Universität zu Köln

Kretschmer, Tobias (2020). Maternal High Fat Nutrition is Associated with Placental Dysfunction: Insight in Pathophysiology and Potential Mechanisms. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The prevalence of overweight (BMI >25 kg/m²) and obesity (BMI >30 kg/m²) are increasing on a global scale, and as a consequence, obesity among women of reproductive age has also increased within the last decades. Obesity before and during pregnancy is associated with a higher risk for the mother and the unborn child to develop pregnancy related complications, including gestational diabetes and disturbed fetal growth. Abnormal fetal growth has been linked to placental dysfunction and can translate into childhood and adolescence health issues, resulting in high socio-economic costs. Obesity and pregnancy are both linked to a state of increased inflammation and oxidative stress, which in case of pregnancy may be relevant to initiate the birth process at the end of pregnancy, but concomitant with obesity, can also attribute to placental dysfunction. The placenta provides essential tasks during pregnancy in both oxygen and nutrient supply, as well as waste removal and contributes to the success of pregnancy also by the production of hormones. In order to properly fulfill its function, placental cell homeostasis, structure and vascularization are of tremendous importance. However, it is still not fully understood how maternal obesity (MO) affects placental cells and processes like vascularization and placental transfer capacity. Therefore, we aimed to decipher the effects of MO on the placental feto-maternal transfer zone which constitutes the interface for transport of oxygen, nutrients and removal of waste products between maternal and fetal circulation. In order to address these questions, we induced obesity in C57BL/6N mice via feeding a high fat diet (HFD) after weaning until the end of the experiment and collected serum, placentas and epigonadal white adipose tissue (egWAT) for analyses at various gestation days (E11.5, E15.5 and E18.5). Lean mice, receiving a standard diet (SD), served as control. We discovered that in obese dams, gestation was prolonged for about 1 day compared to lean dams, and speculate that this might be due to a reduced leukocyte-infiltration of placentas and pro-inflammatory factor expression in egWAT of obese dams compared to lean dams shortly before parturition (E18.5). Furthermore, in our mouse model of maternal obesity, embryos of obese dams developed an intrauterine growth restriction (IUGR) at the beginning of the third trimester of gestation (E15.5). At the same time, protein and mRNA level of endothelial cell (EC) marker were reduced in placentas, and stereological analysis revealed impaired vascularization in placentas of obese dams. This was accompanied by increased EC senescence in the transfer zone of placentas under MO. We also found elevated interleukin-6 (IL-6) level in maternal serum and observed a trend towards an increase in IL-6 mRNA and protein level in egWAT of obese dams compared to controls, suggesting this tissue as the source of elevated circulating IL-6 level. In cell culture assays using human placental EC, we then confirmed that stimulation with IL-6 can induce senescence, suggesting a link between elevated serum IL-6 level, placental EC senescence and impaired placental vasculature. Based on the findings regarding IL-6 induced EC senescence in vitro and altered placental vascularization in vivo, we subjected obese dams to an anti-IL-6 signaling antibody therapy. We found that under this therapy, placental IL-6 protein level were elevated and down-stream signaling marker level seemed reduced, which indicates successful IL-6 signaling blockade. However, antibody therapy did not prevent lower fetal weight at E15.5, and placental vascular marker level were reduced compared to obese controls without antibody therapy. In summary, anti-IL-6 signaling therapy may not alleviate HFD-induced defects in placental vascularization and IUGR, and warrants further investigation with additional dosing. Proteomic profiling of the feto-maternal transfer zone moreover revealed a reduced level of the adherens junctions (AJ) marker E-cadherin in obese compared to lean dams at E15.5. This was confirmed in whole placenta lysates of obese compared to lean dams concomitant with a strong