Mitocondri e respirazione placentari

Dipartimento di Scienze Biomediche e Cliniche L. Sacco Università degli Studi di Milano

Dr Chiara Mandò PhD

Placenta: interfaccia tra madre e feto

Fornisce nutrienti e O2 per accrescimento tissutale e metab fetale

Produce e metabolizza ormoni per lo sviluppo fetale

organo di origine fetale metabolicamente attivo

organo altamente differenziato

Sinciziotrofoblasto

Cellule Stromali

Cellule Vascolari

Citotrofoblasto

ALTA RICHIESTA ENERGETICA

✓ Organelli cellulari presenti nel citoplasma di tutte le cellule eucariotiche a metabolismo aerobico

✓ Dotati di un proprio DNA, di forma circolare (mtDNA), presente in multiple copie in ogni mitocondrio, in un numero specifico per ogni tipo cellulare

✓FUNZIONI DEL MITOCONDRIO:

Mitocondri

ATP

cytC apoptosome

AIF

ROS

ox. stress

STEROIDS

produzione di ENERGIA (ATP) (RESPIRAZIONE CELLULARE)

APOTOSI: centrale di integrazione degli stimoli apoptotici

PRODUZIONE DI ROS (reactive oxygen species, radicali liberi)

STRESS OSSIDATIVO > mt marker OxS

Altre (es. steroidogenesi in st,

differenziam. ct>st, ecc…)

ct>st differentiation

VISTO RUOLO DI GRANDE IMPORTANZA DEI MITOCONDRI NELLA PLACENTA

COINVOLGIMENTO IN PATOLOGIE DELLA GRAVIDANZA CON DISFUNZIONI PLACENTARI?

Ritardo di crescita intrauterino (IUGR) e preeclampsia (PE) - insufficienza placentare - esiti negativi della gravidanza e per il futuro adulto (fetal programming) - nessuna terapia

(Cetin et al, 2009; Barker and Thornburg, 2013)

Caratterizzate da: - IPOSSIA (Pardi et al 1993)

- alti livelli di STRESS OSSIDATIVO (Mert et al, 2012)

- aumentato stato INFIAMMATORIO (Cozzi et al, 2012; Chaiworapongsa et al, 2014)

Livelli DNA mitocondriale in placente controllo e IUGR

✓ Hp: MAGGIORE mtDNA IN IUGR come meccanismo compensatorio all’ipossia

Liv

elli

mtD

NA

(2

-ΔC

t )

UV pO2

controlli IUGR

Livelli mtDNA: misura del

numero di mitocondri nella cellula

Real Time PCR (metodo 2-ΔCt )

Citocromo-B/nuclear RNAsi-P

Placente CONTROLLO

(n=26)

Placente IUGR (n=25)

Liv

elli

mtD

NA

(2

-ΔC

t )

Lattuada et al, Placenta 2008 T-test: * p<0.05

Nelle cellule placentari IUGR c’è alterazione quantità di mitocondri

Ma quanto funzionano?

RESPIROMETRIA AD ALTA RISOLUZIONE Misura del consumo di ossigeno cellulare

Necessità metodologica di CELLULE ISOLATE

Scelto il CITOTROFOBLASTO,

cellula placentare molto importante per scambi nutrienti

Placente IUGR e PE

T-test: ** p<0.001

**

mtDNA in PLACENTA

IUGR e PE

Confermati livelli maggiori mtDNA in placente IUGR

Nessuna differenza tra placente PE e controlli

**

mtDNA in citotrofoblasto

IUGR e PE

Nelle cellule di citotrofoblasto isolate dalle stesse placente, livelli mtDNA significativamente MINORI in IUGR vs controlli

