Dissertation
Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Kerstin Bethmann

 

 

Charakterisierung eines Rattenmodells für pharmakoresistente Epilepsie

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-94363

title (engl.)

Characterization of a rat model for pharmacoresistant epilepsy

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2007

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/bethmannk_ws07.pdf

abstract (deutsch)

Ein enormes Gesundheitsproblem bei der Therapie vieler Krankheiten, darunter auch Epilepsie, stellt die Resistenz gegenüber einer Vielzahl von Medikamenten dar. Besonders gravierend gestaltet sich die Situation bei der häufigsten Epilepsieform, der Temporallappenepilepsie, da sich hier bis zu 80 % der Patienten refraktär gegenüber Antiepileptika zeigen. Es ist daher vorteilhaft, dass für die vorliegende Studie ein elektrisches Post-Status epilepticus-Modell an Ratten zur Verfügung stand, welches die Entwicklung von spontan wiederkehrenden Anfällen nach einem initialen Insult ermöglicht und damit die Situation beim Menschen widerspiegelt, wo eine Temporallappenepilepsie beispielsweise nach einem Schädel-Hirn-Trauma auftreten kann.

Nur zirka 10 % der Patienten, die auf eine Therapie mit einem ersten Antiepileptikum nicht ansprechen, antworten auf die Gabe eines zweiten antikonvulsiven Medikaments, auch wenn beide Substanzen sich in ihrer Wirkweise komplett unterscheiden. Ein Patient wird dann als pharmakoresistent eingestuft, wenn die Anfälle nach Gabe von zwei oder mehr Antiepileptika nicht um mindestens 50 % gesenkt werden können. Die vorliegende Studie ist meines Wissens nach die erste, welche im Tiermodell dieser klinischen Definition von Pharmakoresistenz gerecht wird, da durch die subsequente Gabe der Antiepileptika Phenobarbital und Phenytoin pharmakosensitive von pharmakoresisteten Tieren selektiert werden konnten. Das Modell wird daher als adäquat für Pharmakoresistenzstudien angesehen und für die weitere Untersuchung der kausalen Mechanismen der Resistenz und möglicher Behandlungsstragien empfohlen.

Die zugrunde liegenden Ursachen der Pharmakoresistenz sind multifaktoriell. Eine favorisierte Hypothese ist die Überexpression von Multidrug-Transportern, wie dem P-glykoprotein (P-gp), in der Blut-Hirnschranke, welche nachgewiesenermaßen den Zutritt vieler gängiger Antiepileptika ins Gehirn, und somit zum epileptischen Fokus, limitieren. Dieser Theorie zufolge sollte durch die Hemmung der Transporter die Konzentration von Antiepileptika im epileptischen Gewebe erhöht werden können. Diese Hypothese konnte durch die Gabe des selektiven P-gp-Inhibitors Tariquidar in verschiedenen Dosierungen kurz vor der Applikation des Antiepileptikums Phenobarbital bestätigt werden, da die Phenobarbital-Resistenz der Ratten dadurch behoben werden konnte. Die vorliegende Arbeit liefert somit einen wichtigen Beleg dafür, dass wie auch von Krebspatienten bekannt, die Hochregulierung von Multidrug-Transportern in der Blut-Hirnschranke eine Hauptrolle beim Resistenzgeschehen spielt, und dass durch die Hemmung dieser Mechanismen die Konzentration der Medikamente im Gehirn steigt, und diese somit effizienter wirken können.

Eine weiterer häufiger Befund beim Epilepsiegeschehen ist die veränderte Zusammensetzung von GABAA-Rezeptoruntereinheiten hin zu Benzodiazepin-insensitiven Rezeptoren. Die Ergebnisse aus vorhergehenden Studien sind dabei nicht immer konform. Meines Wissens nach, ist dies die erste Arbeit, welche Modifikationen der GABAA-Rezeptoruntereinheiten bei pharmakoresistenten und pharmakosensitiven Tieren mit immunhistochemischen Methoden verglichen hat. Dabei zeigte sich bei den refraktären Tieren im Gyrus dentatus eine deutliche Herunterregulierung der Untereinheiten α1, α2, α5 und γ2, wohingegen bei den Respondern keine solche Veränderung zu detektieren war. Da der Gyrus dentatus eine wichtige Rolle bei der Weiterleitung von exzitatorischem Input aus anderen limbischen Regionen in den Hippocampus, innehat, könnte gerade die veränderte Zusammensetzung der Untereinheiten beziehungsweise deren Runterregulierung in dieser Region zur Pharmakoresistenz beitragen. Der Gyrus dentatus ist für Aussagen über Modifikationen von GABAA-Rezeptoruntereinheiten besonders geeignet, da er nicht, wie CA1, CA3 und Hilus von starker Neurodegeneration bei Temporallappenepilepsie betroffen ist. Letzteres kann die Bewertung von veränderten Kompositionen der Untereinheiten erschweren, da die Untereinheiten schlichtweg durch einen Neuronenverlust reduziert sein können und somit die Resultate mit Vorsicht interpretiert werden müssen.

