Deciphering the role of vitamin D in early lung development

Abstract

The high prevalence of vitamin D deficiency is currently considered a public health concern, affecting people of all ages worldwide, particularly childbearing women and children. There is now a large body of evidence linking maternal vitamin D deficiency and several maternal and fetal adverse health outcomes. Regarding the developing lung, it has been demonstrated that Vitamin D is crucial for lung maturation processes, and it influences the respiratory health of the offspring. Most observations point to a critical role of vitamin D during the later stages of lung development; however, little is known about its role in early branching stages, and nothing is known about its role in avian lung development. In this sense, this project aims to unravel the role of Vitamin D during early lung development, using the chicken embryo as a model. The present work unveils, for the first time, the expression pattern of Vitamin D signaling members (rxr-α, rxr-y, vdr, cyp24a1, and pdia3) by in situ hybridization in embryonic chick lung. The similarity between the expression patterns and low expression levels of these genes with the mammalian lung point to a similar and, eventually, minor role during these early stages of development. Furthermore, in an attempt to unveil the role of Vitamin D in chick lung branching, in vitro lung explants were performed. Supplementation studies revealed that Vitamin D supplementation significantly reduced lung size and branching, independently of the dose. Additionally, cyp24a1 increased expression in Vitamin D-treated explants, the main regulatory component of the pathway, confirmed Vitamin D signaling activation. Moreover, given the well-documented antiproliferative effect of vitamin D, we hypothesized that the significant reduction in lung size and branching could be explained by this event. EdU proliferation assay confirmed the presence of high proliferation levels in sites of active branching, distal and proximal lung, but further analysis demonstrated a significant reduction in proliferation levels in all Vitamin D-treated explants. This study unveils, for the first time, the potential role of vitamin D signaling in the early stages of chick pulmonary branching and contributes to better understand the intricate molecular events that ultimately regulate this complex process. Our results highlight the importance of regulating vitamin D levels during normal lung development and reinforce the need to establish appropriate doses and intervention windows to ensure an appropriate physiological response during embryonic development.

A elevada prevalência de deficiência de Vitamina D é considerada um problema de saúde pública, que afeta indivíduos de todas as idades em todo o mundo, principalmente mulheres grávidas e crianças. Existem evidências que apontam para uma associação entre a deficiência materna de Vitamina D e várias consequências adversas na saúde materno-fetal. No que diz respeito ao desenvolvimento pulmonar, sabe-se que a Vitamina D é crucial para os processos de maturação pulmonar, que ocorrem nos estadios finais do desenvolvimento, e que influencia a saúde respiratória da descendência. No entanto, pouco se sabe sobre seu papel nos estadios iniciais de ramificação, e nada se sabe sobre o seu papel no desenvolvimento pulmonar de galinha. Nesse sentido, este projeto tem como objetivo desvendar o papel da Vitamina D no desenvolvimento inicial do pulmão, utilizando o embrião de galinha como modelo. O presente trabalho caracteriza, pela primeira vez, o padrão de expressão de membros da via de sinalização da Vitamina D (rxr-α, rxr-y, vdr, cyp24a1 e pdia3) por hibridização in situ no pulmão embrionário de galinha. A semelhança entre os padrões e os níveis de expressão destes genes com o mamífero sugere um papel idêntico, e porventura menos relevante, nestes estadios. Além disso, com o objetivo de elucidar o papel da vitamina D na ramificação, utilizaram-se explantes pulmonares in vitro suplementados com Vitamina D. Os estudos revelaram que a Vitamina D induziu uma redução significativa no tamanho e ramificação pulmonar, independentemente da dose. O aumento da expressão de cyp24a1, o principal componente regulador da via, em explantes tratados com Vitamina D confirmou a ativação desta via. Por outro lado, avaliámos se a redução do tamanho e da ramificação do pulmão poderia ser explicada pelo efeito anti proliferativo, já conhecido, da vitamina D. O ensaio de proliferação confirmou a presença proliferação ativa em locais de ramificação, no pulmão distal e proximal; no entanto, a análise quantitativa demonstrou uma redução significativa dos níveis de proliferação nos explantes tratados com Vitamina D. Este estudo revela, pela primeira vez, o potencial papel da sinalização da Vitamina D nos estadios iniciais da ramificação pulmonar e contribui para a melhor compreensão dos eventos moleculares envolvidos na regulação desse processo. Os nossos resultados destacam a importância da regulação dos níveis de Vitamina D durante o desenvolvimento pulmonar normal e reforçam a necessidade de estabelecer doses e intervenções adequadas para garantir uma resposta fisiológica apropriada durante o desenvolvimento.