Autism spectrum disorders (ASD) are a diverse group of neurodevelopmental disorders, Leading theory states that ASD occurs as a result of influence of both genetic and environmental factors, including prenatal stress, such as maternal immune activation (MIA) during pregnancy, what was confirmed by epidemiological studies. Moreover, animals prenatally exposed to MIA show ASD-like behaviors later in life. Up until now, no research would focus of mitochondrial functioning in the brain of MIA offspring, even though mitochondrial dysfunction has been diagnosed in ASD patients. Therefore, the aim of this research was to test the hypothesis that mitochondrial dysfunction occurs in ASD caused by maternal immune activation. In this research, animal model of MIA was induced by injection of lipopolysaccharide (LPS, 100 µg/kg b.w.) to pregnant Wistar rat at day 9.5 of pregnancy. Experiments were conducted using immunochemical, luminescent, spectrophotometric, spectrofluorimetric and microscopic methods. Behavioral tests were also performed. Is was showed that LPS injection causes increase in expression of Il1b, Il6, Ifng and Tnf, NADPH oxidase (NOX) activation and increase in reactive oxygen species (ROS) in fetal tissue. Moreover, decreased mitochondrial membrane potential and ATP levels were observed. Behavioral tests revealed ASD-like changes in behavior. Infants at 10-11 postnatal vocalized less when isolated form family, and at postnatal day 15, MIA offspring showed less interest in home odor. Young adults (postnatal day 50) showed decreased sociability and decreased interest in social novelty. Expression of Il1b and Ifng was increased in the brain of infants prenatally exposed to MIA. At the same time, increased activity of NOX and high levels of ROS were observed. Additionally, decreased mitochondrial membrane potential and ATP levels were observed, even though there were no changes in activity or expression of mitochondrial electron transport chain. Moreover, despite observed changes in mitochondrial membrane potential, there was no difference in mitochondria content or levels of proteins involved in PINK1/parkin-dependent mitophagy. Finally, increased expression of genes for mitochondrial dynamics and biogenesis suggests some compensation mechanism, in response to cellular stress. Increased expression of Il6, Tnf, Ptgs2 and Alox12 was demonstrated in cerebral cortex of MIA animals, which was accompanied by microglia activation. Such effect was not observed in hippocampus. Both structures showed increased ROS levels, and decreased GSH/GSSG ratio. However, only in hippocampus high activity of NOX was observed. It seems that mitochondria are disturbed at this time point in a structure-dependent matter. In cerebral cortex both expression and activity of three mitochondrial complexes (CI (mt-Nd1), CIII (mt-Cyb) and CIV(mt-Co1)) were decreased, whereas in hippocampus decreased expression of mt-Nd1 and mt-Co1 and activity of CI and CIII were observed. Moreover, it was demonstrated that mitochondrial membrane potential and ATP levels decreased in both structures, and in cerebral cortex fragmentation was increased, with no change in mitophagy. Finally, analysis with transmission electron microscopy revealed many changes in mitochondrial ultrastructure, including blurred cristae and mitochondrial membrane, and signs of mitochondrial swelling, in both structures. To conclude, obtained results indicate that activation of the maternal immune system during pregnancy causes disturbance in mitochondrial functioning and ultrastructure in brain of the offspring, in an age-dependent and structure-dependent manner. It seems that mitochondria might be an attractive target for potential therapeutical intervention in ASD induced by maternal immune activation during pregnancy.
