ВВЕДЕНИЕ

Плацента – это временный, высокоспециализированный мультифункциональный орган, формирующийся в период беременности у плацентарных млекопитающих. Она обеспечивает физиологическую связь между органами матери и плода. Выполняет такие функции, как газообмен, питание, выделение, эндокринная регуляция, иммунологическая и тд. Гипоксия плода – это патологическое состояние, вызванное недостаточным снабжением тканей и органов кислородом или нарушением его утилизации. В клинической практике причины разделяют на антенатальные – возникающие во время беременности и интранатальные – проявляющиеся в родах [1]:

1. Антенатальные: заболевания матери (анемия, гестационный сахарный диабет, гипертензивные расстройства, инфекционные заболевания)- снижается кислородная ёмкость крови, нарушается маточно-плацентарный кровоток [1]. Осложнения беременности (плацентарная недостаточность, задержка роста плода, преэклампсия, перенашивание плода) – нарушаются структуры и микроциркуляция плаценты, снижается транспорт кислорода к плоду [1]. Вредные привычки (курение, алкоголь) – прямое токсическое воздействие на сосуды и ткани, интоксикация.
2. Интранатальные: аномалии родовой деятельности – нарушение маточно-плацентарного кровотока во время схваток, приводящее к острой гипоксии [1]. Ранний или поздний срок гестации – функциональная незрелость или инволюция плаценты, снижающая резервные возможности [1].

Внутриутробная гипоксия плода лежит в основе перинатальных осложнений вплоть до неонатальной смерти. С позиции биохимических процессов, адаптация плода к кислородному дефициту представляет собой каскад молекулярных реакций, инициируемых активацией транскрипционного фактора HIF. HIF-1а стабилизируется в период гипоксии и запускает экспрессию генов по регуляции ангиогенеза, транспорт глюкозы (GLUT-1, GLUT-3), гликолиз [10, 12].

Работы последних лет демонстрируют, что адаптация не ограничивается системными реакциями – включается глубокая перестройка клеточного метаболизма на уровне митохондрий [11, 12]. Исследования показали, что снижение потребления кислорода митохондриями плаценты происходит не в результате субстратного лимитирования, а из-за активного ингибирования митохондриального дыхания HIF-зависимые механизмы – феномен метаболического программирования [10, 11].

Адаптация к гипоксии – это комплексный процесс, реализуемый на системном, клеточном и молекулярном уровнях. Системные и гемодинамические механизмы направлены на поддержание оксигенации жизненно важных органов. В ответ на гипоксию у плода возникает тахикардия, централизация кровообращения. Клеточные и молекулярные механизмы обеспечивают долговременную адаптацию и выживание клеток в условиях гипоксии:

1. Активация стресс-сигналинга: Ключевую роль играет в адаптации транскрипционный фактор HIF. Повышение уровня его α-субъединиц в ответ на гипоксию запускает экспрессию более 100 генов-мишеней, участвующих в компенсаторно-приспособительных реакциях.
2. Метаболическое перепрограммирование: Активация HIF-зависимых генов приводит к переключению клеточного метаболизма с кислород-зависимого окислительного фосфорилирования на анаэробный гликолиз, что позволяет клетке получать энергию даже при низком напряжении кислорода.
3. Ангиогенез и эритропоэз: HIF стимулирует экспрессию генов сосудистого эндотелиального фактора роста и эритропоэтина, что способствует улучшению васкуляризации тканей и увеличению кислородной ёмкости крови.
4. Биохимическая адаптация: в качестве маркеров оценки адаптационных возможностей плода рассматриваются нейротрофические факторы и другие сигнальные молекулы, отражающие состояние ЦНС и компенсаторные процессы в ответ на стресс.

ОБСУЖДЕНИЕ

1. HIF-сигналинг

HIF (Hypoxia-Inducible Factor) – это гетеродимерный транскрипционный фактор, являющийся главным сенсором и регулятором клеточного ответа на снижение уровня кислорода. Состоит из кислород-чувствительной α-субъединицы и конститутивно экспрессирующей β-субъединицы. В условиях нормальной оксигенации HIF-1α гидроксилируется и быстро деградирует. По классической схеме понималось, что в условиях гипоксии HIF-α стабилизируется в результате снижения активности пролилгидроксилаз [10]. Однако анализ работ последних лет ставит этот механизм под сомнение в рамках универсальности.