Nessuna differenza tra citotrofoblasto PE e controlli

Mandò et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2014

T-test: * p<0.05

*

PGC1α

*

ERRγ

*

NRF1

Espressione genica ATTIVATORI della BIOGENESI MITOCONDRIALE

(replicazione mitocondriale/espressione proteine mt)

in citotrofoblasto IUGR

Anelli et al, Rep Sci 2014, suppl.3, absT133

Mandò et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2014

✓MAGGIORE contenuto mitocondriale nel tessuto placentare in IUGR vs ctr, ma MINORE in cellule di citotrofoblasto isolate da esso

Altri tipi cellulari della placenta responsabili dell’aumento di mtDNA nel tessuto

controls

Preeclampsia

IUGR

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

TOTAL (CI+CII) CI CII CIV

pm

ol O

2 /m

t

A

*

*

*

0

50

100

150

200

250

TOTAL (CI+CII) CI CII CIV

pm

ol

O2 /

milli

on

cell

s

B *

T-test (Bonferroni adjustment): * p<0.01

pro-mitochondrion

pro-cell

✓ MAGGIORE consumo di ossigeno mitocondriale in IUGR vs controlli, anche complessivamente nella cellula

Mandò et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2014

FUNZIONE MITOCONDRIALE: Consumo di ossigeno in citotrofoblasto IUGR e PE

Respirometria ad Alta Risoluzione

controls

IUGR with normal PI

IUGR with abnormal PI

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

TOTAL (CI+CII) CI CII CIV

pm

ol

O2 /

mt

C

* * *

*

*

0

50

100

150

200

250

TOTAL (CI+CII) CI CII CIV

pm

ol O

2 /m

illio

n c

ells

D *

*

pro-mitochondrion

T-test (Bonferroni adjustment): * p<0.01

pro-cell

Mandò et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2014

FUNZIONE MITOCONDRIALE: Consumo di ossigeno in citotrofoblasto IUGR

-indice di pulsatilità arteria ombelicale-

✓MAGGIORE consumo di ossigeno in IUGR Più SEVERI, con PI alterato, vs controlli

controlli IUGR PE

CORRELAZIONI NEGATIVE SIGNIFICATIVE mtDNA citotrofoblasto/consumo di ossigeno pro-mt

R2=0.3 p=0.02 R2=0.3 p=0.02 R2=0.6 p<0.001

Tanti meno mitocondri nella cellula, tanto più ognuno di essi “respira”

✓ Consumo di ossigeno correla negativamente con livelli mtDNA

Pearson Correlation

DISCUSSIONE

Possibile meccanismo compensatorio in IUGR, per sostenere crescita fetale in condizioni di insufficienza placentare severa

Minore rilascio di O2 ai feti IUGR dovuto ad un maggiore tasso di consumo di O2 placentare

LIMITE: epoca gestazionale in IUGR e PE < controlli

- Nella popolazione totale nessuna correlazione tra epoca gestaz e consumo O2

- In topo riportato maggiore consumo di O2 placentare in modello IUGR vs controlli, alla STESSA epoca gestazionale (Mayeur et al, 2013)

MITOCONDRI IN PLACENTE DI DONNE OBESE senza diabete gestazionale né complicazioni ostetriche

Obesità: maggior rischio di problemi gestazionali e crescita fetale Stato infiammatorio e stress ossidativo In altri tessuti associata a disfunzioni mt

p=0.000

R2=0.54

p=0.000

controlli obese

> mtDNA possibile conseguenza dell’aumento di infiammazione dovuto all’effetto lipotossico degli acidi grassi intracellulari

POSTER SIMP n.18

CONCLUSIONI

disfunzioni mitocondriali riscontrate in placente IUGR e di donne obese

suggeriscono un ruolo fondamentale dei mitocondri per la funzionalità placentare

Grazie….

