Dissertation

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

 

Sonja Christina Bröer

 

Fokale Substanzapplikation und Neurotransplantation zur Therapie pharmakoresistenter Epilepsien

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-102801

title (engl.)

Focal pharmacotherapy and neurotransplantation to treat pharmacoresistant epilepsies

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/broeers_ss13.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsien gehören bei Mensch und Tier zu den häufigsten chronischen Erkrankungen des zentralen Nervensystems. Etwa 30 % der menschlichen und 70 % der caninen Patienten sind pharmakoresistent; trotz Behandlung mit modernsten Antipepileptika wird keine Anfallsfreiheit erreicht. Neue therapeutische Strategien sind daher essentiell, um die Situation der erkrankten Patienten zu verbessern.

Eine vielversprechende Alternative zur systemischen Therapie ist die fokale, gerichtete Manipulation des epileptischen Netzwerkes. Für den Behandlungserfolg ist es unabdingbar, zu-nächst geeignete Zielregionen im Zentralnervensystem zu determinieren. Eine der Ausgangsstrukturen der Basalganglien, die Substantia nigra pars reticulata (SNr), ist hinsichtlich ihrer anfallsmodulierenden Eigenschaften gut untersucht. Sowohl eine Inhibition der SNr selbst, als auch ihrer exzitatorischen Eingangsstruktur, des subthalamischen Nukleus (STN), führen experimentell zu antikonvulsiven Effekten. Bisher wurden die Wirkungen fokaler und systemischer Therapie kaum vergleichend untersucht, was für die Einschätzung der Effektivität der Behandlung von enormer Wichtigkeit wäre. Ich habe die gerichtete Therapie anhand von zwei Strategien, der fokalen Pharmakotherapie und der Neurotransplantation, untersucht. Beiden ist gemein, dass durch eine Verstärkung der GABAergen Inhibition das bei Epilepsie existierende Ungleichgewicht zwischen erregender und hemmender Neurotransmission egalisiert werden soll.

In der ersten Studie habe ich daher das Antiepileptikum Vigabatrin in die angesprochenen Basalganglienregionen mikroinjiziert und auftretende Effekte im Pentylentetrazol-Anfallsschwellentest (PTZ-Test) mit einer systemischen Administration verglichen. Vigabatrin erhöht durch irreversible Inhibition der GABA-Transaminase die Konzentration von GABA. Bilaterale Injektionen in den STN zeigten sich als effektivste Maßnahme, um die Anfallsschwelle signifikant zu erhöhen. Ähnlich starke antikonvulsive Wirkungen ließen sich weder mit systemischer noch mit bilateraler Injektion in eine der Subregionen der SNr, das Striatum oder an den STN angrenzende Strukturen reproduzieren. Die systemische Behandlung führte zudem zu ausgeprägten Nebenwirkungen (Sedation, Verlust der Körpertemperatur und des -gewichtes), die nach fokaler Therapie nicht beobachtet wurden. Zukünftige Studien sollten die Wirkung einer kontinuierlichen fokalen Infusion in chronischen Modellen für Temporallappenepilepsie untersuchen. Die Vorteile einer fokalen Therapie liegen in der Reduktion von Nebenwirkungen, der Umgehung der Bluthirnschranke (BHS), sowie einem reversiblen Eingriff. Des Weiteren können Substanzen intrazerebral appliziert werden, die systemisch eine hohe Toxizität aufweisen oder nicht die BHS überwinden können. In meiner Arbeit habe ich Botulinumtoxin B in den Hippokampus, der experimentell und klinisch häufig den epileptischen Fokus darstellt, mikroinjiziert. Hierfür wurde die „convection-enhanced delivery“ genutzt, die eine homogene Verteilung der Substanz innerhalb der Zielregion ermöglicht. Botulinumtoxin B führte zu prokonvulsiven Effekten im PTZ-Modell, spontanen Anfällen und einem hyperexzitablen Verhalten, was wahrscheinlich durch das Setzen eines epilep-tischen Fokus und plastische Netzwerkveränderungen erklärt werden kann. Die Wirkung von Botulinumtoxin B sollte in weiteren Modellen für Epilepsie untersucht werden.

Der zweite experimentelle Ansatz war die Transplantation verschiedener Zelltypen. Frühere Studien zeigten antikonvulsive, aber transiente Effekte nach Transplantation GABAerger Zellen. Weder die Transplantation einer Mischkultur aus humanen, adulten NT2-Neuronen, noch die Verwendung von NT2- oder GABAergen Precursorzellen aus der lateralen oder medialen ganglionischen Eminenz von E14 Rattenfeten in den STN oder die SNr führten zu antikonvulsiven Effekten. Preliminäre Daten belegten ein geringes Überleben der Zellen sowie eine niedrige Zahl an ausdifferenzierten GABAergen Neuronen. Eine Vorbehandlung der Zellen mit Retinsäure und Kaliumchlorid vermochte zwar den Anteil an GABAergen Zellen zu erhöhen, jedoch trat kein protektiver Effekt im PTZ-Test auf. Mögliche Ursachen sind ne-ben der Integrität und neuronalen Zusammensetzung der Zielstruktur auch die Herkunft der GABAergen Zellen und modellabhängige Faktoren.