tendency towards reduced β-catenin level, an intracellular adaptor protein of AJ. These changes persisted until the end of pregnancy (E18.5) in placentas of obese dams, while at mid-gestation (E11.5) we could not observe altered AJ marker level. In addition, it was found that at E15.5 the ultrastructure and cell homeostasis in the transfer zone were affected by MO, as demonstrated by defective syncytial fusion and a disrupted basement membrane. In functional assays we then showed that passive transfer across the placenta was significantly increased under MO, while active glucose transport was unaltered at E15.5. Moreover, our in vitro studies suggest that fatty acids, present in excess in our HFD, can alter trophoblast cell layer permeability and cause reduced β-catenin level. Collectively, these findings strongly suggest that MO causes disruptions in the feto-maternal transfer zone via disturbed EC and trophoblast homeostasis, leading to a “leaky” placental barrier while embryos develop an IUGR. A healthy lifestyle with limited intake of fatty acids and prevention of obesity in women of childbearing age could therefore, in case of pregnancy, support proper placental function and reduce the risk of fetal growth restriction.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Prävalenz von Übergewicht (BMI >25 kg/m²) und Adipositas (BMI >30 kg/m²) haben in der Bevölkerung weltweit deutlich zugenommen, und infolgedessen sind über die letzten Jahrzehnte auch immer mehr Frauen im gebärfähigen Alter von Übergewicht betroffen. Übergewicht und Adipositas vor und während der Schwangerschaft sind mit einem höheren Risiko für die Mutter und das ungeborene Kind verbunden Schwangerschafts-Komplikationen wie beispielsweise Gestationsdiabetes und ein gestörtes fötales Wachstum zu entwickeln. Anormales fötales Wachstum wird dabei oft mit einer Funktionsstörung der Plazenta in Verbindung gebracht und kann zu langfristigen gesundheitlichen Problemen bis ins Erwachsenenalter führen, was hohe sozioökonomische Kosten zur Folge hat. Übergewicht und Schwangerschaft sind jeweils mit einem Zustand erhöhter systemischer Inflammation und oxidativem Stress verbunden, die, im Fall einer Schwangerschaft allein, für das Einsetzen des Geburtsvorgangs von Bedeutung sein können, doch in Verbindung mit Übergewicht auch zu einer plazentaren Dysfunktion führen können. Die Plazenta erfüllt wesentliche Aufgaben, insbesondere die Versorgung des Fötus mit Sauerstoff und Nährstoffen sowie den Abtransport von Abfallstoffen und trägt durch die Produktion von Hormonen und anderen Faktoren zu einer gesunden Schwangerschaft bei. Für eine optimale Funktion der Plazenta sind Faktoren wie die Homöostase der plazentaren Zellen sowie die Vaskularisierung und der korrekte Aufbau der plazentaren Struktur von enormer Bedeutung. Es ist jedoch noch nicht hinreichend bekannt, wie mütterliches Übergewicht (MÜ) die Zellen und Gefäßentwicklung der Plazenta nebst der plazentaren Transferkapazität beeinflusst. Aus diesem Grund ist es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Effekte des MÜ auf die plazentare feto-maternale Transferzone, welche die entscheidende Schnittstelle für den Transfer von Sauerstoff, Nährstoffen und Abfallstoffen zwischen mütterlichem und fötalem Kreislauf darstellt, zu entschlüsseln. Zur Erforschung dieser Fragestellung wurde mütterliches Übergewicht mittels Hochfett-Diät (HFD) in C57BL/6N-Mäusen induziert, um Blutserum, Plazenten und epigonadales weißes Fettgewebe (egWAT) von verschiedenen Trächtigkeitstagen (E11.5, E15.5, E18.5) für Analysen zu gewinnen. Normalgewichtige Mäuse, die eine Standard-Diät (SD) erhielten, dienten als Kontrollgruppe. Wir konnten feststellen, dass sich, verglichen mit schlanken Kontrolltieren, in übergewichtigen Muttertieren die Trächtigkeit um einen Tag verlängerte. Unsere Daten lassen den Schluss zu, dass eine verminderte Leukozyten-Infiltration der Plazenten sowie eine verminderte Expression pro-inflammatorischer Faktoren im egWAT übergewichtiger Muttertiere kurz vor Ende der Trächtigkeit (E18.5) als Ursache für diese Beobachtung in Frage kommen. Embryos der übergewichtigen Muttertiere zeigten zu Beginn des letzten Trimenon der Trächtigkeit (E15.5) eine intrauterine Wachstumsretardierung (IUGR). Zeitgleich waren Protein- und mRNA-Level von Endothelzellmarker herunterreguliert und stereologische Analysen zeigten eine gestörte