Prostaglandyny modulują metabolom płynu macicznego u krów mlecznych

Czy prostaglandyny modulują środowisko macicy u krów mlecznych?

Prostaglandyny macicy modulują metabolom płynu macicznego u krów mlecznych – nowe odkrycia dotyczące płodności

Płodność jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność produkcji mlecznej u krów. Niestety, subpłodność pozostaje powszechnym problemem, który generuje znaczące straty ekonomiczne w hodowli bydła mlecznego. Jednym z kluczowych czynników wpływających na płodność jest utrata zarodka w pierwszym miesiącu ciąży, spowodowana niezdolnością macicy do wspierania wzrostu i implantacji zarodka. Najnowsze badanie rzuca nowe światło na rolę prostaglandyn (PG) pochodzących z macicy w kształtowaniu środowiska metabolicznego niezbędnego do prawidłowego rozwoju zarodka.

Rozwój koncepcji (zarodka wraz z błonami pozazarodkowymi) przed implantacją jest fundamentalny dla pomyślnej ciąży, a niepowodzenie tego procesu silnie wiąże się z obniżoną płodnością u krów mlecznych. U bydła, sferyczne blastocysty wykluwają się z osłonki przejrzystej w 9-10 dniu po zapłodnieniu, a następnie przekształcają w formy owalne lub rurkowate w dniach 12-14. “Rozwój koncepcji u przeżuwaczy nie może zachodzić przy braku gruczołów macicznych lub in vitro, ponieważ jest wysoce zależny od płynu światła macicy (ULF)” – piszą autorzy badania, podkreślając kluczową rolę środowiska macicy.

Płyn światła macicy (ULF) zawiera różnorodne substancje wspierające przeżycie, wzrost i implantację koncepcji, określane wspólnie jako histotrof. Są one głównie pochodzenia gruczołowego, wydzielane/transportowane do światła macicy przez nabłonek gruczołowy i śluzówkowy endometrium, pod wpływem progesteronu (P₄) oraz niektórych czynników sygnalizacyjnych, takich jak interferon tau (IFNT) i prostaglandyny (PG). W przeżuwaczach, IFNT jest wydzielany przez koncepcję i działa na endometrium, hamując uwalnianie luteolitycznych pulsów PGF_2α, zapewniając tym samym utrzymanie ciałka żółtego (CL) i stężenia progesteronu w krwiobiegu.

Prostaglandyny regulują liczne procesy reprodukcyjne, zwłaszcza rozwój i implantację koncepcji, będąc ważnymi mediatorami odpowiedzi endometrium matki na sygnały ciążowe. Zawartość PG w ULF gwałtownie wzrasta od 12 do 18 dnia ciąży i cyklu rujowego u jałówek mlecznych, co odpowiada okresowi rozwoju zarodka. Poziom PG w ULF i ekspresja genów związanych z prostaglandynami w endometrium są powiązane z różnicami w płodności. W porównaniu z jałówkami o wysokiej płodności, zawartość PG w ULF i ekspresja mRNA syntazy prostaglandynowo-endoperoksydowej 2 (PTGS2) w endometrium są znacznie niższe u jałówek z subpłodnością.

Czy blokada COX-2 modyfikuje metabolom płynu macicznego?

Cyklooksygenazy (COX) pośredniczą w konwersji kwasu arachidonowego do prostaglandyn. COX-2, dominująca izoforma, jest wyrażana w endometrium podczas wczesnej ciąży i cyklu rujowego, a jej ekspresja jest regulowana przez progesteron i IFNT u bydła. Wewnątrzmaciczne infuzje meloksykamu (selektywnego inhibitora COX-2, który jest 13,1 razy skuteczniejszy w hamowaniu COX-2 w porównaniu do COX-1) zapobiegają elongacji koncepcji u owiec i zmniejszają wskaźniki ciąży u jałówek, gdy są podawane w 15 dniu ciąży. Jednakże, nie ma wpływu na rozwój koncepcji, gdy COX-2 jest zredukowana w zarodkach przy użyciu edycji genomu CRISPR-Cas9.

