《Journal of Physiology》：Insights from animal models: Dissecting the independent roles of oxygen and nutrients in the fetal origins of cardiovascular disease
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这篇综述通过比较多种胎儿生长受限(FGR)动物模型的研究结果，从机制层面深入探讨了胎儿期低氧血症(hypoxaemia)和低血糖症(hypoglycaemia)在心血管疾病(CVD)胎儿起源中的独立与协同作用。文章着重分析了应激发生的时间、持续时间和严重程度，以及所研究的心室和胎儿性别等因素，旨在为理解发育编程的分子机制和制定干预策略提供关键见解。
动物模型的启示：剖析氧和营养素在心血管疾病胎儿起源中的独立作用
引言
正常的胎儿发育需要充足的底物（氧气(O2)和营养素）从母体循环向胎儿循环转移。底物转移的中断会改变胎儿生长轨迹，导致病理性胎儿生长受限(FGR)的发生。重要的是，FGR不同于小于胎龄儿(SGA)，后者是遗传决定的小体型但其他方面健康。FGR则意味着遗传生长潜力未能实现。人类流行病学研究强调了FGR与成年后心血管疾病(CVD)风险增加之间的关联，这一发现构成了“健康与疾病的发育起源”假说的基础，该假说指出，子宫内环境的缺陷导致胎儿生命关键组织和器官系统的永久性改变，并在出生后持续存在，表现为代谢综合征和CVD等慢性非传染性疾病。
阐明连接FGR与CVD的潜在机制是开发干预靶点的关键。这已被证明是一个挑战，因为在复杂的妊娠中，穿过母体-胎盘-胎儿单位的许多底物转移都可能受到限制。例如，FGR可能源于母体、胎盘或胎儿因素，这些因素降低了胎盘输送O2和营养素（主要是葡萄糖，胎儿期的主要燃料来源）的能力，但也包括其他营养素如氨基酸和脂肪酸(FAs)，这被称为胎盘功能不全(PI)，其标志是胎儿低氧血症和低血糖症。然而，FGR的病因是异质性的，并非仅仅由PI引起，因此其他妊娠并发症可能与胎儿低氧血症或低血糖症有关。例如，母体营养限制(MNR)减少了胎儿营养素的输送，导致胎儿低血糖症，根据应激发生的时间、严重程度和持续时间，这可能留下完整的子宫胎盘单位，维持胎儿O2输送。虽然PI可能是FGR的主要原因，但MNR也与CVD风险升高相关，这种对CVD负担的贡献不容忽视，因为全球范围内少女和妇女营养不良的患病率很高。
本综述旨在梳理心脏在胎儿期使用的两种主要底物——氧气和葡萄糖——导致不良心脏分子特征的独立和协同作用。除了底物特异性，还将考虑改变底物输送的时间、严重程度和持续时间，以及心室和胎儿性别。
与人类具有相似胎盘和胎儿心脏发育的动物模型
在复杂的人类妊娠中，调节胎儿心脏发育的分子机制无法直接测量，评估长期结果需要跨越生命历程的漫长纵向和具有逻辑挑战性的随访研究。动物模型可用于重现人类妊娠，包括非人类灵长类动物（如猕猴和狒狒）、绵羊和啮齿动物（包括豚鼠、小鼠和大鼠），每种动物在生殖方面与人类既有相似之处也有差异，在将相关发现转化到人类情境时必须仔细考虑。本综述将主要关注那些心脏在出生前成熟、与人类相似的哺乳动物的研究结果。然而，将在适当时从其他物种中汲取机制见解。因此，存在多种动物模型来重现人类PI，减少子宫胎盘血流和足月胎盘重量，导致胎儿低氧血症和低血糖症。一系列动物模型也被开发出来，以重现早期和晚期发作的母体营养素全面限制，这可导致胎儿营养素输送减少，其中胎儿低血糖症是表征最好的。如果在妊娠晚期开始，胎盘重量得以维持，没有胎儿低氧血症；然而，早期发作的模型可能损害胎盘发育，导致胎盘和胎儿重量减少，类似于PI。用于诱导绵羊和啮齿动物胎儿低氧血症的模型包括重现生活在高海拔（约海拔3820米）女性经历的自然低氧性低氧、等容性出血诱导的胎儿贫血，或通过绵羊、豚鼠、大鼠和小鼠的低氧舱进行的母体缺氧(MH)，这些低氧舱允许对母体吸入氧进行受控降低。
