Oxidativer Stress, gestörter Energiestoffwechsel und destabilisierende Neurotransmitter veränderten das zerebrale Stoffwechselprofil in einem Rattenmodell mit simuliertem Heliox-Sättigungsabfall auf 4,0 MPa Ⅲ

Diskussion

Diese Arbeit zielt darauf ab, die Rolle von zu untersuchenoxidativen Stress, Energiestoffwechsel, UndNeurotransmitterprofileim molekularen Mechanismus von hirnregionsabhängigen Metabolomics-Profiländerungen, die durch induziert werdenHeliox-Sättigungs-Überdruckexposition. Mehrere Metaboliten sind daran beteiligtEnergiestoffwechsel,oxidativen Stress, UndAminosäurestoffwechselsowie Metaboliten, die dazu beitragenMembranintegritätUndNeurotransmitterwurden erheblich verändert durchHSD-Belichtung. Die aus dem NMR-basierten Metabolomics-Ansatz erzielten Ergebnisse sowie die biochemische Bewertung legen den Schluss nahe, dass eine hyperbare Dekompression in einem Heliox vorliegtSättigungsumgebung induziertVeränderungen in mehreren Metaboliten und so weiteroxidativen Stress, Energiestoffwechsel und Neurotransmitterveränderung ist ein Hauptmechanismus für Veränderungen in den hirnregionspezifischen Metabolomics-Profilen bei HSD-Modellratten. Die Daten zeigten, dass mehrere Stoffwechselwege, darunter Glutathionstoffwechsel, mitochondrialer Energiestoffwechsel, Glykolyse, BCAA-Stoffwechsel, Alanin-, Aspartat- und Glutamatstoffwechsel sowie Neurotransmitterstoffwechsel mit hirnregionspezifischen Stoffwechselstörungen, an den Auswirkungen von 400 msw-HSD beteiligt waren.

Tabelle 2. Zusammenfassung einer Reihe von diskriminierenden Metaboliten, bei denen festgestellt wurde, dass sie zwischen Ratten, die Heliox-Sättigungs-Hyperbare-Exponierung ausgesetzt waren, und Kontrollratten in den drei Gehirnregionen der Großhirnrinde, des Hippocampus und des Striatums signifikant verändert waren.

Abb. 6. Quantitative Signalweganreicherungsanalyse. Diagramme der Signalweg-Topologie, dargestellt durch Signalweg-Auswirkungswerte (die in den rechten Tabellen sowie FDR- und p-Werten aufgeführt sind) und –log10(p) von statistisch signifikanten Metaboliten aus dem Kortex (A), dem Hippocampus (B) und dem Striatum (C). ) in den HSD-Gruppen relativ zu den Kontrollen.

