В дополнение к морфологическому переходу концепта от сферической формы в нитевидную трубку во время удлинения концепта были охарактеризованы несколько молекулярных маркеров в отношении роста и клеточной дифференцировки. Одноядерные клетки трофобласта трофэктодермы начинают пролиферировать и дифференцироваться, что может быть вызвано специфическими факторами транскрипции, такими как фактор транскрипции POUдомена класса 5, ERG и CDX2.22 Было показано, что эти факторы транскрипции регулируют гены, такие как ИФН-тау и домены белков ( элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно стабильную и независимую подструктуру белка, сворачивание которой проходит независимо от остальных частей ) трофобласта, которые активируются во время материнского распознавания беременности. Кроме того, дифференциация мононуклеатных ( одноядерных ) клеток трофобласта в гигантские клетки трофобласта совпадает с увеличением гликопротеинов, связанных с беременностью, пролактин-связанных белков, и плацентарного лактогена. Эти белки связаны с клеточной дифференцировкой трофэктодермы; однако они не могут быть связаны с пролиферацией трофэктодермы во время удлинения концепта в филаментоподобную ( нитевидную) трубку.22 Профилирование транскриптома с использованием бычьего микрочипа выявило повышенную активность приблизительно 500 генов и подавление только 26 генов во время перехода от бластоцисты (день 7) к яйцевидному трубкообразному концепту (день 14). Из этих генов ИФН-тау положительно коррелировал с размером концепта; следовательно, он может быть ключевым фактором в пролиферации трофэктодермы в течение фазы удлинения. После дальнейшего удлинения бычьего концепта (17–19 гестационные дни) специфические гены, вовлеченные в дифференцировку, миграцию и адгезию ( сцепление, прилипание ) клеток трофобласта, усиливают активность, и все они играют роль в слиянии клеток трофобласта с эндометрием матки. Из 80 генов, активированных в течение этой фазы, ген CD9, который кодирует гликопротеин клеточной поверхности дифференцированных гигантских клеток трофобласта, принадлежащий к семейству тетраспанинов (семейство мембранных белков) , скорее всего, играет роль в клеточной миграции и адгезии концепта к материнскому эндометрию во время ранней фазы прикрепления (20-й гестационный день).
Гистотроф матки
Рост, развитие и благополучие бычьего концепта зависит от питания маточным гистотрофом, получаемым из секрета маточных желез эндометрия. Эндометрий представляет собой сложную ткань, состоящую из слоя эпителиальных клеток просвета матки, поверхностного железистого эпителия, глубокого железистого эпителия, а также стромальных клеток с фибробластоподобной морфологией. В дополнение к автономной регуляции пролиферации и дифференцировки трофэктодермы во время удлинения концепта, выделения маточных эндометриальных желез также будут стимулировать развитие зародыша на раннем этапе. Как упоминалось ранее, бычий концепт должен секретировать достаточное количество ИФН-тау к 16-му дню беременности, чтобы ингибировать выработку эндометрием лютеолитических импульсов ПГФ2α и обеспечить материнское распознавание беременности. В дополнение к выделениям концепта, которые паракринным путем изменяют пути регулирующие секрецию эндометрия, было также показано, что гормоны яичников стимулируют или ингибируют секрецию эндометрия и производительность желез. Ряд исследований показал, что периферические концентрации прогестерона в ранний период после зачатия связаны со скоростью удлинения концепта и более высокой оплодотворяемостью у крупного рогатого скота и овец.
