Estudio de la disfunción mitocondrial placentaria en el embarazo complicado con preeclampsia mediante un modelo celular trofoblástico

Abstract

La preeclampsia (PE) es un síndrome hipertensivo del embarazo caracterizado por disfunción endotelial sistémica, con una incidencia regional aproximada del 2–3 % y una elevada morbilidad materno-fetal. Su fisiopatología se asocia a una placentación defectuosa que da lugar a hipoxia, estrés oxidativo y alteraciones metabólicas, procesos en los que la mitocondria del trofoblasto placentario desempeña un papel central. En este contexto, la presente tesis doctoral aborda la disfunción mitocondrial placentaria en la PE mediante una aproximación integradora que combina análisis moleculares, bioquímicos y funcionales. El objetivo principal de esta tesis doctoral fue caracterizar la disfunción mitocondrial placentaria en la PE, evaluando de forma específica las diferencias entre los dos principales tipos celulares del trofoblasto: el citotrofoblasto (CTB) y el sincitiotrofoblasto (STB). Para ello, como muestras se utilizaron explantes de placenta de embarazos a término mediante cesárea, tanto control como con PE, muestras de sangre de las embarazadas, fracciones mitocondriales enriquecidas de CTB y STB, así como un modelo celular primario de CTB. La caracterización mitocondrial incluyó la determinación de la masa mitocondrial funcional mediante la actividad citrato sintasa y el número de copias de ADN mitocondrial, el estudio de los procesos de autofagia y mitofagia, la cuantificación del contenido total y mitocondrial de coenzima Q10 (CoQ10), la apoptosis, el potencial redox citosólico y la evaluación de la función respiratoria y de degradación de los ácidos grasos en la mitocondria. Se observó en PE una alteración específica de la homeostasis mitocondrial en CTB, caracterizada por una disminución de la masa mitocondrial funcional, que no se detectó en STB. Esta pérdida se acompañó de un aumento en estructuras relacionadas con la autofagia, indicando una activación de este mecanismo defensivo celular y sugiriendo la eliminación dirigida de mitocondrias disfuncionales como respuesta adaptativa al daño mitocondrial y al aumento del estrés oxidativo mediante mitofagia. Paralelamente, se detectó un aumento de la expresión del gen COQ2 implicado en la biosíntesis de CoQ10 y un enriquecimiento relativo de CoQ10 normalizado por CS específicamente en mitocondrias de CTB de PE. Este aumento de CoQ10 podría ser compatible con un segundo mecanismo compensatorio celular destinado a preservar la función mitocondrial y la capacidad antioxidante en las células del CTB afectadas. El análisis funcional en cultivos primarios de CTB confirmó la existencia de una disfunción mitocondrial y metabólica en la PE. Las células derivadas de placentas con PE mostraron una reducción significativa del potencial de membrana mitocondrial, una menor producción de lactato extracelular y un aumento de la apoptosis. El estudio de la respiración celular mediante tecnología Seahorse reveló una disminución de la capacidad respiratoria máxima, indicando un compromiso de la fosforilación oxidativa. Asimismo, se evidenció una reducción de la oxidación de ácidos grasos, reflejando una alteración global del metabolismo energético mitocondrial específicamente en el CTB y no en el STB asociado a la PE. Adicionalmente, se identificó una desregulación del sistema endocannabinoide en la placenta con PE, caracterizada por un aumento en la expresión de genes asociados a la señalización endocannabinoide en CTB. Esta alteración podría contribuir a la disfunción placentaria mediante la modulación de procesos inflamatorios, metabólicos y de supervivencia celular, integrándose en el contexto de estrés oxidativo y daño mitocondrial característico de la enfermedad. En conjunto, los resultados de esta tesis demuestran que la PE se asocia a una disfunción mitocondrial placentaria compleja y específicamente que incide sobre el CTB, caracterizada por pérdida de masa mitocondrial funcional, alteraciones metabólicas y activación de mecanismos compensatorios como el aumento del contenido mitocondrial de CoQ10 o la activación de la mitofagia. Estos hallazgos subrayan la capacidad adaptativa limitada de la placenta frente a la hipoxia y el estrés oxidativo y abren nuevas vías de investigación orientadas a la modulación de la función mitocondrial, el estado redox y sistemas reguladores emergentes, como el sistema endocannabinoide, con potencial impacto terapéutico en la salud materno-fetal.

