Studying the impact of hyperglycemia in chick lung branching morphogenesis

Abstract

A hiperglicemia na gravidez é considerada um problema de saúde pública, estimando-se que aproximadamente uma em seis gravidezes são afetadas. No primeiro trimestre da gravidez, a hiperglicemia não controlada pode afetar a organogénese, resultando em malformações congénitas severas. Anomalias nos sistemas craniofacial, cardiovascular, gastrointestinal, urogenital, musculoesquelético e nervoso central têm sido associadas com a diabetes na gravidez. No entanto, o impacto da hiperglicemia no desenvolvimento do pulmão ainda não foi explorado. Assim, o principal objetivo deste projeto é estudar o impacto da hiperglicemia no processo de ramificação pulmonar, usando explantes de pulmão do embrião de galinha in vitro, expostos a diferentes concentrações de glucose. Após a cultura de explantes de pulmão, foi realizada uma análise morfométrica e de ramificação do pulmão, e os explantes foram também processados para estudos de expressão de genes. Desta forma, o padrão de expressão dos recetores de insulina e IGF (igr1r, igf2r, insr), das enzimas lactato desidrogenase (ldha, ldhb) e genes relacionados com a diferenciação do tecido pulmonar (sox2 e sox9), foram avaliados por hibridização in situ. Além disso, os níveis de expressão de transportadores de glucose (glut1, glut3), enzimas do catabolismo da glucose (hk1, pfk1) e genes relacionados com o processo de ramificação do pulmão (fgf10, shh e wnt7b), foram avaliados por qPCR. Os explantes de pulmão expostos a níveis elevados de glucose apresentaram uma diminuição da área total do pulmão, e da área e perímetro epitelial do pulmão, assim como uma diminuição no número de brônquios secundários formados após a cultura de explantes. Além do mais, os transportadores de glucose e as enzimas glicolíticas também estavam diminuídos, exceto a enzima ldhb, que aumentou a sua expressão nos pulmões expostos a níveis elevados de glucose. Os níveis de expressão de fgf10, shh e wnt7b, importantes para a ramificação do pulmão em desenvolvimento, também se mostraram alterados como consequência da exposição da hiperglicemia. Assim, estas alterações moleculares podem explicar o impacto morfológico observado no pulmão embrionário de galinha, como consequência de hiperglicemia. Em suma, estes resultados mostram que a hiperglicemia pode ter impacto na organogénese do pulmão de galinha ao nível morfológico, metabólico e molecular. Este trabalho contribui para averiguar os potenciais efeitos adversos da hiperglicemia na organogénese do pulmão, que podem contribuir para o desenvolvimento de malformações congénitas e outras complicações respiratórias.

Hyperglycemia in pregnancy is considered a major public health concern, and it is estimated that it can affect approximately one in six pregnancies. Uncontrolled hyperglycemia in the first trimester of pregnancy can affect organogenesis, resulting in severe congenital malformations. Abnormalities in craniofacial, cardiovascular, gastrointestinal, urogenital, musculoskeletal, and central nervous systems have been associated with diabetes in pregnancy. However, the impact of hyperglycemia on early lung development has not been explored yet. In this sense, the main goal of this project is to study the impact of hyperglycemia in early lung branching morphogenesis using in vitro chick lung explants exposed to different glucose concentrations. After lung explant culture, branching and morphometric analysis were performed, and lung explants were also processed for gene expression studies. The expression pattern of insulin/IGF receptors (igr1r, igf2r, insr), lactate dehydrogenase enzymes (ldha, ldhb), and lung patterning-related genes (sox2 and sox9) were assessed by in situ hybridization. Furthermore, expression levels for glucose transporters (glut1, glut3), glucose catabolism enzymes (hk1, pfk1), and lung branching-related genes (fgf10, shh and wnt7b) were evaluated by qPCR. Lung explants treated with high glucose levels exhibited a decrease in the total area, the epithelial area and perimeter of the lung, and a reduced number of secondary buds formed after 48-hour culture. Moreover, glucose transporters and glycolytic enzymes expression levels were also decreased, except for ldhb, which showed increased expression in glucose-treated embryonic lungs. Regarding the expression levels of fgf10, shh and wnt7b, important players underlying lung branching morphogenesis, an impairment was also observed as a consequence of hyperglycemia exposure. Overall, these molecular alterations might explain the hyperglycemic-related morphological impact observed in the chick embryonic lung. Altogether, these results imply that hyperglycemia exposure can impair early chick lung organogenesis at the morphological, metabolic, and molecular levels. This work brings new insights into the potential adverse effects of hyperglycemia on early lung organogenesis that may ultimately contribute to developing congenital lung malformations and other abnormal respiratory outcomes.