У млекопитающих плацента является первичной границей между плодом и матерью и играет важную роль в поддержании роста плода, выполняя несколько физиологических функций, которые после рождения контролируются почками, желудочно-кишечным трактом, легкими и эндокринными железами. Основные функции плаценты включают в себя: модуляцию иммунного ответа матери для предотвращения иммунологической толерантности, облегчение обмена дыхательными газами, водой, ионами, питательными веществами и продуктами метаболизма между матерью и плодом, а также синтез и секрецию гормонов, цитокинов и других сигнальных молекул, необходимых для поддержания беременности и обеспечения развития и роста плаценты и плода [1, 2].
Ключевым звеном в процессах метаболизма клеток плаценты являются митохондрии. Они играют ведущую роль в энергообразовании, генерации активных форм кислорода (АФК), депонировании внутриклеточного кальция, реализации механизмов запрограммированной гибели клеток [3, 4]. Окислительное фосфорилирование является фундаментальным механизмом в аэробном метаболизме, важным фактором эмбрионального и постнатального развития. Эффективность его зависит от фосфолипида кардиолипина, расположенного во внутренней мембране митохондрий, который поддерживает функциональную активность и структурную целостность комплексов цепи переноса электронов. Во внутренней мембране локализуется и цитохром P450, участвующий в стероидогенезе, превращении холестерина в прегненолон – предшественник прогестерона – гормона беременности [5]. Однако одновременно цитохром P450 способен генерировать супероксид-анион, индуцирующий перекисное окисление липидов мембран митохондрий, нарушение работы электрон-транспортной цепи и других функций органелл. АФК способны инициировать накопление вторичных мутаций митохондриальной ДНК (мтДНК), что может усугублять дефекты дыхательных ферментов и увеличивать окислительный стресс в митохондриях [6].
Причиной развития окислительного стресса могут быть мутации в субъединице С сукцинатдегидрогеназы (succinate dehydrogenase С, SDHC), II комплекса дыхательной цепи митохондрий. В сайте мутации в 69-й позиции, расположенной в зоне, связывающей убихинон, меняется нейтральный и гидрофобный валин на отрицательно заряженный и гидрофильный глутамат (V69E). Эта замена вызывает снижение аффинности между комплексом II и убихиноном, что приводит к утечке электрона и образованию АФК. Внутриклеточный окислительный стресс вызывает чрезмерный апоптоз во время митотических делений клеток, свойственных эмбриогенезу и развитию новорожденных, что может привести к рождению потомства с малым весом и замедлению роста [7].
Физиологическая беременность протекает на фоне окислительного стресса, который в ранние сроки гестации играет существенную роль в развитии плаценты, модуляции ее функций и ремоделировании. В первом триместре он стимулирует экспрессию транскрипционных факторов, регулирующих ангиогенез и инвазию трофобласта, вызывает регрессию ворсинок хориона и способствует формированию дискоидальной формы плаценты, а также компенсаторно-приспособительных механизмов, направленных на улучшение процессов микроциркуляции для повышения кровоснабжения плаценты и плода [8]. Фокальное окислительное повреждение трофобласта и прогрессирующая дегенерация ворсинок приводят к образованию плодных оболочек, что является ключевым моментом благоприятного исхода родов. Физиологическая концентрация кислорода между маткой и плодом поддерживает транспортные и синтетические плацентарные функции. Окислительный стресс, вызывающий развитие патологических процессов, возникает, когда производство АФК превосходит емкость антиоксидантных систем. АФК стабилизируют индуцируемый гипоксией фактор (hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α), который, в свою очередь, может индуцировать транскрипцию антиангиогенных факторов, растворимую fms-подобную тирозинкиназу 1 (soluble fms-like tyrosine kinase-1, sFLT1) и растворимый эндоглин в трофобластах; нарушаются процессы ангиогенеза [9]. При высоких концентрациях АФК повреждаются биологические молекулы, происходят потеря функций и апоптоз клеток плаценты.
Окислительный стресс играет существенную роль в патофизиологии выкидыша, преэклампсии (ПЭ) и задержки роста плода [10].
Таким образом, дисфункция плацентарных митохондрий может иметь решающее значение для ряда осложнений гестации, имеющих серьезные последствия для здоровья матери и плода.