胎盘功能不全：低氧和低糖对胎儿心脏发育的影响
在PI模型中，胎儿体重平均降低约30%。妊娠早期是快速发育的胎儿心脏的脆弱期，但妊娠晚期也是如此，此时心肌细胞(CMs)正在成熟，因此早期和晚期发作的PI同样会降低胎儿心脏重量。在某些情况下，心脏重量减少会持续到成年。胎儿心脏重量减少可能部分归因于妊娠晚期总CM数量的减少，这种减少会持续到青春期直至成年。PI-FGR的许多模型中的一个常见发现是胎儿循环中胰岛素样生长因子(IGF)1的减少，这与CM数量减少相关。尽管如此，PI改变心脏IGF1 mRNA表达的证据有限；然而，IGF1受体(IGF1R) mRNA表达减少，表明下游增生性生长信号传导减少。尽管如此，在妊娠晚期，发生增殖的CMs数量没有变化。相反，在PI发作前后，早期和晚期妊娠绵羊、豚鼠和大鼠心脏中心脏凋亡的增加导致了CM禀赋的减少。在不存在凋亡的情况下，尽管有PI，但在妊娠晚期存在表明CMs为凋亡做好准备但未完全投入的基因特征。到妊娠晚期，由于CMs增殖能力下降，替换CMs的能力有限，并且没有细胞周期进程标志物的代偿性增加。相反，剩余的CMs通过肥大来代偿，在早期和晚期妊娠胎儿心脏中，CMs的大小和参与病理性肥大途径（IGF2R）的标志物增加。病理性肥大的证据在低出生体重(LBW)新生儿和青少年后代中持续存在，提供了证据表明这是一种程序化效应，可能构成成年期CVD风险增加的基础。
PI延迟了CMs的成熟，证据是妊娠晚期和新生绵羊心脏中单核与双核CMs比例的改变。正常的发育性甲状腺激素(TH)激增已知能促进这一成熟过程。皮质醇的胎儿分泌直接影响胎儿甲状腺轴，在PI胎儿中，血浆皮质醇浓度在产前上升更早且更高。这种较早的上升可能影响TH的产生和脱碘，随后延迟CM成熟过程。在LBW羔羊中，循环中的TH浓度（主要是T4）较低，特别是在由于禁食导致低血糖时。然而，目前关于PI改变胎儿心脏组织内皮质醇和TH浓度的证据有限。
与CM成熟延迟并行的是心脏代谢特征的延迟，CMs保持不成熟特征，并且未能在妊娠晚期上调有效通过线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)代谢FAs所需的细胞机制。在早期发作的PI中，到妊娠前三个月末，线粒体生物发生的关键调节因子和由于线粒体活性氧(ROS)产生增加导致的早期氧化应激迹象是明显的。到妊娠晚期，两种绵羊模型中心脏线粒体OXPHOS复合物丰度、呼吸、FA转运蛋白和最佳氧化还原比降低。晚期PI也会降低胎儿心脏中FA代谢基因的表达和线粒体活性。在LBW新生羔羊和豚鼠中，心脏代谢功能障碍的迹象持续存在。在多种PI模型中观察到的FA代谢效率较低可能是多因素的，包括胎儿FA可用性降低、普遍存在的胎儿低氧血症以及线粒体功能障碍的自我延续循环，这种循环随着应激的持续而恶化。
早期发作的PI降低了妊娠晚期心脏中胰岛素依赖性葡萄糖转运蛋白(GLUT)4的丰度；然而，由于PI，心脏胰岛素敏感性和胰岛素刺激的葡萄糖代谢标志物在妊娠晚期增加，并在LBW新生羔羊中持续存在。尽管如此，心脏胰岛素抵抗的这些早期起源反映了妊娠晚期绵羊中存在的外周胰岛素抵抗表型，并持续到成年。与改变的葡萄糖代谢相关的是糖原处理不当，早期发作的PI增加了妊娠晚期的糖原含量。相比之下，晚期发作的PI降低了糖原含量，表明糖原分解增加以支持糖酵解，这在早期和晚期发作PI所生的LBW后代出生后不久恢复正常。
PI诱导细胞外基质(ECM)重塑，包括妊娠晚期心脏中胶原蛋白含量和基因的增加，这种增加持续到青春期和成年。胶原蛋白沉积增加表明纤维化，这与绵羊和大鼠中观察到的机械刚度增加和心室厚度增加相吻合。纤维化可能由高血压引起，实际上晚期发作的PI在妊娠晚期胎儿中诱导高血压，这种高血压是程序化的并在后代中持续存在。然而，早期发作的PI胎儿在妊娠晚期通常是血压正常的，但以不同的方式维持血压，有证据表明心血管呼吸控制中枢被破坏和外周血管神经支配过度，这可能使他们在以后的生活中易患高血压。