Preeclampsia (PE) is a hypertensive disorder of pregnancy characterized by systemic endothelial dysfunction, with an estimated regional incidence of 2–3% and a high maternal–fetal morbidity. Its pathophysiology is associated with defective placentation, leading to hypoxia, oxidative stress, and metabolic alterations, processes in which the mitochondria of placental trophoblast cells play a vital role. In this context, the present doctoral thesis addresses placental mitochondrial dysfunction in PE through an integrative approach combining molecular, biochemical, and functional analyses. The main objective of this doctoral thesis was to characterize placental mitochondrial dysfunction in PE, with a specific focus on evaluating differences between the two major trophoblast cell types: cytotrophoblast (CTB) and syncytiotrophoblast (STB). To this end, samples included placental explants obtained from term pregnancies delivered by cesarean section, both control and PE, maternal blood samples, enriched mitochondrial fractions from CTB and STB, as well as a primary CTB cell culture model. Mitochondrial characterization included the assessment of functional mitochondrial mass through citrate synthase activity and mitochondrial DNA copy number, the analysis of autophagy and mitophagy processes, quantification of total and mitochondrial coenzyme Q10 (CoQ10) content, apoptosis, cytosolic redox potential, and the evaluation of mitochondrial respiratory function and fatty acid degradation. In PE, a CTB-specific alteration of mitochondrial homeostasis was observed, characterized by a reduction in functional mitochondrial mass, which was not detected in STB. This loss was accompanied by an increase in autophagyrelated structures, indicating activation of this cellular defensive mechanism and suggesting the selective removal of dysfunctional mitochondria via mitophagy as an adaptive response to mitochondrial damage and increased oxidative stress. In parallel, increased expression of the COQ2 gene, involved in CoQ10 biosynthesis, and a relative enrichment of CoQ10 normalized to citrate synthase activity were detected specifically in CTB mitochondria from PE placentas. This increase in CoQ10 may represent a second compensatory cellular mechanism aimed at preserving mitochondrial function and antioxidant capacity in affected CTB cells. Functional analyses in primary CTB cultures confirmed the presence of mitochondrial and metabolic dysfunction in PE. Cells derived from PE placentas exhibited a significant reduction in mitochondrial membrane potential, decreased extracellular lactate production, and increased apoptosis. Cellular respiration analysis using Seahorse technology revealed a reduction in maximal respiratory capacity, indicating impaired oxidative phosphorylation. Additionally, a decrease in fatty acid oxidation was observed, reflecting a global disruption of mitochondrial energy metabolism specifically in CTB, but not in STB, associated with PE. Furthermore, dysregulation of the endocannabinoid system was identified in PE placentas, characterized by increased expression of genes related to endocannabinoid signaling in CTB. This alteration may contribute to placental dysfunction through the modulation of inflammatory, metabolic, and cell survival processes, integrating into the broader context of oxidative stress and mitochondrial damage characteristic of the disease. Taken together, the results of this thesis demonstrate that PE is associated with a complex placental mitochondrial dysfunction that specifically affects CTB cells. This dysfunction is characterized by a loss of functional mitochondrial mass, metabolic alterations, and activation of compensatory mechanisms such as increased mitochondrial CoQ10 content and enhanced mitophagy. These findings underscore the limited adaptive capacity of the placenta in response to hypoxia and oxidative stress and open new avenues for research aimed at modulating mitochondrial function, redox status, and emerging regulatory systems such as the endocannabinoid system, with potential therapeutic implications for maternal– fetal health.