Metabolische Antworten von Vogelembryonen auf vermindertes Sauerstoffangebot während der Inkubation

Abstract

Sauerstoffmangel ist ein häufig vorkommender Reiz. Um der Entstehung von Hypoxie auf Gewebeebene vorzubeugen, reagieren Organismen auf Sauerstoffmangel mit einer Vielzahl von Anpassungsmechanismen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss eines verminderten Sauerstoffangebotes in der Inkubationsluft auf den Hühnerembryo untersucht. Die untersuchten Embryonen wurden einem chronischen Sauerstoffmangel (15% O2) von D6 bis D12 (sensible Phase) und zusätzlich einer akuten anoxischen Periode an D18 unterworfen. Eine weitere Versuchsgruppe wurde einer Kombination von Hypoxie (15% O2) und Hyperthermie (40°C) über 24 Stunden an D10 ausgesetzt. Die Expressionsraten von Genen, die durch Hypoxie induzierbar sind (AMPK, Enolase, PFK, VEGF), wurden mit Hilfe einer real-time PCR gestützten mRNA-Bestimmung im Herzgewebe quantifiziert. Es wurden darüber hinaus die Massen der Embryonen und ihrer Herzen bestimmt. Die Auswertung der PCR-Daten zeigt einen altersabhängigen Anstieg der Expression hypoxieabhängiger Gene. Dieser altersabhängige Expressionsanstieg ist Folge der Diskrepanz zwischen dem steigenden Sauerstoffverbrauch während der Embryonalentwicklung und der gleich bleibenden Sauerstoffversorgung. Die Inkubation unter chronischem (D6 bis D12) mildem (15% O2) Sauerstoffmangel spiegelt sich nicht in einer verstärkten Expression der untersuchten Gene wider. Akute Anoxie (30-45 Minuten) hat ebenfalls keine Veränderung der untersuchten Gene zur Folge. Im Gegensatz dazu resultiert die Kombination von Hypoxie und Hyperthermie an D10 in einem Anstieg der Expression der untersuchten Gene. Die Massen der Embryonen und ihrer Herzen verändern sich weder unter chronischer, noch unter akuter Hypoxie. Die Ergebnisse lassen andere regulative Mechanismen vermuten, die unter milder Hypoxie größere Relevanz besitzen, als die Expressionssteigerung der untersuchten Gene. Solche Anpassungsmechanismen schonen die Energiereserven des Herzgewebes und verhindern die Verzögerung der Massenentwicklung unter Hypoxie. Nur die Kombination von Hypoxie und Hyperthermie macht einen Anstieg der Genexpressionsraten unvermeidbar. Der Hypoxie-induzierte-Hypometabolismus ist ein Anpassungsmechanismus, der während Sauerstoffmangel den Energiebedarf durch Abregulation des Stoffwechsels senkt. Insbesondere die Absenkung der Membranpermeabilität kann den Energieverbrauch verringern. Milde Hypoxie bei physiologischen Temperaturen führt zur aktiven Absenkung des Stoffwechsels und ermöglicht das Überleben ohne Entstehung eines intrazellulären Sauerstoffmangels. Hyperthermie führt im Gegensatz dazu zur Stimulation des Stoffwechsels und erhöht das Niveau des Energieverbrauchs. Aus diesem Grund ist eine verstärkte Genexpression bei Kombination von Hypoxie und Hyperthermie notwendig. Der Hypoxie-induzierte-Hypometabolismus scheint unter milder Hypoxie einer genregulativen Reaktion voranzugehen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum weiteren Verständnis der Anpassungsmechanismen eines Organismus unter Sauerstoffmangel bei und beschreiben eine neue zeitliche Abfolge der Anpassungsmechanismen in Abhängigkeit von der Stärke der Hypoxie.

Oxygen deficiency is a common stimulus during life. To prevent the development of hypoxia on the tissue level, organisms counteract oxygen deficiency using various mechanisms of adaptation. In this thesis, the influence of a reduced oxygen content in the incubation air on the chick embryo was examined. The embryos passed through a chronic oxygen defciency (15% O2) from D 6 to 12 (critical window) and an additional acute anoxic period on D18. In addition, one group was incubated exposed to a combination of hypoxia (15% O2) and Hyperthermia (40°C) for 24 h on D10. The gene expression levels of hypoxia inducible genes (AMPK, Enolase, PFK, VEGF) were determined using real-time PCR for detection of messenger RNA in embryonic heart tissue. Furthermore, the masses of the embryo and its heart were acquired. Interpretation of the PCR data showed an age dependent increase of hypoxia inducible gene expression due to an increasing oxygen demand during embryonic development and a constant oxygen supply. Incubation under chronic (D6-12) mild (15% O2) hypoxia caused no increase in gene expression of the tested genes. Incubation under acute (30-45 Minutes) anoxia on D18 also had no effect on the expression levels of the genes examined in heart tissue. Only the combination of hypoxia and hyperthermia on D10 resulted in an increased expression of the examined hypoxia inducible genes. The embryonic body and heart mass was unchanged under chronic and acute hypoxia. These results suggest that other regulative mechanisms than increased gene expression of hypoxia inducible genes are most relevant during hypoxia. Such adaptive mechanisms conserve the energy content of heart tissue and prevent a delay in mass development during oxygen deficiency. Only the combination Hyperthermia and Hypoxia makes an increase of gene expression indispensable. The hypoxia induced hypometabolism is an adaptive mechanism which reduces the energy demand by down regulation of metabolism during oxygen deficiency. Particularly a decrease of membrane permeability lowers the level of energy consumption. Mild hypoxia and physiologic temperature leads to an active decrease of metabolism and survival without intracellular oxygen deficiency. In contrast, hyperthermia stimulates the metabolism and consequently increases the level of energy consumption. Therefore, increased gene expression is required to adapt to a combination of hypoxia and hyperthermia. The hypoxia-induced hypometabolism seems to anticipate the gene regulative reaction during mild hypoxia. The results of this study contribute to the further characterization of the capability of the embryo to react to oxygen deficiency and describe a new chronology of adaptive mechanisms in dependency to the gravity of hypoxia.