McCracken [8] на материале плацент с задержкой роста плода и ранней преэклампсией обнаружил парадокс – накопление HIF-1α и HIF-2α происходит на фоне нормальной экспрессии пролилгидроксилазы – детектор кислорода и белка фон Хиппеля-Линдау, участвующего в разрушении белка HIF1-α в результате его убиквитинирования и последующей деградации в протеасомах [10] – это противоречит классической модели. Далее авторы предлагают объяснение: белок DJ-1, защищающий клетки мозга от окислительного стресса, конкурирует с HIF1-α за связывание с белком Хиппеля-Линдау, тем самым блокируя деградацию HIF даже в присутствии активных пролилгидроксилаз [8]. Механизм подтвердили in vitro. В результате нашего анализа было выявлено, что данные получены на небольшой выборке (n=15). Кроме того, не было исследований динамики экспрессии DJ-1 в зависимости от срока гестации и тяжести гипоксии. Важно отметить, что HIF1-α в большей степени регулирует гликолиз и ангиогенез, когда HIF2-α – гены, связанные с окислительным стрессом и инвазией трофобласта [8, 10]. Можно предположить, что селективное ингибирование той или иной изоформы может стать основой для дифференциальной терапии.

Адаптация клеток к гипоксии реализуется через сложную систему внутриклеточных сигнальных каскадов. Изоформы HIF-α по-разному задействованы в адаптационном ответе в зависимости его продолжительности. HIF-1α преимущественно регулирует реакцию на острую гипоксию, тогда как HIF-2α поддерживает адаптацию в условиях длительного кислородного голодания. Переключение между изоформами во времени является критически важным для выживания и, как показало в последних исследованиях, контролируется микроРНК. МикроРНК способны напрямую ингибировать синтез изоформ HIF-α путём комплементарного связывания с 3҆-нетранслируемой областью их мРНК. Так микроРНК могут влиять на стабильность HIF, воздействуя на компоненты убиквинтинлигазного комплекса, ответственного за его деградацию [3].

2. МикроРНК-210 – универсальный адаптационный фактор

МикроРНК-210 — класс малых некодирующих РНК, осуществляющий постранскрипционное подавление экспрессии генов путем связывания 3^‘-нетранслируемой областью мРНК-мишеней [4]. Известно, что микроРНК подавляет апоптоз в условиях гипоксии [5, 9]. В плацентарной ткани микроРНК-210 индуцируется в ответ на гипоксию – подавление митохондриального дыхания снижает продукцию активных форм кислорода и уменьшает окислительный стресс [2, 4]. В условиях гипоксии стабилизированные транскрипционные факторы HIF-1α транслоцируются в ядро и связываются с гипокси-чувствительным элементом, инициируя транскрипцию первичного транскрипта. Уникальность микроРНК210 заключается в широте её регуляторного воздействия. Она модулирует пролиферативную активность клеток путём подавления транскрипционных факторов, в условиях гипоксии выполняет цитопротективную функцию, подавляя проапоптические белки – подавление апоптоза способствует выживанию клеток в условиях дефицита кислорода. Также микроРНК-210 стимулирует ангиогенез путём подавления ингибитора ангиогенных сигналов. Подавляет экспрессию белка, участвующего в гомологичной рекомбинации и репарации двухцепочечных разрывов ДНК – это приводит к снижению эффективности репарации и накоплению генетических повреждений в гипоксических клетках.

ISCU (Iron-Sulfur Cluster Assembly Protein) – белок-каркас, играющий центральную роль в биосинтезе железо-серных кластеров. Служит платформой для сборки Fe-S кластеров de novo, которые затем переносятся на апобелки-мишени. Такие кластеры важны для ферментов дыхательной цепи, цикла Кребса и регуляции гомеостаза железа.

Возникает парадокс — подавление ISCU – ключевой мишени микроРНК-210, должно приводить к накоплению Fe²⁺ и усилению продукции АФК через реакцию Фентона [4, 9], однако, как мы писали ранее, в плаценте при гипоксии наблюдается снижение окислительного стресса [2, 4]. В плаценте должен быть компенсаторный механизм, утилизирующий избыток железа, например, ферритин (однако, нет прямых доказательств на связывание микроРНК-210 с ферритином) [12].

Особый интерес вызывает исследование Jin [5], которое продемонстрировало значительное повышение уровня микроРНК-210 в периферической крови новорожденных с асфиксией. Авторы не анализировали корреляцию с исходом. По нашим предположениям, кратковременная индукция микроРНК-210 может защищать митохондрии от перегрузки кислородом (феномен «гипоксического прекондиционирования»), тогда как длительная – приводит к энергетическому коллапсу клетки [3, 9].

3. Митохондриальное ремоделирование и метаболическое перепрограммирование плаценты

Концепцию метаболического перепрограммирования впервые описали в онкологии и только в последнее время экстраполировали на плаценту. Суть феномена заключается в HIF-зависимом подавлении окислительного фосфорилирования и переключении клеток на анаэробный гликолиз даже в присутствии достаточного количества кислорода. Исследования на уникальной модели высокогорной гипоксии, показали, что снижение потребления кислорода митохондрии плаценты происходит не в следствии субстратного лимитирования, а в результате активного ингибирования митохондриального дыхания [7]. Исследование тибетских женщин, адаптированных к высокогорью, митохондрии плаценты обладают повышенной эффективности окислительного фосфорилирования и сниженной продукции активной формы кислорода, что представляет собой эволюционный механизм адаптации плода. У нас возникает следующий вопрос: можно ли её воспроизвести фармакологически. Также авторы не обсуждают, какие именно изменения в дыхательной цепи обеспечивают этот эффект.

