Dissertation

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

 

Mirjam Brackhan

Investigation of brain inflammation as a nuclear imaging biomarker of epileptogenesis and a treatment target for epilepsy prevention

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107873

title (ger.)

Untersuchung von Entzündungsprozessen während der Epileptogenese: Entwicklung nuklearmedizinischer Biomarker und Angriffspunkt für präventive Therapien

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/brackhanm_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Hirninsulte, wie zum Beispiel ein Schädel-Hirn-Trauma oder ein Status epilepticus (SE), können im Gehirn eine Kaskade von Veränderungen initiieren, die zur Entstehung spontaner wiederkehrender epileptischer Anfälle führen und somit als “Epileptogenese” bezeichnet werden. Da die an diesem Prozess beteiligten Mechanismen noch nicht vollständig aufgeklärt worden sind, sind bislang weder prädiktive Biomarker vorhanden, um Individuen mit einem erhöhten Risiko der Epilepsieentstehung nach einem Hirninsult zu identifizieren, noch stehen wirksame Epilepsie-präventive Therapien zur Verfügung. Ergebnisse experimenteller und klinischer Untersuchungen deuten zunehmend darauf hin, dass Entzündungs­reaktionen des Gehirns, welche durch epileptogene Insulte ausgelöst werden, wesentlich an der Epilepsieentstehung beteiligt sind. Nicht-invasive Bildgebungs­verfahren, wie zum Beispiel die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), könnten zuverlässige Techniken darstellen, um Inflammation des Gehirns in Tiermodellen der Epileptogenese zu untersuchen, und somit zur Entdeckung prädiktiver Biomarker mit Übertragbarkeit auf den Menschen führen. Des Weiteren könnten in-vivo-Bildgebungsverfahren eingesetzt werden, um den Behandlungserfolg von anti-inflammatorischen, potentiell anti-epileptogenen Pharmakotherapien zu überwachen.

In der ersten in dieser Arbeit aufgeführten Studie wurde die räumliche und zeitliche Ausprägung der Aktivierung von Mikroglia, welche kennzeichnend für eine Inflammation des Gehirns ist, während der Epileptogenese im Lithium-Pilocarpin-Rattenmodell charakterisiert. Dies erfolgte mittels longitudinaler PET-Bildgebung mit dem Translocator Protein (TSPO) als Zielstruktur sowie ergänzender in-vitro-Verfahren. Hierzu wurden in Ratten [11C]PK11195-PET-Aufnahmen vor SE-Induktion und zu verschiedenen Zeitpunkten während der Epileptogenese durchgeführt. Zusätzlich wurden Gehirnschnitte von Ratten, welche zu ausgewählten Zeitpunkten nach SE oder ohne vorhergehenden SE dekapitiert worden waren, mittels [18F]GE180-Autoradiographie und CD11b-Immunhistochemie untersucht. Erhöhungen der Gehirnaufnahme und des Bindungspotentials von [11C]PK11195 waren zwischen 2-5 Tagen und mindestens 3 Wochen nach SE in Gehirnregionen, die typischerweise mit der Generierung und Ausbreitung von Anfallsaktivität assoziiert sind, erkennbar und erreichten ihre maximale Ausprägung 1-2 Wochen nach SE. Die Ergebnisse der in-vivo-Bildgebung korrelierten stark mit denen der in-vitro-Autoradiographie und Mikroglia-Immunhistochemie, was darauf hinweist, dass die TSPO-PET-Bildgebung ein zuverlässiges Werkzeug für die Identifikation Epileptogenese-assoziierter Neuroinflammation darstellt.

Somit wurde in einer zweiten Studie die longitudinale TSPO-PET-Bildgebung angewandt, um die räumliche Ausbreitung und den Zeitverlauf der Aktivierung von Mikroglia in einem weiteren Epileptogenese-Modell zu charakterisieren, dem intrahippocampalen Kainat-Mausmodell. Zu diesem Zweck wurden in Mäusen [18F]GE180-PET-Aufnahmen vor SE-Induktion und zu verschiedenen Zeitpunkten während der Epileptogenese durchgeführt. Zudem wurden Kontrolltiere, welchen anstelle des Kainats Kochsalzlösung injiziert worden war, zu ausgewählten Zeitpunkten untersucht. Erhöhungen der [18F]GE180-Aufnahme waren zwischen 2 Tagen und mindestens 7 Wochen nach SE mit maximaler Intensität an 5-7 Tagen nach SE darstellbar. Diese Veränderungen traten sowohl im ipsilateralen Hippocampus, wo sie stärker ausgeprägt waren, als auch im contralateralen Hippocampus auf. Des Weiteren wurde eine moderate Erhöhung der Traceraufnahme an Tag 2 nach SE im ipsilateralen Thalamus detektiert. Zusammen mit den Resultaten der ersten Studie unterstreichen diese Ergebnisse die Eignung der TSPO-PET-Bildgebung, zuverlässig Entzündungsreaktionen des Gehirns während der Epileptogenese zu detektieren. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für zukünftige Bildgebungsstudien, welche untersuchen werden, ob Inflammation des Gehirns mit der Epilepsieentstehung korreliert und somit als prädiktiver Biomarker fungiert.