Напротив, более низкие концентрации прогестерона у молочных коров связаны со снижением развития концепта. Прогестерон яичников может влиять на раннюю среду матки, включая эндометриальную секрецию питательных веществ и факторов роста, которые необходимы для раннего развития концепта. Кроме того, добавление экзогенного прогестерона с 5 по 9 день после осеменения привело к четырехкратному увеличению длины трофобласта и шестикратному увеличению концентрации ИФН-тау в матке. Помимо концентраций прогестерона в периферическом кровообращении, экспрессия рецептора прогестерона в эндометрии (как просветном ( покровном) эпителии, так и поверхностном железистом эпителии) изменяется у коров с пониженной концентрацией прогестерона в сравнении с повышенной концентрацией в течение раннего периода после зачатия. У коров с низкими концентрациями прогестерона после зачатия не только уменьшаются специфические переносчики питательных веществ в эндометрии, но также экспрессия рецептора прогестерона в просветном и поверхностном железистом эпителии поддерживается в течение более длительного периода. Напротив, повышенные концентрации прогестерона, вызванные его экзогенным введением, увеличивают экспрессию переносчика питательных веществ и уменьшают экспрессию рецептора прогестерона в просветном и поверхностном железистом эпителии. Кроме того, это подавление рецепторов прогестерона в эндометрии необходимо для установления рецептивности ( восприимчивости ) матки и эндометрия к прикреплению концептуса.
Плацентарная васкуляризация
Плацента играет важную роль в регуляции роста плода. Плацента жвачных животных морфологически классифицируется как котиледонная, а гистологически - синдесмохориальная. На стенке матки имеются специализированные участки эндометрия, называемые карункулами, по форме похожие на пуговицу.25 У небеременных жвачных животных карункулы расположены в два дорсальных и два вентральных ряда, которые проходят вдоль рогов матки. Карункулов насчитывается около 100, и их можно увидеть даже в матке у плода.26 Хорио-аллантоис, имеющий плоскую поверхность, становится неровным, когда начинает покрывать карункулы; это вызвано ростом и расширением концепта в просвет матки. Этот процесс сопровождается распознаванием котиледонов.26 Карункуло-котиледонную единицу называют плацентомой, и она образуется в результате роста и смешения ворсин плода и карункулярных крипт, принимающих выпуклую форму25 . Площадь контактной поверхности увеличивается, потому что котиледонные пальцеобразные выступы входят в крипты, образованные в карунках. Плацентомы отличаются по размеру, но они больше в роге и уменьшаются в размерах вблизи кончика рога.26 Плацентома является основной функциональной областью физиологического обмена между матерью и плодом.
Эффективность плацентарного транспорта питательных веществ напрямую связана с маточно-плацентарным кровообращением.27 Все питательные вещества и отходы, которые обмениваются между материнской и эмбриональной системами, транспортируются через маточно-плацентарный барьер. Установление функционального кровообращения плода и матки является одним из самых ранних событий во время эмбрионального/плацентарного развития.29,30 Чтобы поддержать экспоненциальное увеличение роста плода во второй половине беременности,31 надлежащий рост и развитие маточноплацентарного сосудистого русла должны происходить в течение первой половины беременности.27,32
Карункул
1400 120 0.25
100
1200 0.20
80
1000 0.15
60
800 0.10
40
600 0.05
20
Плотность капиллярной области
Распределение плотности капилляров
400 Поверхностная плотность капилляров 22 0.00
Котиледон Размер капилляра
20
600 0.05
18
550
0.04
16
500
14
0.03
450
12
0.02
400 10
8 0.01
350
6
300 0.00
125 250
День гестации
Распределение плотности капилляров
2Плотность капиллярной области или размер капилляра мкм, Поверхностная плотность капилляров
Распределение плотности капилляров
Поверхностная плотность капилляров
2Плотность капиллярной области или размер капилляра мкм,
Рис. 25.1 Распределение капиллярной плотности, плотность области, поверхностная плотность и размер в материнской (карункулярной) и эмбриональной (котиледонной) частях бычьего плацентома от середины (день 125) до поздней (день 250) стельности.
Взаимодействие факторов, влияющих на маточно-плацентарный кровоток, напрямую повлияет на эффективность плаценты и, следовательно, на рост плода. Однако, несмотря на интенсивные исследования в области плацентарно-плодных взаимодействий, регуляторы плацентарного роста и васкуляризации, а также маточноплацентарный кровоток все еще в значительной степени неизвестны, особенно у крупного рогатого скота.
