A mother's heart: impacts of gestation habits on maternal cardiac mitochondria metabolism

Abstract

Pregnancy composes a metabolic challenge for the maternal organism. The cardiovascular and other systems undergo adaptational processes to guarantee the energetic and nutritional demands of fetal development. Among other potential factors, the rising consumption of high caloric diets and sedentary lifestyles contribute to increased risk for metabolic-related pregnancy complications. Gestational diabetes mellitus (GDM) is the most common metabolic pregnancy disorder, affecting 14% of pregnancies. Postnatally, GDM mothers have an increased risk of developing type-2-diabetes and cardiovascular diseases (CVD). Mitochondrial dysfunctions have been implicated in several CVD. Lifestyle modifications, which involve exercise practice, are used as first-line treatment. However, it is still unknown if exercise practice during GDM can prevent the increased maternal risk for CVD by modulating cardiac mitochondria metabolism. This study aimed to characterize the cardiac metabolic memory induced by GDM that prevails after delivery and understand if exercise practice exclusively during pregnancy prevents the GDM-induced cardiometabolic effects related to a higher risk of cardiac disease development.We developed a Sprague-Dawley rat model of GDM, induced by a high-fat high sugar (HFHS) diet consumption, starting at 7-weeks of age through the whole experiment. The non-pregnant (NP) and pregnant (P) controls were fed a standard chow diet (C). Exercise (E) protocols began at 14-weeks of age, the time point in which mating protocols were implemented, and consisted of voluntary physical activity in a running wheel and 6-days per week endurance training in an adapted treadmill. The other female rats were considered sedentary (S). Exercise protocols lasted the 3 weeks of pregnancy. The female rats were euthanized at 25-weeks of age, after the nursing and weaning periods. Maternal morphologic characteristics and glucose tolerance were assessed during the experiment. The levels of plasma biochemical parameters were evaluated by MS/MS and the cardiac tissue morphological characterization was histologically assessed. Cardiac inflammation markers, insulin signaling, metabolic flexibility, and mitochondrial function, through evaluation of mitochondrial bioenergetics, dynamics, macroautophagy, and redox balance were determined using Clark-type and TPP+ electrodes, qPCR, and Western blot. Data were compared between P-C-S (n=7), NP-C-S (n=7), GDM-S (n=6), and GDM-E (n=6), using Mann-Whitney or t-student test according to Gaussian distribution, with p ≤ 0.05 considered statistically significant.Maternal GDM was confirmed through glucose intolerance at mid-pregnancy and resulted in increased gestational weight gain and enlarged litter size. GDM groups revealed increased levels p-Akt (Ser473) levels. However, GDM-S mothers inefficiently responded to the induced adaptation showing decreased p-GSK3. GDM’s negative impact on cardiac metabolism was observed by impaired HIF-1α signaling and FA oxidation transcript levels of ACAA2 and PPARα, with the inability to metabolically adapt as opposed to P-C-S and GDM-E that showed increased AMPK activation. However, exercise practice during pregnancy and GDM-S decreased mitochondrial bioenergetics with decreased ADP/O and RCR values and requiring more time to complete ADP phosphorylation. Despite no considerable alterations were observed in OXPHOS protein levels, and in proteins and transcripts involved in mitochondrial dynamics, biogenesis, and mass indicators, adaptations observed in the P-C-S group (increased TFAM levels to decreased Tom20 and POLRMT) seem to fail to be stimulated in the hearts of GDM dams. Moreover, the hearts of GDM-E mothers failed to respond to the increased PGC1α transcript levels despite the increased UQCRC2 and MTCO2 protein levels. Blockage of the autophagic flux was marked in the GDM-S group due to increased LC3II/LC3I ratio and p62 levels. The latter was increased in GDM-E concomitantly with an increased ratio of p-Bcl2 to total protein. An unbalanced redox state marked the postpartum period with increased Nrf2 and Gpx4 protein levels, which may compose an adaptational response exacerbated in the GDM-S group and possibly impaired in the GDM-E group, with normal Nrf2 levels.In summary, although exercise practice during GDM could counteract some of the impaired cardiac characteristics and mechanisms observed in a GDM-pregnancy in the postpartum period, mitochondrial function was highly affected. Though the hearts of GDM mothers seemed to stimulate adaptational mechanisms to answer to this metabolic challenge, the response efficacy was insufficient resulting in impaired cardiac metabolic flexibility and mitochondrial function. Elucidation of the exercise type a GDM-mother should adopt and provide close monitoring of these activities during pregnancy and after delivery should be a priority among clinicians to guarantee the long-term health of mothers after a GDM-pregnancy.