Роль митохондрий плаценты в патогенезе преэклампсии
ПЭ является распространенным осложнением беременности, которое связано со значительной заболеваемостью и смертностью матери и ребенка. Обширные эпидемиологические и экспериментальные исследования показывают участие митохондрий в развитии ПЭ. Показано, что активность и экспрессия фермента цитохрома С-оксидазы митохондриальной цепи переноса электронов уменьшаются в слое синцитиотрофобластов хорионических ворсинок у беременных с ПЭ [11]. Ультраструктурный и морфометрический анализ митохондрий показал снижение их количества в слоях синцитиотрофобласта и в цитотрофобласте при ПЭ [11], а также набухание, вакуолизацию и исчезновение крист [12].
Существует множество доказательств, свидетельствующих о том, что патогенез названного осложнения беременности тесно связан с окислительным стрессом, возникающим в митохондриях. Показано накопление 4-гидрокси-2-ноненальных (HNE)-модифицированных белков, повышение экспрессии мРНК в 2 и уровня белка пероксиредоксина III – в 4 раза в плацентах женщин с ПЭ, по сравнению с нормально протекающей беременностью. Обнаружено увеличение концентрации малонового диальдегида (МДА) и снижение активности антиоксидантных ферментов – супероксиддисмутазы, каталазы и глутатионпероксидазы в митохондриях плаценты беременных с ранним и поздним началом ПЭ, по сравнению с показателями женщин с неосложненной беременностью [13]. Выявлено, что мощный прооксидант пероксинитрит, образующийся при взаимодействии АФК с оксидом азота, нитрозилирует белки по остаткам тирозина, изменяя их функцию. Нитрозативный стресс в плаценте при ПЭ сопровождает окислительный [14]. Наряду со сдвигом оксидантно/антиоксидантного баланса в сторону первого, отмечено снижение соотношения АТФ/АДФ и активности ферментов дыхательной цепи [15].
Появление протеомики дало возможность более детально исследовать совокупность митохондриальных белков плаценты, что вносит существенный вклад в понимание патогенеза ПЭ. В работе Shi Z и соавт. (2013) показано, что из 26 изученных митохондриальных белков экспрессия 22-х была подавлена в группе женщин с осложненной беременностью, а 4-х – увеличена [6]. Обнаружено, что большинство из этих белков участвуют в различных биологических процессах, таких как апоптоз, окислительный стресс, генерация реактивных форм кислорода, окисление жирных кислот, повреждение митохондрий и цикл трикарбоновых кислот. Среди них идентифицированы бета субъединица АТФ-синтазы (ATP5B), ацил-КоА-дегидрогеназа жирных кислот с очень длинной цепью (Acyl-CoA Dehydrogenase, Very Long Chain, ACADVL), альфа-кетоглутарат-дегидрогеназа (2-oxoglutarate dehydrogenase, OGDH), дигидролипоилсукцинилтрансфераза (dihydrolipoamide succinyltransferase, DLST), малатдегидрогеназа (MDH2). Выявлено значительное увеличение экспрессии мРНК белка атрофии зрительного нерва (optic atrophy type 1, OPA1) (белок относится к классу ГТФаз, входит в состав внутренней мембраны митохондрий и необходим для образования крист и слияния органелл) в плацентах пациенток с ранней ПЭ. При этом была снижена экспрессия митохондриального транскрипционного фактора А (мitochondrial transcription factor A, TFAM). Отмечено также увеличение скорости дыхания в состоянии 3 митохондрий, выделенных из плаценты в присутствии субстратов I комплекса у беременных с ранней ПЭ, увеличение отношения P/O, активности цитратсинтазы. Полученные результаты свидетельствуют о существенной роли изменений митохондриальной активности в адаптивном ответе на развитие ПЭ [16]. В работе Xu Z и соавт. (2018) показана связь митохондриальной дисфункции с развитием ранней ПЭ [17].
