Implicación del estrés oxidativo en las alteraciones cardiovasculares asociadas a la programación fetal de la hipertensión arterial

Abstract

Estudios epidemiológicos demuestran que un bajo peso al nacer, inducido por inadecuado aporte de nutrientes al feto u otros factores estresores durante la vida intrauterina, se asocia con el desarrollo de enfermedades cardiovasculares (ECV) en la edad adulta y, particularmente, con alteraciones cardiacas. Este fenómeno se ha denominado programación fetal de la ECV. Así mismo, se ha constatado que un bajo peso al nacer también está asociado a diversos factores de riesgo de ECV, siendo la hipertensión arterial el más frecuente. Las observaciones epidemiológicas han sido corroboradas en modelos animales en los que se reduce el aporte de nutrientes al feto, los cuales también presentan, entre otras alteraciones, hipertensión y remodelado cardiaco en la edad adulta. Los mecanismos responsables de la asociación entre desnutrición durante la etapa intrauterina, el bajo peso al nacer y programación de la ECV aún no han sido completamente dilucidados, postulándose entre otros, la implicación del estrés oxidativo. La hipertensión asociada a la programación fetal parece tener menor impacto en mujeres, lo que ha sido corroborado en animales de experimentación. Este hecho se ha relacionado con el papel protector de los estrógenos, no habiéndose evaluado si existen otros mecanismos anteriores al desarrollo sexual, ni el impacto sobre el corazón. Se postula la hipótesis de que una nutrición fetal subóptima produce alteraciones tempranas en el balance oxidativo que pueden contribuir al desarrollo de hipertensión y explicar las diferencias entre sexos. También se postula que un mejor balance oxidativo puede proteger a las hembras del desarrollo de alteraciones cardiacas. El objetivo de esta Tesis ha sido evaluar, en un modelo de programación fetal en la rata: 1) si existen alteraciones sexo-dependientes en los niveles plasmáticos de antioxidantes y daño oxidativo en la etapa pre-puberal y en la edad adulta y su relación con el desarrollo de hipertensión y 2) la relación entre los sistemas enzimáticos responsables del balance oxidativo en tejido cardiaco y el desarrollo de hipertrofia ventricular, evaluando las diferencias entre sexos. Este estudio se llevó a cabo en un modelo experimental de programación fetal en ratas Sprague Dawley inducido por restricción al 50% de la ingesta materna durante la segunda mitad de la gestación (Maternal Undernutrition, MUN) utilizando como control ratas alimentadas ad libitum. En la descendencia, machos y hembras, se analizaron los siguientes aspectos: 1) parámetros de crecimiento, a los 7 días, 21 días y 6 meses de edad; 2) presión arterial en la rata anestesiada, evaluada mediante medida intra-arterial a los 21 días y 6 meses de edad; 3) determinaciones plasmáticas, a los 21 días y 6 meses de edad, de los siguientes biomarcadores: carbonilos, tioles, y glutatión (métodos espectrofotométricos), capacidad antioxidante total (TAC) y actividad superóxido dismutasa (SOD) (luminómetro), actividad catalasa (fluorescencia) y cálculo de un índice global de estado oxidativo plasmático (Oxy-Score) utilizando estos biomarcadores; 4) determinación de melatonina, estrógenos y testosterona a los 21 días de edad (ELISA); 5) expresión en tejido cardiaco de enzimas responsables de la síntesis (NADPH y xantina oxidasa) y eliminación (SODs y catalasa) de radicales libres de oxígeno, ROS, (western-blot); 6) histología cardiaca (secciones en parafina y tinción con PAS) a los 21 días y 7) ecocardiografía transtorácica a los 6 meses de edad. Los resultados muestran que la restricción de nutrientes al feto produce: 1) bajo peso al nacer seguido de crecimiento postnatal acelerado (catch-up growth), sin efectos sobre el desarrollo puberal, tanto en machos como en hembras; 2) hipertensión en machos en la edad adulta, que no se desarrolla en hembras; 3) un estado pro-oxidativo plasmático global en machos, pero no en hembras, por deficiencia generalizada de antioxidantes al destete, que se normaliza en la edad adulta, 4) bajos niveles de melatonina en machos pero no en hembras, 5) hipertrofia ventricular en machos, asociada a niveles altos de NADPH oxidasa a los 21 días, seguida de una hipotrofia ventricular a los 6 meses, 6) tendencia a hipertrofia ventricular en hembras en la edad adulta, asociada con baja expresión de SODs y catalasa. En conclusión, las hembras sometidas a desnutrición fetal: 1) tienen una mayor capacidad antioxidante global en edades tempranas, lo que puede contribuir a su protección frente al desarrollo de hipertensión; 2) presentan un desarrollo más tardío de la hipertrofia ventricular izquierda, asociada con diferencias en el patrón de expresión de las enzimas relacionadas con la síntesis y eliminación de ROS.

