Brain reorganization in an experimental model of intrauterine growth restriction

Abstract

1.- INTRODUCTION Intrauterine growth restriction (IUGR) due to placental insufficiency affects 5-10% of all pregnancies. This condition is a risk factor for brain damage after birth and cognitive disorders later in childhood. The pathophysiological pathways leading to adverse neurodevelopmental outcome remain poorly understood. The use of animal models is essential to advance in the understanding of brain injury in IUGR.

2.- OBJECTIVE To develop a suitable experimental model of IUGR in fetal rabbits, in order to conduct a detailed description of the neurostructural brain abnormalities associated with this disease and their neurobehavioral correlates.

3.- MATERIAL AND METHODS

P1: Comparison of two experimental models of IUGR: undernutrition versus selective ligature of uteroplacental vessels Prenatal induction of IUGR at 25D by means of a surgical protocol or hiponutirtion. Comparison of neonatal biometries, mortality and hemodynamic changes.

P2: Evaluation of different timings and severity of the intervention Prenatal induction of IUGR at 21/25D by means of a surgical protocol (two proportion of ligature (20-30%(mild) or 40-50%(severe)). Comparison of neonatal biometries, mortality and histological brain changes.

P3: Anatomical patterns of brain reorganization induced by IUGR and neurobehavioral correlates. Prenatal induction of IUGR at 25D by means of a surgical protocol. Comparison of neurobehaviour and diffusion related parameters obtained by MRI.

4.- RESULTS

P1: Comparison of two experimental models of IUGR: undernutrition versus. selective ligature of uteroplacental vessels Fetal mortality rate in control and undernutrition did not show any difference. On the contrary, the ligature group showed a significantly higher mortality rate. (14.3 vs 5.0 vs 54.2%,p<0,001). Neonatal biometries decreased significantly across the experimental groups. Only ligature group showed significant changes in hemodynamic parameters when compared with control.

P2: Efectes del moment i la severitat de la lligadura selectiva There was a linear increase in mortality rates across the experimental groups when ordered by gestational age and severity (Linear-by-linear p<0.001). Neonatal biometries showed a significant linear decrease across the experimental groups at 21D and 25D. Finally, markers of brain damage showed a regional patterns according to severity and onset of IUGR.

P3: Anatomical patterns of brain reorganization induced by IUGR and neurobehavioral correlates. Growth restricted pups showed poorer results in all parameters. When VBA analysis was applied, statistically significant differences were found in FA distribution between cases and controls in multiple structures that were correlated with most of neurobehavioral domains.

5.- CONCLUSIONS

Selective ligature of uteroplacental vessels in the pregnant rabbit reproduces more closely the features of human IUGR than models based on maternal undernutrition. The gestational age and the proportion of vessels ligated produces gradual changes in mortality and biometrical restriction and different patterns of histological changes in the fetal rabbit brain. Finally, IUGR results in a complex regional pattern of neurostructural differences that correlate with specific neurobehavioral changes in neonatal life.

1) INTRODUCCIÓ La restricció del creixement intrauterí (RCIU) secundaria a la insuficiència placentària afecta un 5-10% de tots els embarassos. Aquesta condició es considera un factor de risc important per el dany cerebral neonatal i els problemes cognitius en la infantesa. El coneixement de les vies fisiopatològiques que condueixen a aquest mal resultat és limitat i per aquest motiu, l’ús dels models animals es essencial per avançar en aquest coneixement.

2) OBJECTIU Desenvolupar un model experimental de RCIU adequat per tal de realitzar una descripció detallada dels canvis estructural cerebrals mitjançant ressonància magnètica i de la seva correlació amb els canvis neuroconductuals.

3) MATERIAL I METODES P1: Model experimental de RCIU: hiponutrició vs lligadura selectiva Conills New-Zealand als 25D de gestació es van incloure en un protocol quirúrgic (lligadura 40-50%) o protocol d’hiponutrició (reducció 70% dieta normal) obtenint 3 grups:

a. Fetus RCIU (quirúrgic)

b. Fetus RCIU (d’hiponutrició)

c. Controls

En tot ells es va realitzar la inducció prenatal de RCIU als 25D (quirúrgic/hiponutrició), avaluació ecogràfica prenatal, cesària als 30D de gestació i posterior sacrifici i recol•lecció de mostres

P2: Efectes del moment i la severitat de la lligadura selectiva Conills New-Zealand als 21D i 25D de gestació es van incloure en un protocol quirúrgic amb dos graus de restricció (20-30% (lleu) i 40-50% (severa)) obtenint 6 grups:

a. Controls 21D

b. Fetus RCIU: 21D lleu

c. Fetus RCIU: 21D sever

d. Fetus RCIU: 25D lleu

e. Fetus RCIU: 25D sever

f. Controls

En tot ells es va realitzar la inducció prenatal de RCIU als 21/25D de gestació (lleu/severa), cesària als 30D, recol•lecció de mostres, tinció S100β i Ki-67 i quantificació de cèl•lules positives.

P3: Efectes en la funció i la estructura cerebral de la RCIU en el període neonatal Conills New-Zealand als 25D de gestació es van incloure en un protocol quirúrgic (lligadura 40-50%) obtenint 2 grups:

a. Fetus RCIU

b. Controls

En tot ells es va realitzar la inducció prenatal de RCIU als 25D, cesària als 30D, avaluació neurològica neonatal, sacrifici i recol•lecció de mostres, adquisició de ressonància magnètica i anàlisis dels paràmetres de difusió.

4) RESULTATS

P1: Model experimental de RCIU: hiponutrició vs lligadura selectiva La taxa de mortalitat fetal en el grup control d’hiponutrició no va mostrar cap diferència. Per contra, el grup de lligadura va mostrar una taxa de mortalitat significativament més gran (14.3 vs 5.0 vs 54.2%,p<0,001). Les biometries neonatals es van presentar una reducció significativa entre els grups experimentals. La funció cardíaca van presentar un canvi progressiu a través dels grups d’estudi, essent només significatius en el grup de lligadura.

P2: Efectes del moment i la severitat de la lligadura selectiva Existeix un augment progressiu i lineal a través dels grups d’estudi de la taxa de mortalitat (p lineal <0,001). Totes les biometries fetal van presentar un descens progressiu i lineal a través del grups d’estudi, tant als 21 com als 25 dies. Els marcadors de dany cerebral van mostrar un partó regional diferent en funció de la gravetat i el moment la RCIU.

P3: Efectes en la funció i la estructura cerebral de la RCIU en el període neonatal El grup de RCIU va mostrar pitjors resultats en tots els paràmetres, essent els canvis significatius en els reflexes, tó, locomoció, moviment lineal, distància de pas, reflex a l'alimentació i resposta olfactòria. Mitjançant VBA, es van trobar valors de FA significativament diferents entre casos i controls en varies estructures que també van presentar correlacions tant positives com negatives amb diferents dominis de la neurofunció.

5) CONCLUSIONS

La lligadura selectiva dels vasos úter-placentaris reprodueix molt millor els canvis cardiovasculars observats en la RCIU en comparació amb el model d’hiponutrició resultant en un model gradual de la restricció del creixement que produeix diferents patrons de canvis histològics en el cervell fetal. Finalment, la RCIU s'associa a un patró complex de reorganització cerebral que està present en el període neonatal produint alteracions en la funció que es correlacionen amb canvis en la estructura