ATP产量因代谢灵活性降低和心脏机械性变硬而减少，导致收缩特征改变。早期和晚期发作的PI在妊娠晚期表现出钙(Ca2+)处理和肌节长度（CM的收缩单位）标志物的改变。尽管存在PI，一些心血管参数在妊娠晚期保持正常，这些胎儿心脏过度代偿以维持左心室心输出量(LVCO)，并且在出生后，PI所生的胎儿可能具有较低的LVCO。此外，早产FGR羔羊对继发性产后损伤（缺血-再灌注(IR)损伤）的功能恢复受损。心血管结构和功能在出生后的几周内继续变化，有心输出量减少和Ca2+处理不当的证据，肌节长度减少和肌球蛋白重链(MYH)亚型的转换持续到成年。然而，PI与胎儿低氧血症和营养素可用性降低有关。营养素可用性变化的影响，特别是葡萄糖作为胎儿心脏的主要燃料，在没有低氧血症的情况下，对心脏发育的影响对于理解构成后代CVD风险增加基础的机制也很重要。
母体营养限制：低糖和正常氧对胎儿心脏发育的影响
MNR对胎儿体重和心脏重量的影响是可变的，与PI相比没有或仅有轻微下降。然而，在某些情况下，当MNR发生在妊娠早期胎盘快速发育期间，可能出现胎盘功能障碍，导致表型类似于PI-FGR，例如胎儿体重和/或心脏重量减少。确实，类似于PI-FGR，MNR胎儿循环中IGF1浓度降低，并在早期生命和成年期持续降低。没有证据表明早期或晚期MNR改变了胎儿心脏IGF1表达和丰度；然而，在妊娠中期和晚期绵羊和大鼠胎儿心脏中，IGF1R表达和下游细胞周期调节因子（细胞周期蛋白）的代偿性增加已有报道。
早期妊娠MNR可减少胎儿心脏重量和CM数量，并伴有妊娠晚期豚鼠凋亡标志物的增加；然而，这种MNR模型不仅导致胎儿低血糖症，而且由于胎盘发育受损导致类似于PI的低氧血症。表明低血糖症和低氧血症共同导致CM禀赋减少。早期妊娠MNR也会激活狒狒胎儿心脏中mTOR介导的自噬途径，表明CM细胞成分在妊娠晚期被回收以维持生存。早期妊娠MNR可增加妊娠晚期豚鼠单核CMs的数量；然而，关于双核化是否减少的结果好坏参半。尽管如此，MNR导致更大的CMs和妊娠晚期病理性肥大分子标志物的增加，并持续到成年，这与PI的结果相似。
在早期和晚期妊娠MNR模型中，ECM重塑的指标伴随着肥大，包括胎儿心脏中胶原蛋白基因表达和含量增加以及心室壁厚度增加，这些在狒狒、绵羊、豚鼠和大鼠的MNR所生LBW新生儿中持续到成年。导致CM肥大的因素是胎儿高血压，这与压力反射和心脏肾素-血管紧张素系统功能的改变有关，这些变化在出生后持续存在，并导致成年期高血压风险。与PI一样，早期和晚期发作的MNR在妊娠晚期破坏了胎儿下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴，升高了血浆皮质醇浓度，并与纤维化、肥大和高血压相关。与PI形成对比，有更强证据表明早期和晚期发作的MNR降低了循环胎儿THs，主要是妊娠中期和晚期的甲状腺素(T4)浓度，并在新生儿和青少年中持续。同样与PI形成对比，早期和晚期MNR不改变胎儿和成年心脏中的心脏组织皮质醇浓度、糖皮质激素受体(GR)表达或皮质醇转换酶。然而，晚期妊娠MNR可降低心脏组织TH和参与TH信号传导的因子的表达。从长远来看，MNR所生的后代血浆TH浓度和心脏TH摄取或转换所需基因的表达降低。
TH缺陷可能导致报告的不成熟心脏代谢特征。围受孕期、早期和晚期发作的MNR各自改变了妊娠中期和晚期绵羊和狒狒心脏的脂质处理，减少了线粒体数量、OXPHOS活性和丰度。这些心脏代谢变化与PI相似；然而，有更多证据表明早期或晚期妊娠MNR降低了成年期FA代谢关键调节因子、线粒体DNA含量和呼吸的表达。还有证据表明，在狒狒、绵羊和大鼠出生后，心肌葡萄糖摄取减少和外周胰岛素抵抗。
与PI类似，MNR导致收缩特征改变，例如早期和晚期发作的MNR在妊娠中晚期增加肌联蛋白表达，并改变妊娠晚期Ca2+处理的标志物，这可能部分与绵羊和狒狒双心室射血分数增加有关。在MNR所生的后代中，青年期未观察到心血管参数的变化。在分子水平上，存在MYH亚型表达的转换、收缩效率降低、兰尼碱受体丰度减少和Ca2+处理不当，表明存在一定程度的舒张功能障碍。随着年龄增长，在狒狒和大鼠MNR后代中变得明显，表型与双心室舒张和收缩功能障碍一致。