Die in den beiden Epileptogenese-Nagermodellen charakterisierten Zeitverläufe der Neuroinflammation könnten die zeitliche Koordinierung anti-inflammatorischer, potentiell anti-epileptogener Pharmakotherapien erleichtern. In einer dritten Studie wurde im Lithium-Pilocarpin-Rattenmodell die entzündungshemmende Wirkung einer 7-tägigen Therapie mit Dexamethason, welche 24 Stunden nach SE begonnen wurde, mittels [18F]GE180- Autoradiographie und Immunhistochemie überprüft. Des Weiteren wurde die anti-inflammatorische Wirksamkeit einer Behandlung mit Minocyclin zwischen Tag 1 und Tag 8 nach SE mittels longitudinaler [18F]GE180-PET-Bildgebung evaluiert. Beide Behandlungsstrategien führten zu einer moderaten Reduktion der Aktivierung von Mikroglia. Modifikationen in der Dosierung und Behandlungsdauer oder Kombinationstherapien könnten Entzündungsprozesse im Gehirn effektiver modulieren, was durch nicht-invasive TSPO-PET-Bildgebung nachgewiesen werden kann.

abstract (englisch)

Brain insults such as traumatic brain injury or status epilepticus (SE) can initiate a cascade of brain alterations, which lead to the development of spontaneous recurrent epileptic seizures, and are thus termed “epileptogenesis”. As the mechanisms involved in this process have not been fully elucidated yet, neither predictive biomarkers identifying those patients at risk of developing epilepsy after a brain insult nor epilepsy-preventive therapies are available to date. Accumulating experimental and clinical evidence suggests that brain inflammation, elicited by epileptogenic insults, essentially contributes to seizure development. Non-invasive imaging techniques such as positron emission tomography (PET) may be reliable tools to investigate inflammatory processes in animal models of epileptogenesis and thus lead to the discovery of predictive biomarkers with translational potential. Moreover, in vivo imaging may be utilized to monitor therapeutic efficacy of anti-inflammatory, potentially anti-epileptogenic treatment.

In the first study presented in this work, the spatiotemporal profile of epileptogenesis-associated microglial activation indicative of brain inflammation was evaluated in the lithium-pilocarpine rat model by longitudinal PET imaging of the translocator protein (TSPO) and complementary in vitro methods. For this purpose, rats were subjected to [11C]PK11195 PET scans before SE induction and at various time points during epileptogenesis. Furthermore, brain slices of rats sacrificed at selected time points after SE or without prior SE were examined by [18F]GE180 autoradiography, and CD11b immunohistochemistry. Elevated [11C]PK11195 uptake and binding potential were evident in brain regions commonly associated with seizure generation and spread beginning at 2-5 days and persisting at least 3 weeks after SE, with a peak at 1-2 weeks after SE. Results of in vivo imaging correlated strongly with those of in vitro autoradiography and microglia immunohistochemistry, implying that PET imaging of TSPO represents a reliable tool for identifying epileptogenesis-associated neuroinflammation.

Consequently, serial PET imaging of TSPO was employed in a second study to assess the spatial distribution and time course of microglial activation in another model of epileptogenesis, the intrahippocampal kainate mouse model. For this purpose, mice were subjected to [18F]GE180 PET scans before SE induction and at several time points during epileptogenesis. Additionally, control mice injected with saline instead of kainate were examined at selected points. [18F]GE180 uptake was increased between 2 days and at least 7 weeks post SE, with a peak at 5-7 days post SE, in both the ipsilateral hippocampus, where they were most pronounced, and in the contralateral hippocampus. Besides, moderately enhanced tracer uptake was apparent in the ipsilateral thalamus at 2 days post SE. Together with the findings of the first study, these results emphasize the validity of TSPO PET imaging to reliably identify brain inflammation during epileptogenesis. This paves the way for future TSPO imaging studies that will assess whether inflammatory processes correlate with epilepsy development, and thus serve as a predictive biomarker.

The temporal profiles of brain inflammation characterized in the two rodent models of epileptogenesis may facilitate timing of inflammation-targeted, potentially anti-epileptogenic treatment. Anti-inflammatory effects of a 7-day dexamethasone therapy beginning 24 hours after SE were evaluated by [18F]GE180 autoradiography, and immunohistochemistry in a third study in the lithium-pilocarpine rat model. Moreover, anti-inflammatory efficacy of minocycline treatment from 1-8 days after SE was monitored by serial [18F]GE180 PET imaging. Both treatment approaches moderately reduced microglial activation. Modifications in dosage and treatment duration or combinational therapeutic approaches may result in a more effective modulation of inflammatory processes in the brain, which can be assessed by non-invasive TSPO PET imaging.

keywords

Epileptogenese, Neuroinflammation, TSPO-PET, Epileptogenesis, Neuroinflammation, TSPO PET

kb

2.131