A gravidez trata-se de um desafio metabólico para o organismo materno. O sistema cardiovascular e outros sofrem processos adaptativos para garantir as necessidades energéticas e nutricionais ao desenvolvimento fetal. O consumo de dietas calóricas e hábitos sedentários, entre outros fatores, contribuem para um risco acrescido ao desenvolvimento de complicações metabólicas durante a gravidez. A diabetes gestacional mellitus (GDM) é a doença metabólica mais comum da gravidez, afetando 14% das gestações. Mães que tiveram GDM têm risco acrescido de desenvolver diabetes e doenças cardiovasculares (CVD). Disfunções mitocondriais foram associadas a várias CVD. Modificações no estilo de vida, como a prática de exercício, são utilizadas como primeira linha de tratamento. No entanto, é ainda desconhecido se a prática de exercício durante GDM pode prevenir o risco para o desenvolvimento de CVD por modulação do metabolismo cardíaco mitocondrial.Este estudo teve como objetivo caracterizar a memória metabólica induzida por GDM mantida pós-gravidez e compreender se a prática de exercício apenas durante a gravidez previne os efeitos cardiometabólicos induzidos por GDM associados ao risco acrescido de desenvolver doenças cardíacas.Desenvolvemos um modelo de GDM em Sprague-Dawley induzido por ingestão de uma dieta rica em gordura e açúcares (HFHS), iniciada às 7 semanas de idade durante toda a experiência. Os controlos não-grávidos (NP) e grávidos (P) foram alimentados com dieta controlo (C). O protocolo de exercício (E) começou às 14 semanas, mesma altura em que protocolos de acasalamento foram implementados, consistindo em atividade física voluntária numa roda e 6 dias por semana de treino de resistência numa passadeira. Os outros animais consideraram-se sedentários (S). O protocolo de exercício estendeu-se durante as 3 semanas da gravidez. Às 25 semanas os animais foram eutanasiados, após o período de amamentação e desmame. Características maternas morfológicas e tolerância à glucose foram avaliadas durante a experiência. Parâmetros bioquímicos no plasma foram determinados por MS/MS e a caracterização morfológica do tecido cardíaco avaliada por histologia. Marcadores de inflamação, sinalização da insulina, flexibilidade metabólica e função mitocondrial cardíaca, por avaliação da bioenergética, dinâmica mitocondrial, macroautofagia, e equilíbrio redox foram determinados utilizando elétrodos Clark e TPP+, qPCR e Western blot. Os dados foram comparados entre P-C-S (n=7), NP-C-S (n=7), GDM-S (n=6), e GDM-E (n=6) utilizando Mann-Whitney ou t-student test de acordo com a distribuição Gaussiana, com p ≤ 0.05 considerado estatisticamente significativo.GDM confirmada pelo desenvolvimento de intolerância à glucose durante a gravidez resultou num ganho ponderal e tamanho da ninhada elevados. Grupos GDM revelaram elevados níveis de p-Akt (Ser473). Contudo, mães GDM-S responderam ineficientemente à adaptação induzida exibindo p-GSK3 diminuído. O impacto negativo de GDM no metabolismo cardíaco foi observado por sinalização HIF-1α e níveis de transcritos ACAA2 e PPARα da oxidação de FA comprometidos, associado a uma incapacidade de adaptação metabólica, contrariamente a P-C-S e GDM-E que mostraram maior ativação de AMPK. No entanto, a prática de exercício durante a gravidez e GDM-S resultou numa atividade bioenergética mitocondrial diminuída, com baixo ADP/O e RCR, necessitando de mais tempo para fosforilação completa de ADP. Embora poucas alterações foram observadas nos níveis de proteínas OXPHOS e de proteínas e transcritos envolvidos na dinâmica, biogénese e indicadores de massa mitocondriais, adaptações observadas em P-C-S (elevados níveis de TFAM para Tom20 e POLRMT diminuídos) parecem não ser estimuladas em corações de mães GDM. Corações de mães GDM-E falharam na resposta aos níveis elevados de transcrito PGC1α, embora com elevados níveis de UQCRC2 e MTCO2. O bloqueio do fluxo autofágico foi marcado em GDM-S devido a elevado rácio LC3II/LC3I e níveis de p62, também elevados em GDM-E concomitantemente ao rácio p-Bcl2/Bcl2 elevado. O período pós-parto foi marcado por um desequilíbrio redox com níveis Nrf2 e Gpx4 elevados, podendo consistir numa adaptação exacerbada em GDM-S e possivelmente comprometida em GDM-E, com níveis normais de Nrf2.Assim, apesar da prática de exercício durante a gestação ter conseguido contrabalançar algumas características e mecanismos cardíacos comprometidos em resposta a uma gravidez GDM no período pós-parto, a função mitocondrial foi altamente afetada. Embora corações de mães GDM mostrem mecanismos adaptativos para responder a este desafio metabólico, a capacidade de resposta foi insuficiente, resultando numa flexibilidade metabólica e função mitocondrial comprometidas. Então, elucidar qual o tipo de exercício a adotar por uma mãe GDM, assim como fornecer a devida monitorização destas atividades durante e pós-gravidez devia ser uma prioridade na clínica para garantir a saúde materna a longo prazo.