Badacze postanowili zbadać efekt prostaglandyn pochodzących z macicy na histotrof w dniach 12-15 cyklu rujowego u jałówek mlecznych. Meloksykam, selektywny inhibitor COX-2, został użyty do zablokowania syntezy prostaglandyn w macicy. W badaniu zastosowano nietargetowaną analizę metabolomiczną do identyfikacji cząsteczek potencjalnie poprawiających rozwój koncepcji oraz uzyskania nowych informacji na temat mechanizmów, za pomocą których prostaglandyny regulują środowisko macicy. “Postawiliśmy hipotezę, że wewnątrzmaciczna infuzja meloksykamu zmniejsza obfitość PG w płynie macicznym, co dalej powoduje zmiany w zawartości metabolitów w ULF związanych z ciążą i rozwojem koncepcji” – wyjaśniają badacze.

Jakie nowe wnioski płyną z metabolomiki płynu macicznego?

W eksperymencie 12 jałówek holsztyńskich (12 ± 2 miesięcy; masa ciała: 360 ± 30 kg; ocena kondycji ciała: 3,0 ± 0,25) poddano synchronizacji cyklu rujowego, a następnie losowo przydzielono do jednej z dwóch grup. Grupa kontrolna (CON) otrzymała wewnątrzmaciczną perfuzję roztworu PBS, natomiast grupa eksperymentalna (MEL) otrzymała 3 mg meloksykamu w dniach 12, 13 i 14 cyklu rujowego, co odpowiada oknu elongacji koncepcji. Próbki płynu światła macicy pobrano w 15 dniu i poddano analizie za pomocą chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas (LC-MS/MS).

Przed wewnątrzmaciczną perfuzją i pobraniem płynu macicznego, ciałko żółte (CL) i pęcherzyki jajnikowe oceniono za pomocą ultrasonografii przezodbytniczej (US) w dniach 0, 7 i 15 cyklu rujowego. Badanie US wykazało, że obustronne jajniki wszystkich jałówek mlecznych nie zawierały żadnego CL, ale wykazywały dominujący pęcherzyk o średnicy około 1,5-2,4 cm w dniu 0, bez istotnej różnicy między grupami CON i MEL. W dniu 7 jajniki zawierały ciałka żółte, które były klasyfikowane jako jednorodne (CLhom) lub zawierające jamę (CLcav), o wielkości od 2,4 do 3,3 cm, wraz z kilkoma pęcherzykami <0,5 cm. W porównaniu do grupy CON, nie było istotnej różnicy w wielkości CL w dniu 7. W dniu 15 pobierania ULF, badanie US wykazało, że jajniki zawierały ciałka żółte o wielkości od 2,5 do 3,7 cm i pęcherzyki o wielkości od 1,3 do 2,6 cm. Wewnątrzmaciczna infuzja meloksykamu nie wpłynęła istotnie na wielkość CL i pęcherzyka jajnikowego.

Wyniki badania były fascynujące. Analiza metabolomiczna ULF ujawniła wyraźne różnice molekularne między grupami CON i MEL. Łącznie zidentyfikowano 1419 metabolitów w ULF w trybie jonizacji dodatniej i 557 metabolitów w trybie jonizacji ujemnej. Wykres PCA (analiza głównych składowych) wykazał doskonałe rozdzielenie między grupami CON i MEL. Zastosowano również OPLS-DA (ortogonalną częściową analizę najmniejszych kwadratów z analizą dyskryminacyjną) do zbadania specyficznych cech metabolitów między grupami CON i MEL. Wykres wyników konsekwentnie ujawniał rozkład każdej próbki między grupami CON i MEL, które były rozróżniane przez R2Y = 0,946 i Q2 = 0,727. Przecięcia (R2, Q2) z testów permutacji dodatkowo potwierdziły wiarygodność i stabilność modelu OPLS-DA.

Wewnątrzmaciczna infuzja meloksykamu znacząco obniżyła zawartość głównych prostaglandyn i ich metabolitów w ULF, w tym metabolitów PGF_2α (8-iso-13,14-dihydro-15-keto-PGF_2α, prostaglandyny F1α, 1a,1b-dihomo PGF_2α, PGF_2α 1,15-laktonu, PGF_2α 1,11-laktonu i 5-trans PGF_2α), metabolitów PGE₂ (13,14-dihydro-15-keto-PGE₂, 15-keto-PGE₂, 19(r)-hydroksy-PGE1 i ent-prostaglandyny E₂), PGI2 i jej stabilnego metabolitu 6-keto-PGF1α, a także 15-deoksy-Δ12,14-PGD2 (głównego metabolitu PGD2), 8-iso-prostaglandyny A2, prostaglandyny B2 oraz TXB2.