Данные о развитии бычьего плацентомного капиллярного русла весьма ограничены. У коровы рост котиледонов постепенно усиливается на протяжении всей беременности.33,34 Гистологический анализ развития капиллярного русла у коровы проводился во время средней и поздней беременности.34 С середины до поздней беременности плотность капиллярной области, показатель, связанный с кровотоком, уменьшается примерно на 30% в тканях карункула, в то время как в котиледонных тканях увеличивается примерно на 186% (рис. 25.1). За это время количество капилляров увеличивается на 150% и 80% в ткани карункула и котиледона соответственно. С середины до поздней стадии гестации поверхностная плотность капилляров, показатель, связанный с обменом питательных веществ, также увеличивается как в карункулярной, так и в котиледонной тканях (32% и 172% соответственно), в то время как размер капилляров уменьшается на 67% в тканях карункула, но увеличивается на 71% в котиледонных тканях (рисунок 25.1). Характер развития капилляров очень сильно различается между материнской и плодной частями плацентома, возможно, из-за энергетических потребностей этих независимых тканей, которые выполняют сходную функцию - доставку питательных веществ развивающемуся теленку.
Очевидно, что плацента играет фундаментальную роль в обеспечении метаболических потребностей плода. Хотя рост плаценты замедляется в течение последней половины беременности, ее функция резко возрастает, что поддерживает экспоненциальную скорость роста плода.35,36 Например, у овец и крупного рогатого скота маточный кровоток увеличивается примерно в три-четыре раза в период от средней до поздней стадии гестации27,37,38 (см. ниже). Взаимосвязь между маточноплацентарным кровотоком и размером концепта в течение всего периода беременности будет дополнительно рассмотрена в следующем разделе.
Материнская сердечно-сосудистая функция
Во время беременности физиологическое состояние матки связано со значительными, но обратимыми изменениями метаболической потребности, а также изменениями в эндокринной и сердечно-сосудистой системах. Как упоминалось ранее, во время ранней беременности (например, при материнском распознавании беременности и удлинении концепта) эндокринная секреция яичника и концепта помогает установить здоровую беременность. Кроме того, эти секреты служат биохимическим перекрестным соединением между материнским эндометрием и плодными оболочками плаценты во время средней и поздней гестации и помогают обеспечить надлежащий обмен веществ во время экспоненциального роста плода.
Функциональные возможности сердечно-сосудистой системы у матери резко меняются во время беременности, вследствие чего снижается системное артериальное давление и сосудистое сопротивление, а также сердечный выброс, частота сердечных сокращений, ударный объем и объем крови.39 Хотя не все эти переменные были определены во время беременности у крупного рогатого скота, у некоторых видов млекопитающих, включая овец, наблюдалось снижение среднего артериального давления на ранних сроках, которое сохраняется на протяжении всей беременности. Более того, снижение артериального давления (оценивается как 5–10%) незначительно по сравнению с приблизительно 20–30% снижением общего периферического сосудистого сопротивления. Показано, что у беременных жвачных животных материнский сердечный выброс возрастает на 30–40% по сравнению с небеременными. Следовательно, увеличение сердечного выброса связано с резким падением системного сосудистого сопротивления, что позволяет исследователям охарактеризовать беременность как состояние системной вазодилатации ( релаксации гладкой мускулатуры в стенках кровеносных сосудов) , приводящее к глубокому увеличению общих системных потоков во всех сосудистых руслах. Большинство этих исследований характеризуют эту взаимосвязь уравнением:
Системное сосудистое сопротивление =Среднее артериальное давление Сердечный выброс
Используя это уравнение, мы можем видеть, что снижение системного сосудистого сопротивления во время беременности и увеличение сердечного выброса ( минутный объем крови ) помогают поддерживать артериальное давление. Кроме того, помимо этой взаимосвязи, увеличение объема крови и активация системы ренинангиотензин могут также способствовать поддержанию артериального давления во время этого физиологического состояния выраженной вазодилатации; однако по крупному рогатому скоту существуют лишь ограниченные данные. Чтобы определить конкретный вклад в увеличение сердечного выброса, возникающее во время беременности, мы должны сначала изучить его уравнение, в котором говорится, что сердечный выброс = частота сердечных сокращений × ударный объем, где ударный ( систолический) объем равен объему крови, выбрасываемому из одного желудочка сердца с каждым ударом. У большинства видов млекопитающих частота сердечных сокращений увеличивается примерно на 15% во время беременности, что не полностью объясняет увеличение сердечного выброса на 30–40%. Следовательно, ударный объем может увеличиваться на 30–35% во время беременности и является одним из основных факторов, способствующих увеличению сердечного выброса. Исследователи показали, что у овец, получавших длительную терапию эстрогеном, увеличение размеров левого желудочка сердца и его эктазия ( расширение) вызваны беременностью; поэтому изменения в эндокринной системе во время беременности могут помочь опосредовать временные изменения сердечно-сосудистой функции матери.39
Увеличение сердечного выброса матери во время беременности также связано с увеличением плазмы и объема крови у коров40 . Это увеличение объема крови варьирует между видами и также будет зависеть от состояния питания матки, и от того, одноплодная беременность или двуплодная. В период беременности у крупного рогатого скота объем крови увеличивается только на 10–20% во время стельности, в то время как у многоплодных видов объем крови может увеличиваться на 30–50%.