Gefäßentwicklung in Plazenten übergewichtiger Muttertiere. Dies wurde begleitet von erhöhter Endothelzell (EC)-Seneszenz in der plazentaren feto-maternalen Transferzone. Wir fanden ebenso erhöhte Interleukin-6 (IL-6) Level im mütterlichem Serum und konnten einen deutlichen Trend hin zu erhöhten IL-6 mRNA- und Protein-Leveln im egWAT der übergewichtigen Muttertiere, verglichen mit schlanken Kontrolltieren, erkennen. Dies deutet auf das egWAT als Quelle der erhöhten IL-6 Level in übergewichtigen Muttertieren hin. Wir konnten ferner bestätigen, dass eine Stimulation von humanen plazentaren EC mit IL-6 eine Seneszenz induziert, was eine Verbindung zwischen erhöhten IL-6 Serumlevel, plazentarer EC-Seneszenz und gestörter Gefäßentwicklung suggeriert. Ausgehend von diesen Ergebnissen, dass IL-6 in EC eine Seneszenz in vitro herbeiführen kann und die plazentare Gefäßbildung in vivo gestört erscheint, wurde mittels Antikörper-Therapie eine Blockade des IL-6-Signalwegs in übergewichtigen Muttertieren induziert. Wir konnten zeigen, dass unter dieser Therapie die plazentare IL-6-Proteinmenge signifikant anstieg und nachgeschaltete Signalwege beeinträchtigt waren, was auf eine erfolgreiche Blockade des IL-6-Signalwegs hindeutet. Jedoch kam es auch unter der Antikörper-Therapie zu einem verringerten Körpergewicht der Föten an E15.5, und plazentare Gefäßmarker-Level waren im Vergleich zu den nicht-therapierten, übergewichtigen HFD-Kontrolltieren reduziert. Insgesamt deutet dies darauf hin, dass die Antikörper-Therapie die HFD-induzierten Schädigungen in der plazentaren Gefäßentwicklung nicht abschwächen kann und es weiterhin zu einer IUGR kommt, so dass weitere Untersuchungen mit alternativen Dosierungen angebracht sind. Eine Proteom-Analyse der feto-maternalen Transferzone zeigte darüber hinaus, dass eine Reduktion des Adherens Junction (AJ)-Markers E-cadherin in Plazenten übergewichtiger Tiere, verglichen mit schlanken Kontrolltieren, an E15.5 vorliegt, was wiederum auf eine Destabilisierung der AJ hinweist. Die Reduktion von AJ-Markern wurde in Analysen von Gesamtplazenta-Lysaten übergewichtiger Muttertiere gegenüber Kontrolltieren bestätigt. Außerdem zeigte sich eine starke Tendenz hin zu einem reduzieren β-catenin Level, einem intrazellulären Adapterprotein der AJ. Diese Veränderungen wurden ebenso in Plazenten von übergewichtigen Muttertieren kurz vor Ende der Trächtigkeit gemessen (E18.5), während zur Mitte der Trächtigkeit hin (E11.5) keine Veränderungen der AJ-Marker Level festgestellt wurden. Ferner zeigte sich, dass an E15.5 die Ultrastruktur und Zell-Homöostase der Transferzone unter MÜ verändert sind, wie anhand der defekten „Synzytialfusion“ und der geschädigten Basalmembran zu erkennen ist. Wir konnten anhand funktionaler Untersuchungen zeigten, dass an E15.5 unter MÜ der passive Transfer über die Plazenta signifikant zunahm, während ein aktiver Glukose-Transport unverändert blieb. Ebenso lassen in vitro-Studien vermuten, dass Fettsäuren, die auch in der HFD im Übermaß vorhanden sind, die Durchlässigkeit der Trophoblasten-Zellschicht verändern sowie zu erniedrigten β-catenin Level führen können. Dies deutet darauf hin, dass MÜ über die vermehrte Aufnahme von Fettsäuren zu einer gestörten Integrität der feto-maternalen Transferzone beitragen könnte. Insgesamt lassen unsere Ergebnisse vermuten, dass MÜ die Transferzone durch Störung der EC-Homöostase und Trophoblasten-Differenzierung schädigt und es zu einer durchlässigeren Plazentabarriere kommt, während Föten eine IUGR entwickeln. Ein gesunder Lebensstil mit einer begrenzten Aufnahme von Fettsäuren sowie die Prävention von Übergewicht und Adipositas könnten dementsprechend zu einer uneingeschränkten Plazentafunktion und einem geringeren Risiko einer IUGR beitragen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kretschmer, Tobias tkretschmer@outlook.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-121117
Date:	2020
Publisher:	sedruck
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Kinder- und Jugendmedizin > Klinik und Poliklinik für Kinder- und Jugendmedizin
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Placental Dysfunction UNSPECIFIED Maternal High Fat Nutrition UNSPECIFIED Adherens Junction UNSPECIFIED
Date of oral exam:	21 July 2020
Referee:	Name Academic Title Fabri, Mario Prof. Dr. Hammerschmidt, Matthias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/12111