Zhou X и соавт. (2017) предприняли попытку раскрыть новые аспекты понимания этиологии ПЭ. Они выявили, что нарушенный липидный обмен в плаценте при ПЭ вызывает дисфункцию митохондрий, митохондриальная дизрегуляция может изменить плацентарный метаболизм [18]. Уменьшению пула АТФ в плаценте беременных с ПЭ, возможно, способствует снижение интенсивности β-окисления жирных кислот, на что указывает также накопление промежуточных продуктов метаболизма омега-6 жирных кислот – γ-линолеата, дигомо-γ-линоленовой кислоты и арахидоната в митохондриях плаценты. Из арахидоновой кислоты синтезируется большое количество сосудосуживающих простагландинов и воспалительных медиаторов лейкотриенов, она способствует образованию АФК и апоптозу. Вазоконстрикция, воспаление, окислительный стресс и апоптоз ассоциированы с ПЭ [18]. Кроме того, генетически и эпигенетически детерминированные нарушения окисления жирных кислот в митохондриях плаценты способствует развитию ПЭ, HELLP-синдрома (Hemolysis, Elevated Liver enzymes and Low Platelets), острого жирового гепатоза, задержке внутриутробного развития (ЗВУР) плода, рождению недоношенных детей [19–21]. Осложнения беременности встречаются, прежде всего, у матерей, несущих плод с дефицитом длинноцепочечной L-3-гидроксиацил-CoA-дегидрогеназы (Long-chain acyl-CoA dehydrogenase, LCAD) или дефектом трифункционального белка (mitochondrial trifunctional protein, TFP). Митохондриальный трифункциональный белок представляет собой мультиферментный комплекс цикла бета-окисления жирных кислот. Это октамер, состоящий из четырех альфа-субъединиц, содержащих длинноцепочечные еноил-CoA-гидратазу и L-3-гидроксиацил-CoA-дегидрогеназу, а также четыре бета-субъединицы, кодирующие длинноцепочечную 3-кетоацил-CoA-тиолазу. Мутации в любой субъединице могут привести к общему дефициту ферментов с их уменьшенной активностью [22]. У новорожденных нарушение окисления жирных кислот сопровождается гипокетотической гипогликемией, метаболическим ацидозом, печеночной недостаточностью и кардиомиопатией. Поздние проявления включают эпизодическую миопатию, нейропатию, ретинопатию и аритмии. В любом возрасте может произойти внезапная смерть [20].
Показано участие аберрантно экспрессируемой микроРНК в развитии митохондриальной и плацентарной дисфункции, а также ПЭ. МикроРНК принадлежат к семейству небольших некодирующих РНК (18–25 нуклеотидов), которые регулируют экспрессию генов на посттранскрипционном уровне путем деградации или блокирования трансляции мРНК [23]. Например, сверхпродукция микро-РНК-210 вызывает репрессию митохондриальных генов-мишеней, снижение активности III и экспрессии белков I и IV комплексов дыхательной цепи митохондрий плаценты [24]. Плацентарная дисфункция может привести к фетальному программированию патологии в более позднем периоде жизни. Названная микроРНК способна ингибировать инвазию клеток трофобласта через подавление экспрессии мРНК генов фактора, модулирующего активность калиевых каналов 1 типа (potassium channel modulatory factor 1, KCMF1). Выявлен более низкий уровень KCMF1 в плаценте при ПЭ, чем при нормально протекающей беременности, который обратно коррелировал с уровнем микроРНК-210 [25]. Показано также, что аберрантная экспрессия микроРНК-195 может способствовать возникновению ПЭ через вмешательство в передачу сигналов Activin / Nodal, опосредованную рецептором активина типа II (activin type II receptors, ActRIIA) в плаценте человека [26]. Исследование Ding G.C. и соавт. (2016) на клетках трофобласта линии HTR-8 / SVneo показало, что индуцированный микроРНК-128a апоптоз может играть существенную роль в патогенезе ПЭ, а сама нуклеиновая кислота – быть новой потенциальной терапевтической мишенью для лечения осложнения беременности. МикроРНК-128а способствует уменьшению митохондриального мембранного потенциала (Δψm) и уровня АТФ, увеличению генерации АФК, высвобождению цитохрома С, активации каспаз. Дальнейшие исследования показали, что эта разновидность микро РНК нацелена на Bax и индуцирует апоптоз клеток HTR-8 / SVneo через митохондриальный сигнальный путь [27].
Регуляторные системы поддержания митохондриального гомеостаза включают в себя деление, слияние, биогенез и аутофагию. Благодаря этим процессам осуществляется «контроль качества» митохондрий [28–31]. Важным регулятором митохондриального деления является цитозольная GTPаза-динамин 1-подобный белок (или динамин 1-родственный белок, dynamin related protein 1, DRP-1). Он образует кольцо вокруг органеллы и обеспечивает ее фрагментацию [32]. Слияние поддерживается митофузинами 1 и 2 (mitofusin, MFN) и белком ОРА-1. Митохондрии находятся в постоянном равновесии слияния и деления в ответ на клеточные сигналы. В плацентах при ПЭ митохондриальный динамический баланс склонен к делению, о чем свидетельствует увеличение экспрессии / активации DRP1 и уменьшение – OPA1. Кроме того, обнаружено увеличение PINK1-PTEN-индуцированной киназы 1 (PTEN-induced putative kinase 1, PINK1), представляющей собой митохондриальную серин/ треонин-протеинкиназу, кодируемую геном PINK1, которая активирует белок Паркин-цитозольную Е3-убиквитинлигазу (Parkin), связывающийся с деполяризованными митохондриями, чтобы индуцировать аутофагию [33]. В других работах обнаружено снижение концентрации АТФ и белка слияния митохондрий митофузина 2 в клетках плаценты [18, 34].