Unità di Farmacologia Clinica

Prof Emilio Clementi Dr Clara De Palma

Ospedale dei Bambini V. Buzzi Unità di Ginecologia e Ostetricia

Prof Enrico Ferrazzi Dr Tamara Stampalija

Dipartimento di Scienze Biomediche e Cliniche Luigi Sacco, Università degli Studi di Milano

Prof Irene Cetin

Dott Gaia Anelli Dott Chiara Novielli

Unità di Ginecologia e Ostetricia Ospedale Sacco Staff di medici, specializzandi e ostetriche

A IUGR+IUGR with PE (n=10)

PE only (n=6)

Controls (n=8)

Maternal age (years) 34.9 ± 5 35.5 ± 6.0 34.1 ±7.5 BMI (kg/m

2) 22.5 ± 3.7 26.3 ± 4.5 21.6 ±3.2

Gestational age (weeks) 32.6 ± 4.0 ** 36.7 ± 2.9 * 39.1 ±0.2

Fetal weight (g) 1401 ± 596 ** 2639 ± 472 * 3398.7 ±250.9 Placental weight (g) 244 ± 103 ** 429 ± 32 * 517.2 ±75

Maternal and fetal demographic data

Mandò et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2014

Prenatal and neonatal baseline data of cases stratified according to the prenatal diagnosis of IUGR

B Gestational age at

U/S and Doppler examination

(weeks)

Abdominal circumference

(percentile)

PI uterine arteries

PI umbilical arteries

Gestational age

at delivery (weeks)

Neonatal

weight (g)

Fetal

gender Neonatal weight

(percentile)

Placental

weight (g)

IUGR 27 <5° A A 26 707 M <10° 100

IUGR 27 <5° A A 27 640 F <10° 135 IUGR/PE 27 <5° A A 27 668 F <5° 145

IUGR 32 <5° A A 32 1030 F <5° 161 IUGR 33 <5° A A 33 1252 F <10° 235 IUGR 34 <5° A A 34 1550 F <10° 340 IUGR 34 <5° A N 35 1745 F <5° 276 IUGR 34 <5° A N 35 2005 M <10° 350

IUGR 36 <5° N N 37 1965 F <5° 320 IUGR/PE 35 <5° A N 37 2250 M <5° 378

PE 33 28° A N 32 2126 M 75-90° 420 PE 33 55° A A 34 1993 M 10-25° 472 PE 37 16° A N 38 2960 M 25-50° 430 PE 37 55° A N 38 3170 M 50° 376 PE 35 41° N N 39 2845 F 10-25° 430

PE 36 58° N N 39 2740 F 10-25° 446

Mandò et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2014

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 20 30 40 50 60 70 80 90

uterine venous pO2 (mmHg)

umb

ilica

l ve

nous

pO

2

(mm

Hg)

AGAIUGRPE-IUGRAGA

Relationship between umbilical venous pO2 and uterine venous pO2 at CS

Cetin and Radaelli, Placenta 2003

OXYGEN

Uterine venous pO2 Uterine-umbilical venous gradients Coefficient of uterine oxygen extraction

- Tutte placente da taglio cesareo elettivo - Dati clinici: età e BMI materno non diversi, invece epoca gestazionale , peso fetale e

placentare signific minori in IUGR - mtDNA non correlava con epoca gestazionale

mtDNA tessuto/cito: HP: - biogenesi mt è regolata da concentrazione di O2 (Zung et al, 2007; Gutsaeva et al, 2008)

- in IUGR maggiore gradiente trans-placentare di pO2 (tra flusso materno e fetale) (Pardi et

al, 1992; Regnault et al, 2007).

biogenesi mt alterata dalle concentrazioni di O2 in zone ≠ della placenta HP: alta funzionalità catena respiratoria in citotrofobl può produrre eccesso di ROS e causare ulteriore danno vascolare, che può stimolare biogenesi mt in cellule endoteliali fetali e placentari. HP: produzione di progesterone, che avviene nel sinciziotrof e non cito(e regola la biogenesi mt) è alterata in IUGR: in sincizio IUGR potrebbe essere stimolata così la biogenesi mt

Possibile causa aumento mt in placenta IUGR: RESTRIZIONE CALORICA, ampiamente dimostrata in IUGR, e che in altri tessuti regola biogenesi mitocondriale