С увеличением объема плазмы матка должна поддерживать надлежащий баланс содержания воды и электролитов; поэтому, подобно изменениям материнского артериального давления, это увеличение объема плазмы объединится с системой ренин-ангиотензин, которая может служить дополнительной целью в качестве внешнего модулятора функции почек и секреции мочи. Помимо сильных изменений в материнской сердечнососудистой системе во время беременности, еще более примечательно то, что большинство млекопитающих вернутся к небеременным уровням сердечно-сосудистой функции в течение 2–5 недель после родов. Хотя лактирующий, высокопродуктивный, нестельный молочный скот будет демонстрировать существенное увеличение сердечного выброса по сравнению с его нестельными нелактирующими аналогами, это перераспределение кровотока в течение транзитного периода от маточно-плацентарной сосудистой сети к молочной железе все еще является феноменальным физиологическим подвигом, позволяющим выйти на пик лактации вскоре после родов.
Материнское распределение питательных веществ и эндокринология
Взаимодействие между материнской эндокринной системой и концептом жизненно важно для обеспечения непрерывного развития плода и обеспечения здорового приплода, пригодного для жизни вне матки. Одним из примеров такого взаимодействия является способность бычьего концепта стимулировать рост и развитие молочных желез во время беременности. Это контролируемое запрограммированное развитие молочной железы позволяет синхронизировать выработку и секрецию молока с рождением зрелого теленка.41 Гормональная продукция концепта может действовать паракринно, стимулируя его собственный рост; однако, эта гормональная продукция может также взаимодействовать с материнской эндокринной системой и регулировать рост, развитие и лактогенез молочных желез. Уровень секреции бычьего плацентарного лактогена выходит на пик примерно через 160–200 дней беременности, а затем остается высоким до конца срока. Молочные коровы имеют повышенную концентрацию бычьего плацентарного лактогена по сравнению с мясными коровами; кроме того, в пределах субпопуляции молочных коров наблюдалась значительная положительная связь между концентрациями плацентарного лактогена во время беременности и последующим надоем. Кроме того, выработка эстрона, конъюгированного сульфата эстрона и эстрадиола возрастает между 70 и 110 днями беременности. Это увеличение уровня эстрогенов должно позволить увеличить экспозицию ( длительность воздействия ) эстрогенной активности на ткани матери; однако значительная конъюгация ( соединение, сопряжение) эстрогена с маткой и концептом до переноса в периферическое кровообращение уменьшит экспозицию на ткани матери. Это увеличение продукции должно соответствовать увеличению активности ароматазы, а также сульфотрансфераз эстрогена, генерирующих метаболит сульфата эстрона с низкой биологической активностью, но с более длительным периферическим периодом полураспада. Тем не менее, независимо от пониженной биологической активности конъюгированных эстрогенов, концентрация общего эстрогена (конъюгированного и неконъюгированного) сильно коррелирует с массой тела при рождении и последующими темпами роста до отъема у телят, что может быть связано с последующей выработкой маточного молочка. Помимо этих связей между выработкой гормонов концептом и последующей выработкой молочка в матке, попрежнему важно отметить, что некоторые гормоны беременности (прогестерон, эстрогены и плацентарные лактогены) регулируют количество клеток и васкуляризацию молочной железы.
