального монослоя. Уровни метилирования генов, кодирующих SOD, в артериях почки были очень низкими: Sod1 – 2.4%, Sod2 – 0.8%, Sod3 – 7%. Мы не выявили статистически значимых различий метилирования генов Sod1, Sod2 и Sod3 в образцах артерий почки взрослого потомства, полученного от самок контрольной группы и группы, потреблявшей L-NAME. Таким образом, метилирование ДНК не является механизмом, посредством которого дефицит оксида азота вызывает долговременные изменения экспрессии и активности SOD в артериях почки. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".