Da es sich bei der Pharmakoresistenz aller Wahrscheinlichkeit nach um einen multifaktoriellen Prozess handelt, schließen sich die Hypothesen zur Überexpression
der Multidrug-Transporter in der Blut-Hirnschranke und die Veränderung der GABAA-Rezeptor-Untereinheiten nicht gegenseitig aus und können zusammen am Resistenzgeschehen mitwirken bzw. die Behandlungsprognose verschlechtern. Bei der Vermittlung der Resistenz von Barbituraten wie dem hier verwendeten Phenobarbital scheint die Überexpression von P-gp eine wichtigere Rolle zu spielen als Veränderungen der GABAA-Rezeptoruntereinheiten, da die Resistenz durch die Inhibition von P-gp komplett behoben werden konnte. Bei Benzodiazpinen könnte das umgekehrte Szenario der Fall sein, was durch weitere Untersuchungen geklärt werden müsste.

 

abstract (englisch)

Pharmacoresistance against a variety of drugs constitutes a major health problem for the therapy of a plethora of diseases, e. g. epilepsy. The situation is worst in the most frequent type of epilepsy, the temporal lobe epilepsy because up to 80 % of the patients are refractory to treatment with antiepileptic drugs. Therefore it was advantageous, that for the recent study we had an electric model for post-status epilepticus in rats which allowed the development of spontaneous recurrent seizures after an initial insult and therefore resembles the situation in humans where epilepsy could appear e.g. after an head trauma.

Only about 10 % of the patients which do not respond to a therapy with the first antiepileptic drug, can be successfully treated with a second anticonvulsive drug, even if both substances differ markedly in their mechanism of action. A patient is defined to be pharmacoresistent when the seizures can not be reduced for at least 50 % after application of two or more antiepileptic drugs. To my knowledge this is the first study which fulfils this clinical definition of pharmacoresistance, because it was possible, due to the subsequent application of the antiepileptic drugs phenobarbital and phenytoin, to select pharmacoresistent and pharmacosensitive animals. This model is therefore proposed to be adequate for studies of refractoriness and for the further investigation of the causal mechanisms of pharmacoresistance as well as for new treatment opportunities.

The basal reasons for pharmacoresistance are most likely multifactorial. One favoured hypothesis is the overexpression of multidrug transporters like P-glycoprotein (P-gp) in the blood brain barrier which limits, as is well known, the entrance of many main antiepileptic drugs into the brain and therefore to the epileptic focus.

In accordance with this theory, the inhibition of this transporter should increase the concentration of antiepileptic drugs in the epileptic tissue. This assumption was confirmed by the application of the selective P-gp inhibitor tariquidar in different dosages shortly before the injection of phenobarbital because it was possible to abolish the refractoriness against phenobarbital of the rats.

Like it is known from cancer patients, the recent study provides a proof of principle that the upregulation of multidrug transporters in the blood brain barrier plays a major role in the event of epilepsy and that through the inhibition of this mechanism, the concentration of drugs in the brain increases, so that they can act more efficiently.

Another frequent finding in epilepsy is the changed composition of GABAA-receptor subunits towards receptors which are insensitive against benzodiazepines. The results from former studies are not always concurring.

To my knowledge this is the first study which compares modifications of GABAA-receptor subunits between pharmacoresistant and pharmacosensitive animals with immunhistochemical methods. It could be shown that the refractory animals express a significant downregulation of the subunits α1, α2, α5 and γ2 in the dentate gyrus, whereas such a loss could not be detected in responders. As the dentate gyrus plays a major role in the passing of excitatory inputs from other limbic regions into the hippocampus, the modified composition of subunits respectively their downregulation in this area could contribute to pharmacoresistance. The dentate gyrus is especially suited for studies on changes in GABAA-receptor subunits because this region is not concerned from neurodegeneration in temporal lobe epilepsy like the CA1, CA3 or the hilus. Neurodegeneration can complicate the estimation of changed compositions of subunits because subunits could be plainly and simply reduced due to a loss of neurons, so that the results have to be interpreted with caution.

Due to the fact that pharmacoresistance is probably a multifactorial process, the hypotheses of the overexpression of multidrug transporters in the blood brain barrier and the changed composition of GABAA-receptor subunits did not exclude each other but may act in concert to mediate resistance respectively to worsen the prognosis of treatment.

The overexpression of P-gp seems to play a major role in the mediation of resistance against barbiturates compared to changes in the subunits of the GABAA-receptor, because the resistance could be overcome completely by inhibition of P-gp. The contrary scenario could be the case for benzodiazepines, which should be verified in further studies.

 

keywords

Pharmakoresistenz, Pgp, GABAA; pharmacoresistance, Pgp, GABAA

kb

1.516