Дисфункция митохондрий и задержка внутриутробного развития плода
ЗВУР плода – многофакторное осложнение, связанное с высокой частотой перинатальной заболеваемости и смертности, а также с повышенным риском сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний в более позднем периоде жизни.
Есть данные, свидетельствующие о взаимосвязи между патогенезом ЗВУР плода и митохондриями [35, 36]. В плацентарных тканях беременных с этой патологией отмечается более высокое содержание названных органелл, при этом обнаружены низкие уровни мРНК, кодирующих белки II, III и IV и снижение активности I, II–III и IV комплексов дыхательной цепи, увеличение уровня мтДНК и экспрессии ядерного респираторного фактора 1 (nuclear respiratory factor 1, NRF1) в клетках цитотрофобласта [37]. Повышение уровней мтДНК может означать эмбриональную реакцию на плацентарную недостаточность [38, 39].
Было обнаружено снижение экспрессии трех митохондриальных генов MT-ND5, MT-ND6 и MT-ATP6 в плаценте при ЗВУР плода. Гены кодируют субъединицы 5 и 6 NADH-убихинон-оксидоредуктазы и субъединицу 6 Fo АТФ-синтазы [40].
Дисфункция не только плацентарных митохондрий наблюдается при ЗВУР плода. Известно, что повышенное производство АФК митохондриями эндотелиальных клеток связано с дисфункцией, пролиферацией и апоптозом гладкомышечных клеток сосудов, кульминацией чего является развитие атеросклероза. Таким образом, митохондриальную дисфункцию можно считать фактором риска развития атеросклероза. У новорожденных с ограничением роста наблюдается выраженная дисфункция эндотелиальных клеток в раннем возрасте, что впоследствии предрасполагает к атеросклерозу, согласно гипотезе фетального программирования болезней взрослых [41]. Критическая роль митохондрий в атерогенезе через эндотелиальную функцию позволяет предположить, что плацентарная митохондриальная дисфункция в случаях плацентарной недостаточности может иметь решающее значение при программировании атеросклероза плода [41].
Известно, что эффективный энергетический гомеостаз в кардиомиоцитах зависит от правильного расположения митохондрий. Тесное пространственное взаимодействие между ними и саркомером сократительных волокон необходимо для обеспечения адекватной и быстрой транспортировки АТФ. Это достигается за счет функционирования внутриклеточной энергетической единицы, которая состоит из митохондрий, расположенных на уровне саркомера между Z-линиями, взаимодействующими с окружающими миофиламентами, саркоплазматическим ретикулумом, цитоскелетом и цитоплазматическими ферментами, которые способствуют эндогенному циклированию адениновых нуклеотидов [42]. Мышечные митохондрии представляют собой паукообразные структуры, отростки которых могут ветвиться и простираться через весь поперечник мышечного волокна, окружать каждую миофибриллу, обеспечивать их энергией для сокращения. При ЗВУР плода наблюдаются структурные изменения кардиомиоцитов, характеризующиеся менее организованным внутриклеточным расположением митохондрий, уменьшением их относительного объема и увеличением такового цитоплазмы. Внутриклеточная дезорганизация ограничивает диффузию АТФ и АДФ, уменьшая эффективность синтеза энергии. Такие изменения можно интерпретировать, как задержку созревания кардиомиоцитов, поскольку было описано, что в это время митохондрии становятся ближе к миофиламенту для создания энергетической единицы. Эти нарушения способствуют развитию заболеваний сердца [43].