Analyse des oxidativen Stresses

During large depth (>100 msw) Sättigungstauchen ist das Zentralnervensystem aufgrund der übermäßigen Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die durch die unter Heliox-Sättigung stehende Druckumgebung ausgelöst wird, kontinuierlich oxidativem Stress ausgesetzt [23, 24]. Ein Ungleichgewicht zwischen Oxidations- und Antioxidantienspiegeln ist ein häufiges metabolisches Regulierungselement bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen, darunter Alzheimer-Krankheit [25], Autismus-Spektrum-Störung [26], ischämisches Gehirn [21], traumatische Hirnverletzung [27] usw. [18]. , 28, 29]. Die Spiegeländerungen von SOD, MDA und Gpx als anerkannte Indikatoren für oxidativen Stress spiegeln die Schädigung durch sauerstofffreie Radikale in vivo wider. In der vorliegenden Studie war der Gehalt an oxidativen Schadensindikatoren (MDA) erhöht und die Aktivitäten der Antioxidationsindikatoren (SOD und Gpx) waren bei den Modellratten verringert, was darauf hindeutet, dass oxidativer Stress tatsächlich in der Großhirnrinde des HSD-Rattenmodells auftrat. Mehrere andere Metaboliten stehen ebenfalls im Zusammenhang mit der Regulierung von oxidativem Stress. Taurin spielt eine umfassendere Rolle mit antioxidativen, entzündungshemmenden, antiapoptotischen, osmolytischen und neuromodulatorischen Wirkungen, um die histopathologischen Veränderungen im Gehirn und in der neuronalen Aktivität zu verbessern [30–36]. Der signifikante Rückgang des Tauringehalts im zerebralen Hippocampus und Striatum bei HSD-Ratten sowie eines anderen mit oxidativem Stress verbundenen Metaboliten, GSH, war im Kortex und Hippocampus verringert, was darauf hindeutet, dass oxidative Schäden in den verschiedenen Kompartimenten des Gehirns von HSD-Ratten induziert wurden . GSH ist weithin als antioxidativer Quencher anerkannt und erzeugt durch die Reaktion von ROS stabile Moleküle wie GSSH- und AKA-oxidiertes Glutathiondisulfid. Der niedrige GSH-Spiegel nach HSD würde die Mitochondrienfunktion und das Redoxgleichgewicht beeinträchtigen und damit die beobachtete starke negative Korrelation zwischen GSH und Suc in den HSDH-Proben erklären (Abb. 5B, oberes Feld). Asc (auch bekannt als Vitamin C) gilt aufgrund seiner antioxidativen Fähigkeiten als wichtiges Antioxidans/Mikronährstoff und erfüllt somit wesentliche Funktionen für die neuronale Aufrechterhaltung des Gehirns. Hier berichten wir, dass Asc in HSDH-Proben in geringeren Konzentrationen vorliegt als in Kontrollen. Diese Ergebnisse stimmen miteinander überein, was auf einen direkten Zusammenhang zwischen oxidativem Stress und hyperbarer Dekompression in einer mit Heliox gesättigten Umgebung schließen lässt. Niedrigere Konzentrationen antioxidativer Quencher im Gehirn können direkt mit einer verminderten antioxidativen Kapazität verbunden sein, wodurch die Bildung von Superoxiden, einschließlich SOD und Gpx, herunterreguliert wirdHochregulierung des MDA-Spiegels.

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Analyse des Energiestoffwechselwegs

Die statistisch signifikante positive Korrelation zwischen Ala und Lac in den HSDC- und CONC-Gruppen deutete darauf hin, dass Ala als Aminosäure einen deutlich höheren Zusammenhang mit der anaeroben Glykolyse aufweist [37]. LDH katalysierte die Umwandlung von Pyruvat in Lac, und die verringerten Aktivitäten von LDH im Kortex regulierten die Expression von Lac herunter, was auf eine Abnahme der anaeroben Wege hindeutet. Die Lac-Konzentration begünstigte jedoch den Energiestoffwechsel durch die Aktivität von Aspartataminotransferase (AST), Alaninaminotransferase (ALT) und LDH, die auch in die Glutamat-, Glutamin- und GABA-Zyklen in Neuronen eingebaut werden können. In dieser Studie könnten im Vergleich zu CON-Ratten eine signifikant höhere FMA-Konzentration in der HSDX-Gruppe und eine verringerte Suc-Konzentration auf einen Rückgang des Energiestoffwechsels hinweisen, was durch ein erhöhtes AMP und ein verringertes ATP, das hauptsächlich durch Glykolyse produziert wird, weiter bestätigt wurde TCA-Zyklus. Na-K-ATPase, ein Schlüsselenzym für die Aufrechterhaltung eines ordnungsgemäßen elektrochemischen Gradienten von Natriumionen durch die Zellmembran, benötigt etwa 50 Prozent der dem Gehirn zur Verfügung stehenden Energie [38, 39]. Die Fehlfunktion der Na-K-ATPase spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen [40, 41]. Die verringerte Aktivität der Na-K-ATPase in der Großhirnrinde der HSD-Gruppe lieferte einen zusätzlichen Beweis für den durch den HSD-Effekt induzierten verringerten Energiestoffwechsel. Zu den Störungen des Energiestoffwechsels, die durch eine hyperbare HSD-Verletzung hervorgerufen werden, gehören möglicherweise der gleichzeitig unterdrückte aerobe Stoffwechsel und der anaerobe Stoffwechsel, bei dem es sich um ein seltenes Phänomen der Stoffwechselveränderung handelt.