总的来说，证据表明，在响应PI与MNR时，心脏发育存在一些差异，导致CVD风险增加的潜在机制可能不同。CM禀赋减少似乎是低氧血症与低血糖症共同作用的结果，虽然高皮质醇血症可能发生在PI和MNR中，但THs减少可能是胎儿低血糖症特有的。如果发生在胎儿心脏发育的关键窗口（即早期和晚期），无论何种类型的应激，都可能出现CM肥大以及线粒体和收缩功能障碍。
胎儿低氧血症：低氧和正常糖对胎儿心脏发育的影响
母体缺氧(MH)更可能像PI一样降低胎儿体重，这与MNR形成对比，并且可以降低大鼠和豚鼠的心脏重量。相比之下，导致胎儿低氧血症的胎儿贫血对胎儿体重没有影响，胎儿心脏重量要么增加要么不受影响。确实，胎儿结局的差异取决于低氧的来源，这可能是胎盘前（MH）或胎盘后（胎儿贫血）起源，影响胎儿的响应方式。
早期和晚期妊娠低氧血症可减少早期和晚期妊娠胎儿心脏中CM增殖的标志物；后者导致妊娠晚期CM数量减少，并持续到青春期豚鼠。与PI类似，早期和晚期MH在大鼠中诱导促凋亡的心脏反应，这与MNR中无凋亡变化形成对比。在成年期，这种对MH的促凋亡反应仍然存在，因此，类似于PI，凋亡可能是CM禀赋减少的基础。
无论低氧血症的原因如何，胎儿CMs都显示出病理性肥大的证据，并持续到成年。这种肥厚反应在PI和MNR中均有观察到。CM增大可能是胎儿高血压报告的结果，这与改变的心血管化学反射功能相关，并持续到成年。此外，ECM重塑的指标存在于胎儿心脏，并在绵羊、豚鼠和大鼠的青年和成年晚期持续存在。导致ECM重塑的是胎儿HPA轴功能重置导致的高皮质醇血症，已知也会产生高血压。这种皮质醇过度暴露可能导致胎儿心脏中心脏GR蛋白丰度和mRNA表达代偿性下调，并持续到成年。与PI和MNR形成对比，没有研究报告低氧血症单独如何影响心脏糖皮质激素和TH浓度。
早期和晚期妊娠低氧血症增加了胎儿循环和心脏中的氧化应激标志物，这与抗氧化酶表达增加相吻合。氧化应激可诱导免疫细胞心脏浸润，炎症基因表达增加。尽管存在这些，氧化应激指标在青春期和成年期仍然存在。同样，循环和心脏组织中的炎症标志物持续到成年。
一些PI和MNR研究报告存在氧化应激，可能是由于所有情况都导致了一定程度的线粒体损伤和线粒体来源的ROS产生增加。确实，早期和晚期MH可减少线粒体含量和密度，并诱导线粒体降解，与改变的裂变和融合特性相关，以及减少的OXPHOS丰度、酶活性和线粒体呼吸效率，这些在妊娠晚期大鼠和豚鼠中均有报告。高风险心脏代谢表型被程序化，在大鼠和豚鼠的青春期和成年期持续存在。为了补偿低ATP产量和低氧血症，胎儿和新生儿期葡萄糖转运和糖酵解所需基因的表达增加。早期和晚期MH可增加妊娠晚期心脏中葡萄糖以糖原形式储存，可能是由于心脏葡萄糖摄取增加，表明低氧血症可能驱动类似于早期妊娠PI的响应。在妊娠晚期低氧血症中，糖原代谢和含量降低，表明储存葡萄糖的快速使用，因此糖酵解占主导。虽然在成年晚期心脏代谢似乎正常，但这些心脏对继发性产后损伤（IR损伤）敏感。
总的来说，这种被破坏的胎儿心脏代谢特征最终导致不良的ATP产量，对心脏功能产生负面影响。为了对抗这一点，并在低氧血症的情况下维持对重要器官的O2输送，胎儿心输出量被重新分配，心肌血流量增加，涉及供应心脏的冠状血管的扩张。这种血流动力学响应是通过增加循环和心脏缺氧诱导因子(HIF)-1α、血管内皮生长因子和一氧化氮合酶等血管扩张剂表达来实现的。这些因子介导心肌毛细血管的血管生成、毛细血管超微结构（大小和密度）的改变，以及通过静脉导管将血液更多地分流到胎儿心脏和大脑。帮助胎儿对慢性低氧血症的这种血流动力学响应的是外周血管的交感神经过度反应性、对β-肾上腺素能刺激的交感神经响应性增加，以及β-肾上腺素能受体(βAR)数量、密度和mRNA表达的增加。