Czy zmiany w profilu prostaglandyn mogą wpływać na szersze spektrum metabolitów w płynie macicznym? Badanie zidentyfikowało łącznie 255 różnicowo zmienionych metabolitów w ULF między grupami CON i MEL w trybie jonizacji dodatniej (120 metabolitów o zwiększonej i 135 o zmniejszonej zawartości) oraz 130 metabolitów w trybie jonizacji ujemnej (61 o zwiększonej i 69 o zmniejszonej zawartości). Metabolity te należały głównie do kategorii lipidów i cząsteczek podobnych do lipidów, kwasów organicznych i ich pochodnych, związków organohetercyklicznych, benzenoidów, nukleozydów, związków organicznego tlenu, fenylopropanoidów i poliketydów oraz związków organicznego azotu.

Wśród najważniejszych zróżnicowanych metabolitów znalazły się: benzalkonium, 2,8-dihydroksychinolino-beta-d-glukuronid, Phe-Tyr, n-(1 h-indol-3-yloacetyl)glicyna, fenyloacetyloglicyna, tomatydyna, alfa-n-fenyloacetyl-l-glutamina, oksychinolina, 5-metylocytydyna, tiotropium, n1,n12-diacetylosperamina, indakaterol, prostaglandyna I2, 2-metylobutyrylokarnityna, n6,n6-dimetyloadenozyna, PGB2, acetylokarnityna, butyrylo-l-karnityna, hormon juwenilny I i 3-hydroksybutyrylokarnityna w trybie dodatnim, a kwas hipurowy, n-benzylformamid, inozyna, kwas salicylurowy, daidzeina, Val-tyr, guanozyna, p-acetamidofenyl, β-D-glukuronid, [[(4-hydroksyfenylo)acetylo]]aminokwas octowy, kwas 4-pirydoksowy, florfenikol, D-mioinozytol 4-fosforan, 13,14-dihydro-15-ketoprostaglandyna E2, kwas 3-(cykloheksyloamino)-2-hydroksy-1-propanosulfonowy, TXB2, akamprozat, prostaglandyna F1α, tyroksyna, PGD1, 7z, 10z, 13z, 16z i 19z-dokozapentaenowy kwas w trybie ujemnym.

Analiza ścieżek metabolicznych wykazała, że różnicowo zmienione metabolity były wzbogacone w metabolizm kwasu arachidonowego, metabolizm tryptofanu, metabolizm kwasu linolowego, metabolizm puryn, biosyntezę nienasyconych kwasów tłuszczowych, metabolizm witaminy B6, metabolizm fenyloalaniny, metabolizm kwasu alfa-linolenowego, metabolizm nikotynamidu i nikotynanu, metabolizm fosforanów inozytolu oraz metabolizm cysteiny i metioniny. Wśród tych ścieżek, metabolizm kwasu arachidonowego, kwasu linolowego i tryptofanu zostały zidentyfikowane jako szczególnie istotne.

Badacze zidentyfikowali również 10 kluczowych metabolitów: S-adenozylohomocysteinę (SAH), guanozynę, inozynę, tymidynę, kwas cholowy, ksantynę, niacynamid, prostaglandynę I2, kwas 5-hydroksyindolooctowy i indoloacetoaldehyd. “Wyniki te sugerują, że prostaglandyny pochodzące z endometrium mogą wpływać na matczyny metabolizm jednowęglowy u jałówek mlecznych” – komentują autorzy badania.

Jakie jest potencjalne znaczenie biologiczne tych zmian metabolicznych? Badacze zidentyfikowali pięć znacząco zmienionych metabolitów związanych z ciążą i utratą przyczepienia: guanozynę, inozynę, tymidynę, butyrylo-l-karnitynę i l-karnitynę. Metabolity te mogą służyć jako potencjalne biomarkery płodności u krów mlecznych.

Wyniki badania mają istotne implikacje dla zrozumienia mechanizmów regulujących rozwój koncepcji i implantację u przeżuwaczy. Obniżenie poziomu SAH jest zazwyczaj związane ze wzrostem poziomu S-adenozylometioniny (SAM), kluczowej cząsteczki w odpowiedzi metylacyjnej, co bezpośrednio wpływa na rozwój zarodkowy, funkcję łożyska i normalny przebieg ciąży. Stosunek SAM do SAH służy jako wskaźnik aktywności metylacyjnej. Zmiany w ekspresji genów endometrium i koncepcji są prawdopodobnie częściowo przypisywane zmianom w metylacji DNA u bydła. “Utrzymanie normalnego metabolizmu jednowęglowego (OCM) zapewnia syntezę donorów grup metylowych, ułatwiając kluczowe procesy, takie jak metylacja DNA, metylacja RNA i modyfikacja białek w komórkach, które regulują ekspresję genów, proliferację komórek, różnicowanie i inne aktywności fizjologiczne” – wyjaśniają badacze.

