The effects of maternal hyperglycemia on human umbilical vascular gene expression and neonatal rat lung development

Background: Maternal diabetes affects many fetal organ systems, including the vasculature and the lungs. The offspring of diabetic mothers have respiratory adaptation problems after birth. The mechanisms are multifactorial and the effects are prolonged during the postnatal period. An increasing incidence of diabetic pregnancies accentuates the importance of identifying the pathological mechanisms, which cause the metabolic and genetic changes that occur in offspring, born to diabetic mothers. Aims and methods: The aim of this thesis was to determine changes both in human umbilical cord exposed to maternal type 1 diabetes and in neonatal rat lungs after streptozotocin-induced maternal hyperglycemia, during pregnancy. Rat lungs were used as a model for the potential disease mechanisms. Gene expression alterations were determined in human umbilical cords at birth and in rat pup lungs at two week of age. During the first two postnatal weeks, rat lung development was studied morphologically and histologically. Further, the effect of postnatal hyperoxia on hyperglycemia-primed rat lungs was investigated at one week of age to mimic the clinical situation of supplemental oxygen treatment. Results: In the umbilical cord, maternal diabetes had a major negative effect on the expression of genes involved in blood vessel development. The genes regulating vascular tone were also affected. In neonatal rat lungs, intrauterine hyperglycemia had a prolonged effect on gene expression during late alveolarization. The most affected pathway was the upregulation of extracellular matrix proteins. Newborn rat lungs exposed to intrauterine hyperglycemia had thinner saccular walls without changes in airspace size, a smaller relative lung weight and lung total tissue area, and increased cellular apoptosis and proliferation compared to control lungs, possibly reflecting an aberrant maturational adaptation. At one and two weeks of age, cell proliferation and secondary crest formation were accelerated in hyperglycemia-exposed lungs. Postnatal hyperoxic exposure, alone caused arrested alveolarization with thin-walled and enlarged alveoli. In contrast, the dual exposure of intrauterine hyperglycemia and postnatal hyperoxia resulted in the phenotype of thick septa together with arrested alveolarization and decreased number of small pulmonary arteries. Conclusions: Maternal diabetic environment seems to alter the umbilical cord gene expression profile of the regulation of vascular development and function. Fetal hyperglycemia may additionally affect the genetic regulation of the postnatal lung development and may actually induce prolonged structural alterations in neonatal lungs together with a modifying effect on the deleterious pulmonary exposure of postnatal hyperoxia. This, combined with the novel human umbilical cord gene data could serve as stepping stones for future therapies to curb developmental aberrations.

The Impact of Neonatal Antibiotic Exposure on Atopic Sensitisation by the Age of 12 Months

Varhaislapsuuden antibioottialtistuksen vaikutus atooppiseen herkistymiseen 12 kuukauden ikään mennessä Bakteerien vaikutus terveyteen on merkittävä: ne ovat toisaalta hengenvaarallisten infektioiden aiheuttajia, mutta samanaikaisesti niiden läsnäolo on välttämätöntä terveen immuunipuolustuksen kehittymiseksi. Ensimmäisen elinvuoden aikana suoliston bakteerikanta on altis ulkoisten tekijöiden vaikutuksille. Varhaislapsuuden antibioottihoidolla voi olla tuhoisat seuraukset eri bakteerilajien suhteille, ja sen tiedetään altistavan erilaisille immuunivälitteisille sairauksille, kuten atopialle. Ei ole kuitenkaan selvitetty, onko tämä vaikutus johtunut käynnissä olevan infektion aiheuttamista muutoksista kehittyvään immuunijärjestelmään vai onko siihen ollut syynä infektioon aloitettu antibioottihoito. Tässä tutkimuksessa selvitettiin eroja kahden, varhaista antibioottihoitoa saaneen ryhmän välillä ja päätetapahtumaksi katsottiin myöhemmin lapsuudessa ilmenevä atopiataipumus. Toinen ryhmä sai antibioottihoitoa kliinisesti todistettuun bakteeri-infektioon (varhaiseen sepsikseen). Toinen ryhmä taas sai antibioottihoidon pelkästään infektioepäilyyn eli ns. empiirisen hoidon, joka lopetettiin alle viiden vuorokauden kuluessa kun katsottiin, ettei oireiden taustalla ollutkaan bakteeri-infektiota. Mukana vertailussa oli lisäksi ryhmä, joka ei saanut lainkaan varhaista antibioottihoitoa. Antibioottihoidon pitkäaikaisvaikutusta arvioitiin ihon prick-testillä, joka kertoo atopiaan liittyvästä IgE-välitteisestä herkistymisestä. Varhaisella antibioottihoidolla tarkoitetaan tässä alle 72 tunnin sisällä syntymästä alkanutta hoitoa G-penisilliinin ja gentamysiinin yhdistelmällä. Tutkimuksen aineisto koostui 755 vastasyntyneen lapsen seurantadatasta, joka saatiin neljän käynnissä olevan allergian ehkäisytutkimuksen aineistosta. Tutkimuksen mukaanottokriteereinä pidettiin sitä, että saatavilla oli tiedot sekä mahdollisen antibioottialtistuksen kestosta että ihon prick-testituloksesta joko 6 tai 12 kuukauden iässä. Tulokset analysoitiin logistisella regressioanalyysillä huomioiden mahdolliset sekoittavat tekijät: äidin allergia, ennenaikaisuus, tutkimusprobiootti, imetyksen kesto, äidin raskauden aikainen tupakointi ja synnytystapa. Potilasryhmässä, joka sai antibioottihoitoa ilman samanaikaista infektiota, nähtiin tilastollisesti merkittävästi vähemmän positiivisia prick-testituloksia verrattuna lapsiin, jotka eivät altistuneet antibiooteille. Tulos on merkittävä, sillä se osoittaa, että varhaisella antibioottihoidolla on kauaskantoisia vaikutuksia kehittyvään immuunijärjestelmään.