  В ответ на гипоксию в митохондриях активируется сигнальный путь «реакцию митохондриального развёрнутого белка» — это стресс-ответ, направленный на восстановление протеостаза в митохондриях. Модели ранней гипоксии у крыс показали «реакцию митохондриального развёрнутого белка» в плаценте, что проявилось повышением экспрессии глюкозо-регулируемого белка 78, стресс-ответ был снят митохондриально-адрессованным антиоксидантом. Результат перспективный, но нужно учитывать, что крысы получали гипоксию 13-14% с 6 по 20 день беременности, что соответствует хронической гипоксии средней тяжести. Вопрос о том, работает ли митохондриально-адрессованные антиоксиданты при тяжёлой острой гипоксии остаётся открытым. Кроме того, неизвестны возможные побочные эффекты долгосрочного применения митохондриально-адрессованных антиоксидантов у плода.

  Работа Jones в 2021 году на овцах продемонстрировало следующее – плод выделяет пируват, плацента превращает его в лактат и возвращает обратно и служит альтернативным энергетическим субстратом [6]. Механизм позволяет поддержать энергетический гомеостаз плода даже при значительном снижении маточно-плацентарного кровотока. Такое наблюдение радикально меняет мнение о плаценте, как о пассивном фильтре. Дополнительно в печени плода активируется глюконеогенез, а в тканях усиливаются челночные механизмы транспорта лактата и пирувата. Однако результаты были получены на модели с длительной гипоксией, нужны подтверждения на других моделях [6].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема предотвращения гипоксии плода является актуальной проблемой современной медицины. Важным является вопрос о биохимических механизмах адаптации плода к кислородному голоданию. Прежде всего, на основании анализа литературных данных, нами получена информация о системе стресс-сигналлинга Hypoxia-inducible factors (HIFs). Повышение уровня альфа-субъединицы транскрипционного фактора HIF в ответ на гипоксию стимулирует экспрессию более 100 генов-мишеней, которые обеспечивают компенсаторные реакции.

Транскрипционный комплекс HIF является гетеродимером и состоит из альфа- и бета-субъединиц. У человека обнаружен HIF-1α (фактор, индуцируемый гипоксией). Сигнальный каскад HIF опосредует влияние гипоксии. Гипоксия способствует образованию кровеносных сосудов у эмбрионов (и в процессе развития злокачественных опухолей).

HIF имеет жизненно важное значение для человека и млекопитающих. Инактивация этих генов приводит к перинатальной смерти. HIF-1 имеет важное значение для выживания хондроцитов.

HIF-1 активирует несколько генов. К ним относятся гены ферментов гликолиза, которые позволяют синтезировать АТФ независимо от присутствия кислорода. Также активируется ген фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), который способствует ангиогенезу.

В 2019 году У. Кэлин, Г. Семенза и П. Рэдклифф получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие механизмов, посредством которых клетки воспринимают доступность кислорода и адаптируются к ней.

В нормоксических условиях HIF-1 α гидроксилируется по двум остаткам пролина. Затем комплекс связывается с VHL и помечается убиквитином, что приводит к протеосомной деградации. В условиях гипоксии HIF-1α перемещается в ядро клетки и связывается с HIF-1β. Этот комплекс связывается с ДНК (участок HRE), что приводит к транскрипции генов, которые участвуют в эритропоэзе, гликолизе, ангиогенезе.

Разрабатываются селективные ингибиторы пролил-гидроксилазы HIF для лечения анемии («Роксадустат», «Вададустат» и др.).

HIF участвует в ангиогенезе для снабжения раковых клеток кислородом и питательными веществами, поэтому ингибиторы HIF (фенетилизоцианат, акрифлавин) исследуют на предмет противодействия раковым опухолям.

Считаем также важным вопрос об участии микро-РНК в адаптации к гипоксии. Микро-РНК – малые некодирующие молекулы РНК, длиной 18 – 25 нуклеотидов. Они принимают участие в транскрипционной и посттранскипционной регуляции экспрессии генов путём РНК-интерференции.

Микро-РНК, участвующие в регуляции клеточного ответа на гипоксию, можно разделить на три группы. Во-первых, это молекулы, подавляющие синтез изоформ HIF. Во-вторых, это группа микро-РНК, которая влияет на деградацию альфа-субъединиц HIF при нормоксии. Третья группа – микро-РНК, влияющие на экспрессию белков, участвующих в реализации метаболического ответа на гипоксию (гликолиз, окислительное фосфорилирование).