Die BCAA-Werte (Ile, Val und Leu) in den HSDS-Proben waren im Vergleich zu denen in den CONS-Proben hochreguliert. BCAAs können in Acetyl-CoA und Succinyl-CoA [42] als Substrate für die Gluconeogenese und ATP-Erzeugung umgewandelt werden. Somit wurde möglicherweise die Hochregulierung von BCAAs induziert, um den Energieausgleichsbedarf nach einer HSD-Verletzung zu decken. Gleichzeitig wurde im Einklang mit dem Energieausgleichsbedarf auch der Stoffwechselweg der Fettsäureoxidation moduliert, und in den HSDC-Proben wurde ein geringerer Gehalt an Car (einem Markermetaboliten für die Fettsäureoxidation) festgestellt. Der Glycin-, Serin- und Threonin-Stoffwechselweg (Abb. 6B) liefert auch wichtige Vorläufer des Energiestoffwechsels für den Eintritt in den Citratzyklus [43]. Auf diesem Weg sind Cho, Gly und Thr die drei Treffer. Es wurde gezeigt, dass Cho und Gly mit der HSD-Exposition abnehmen. Ebenso wurden cholinerge Signalwege mit sozialen und Verhaltensstörungen in Verbindung gebracht, da sie auch ein wesentlicher Bestandteil von Zellmembranen sind und für die Synthese des Neurotransmitters Acetylcholin notwendig sind. Gly ist die einfachste Aminosäure mit mehreren Funktionen, darunterFettstoffwechsel, neurologische Funktion, Muskelentwicklung und Einbau in das Antioxidans Glutathion [44].

Neurotransmitter-Stoffwechsel

Der Stoffwechsel von Neurotransmittern ist für die Aufrechterhaltung einer normalen Gehirnfunktion von entscheidender Bedeutung. Bei HSD-Modellratten wurde jedoch ein breites Spektrum an Neurotransmitter-Ungleichgewichten charakterisiert. Erhöhte Werte der erregenden Botenstoffe Dopamin und Noradrenalin gingen in der HSD-Gruppe im Vergleich zu den Kontrollen mit einem Rückgang der inhibitorischen Neurotransmitter, einschließlich 5HT, Gly und GABA, einher. GABA ist als wichtigster inhibitorischer Neurotransmitter dafür verantwortlich, die erregende glutamaterge Aktivität zu stoppen. Daher wirkt sich eine Störung eines dieser Metaboliten natürlich auf den anderen aus, und zwar in Form von Änderungen der Konzentrationen von Asp, Gly und Gln. Der erregende Neurotransmitter ACh ist an mehreren Funktionen des Zentralnervensystems beteiligt [45], hauptsächlich durch die Modulation von Acetylcholinrezeptoren und deren nachgeschalteten Signalwegen. In dieser Studie wurde die AChE-Aktivität im ACh-Hydrolyseprozess gemessen. Die verminderte AChE-Aktivität weist auf eine Störung des cholinergen Signalwegs hin. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der striatale Spiegel der essentiellen Aminosäure Lys bei HSD-Ratten signifikant erhöht war. Es wurde berichtet, dass Lys Serotoninrezeptoren blockiert und seine Akkumulation die normale Funktion von 5HT beeinträchtigt [46]. Asp, ein weiterer erregender Neurotransmitter, wird direkt durch Transaminierung aus einem TCA-Zyklus-Zwischenprodukt, Oxalacetat, abgeleitet. Wir fanden heraus, dass die Asp-Konzentration im Striatum von HSD-Ratten signifikant verringert war, was zusammen mit drei weiteren Treffern von Ala, FMA und GABA einen zusätzlichen Beweis für den Ungleichgewichtseffekt auf die Erregbarkeitsneurotoxizität lieferte. Diese vier Metaboliten bestehen aus den Stoffwechselwegen Alanin, Aspartat und Glutamat (Abb. 6A, 7). Diese Ergebnisse deuten auf eine Störung bei der Wiederverwertung/Produktion von Neurotransmittern und auf das durch den HSD-Effekt induzierte Ungleichgewicht zwischen den erregenden/hemmenden Neurotransmittern hin. Insgesamt wurden bei der regionsspezifischen Hirnschädigung von HSD-Ratten systematische Stoffwechselstörungen, einschließlich Störungen des Energiestoffwechsels, oxidativer Stress und Störungen des Neurotransmitterstoffwechsels, induziert. Eine Herunterregulierung von NAA, einem allgemeinen Indikator für die neuronale Gesundheit, ließ auf neurofunktionale Anomalien schließen. Diese Daten deuteten darauf hin, dass durch die hyperbare Dekompressionsexposition mit 4,0 MPa eine neuronale Schädigung induziert wurde. In Übereinstimmung mit dieser Schlussfolgerung wurden die Spiegel von Pcho und Cho, die Vorläufer von Phosphatidylcholin (PC) sind, die an der Zellmembranlyse, Apoptose und Entzündungsreaktionen beteiligt sind, herunterreguliert. Der Konzentrationsabfall bei membranrelevanten Metaboliten deutete auf eine Störung der Zellmembranintegrität im Zusammenhang mit einer neuronalen Schädigung hin. Neuronale Schäden könnten der Hauptgrund für die durch HSD-Effekte verursachte Stoffwechselveränderung sein.

