Неонатальный гастроэнтерит как причина долговременной атрофии, деформации и необратимой гиперполиплоидизации кардиомиоцитов

Замедление роста, воспаление и перегрузка сердца в раннем детстве тесно связаны c развитием артериальной гипертонии и инфаркта миокарда у взрослых людей. Эту взаимосвязь называют онтогенетическим программированием. Точные механизмы и критический период в развитии сердца не найдены. Чтобы прояснить эти вопросы, мы разработали модель криптоспоридиозного гастроэнтерита средней тяжести у неонатальных крыс, активирующего все установленные факторы программирования (т.е. замедление роста, воспалительные процессы и перегрузку сердца). Используя модель со скользящим моментом заражения (с 4го по 18й день), мы сопоставили динамику чувствительности кардиомиоцитов желудочков к заболеванию на протяжении всего неонатального периода. Повторный анализ был сделан через месяц после выздоровления. Регистрировали такие параметры, как содержание общего белка, плоидность и форма клеток. С помощью цитофотометрии, конфокальной микроскопии и анализа изображений установлено, что умеренный 4дневный криптоспоридиоз вызывает снижение индекса сердца и атрофию кардиомиоцитов, удлинение и сужение клеток, а также преждевременную и избыточную полиплоидизацию. При этом реакция плоидности, формы клеток и общего белка различается. Избыточное накопление геномов ядрами происходит только в случае, если гастроэнтерит приходится на 6—14й день после рождения, т.е. на период естественной полиплоидизации кардиомиоцитов. Общий белок и форма клеток, напротив, реагируют на протяжении всего эксперимента. После реабилитации в течение месяца форма клеток и содержание общего белка проявляют тенденцию к восстановлению, а плоидность остается прежней. Таким образом, наши данные свидетельствуют, что неонатальный гастроэнтерит может снижать функциональный потенциал взрослого сердца, и критический период в развитии сердца крысы приходится
на 6—14й дни после рождения. Известная способность полиплоидии влиять на экспрессию генов и необратимость этого явления позволяют предположить, что геномные дупликации могут быть одним из механизмов онтогенетического программирования.

Результаты эпидемиологических исследований свидетельствуют, что у взрослых людей многие заболевания сердца являются «отголоском» нарушений здоровья в детстве. Эту взаимосвязь впервые описал в 1989 г. Д. Баркер, назвав ее онтогенетическим программированием [1]. Теперь артериальную гипертонию, ишемическую болезнь сердца и даже инфаркт миокарда больше не считают заболеваниями только зрелого возраста [2, 3].

В последнее время проблема онтогенетического программирования привлекает все большее внимание исследователей [4, 5]. Большой прогресс сделан в понимании того, каким образом факторы окружающей среды модифицируют развитие сердечно-сосудистой системы. Установлена роль скорости и условий роста, качества питания, материнской заботы, анемии, гипоксии и инфекционных заболеваний
[2, 6]. В то же время, несмотря на многочисленные исследования, проведенные с участием десятков тысяч людей, и множество экспериментальных моделей, многие аспекты онтогенетического программирования остаются невыясненными [4, 5]. Неизвестно, каковы точные механизмы программирования и различны ли факторы, запускающие программирование в разные периоды онтогенеза [4]. Нет данных также о том, какие периоды являются критическими, когда программирование действует наиболее сильно. Под критическими периодами принято подразумевать периоды эмбрионального и раннего постнатального развития, когда даже незначительные воздействия окружающей среды приводят к необратимым изменениям [7, 8].

Разные авторы указывают на различные временные и физиологические рамки критического периода в развитии сердца. Например, у крысы этот период включает эмбриональное и неонатальное развитие, а у человека — еще и детство, пубертатный период и юность (т.е. примерно 1/5 часть жизни) [6].

Мы полагаем, что одним из механизмов долговременных эпигенетических изменений кардиомиоцитов в раннем постнатальном онтогенезе может быть их необратимая полиплоидизация (т.е. дупликация геномов). Возможно, именно это и есть один из ключевых механизмов онтогенетического программирования патологий и сниженной аэробной способности сердца.

Полиплоидия может снижать соотношение площади поверхности ядра к его объему. Например, удвоение генетического материала приводит к увеличению площади поверхности ядра только в 1,6 раза. По этой причине геномные дупликации могут вызывать дисбаланс дозы генов и, соответственно,
изменение их регуляции [9]. Недавние исследования показали, что даже небольшие изменения в пространственной организации ДНК могут резко изменить активность генных промоторов [10, 11]. Исследования, выполненные с помощью микроэрреев на организмах из разных филогенетических
ветвей, позволили выявить неаддитивный эффект генных продуктов после геномных дупликаций [12]. В частности, на дрожжах было показано, что полиплоидия активирует гены, вовлеченные в ответ на повреждение ДНК и гомологическую рекомбинацию, и подавляет транскрипты, участвующие в поддержании цитоскелета, пролиферации и сборки митотического веретена [13—15]. В гепатоцитах
млекопитающих полиплоидия дает сходный эффект: гены репарации двойных разрывов ДНК и гомологической рекомбинации (особенно гены семейств HMG and RAD) и гены ответа на стресс повышают активность, а гены, участвующие в аэробном дыхании, поддержании цитоскелета и веретена деления, снижают активность [16, 17]. В клетках сосудистого эпителия плоидность снижает уровень экспрессии генов, кодирующих провоспалительные белки [18]. Для того чтобы выяснить, участвуют ли геномные дупликации в онтогенетическом программировании, мы разработали модель неонатального криптоспоридиозного гастроэнтерита со скользящей рамкой заражения. Заболевание вызывали широко распространенным протозойным патогеном Cryptosporidium parvum (Apicomplexa, Sporozoa). Это заболевание поражает детей замедлением роста и перегрузкой сердца одновременно [2, 19]. Рост замедляется вследствие гастроэнтерита, а перегрузка сердца возникает из-за учащения
пульса и снижения количества миофибриллярных белков в миокарде [20].

Мы исследовали реакцию плоидности кардиомиоцитов на заболевание в 9 точках неонатального периода (т.е. на протяжении всего периода питания крысят молоком) и через месяц после полного выздоровления животных.

Для того чтобы определить промежуток времени, на протяжении которого полиплоидизация кардиомиоцитов наиболее чувствительна к колебаниям гемодинамической нагрузки, и выявить момент, в который она полностью теряет эту чувствительность, мы воспользовались дополнительными индикаторами — формой кардиомиоцитов и содержанием в них общего белка. Эти параметры известны тем, что реагируют даже на небольшие колебания нагрузки и изменения физиологического микроокружения на протяжении всей жизни. Кроме того, они достаточно быстро приходят в норму при восстановлении метаболического статуса (в отличие от полиплоидизации, которая практически необратима) [21, 22].

Материал и методы

Дизайн эксперимента. Мы разработали модель неонатального криптоспоридиоза со...

Анацкая О.В., Сидоренко Н.В., Бейер Т.В., Виноградов А.Е.