Epidemiological studies show that low birth weight, induced by inadequate supply of nutrients to the fetus or other stress factors during intrauterine life, is associated with the development of cardiovascular disease (CVD) in adulthood and particularly with cardiac abnormalities. This phenomenon is known as fetal programming of CVD. It has also been found that low birth weight is associated with several CVD risk factors, being hypertension the most frequent one. Epidemiological studies have been confirmed in animal models in which nutrient supply to the fetus is reduced. These animals also present, among other alterations, hypertension and cardiac remodeling in adulthood. The mechanisms responsible for the association between undernutrition during fetal life, low birth weight and CVD have not yet been fully elucidated, postulating among others, the implication of oxidative stress. Hypertension associated with fetal programming seems to have less impact on women, which has been confirmed in experimental animals. This fact has been linked to the protective role of estrogen and other possible mechanisms, independent of sex hormones, have not been evaluated. In addition, the impact of fetal programming on female heart has not been explored. The hypothesis of this Thesis is that sub-optimal fetal nutrition produces early alterations in oxidative balance that can contribute to the development of hypertension and may explain gender differences. It is also postulated that a better oxidative balance can protect females from development of cardiac abnormalities. The aim of this Thesis was to evaluate, in a model of fetal programming in the rat: 1) if there are sex-dependent differences in plasma antioxidants and oxidative damage in the pre-puberal and in adult age and their relationship with hypertension development and 2) the relationship between the enzymes responsible for oxidative balance in cardiac tissue and the development of ventricular hypertrophy, evaluating sex differences. This study was conducted in an experimental model of fetal programming in Sprague Dawley rats induced by 50% restriction of maternal intake during the second half of pregnancy (Maternal Undernutrition, MUN) using as control, rats fed ad libitum. In male and female offspring the following aspects were analyzed: 1) growth parameters, at the ages of 7 days, 21 days and 6 months; 2) blood pressure, assessed by intra-arterial measurements in anesthetized rats at the age of 21 days and 6 months; 3) plasma determinations, in 21 day and 6 month old rats, of the following biomarkers: carbonyls, thiols, and glutathione (spectrophotometric methods), total antioxidant capacity (TAC) and superoxide dismutase (SOD) activity (luminometer), catalase activity (fluorescence) and the calculation of an overall score of plasma oxidative status (Oxy-Score) from this biomarkers; 4) determination of melatonin, estrogen and testosterone at 21 days of age (ELISA); 5) cardiac tissue expression (western-blot) of the enzymes responsible for reactive oxygen species (ROS) synthesis (NADPH and xanthine oxidases) and elimination (SODs and catalase); 6) cardiac histology (paraffin sections and PAS staining) in 21 day-old rats and 7) transthoracic echocardiography in 6 month-old rats. The results show that fetal nutrient restriction induces: 1) low birth weight followed by rapid postnatal growth with no effects on puberal development, both in males and females; 2) hypertension development in males in adult age, which is not developed in females; 3) a global plasma pro-oxidative status in males, but not in females, due to a generalized deficiency of antioxidants at weaning, which normalized in adulthood; 4) low levels of melatonin in males, but not in females; 5) ventricular hypertrophy in males, associated with high levels of NADPH oxidase at the age of 21 days, followed by a ventricular hypotrophy at 6 months; 6) tendency to develop ventricular hypertrophy in females in adult age, associated with low expression of SODs and catalase. In conclusion, females exposed to fetal undernutrition exhibit: 1) a better overall antioxidant capacity at an early age than males, which may contribute to their protection against hypertension development; 2) a later development of left ventricular hypertrophy, associated with different expression pattern of the enzymes responsible for ROS synthesis and degradation.