Schlussfolgerungen

In der vorliegenden Studie wurden NMR-basierte Metabolomik- und Biochemie-Bewertungen angewendet, um die Stoffwechselveränderungen in der hirnregionspezifischen Stoffwechselveränderung von HSD-Modellratten nach einer hyperbaren Dekompression der Heliox-Sättigungsexposition bei 400 msw zu profilieren. Wir fanden dann heraus, dass die HSD deutlich metabolische Aberrationen hervorrief, darunter oxidativen Stress, Störungen des Energiestoffwechsels, Störungen des Neurotransmitterstoffwechsels und Störungen der Zellmembran. Die tiefgreifenderen molekularen Mechanismen der HSD-Exposition sollten jedoch in zukünftigen Forschungen untersucht werden.

Abb. 7. Schematischer Überblick über abgeleitete Veränderungen in den potenziellen zerebralen Stoffwechselwegen nach hyperbarer Heliox-Sättigung.

Einschränkungen

Mögliche Fehlerquellen dieser Forschung könnten das Design und die Analysen sein. Obwohl Funktionsstörungen des Kortex, des Hippocampus und des Striatums in Tiermodellen stark mit mehreren Symptomen der ZNS-Freizeit korrelieren, wurden diese drei Gehirnregionen hier untersucht. Die Reihe psychomotorischer und kognitiver Manifestationen der ZNS-Freizeit unter pathologischen Faktoren (übermäßiger Luftdruck, Gasblasen im Körper und Dekompressionskrankheit) wurde ebenfalls durch eine Funktionsstörung des Kleinhirns beeinflusst, eine Störung des Stoffwechselprofils des Kleinhirns wurde in dieser Untersuchung jedoch nicht berücksichtigt. Darüber hinaus konnten in dieser Studie nur begrenzte Hirnmetaboliten mittels NMR nachgewiesen werden; Daher sollte in zukünftigen Studien ein auf LC-MS (Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie) basierender metabolomischer Ansatz verwendet werden, um mehr endogene Metaboliten im Gehirn zu erkennen und den Mechanismus des hyperbaren Dekompressionseffekts in einer helioxgesättigten Umgebung vollständig zu verstehen.

Unterstützende Informationen S1 Abb. Stoffwechselveränderungen, die durch Hochdruckeinwirkung in einer Heliox-Sättigungsumgebung mit 400 msw und in verschiedenen Gehirnregionen hervorgerufen werden. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) bewertet ein Diagramm von PC1/PC2, das aus 1H-NMR-Daten erhalten und entsprechend den Gruppen von CONC und HSDC (A, R2X=0.40, Q2=-0.02), CONH und eingefärbt wurde HSDH (B, R2X=0.50, Q2=0.16) und CONS und HSDS (C, R2X=0.43, Q2=0.05); Die Skalierung erfolgte auf Einheitsvarianz. Die partielle Diskriminanzanalyse nach der Methode der kleinsten Quadrate (PLS-DA) zeigt die Ergebnisse der 1H-NMR-Spektren von Extrakten aus dem Kortex (A', R2X=0.38, Q2=0.54), dem Hippocampus (B', R2X=0.37, Q2=0.35) und Striatum (C', R2X=0.39, Q2=0.42) aus CON- und HSD-Gruppen; Die Skalierung erfolgte auf Einheitsvarianz. (DOCX)

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