ЗВУР плода связывают также с развитием диабета типа 2 в более поздние сроки постнатального развития, существенную роль в этом играют митохондрии. В экспериментах на крысах на модели маточно-плацентарной недостаточности, которая является общей причиной ЗВУР, в раннем возрасте животные устойчивы к инсулину, а к 6 месяцам у них развивается диабет 2 типа. Выявлено, что в митохондриях значительно снижаются уровни потребления кислорода в состоянии 3 с пируватом, глутаматом, альфа-кетоглутаратом и сукцинатом, что связано с уменьшением продукции АТФ; снижается активность пируватдегидрогеназы и повышается экспрессия киназы 4 пируватдегидрогеназы (этот фермент фосфорилирует и инактивирует пируватдегидрогеназный комплекс, в результате чего пируват превращается в глюкозу). Такой дефект в митохондриях при ЗВУР плода приводит к хроническому снижению количества АТФ. Нарушение синтеза АТФ в мышцах затрудняет перемещение транспортеров глюкозы – GLUT4 на клеточную поверхность, перенос глюкозы в клетку и синтез гликогена, возникает резистентность к инсулину и гипергликемия, развивается диабет 2 типа [44].
Связь преждевременных родов и выкидышей с нарушением функции митохондрий
Как уже было сказано, окислительный стресс играет существенную роль в развитии осложнений беременности. В недавно проведенных исследованиях обнаружено, что у беременных самок трансгенных мышей Tet-mev-1 с модифицированной тетрациклиновой системой (ген mev-1 кодирует большую субъединицу цитохрома b560 сукцинат-убихинон-оксидоредуктазы в комплексе II митохондрий) и дефектом SDHCV69E наблюдается развитие окислительного стресса в митохондриях, что приводит к спонтанному аборту и рецидивирующему выкидышу с плацентарным воспалением и задержкой эмбрионального развития, вызывающим гибель плода при гипоксических состояниях, связанных с аномальным ангиогенезом в плаценте [45]. У беременных женщин с необъяснимым выкидышем в плацентарных ворсинках было обнаружено снижение экспрессии генов, связанных с митохондриальной функцией, включая метаболизм глутатиона, окислительное фосфорилирование и Cu-Zn-супероксиддисмутазу. Нарушение регуляции митохондриальных путей, вовлеченных в поддержание редокс-баланса, усугубляет окислительный стресс с увеличением продукции АФК, что может быть основной причиной необъяснимого выкидыша [46].
Показан более высокий уровень интенсивности свободнорадикального окисления и общей антиоксидантной активности (ОАА) в митохондриях плацент женщин при преждевременных родах по сравнению с таковым при физиологической беременности. Выявлена положительная корреляция между уровнем интенсивности хемилюминесценции и ОАА, активностью СОД и глутатионпероксидазы (ГП) в митохондриях, полученных из центральной и периферической частей плацент. Отрицательная зависимость наблюдалась между интенсивностью хемилюминесценции и активностью ГП в митохондриях, выделенных из периферии плацент женщин, беременность которых завершилась преждевременными родами в сроки 28–36 недель [47]. Данные позволяют предположить, что перечисленные изменения являются причиной осложнений гестации.
Существенную роль в патогенезе выкидышей играет также митохондриальная динамика. Показано, что дефицит митофузина 2 в трофобластических клетках может быть важной причиной раннего аборта. При исследовании образцов плацентарных ворсинок 30 женщин с ранним необъяснимым выкидышем и 30 – с нормальной беременностью было выявлено, что уровни митофузина 2 и Bcl-2 (белок, подавляющий апоптоз) были значительно снижены (p<0,01), тогда как уровни белка Bax (апоптотический белок митохондрий) и индекс апоптоза (AI) – увеличены у женщин с патологией (p<0,01). Уровни митофузина 2 положительно коррелировали с Bcl-2 и отрицательно с Bax. Кроме того, по сравнению с контрольной группой уровни АТФ в группе пациенток с выкидышами были значительно снижены, и у них наблюдалось явное нарушение функции митохондрий в трофобластических клетках [48].
Заключение
Таким образом, митохондрии плаценты играют существенную роль в возникновении и развитии осложнений беременности. Моделирование на животных позволяет тщательно анализировать клеточные и молекулярные механизмы их возникновения и развития. Хотя патофизиология, лежащая в основе осложнений гестации, различна, изменения в структуре и функциях митохондрий являются во всех случаях общей терминальной стадией гибели клеток и могут быть мишенью для фармакотерапии. Немаловажная задача заключается в том, чтобы идентифицировать маркеры митохондриальной дисфункции плаценты для раннего выявления осложнения беременности. Пресимптоматическая диагностика является ключом к снижению заболеваемости и предотвращению смертности у матерей и потомства.