Zaburzenia ze spektrum autyzmu (ang. autism spectrum disorders, ASD) to różnorodna grupa zaburzeń o podłożu neurorozwojowym. Badania ostatnich lat sugerują, iż wystąpienie ASD u dziecka jest wynikiem połączenia podatności genetycznej pacjenta i wpływu czynników środowiskowych, takich jak aktywacja układu odpornościowego matki w ciąży (ang. maternal immune activation, MIA), co potwierdzają badania epidemiologiczne. Dodatkowo, zwierzęta prenatalnie poddane działaniu MIA wykazują ASD-podobne zaburzenia behawioralne. Do chwili obecnej nie istnieją badania dotyczące stanu mitochondriów w mózgu potomstwa MIA, choć zaburzenia mitochondrialne są często diagnozowane u pacjentów z autyzmem. Zatem celem badań była weryfikacja hipotezy, iż w ASD wywołanych aktywacją układu odpornościowego matki we wczesnej ciąży dochodzi do nieprawidłowości w funkcjonowaniu mitochondriów w mózgu. W niniejszej pracy wykorzystano model MIA indukowany podaniem lipopolisacharydu (LPS, 100 µg/kg m.c) ciężarnej samicy stada Wistar w 9,5 dniu ciąży. Badania prowadzono w oparciu o metody immunochemiczne, luminescencyjne, spektrofotometryczne, spektrofluorymetryczne oraz mikroskopowe. Wykonywano również testy behawioralne. Wykazano iż podanie LPS wywołuje wzrost ekspresji Il1b, Il6, Ifng oraz Tnf, aktywację oksydazy NADPH (NOX) i wzrost poziomu reaktywnych form tlenu (RFT) w tkance płodowej. Ponadto zaobserwowano spadek mitochondrialnego potencjału błonowego oraz obniżony poziom ATP. Testy behawioralne wykazały zaburzenia zachowań u zwierząt potomnych. Oseski w 10-11 dniu życia wykazywały zmniejszoną liczbę wokalizacji w sytuacji stresowej (izolacja od matki), a w 15 dniu życia zmniejszone zainteresowanie zapachem gniazda. Wykazano również, iż zwierzęta w 50 dniu życia wykazują zmniejszoną towarzyskość oraz niskie zainteresowanie nowością społeczną. W mózgu osesków z grupy MIA dochodzi do wzrostu ekspresji Il1b i Ifng, oraz wzrostu aktywności NOX i poziomu RFT. Dochodzi również do obniżenia potencjału błony mitochondrialnej oraz spadku produkcji ATP, jednak łańcuch transportu elektronów funkcjonuje prawidłowo. Nie wykazano zmian ilości mitochondriów oraz aktywacji mitofagii zależnej od PINK1 i parkiny. W korze mózgu młodego potomstwa z grupy MIA wykazano wzrost ekspresji Il6 i Tnf, a także Ptgs2 i Alox12, czemu towarzyszyła aktywacja mikrogleju. Takiego efektu nie zaobserwowano w hipokampie. W obu strukturach zaobserwowano podwyższony poziom RFT oraz obniżenie stosunku GSH/GSSG, choć tylko w hipokampie dochodziło do aktywacji NOX. Zmiany w funkcjonowaniu mitochondriów na tym etapie rozwoju są zależne od struktury mózgu. W korze mózgu doszło do obniżenia ekspresji oraz aktywności trzech kompleksów mitochondrialnych (CI (mt-Nd1), CIII (mt-Cyb) oraz CIV(mt-Co1)), a w hipokampie obniżona była ekspresja mt-Nd1 i mt-Co1, oraz aktywność CI i CIII. Ponadto wykazano spadek mitochondrialnego potencjału błonowego oraz obniżony poziom ATP. Dodatkowo w korze mózgu wykazano zwiększoną fragmentację mitochondriów, przy braku aktywacji mitofagii zależnej od PINK1 i parkiny w obu strukturach mózgu. Analiza z użyciem transmisyjnego mikroskopu elektronowego wykazała liczne zmiany ultrastrukturalne mitochondriów w mózgu młodych zwierząt z grupy MIA. Zaobserwowano organella o zatartej strukturze grzebieni oraz błony mitochondrialnej. Wykazano również mitochondria wykazujące cechy obrzęku. Podsumowując, otrzymane wyniki wskazują, że aktywacja układu odpornościowego matki w ciąży zaburza funkcjonowanie i ultrastrukturę mitochondriów w mózgu potomstwa w sposób zależny od etapu rozwoju i struktury mózgu. Wydaje się iż mitochondria mogą być atrakcyjnym celem dla nowych metod terapii ASD wywołanego MIA.