Czy wyniki badań mogą zrewolucjonizować medycynę reprodukcyjną?

Czy wyniki tego badania mogą przełożyć się na praktyczne strategie poprawy płodności u krów mlecznych? Z pewnością pogłębiają one nasze zrozumienie złożonych interakcji między prostaglandynami, metabolizmem jednowęglowym a rozwojem zarodka. W przyszłości mogą prowadzić do opracowania interwencji mających na celu optymalizację środowiska macicy dla pomyślnej implantacji i rozwoju zarodka.

Jakie są ograniczenia tego badania? Autorzy przyznają, że chociaż model cyklu rujowego jest wartościowy dla zrozumienia wieloczynnikowego zjawiska elongacji koncepcji i identyfikacji kandydatów metabolitów zaangażowanych w regulację elongacji koncepcji i implantacji u przeżuwaczy, wyciąganie biologicznie znaczących wniosków dotyczących elongacji koncepcji pozostaje znaczącym wyzwaniem w cyklu rujowym. “Przyszłe badania będą musiały zintegrować podejścia takie jak wektory lentiwirusowe i antysensowne oligodeoksynukleotydy u ciężarnych krów, aby wyjaśnić mechanistyczne role specyficznych czynników rządzących elongacją koncepcji i receptywnością macicy” – zaznaczają badacze.

Podsumowując, badanie to ujawniło zmiany w metabolitach płynu macicznego wywołane przez prostaglandyny pochodzące z macicy podczas dioestrus u jałówek mlecznych. Zmiany te dotyczyły głównie lipidów, aminokwasów i nukleotydów, ze znaczącym wzbogaceniem w metabolizm tryptofanu, metabolizm kwasu linolowego i metabolizm puryn, które są związane z metabolizmem jednowęglowym. Jako cząsteczki sygnałowe podczas wczesnej ciąży u przeżuwaczy, prostaglandyny mogą regulować fizjologiczne zmiany metaboliczne w ULF po 12 dniu poprzez wpływ na metabolizm jednowęglowy. Odkrycia te pogłębiają nasze zrozumienie elongacji koncepcji in vivo i oferują nowe strategie dla zwiększenia płodności u zwierząt gospodarskich.

Czy metabolomika płynu macicznego stanie się nowym standardem w diagnostyce i leczeniu problemów z płodnością? Czas pokaże, ale z pewnością ta dziedzina badań otwiera fascynujące perspektywy dla medycyny rozrodu zarówno weterynaryjnej, jak i ludzkiej.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na wpływie prostaglandyn pochodzących z macicy na modulację metabolomu płynu macicznego u krów mlecznych. Wykorzystując selektywny inhibitor COX-2 (meloksykam) do zablokowania syntezy prostaglandyn, naukowcy zidentyfikowali 1419 metabolitów w trybie jonizacji dodatniej i 557 w trybie ujemnej. Wykazano, że prostaglandyny wpływają na metabolizm jednowęglowy, który jest kluczowy dla prawidłowego rozwoju zarodka i implantacji. Zidentyfikowano pięć istotnych metabolitów związanych z ciążą: guanozynę, inozynę, tymidynę, butyrylo-l-karnitynę i l-karnitynę, które mogą służyć jako biomarkery płodności. Badanie ujawniło również wpływ prostaglandyn na metabolizm kwasu arachidonowego, tryptofanu i kwasu linolowego. Odkrycia te pogłębiają zrozumienie procesu elongacji koncepcji i otwierają nowe możliwości w leczeniu problemów z płodnością u zwierząt gospodarskich.

Bibliografia

Zhang Beibei, Han Yuan, Cheng Ming, Yan Longgang, Gao Kangkang, Zhou Dong, Wang Aihua, Lin Pengfei and Jin Yaping. Metabolomic effects of intrauterine meloxicam perfusion on histotroph in dairy heifers during diestrus. Frontiers in Veterinary Science 2025, 12, 211-21. DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2025.1528530.