Subakute Proteomveränderungen des sich entwickelnden Gehirns nach Schädelhirntrauma

Abstract

Das Schädelhirntrauma (SHT) ist ein Hauptgrund für Morbidität und Mortalität bei Kindern und Erwachsenen. Im Jahr 2005 wurden allein in Deutschland über 300.000 Patienten mit Kopfverletzungen aus dem Krankenhaus entlassen, wobei die Gruppe der unter 15-Jährigen mit 30% überproportional vertreten ist. Im Vergleich zum erwachsenen Gehirn ist das sich entwickelnde kindliche Gehirn besonders anfällig für Störungen, da die diffizilen Schritte der strukturellen Hirnentwicklung beim Menschen bis hin zur Adoleszens ablaufen und fehleranfällig sind. Nach bisherigen Ergebnissen führen SHT zu einer sofortigen primären Schädigung und zu einer sekundären, verzögerten Schädigung. Für die Therapie des SHT stehen pharmakologische, neurochirurgische sowie physio- und psychotherapeutische Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung. Um Einblick in die molekularen Mechanismen zu erhalten, welche durch ein frühkindliches SHT beeinflusst werden, untersuchten wir mittels eines Tiermodelles die subakuten Proteinveränderungen 12 Stunden nach SHT. Ein mechanisches Hirntrauma wurde mittels einer stereotaktischen Trauma-Apparatur bei sieben Tage alten (P7) Mäusen gesetzt, die Tiere 12 Stunden nach Trauma dekapitiert und die Proteine aus den entnommenen Gehirnhälften anhand standardisierter Protokolle extrahiert. Mithilfe der zweidimensionalen Großgelelektrophorese (2-DE) konnte eine Auflösung von bis zu 6000 Proteinspots erreicht werden. Anschließend wurden die 2-DE Gele visuell sowie computergestützt ausgewertet und reproduzierbare mengenmäßige Veränderungen mittels LC/ESI-MS und MS/MS analysiert. Dieses Verfahren wird als „Peptide Mass Fingerprinting“ (Peptidmassenfingerabdruck) bezeichnet. Die ermittelten Massenspektra konnten mithilfe entsprechender Datenbanken 18 kartierten Proteinen zugeordnet und deren Funktion ermittelt werden. Zusätzlich wurde in der Internet-basierten Applikation Ingenuity Pathway Analysis ein Netzwerk generiert, das darstellt, welche weiteren Proteine mit den identifizierten Proteinen verbunden sind. Es wurden sieben Tage alte (P7) Mausgehirne untersucht, die Analysen beschränkten sich auf die ipsilateral zum Kontussionsherd befindliche Hirnhälfte. Der Vergleich der Gehirnproteome der Trauma- und Kontrolltiere zeigte als Antwort auf ein SHT reproduzierbare Veränderungen der Intensität von 18 Proteinen. Die quantitativen Veränderungen des redoxregulierenden Proteins Peroxiredoxin 6 (Prdx6), des Dj-1 Proteins (Dj1), des stressinduzierten Phosphoproteins 1 (Sti1), des Hitzeschockproteins 84 (Hsp84) und der Metallopeptidase zytosolische nichtspezifische Dipeptidase 2 (Cndp2) deuten darauf hin, dass SHT zu Apoptose, Inflammation und oxidativem Stress führt. Des Weiteren dysreguliert ein SHT Proteine der neuronalen Migration als auch der axonalen und dendritischen Aussprossung, wie Ras-verwandtes nukleäres Protein (Ran), Collapsin Response Mediator Protein 2 (Crmp2) und seine Isoformen sowie Armadillo Repeat Containing 6 Protein (Armc6). Die Konzentrationen der Proteine, die an der Aufrechterhaltung von Zellfunktion und Zellwachstum beteiligt sind, i.e. Proteasom-Untereinheit Alpha Typ 1 (Psmc2), Proteasom 26S-ATPase Untereinheit (Psmc6), Chaperonin Untereinheit 6a (Cct6A), DEAD/H (Asp-Glu-Ala-Asp/His) Box Polypeptide 3 (Ddx3) und Glycerol-3-Phosphatdehydrogenase (Gpd) waren 12 Stunden nach SHT erhöht. Die Konzentration von Apolipoprotein A-IV Precursor (ApoA4) Protein, welches ein Hauptbestandteil der High Density Lipoproteine (HDL) und der Chylomikronen ist, nahm zu. Die Menge der Diphosphomevalonat Decarboxylase (Mvd), welche eine Rolle bei der Cholesterinbiosynthese spielt, nahm ebenfalls zu. Neben der direkten Funktion der 12 Stunden nach SHT veränderten 18 Gehirnproteine zeigt sich bei der Analyse des Proteinnetzwerkes eine deutliche Interaktion mit anderen Proteinen, die bereits für frühe Veränderungen infolge eines SHT bekannt sind. Die Ergebnisse stellen dar, wie ein SHT das sich entwickelnde Säugergehirn auf Proteinebene verändert, was weiterführende Studien zu den molekularen Pathomechanismen kindlicher SHT und deren Behandlung anregt.

Traumatic brain injury (TBI) is a major cause of morbidity and mortality among children and adolescents. To gain insight into developmental events influenced by TBI, we analyzed subacute mouse brain proteome changes in a percussion head trauma model at P7 ipsi- and contralateral to the site of injury. The comparison of brain proteomes of trauma mice and controls revealed reproducible changes in the intensity of 18 proteins in response to trauma. Protein changes detected suggest that TBI leads to apoptosis, inflammation and oxidative stress. Furthermore, we detected changes in proteins involved in neuronal migration as well as axonal and dendritic growth and guidance, suggesting interference of trauma with these developmental events.