Insgesamt leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Strategiefindung für zukünftige Therapien pharmakoresistener Epilepsien. In der vorliegenden Studie war die fokale Substanzapplikation erfolgreicher als eine Neurotransplantation. Es ist die erste Untersuchung, die den STN als vielversprechendste Zielregion innerhalb der Basalganglien für Manipulationen des GABAergen Systems identifiziert hat. Neurochirurgisch ist die Verwendung des STN als Zielstruktur bereits für tiefe Hirnstimulationen etabliert, was eine Translation der fokalen Pharmakotherapie in die Klinik erleichtern würde.

 

abstract (englisch)

Epilepsies are among the most common chronic neurological disorders, affecting both humans and animals. Thus far, about 30 % of human as well as 70 % of canine patients do not achieve seizure freedom under medication with modern antiseizure drugs. Novel treatment approaches are mandatory in order to improve the situation of patients suffering from pharmacoresistant epilepsy.

One promising alternative to systemic treatment is focal therapy of the epileptic network, which requires the determination of appropriate target regions within the brain. One option is to manipulate regions downstream of the seizure focus such as the basal ganglia, which are known to be involved in seizure propagation and modulation. Inhibition of one of the output structures, the substantia nigra pars reticulata, SNr, or its excitatory input, the subthalamic nucleus, STN, have been shown to act anticonvulsant in different seizure models. Most of these studies lack a direct comparison of efficiency of focal and systemic treatment. I have examined two promising approaches of targeted therapy, focal pharmacotherapy and neurotransplantation of different cell types. Both strategies have in common that GABAergic inhibition is enhanced, based on the concept of restoring the imbalance between excitatory and inhibitory neurotransmission in the epileptic brain.

In the first study, anticonvulsant effects after focal microinjection or systemic administration of the antiseizure drug vigabatrin were assessed in the pentylenetetrazole seizure threshold test (PTZ-test). Vigabatrin enhances the intracerebral concentration of GABA by irreversibly inhibiting the GABA-degrading enzyme GABA-transaminase. I could demonstrate that bilateral subthalamic injection is the most effective treatment to increase the seizure threshold significantly. The specifity of this outcome was affirmed by evaluation of effects following injections into anterior and posterior SNr, striatum, and adjacent structures of the STN, which were not as pronounced. Systemic injections were less effective and caused severe side effects (sedation, loss of body temperature and weight), which were not seen in focally treated animals. Future studies will have to assess feasibility and efficiency of continuous microinfusion in chronic models of temporal lobe epilepsy. The obvious benefits of focal therapy are reduction of side effects, circumvention of the blood brain barrier (BBB), and its reversible nature. Furthermore, it enables the usage of substances that are not eligible for systemic treatment because of toxicity or their inability to pass the BBB. In additional experiments, I have injected botulinum toxin B into the hippocampus, which frequently is the seizure focus in clinical and experimental epilepsy. Injection was performed by convection-enhanced delivery to allow a more homogenous distribution among the target region than bolus deposition. Botulinum toxin B led to a significant, proconvulsant effect in the PTZ-test, as well as to spontaneous seizures and hyperexcitability in rats, which might have been induced by producing an epileptic focus and subsequent plastic network changes. The effects of botulinum toxin B should be investigated in different seizure models in the future.

The second strategy was based on transplantation of different cell types. Earlier investigations had shown anticonvulsant, but transient effects after grafting of GABA-producing cells. In our experimental set-up, neither a mixed culture of human NT2-cells nor its precursors or GABAergic precursors, derived from medial or lateral ganglionic eminences of E14 rat fetuses, could alter the seizure threshold. Preliminary data indicate low survival and differentiation of the transplanted cells. A stimulation of rat precursors with retinoic acid and potassium chloride did produce a higher proportion of GABAergic cells; however no anticonvulsant effects were obtained. Reasons might include the integrity and neuronal content of the target region as well as transplant cell type and source and animal model dependent factors.

In summary, this work contributes to the growing knowledge of alternative treatment approaches in pharmacoresistant epilepsy. In our hands, focal pharmacotherapy was more effective than neurotransplantation. This is the first study to identify the STN as the most promising target region for manipulations of the GABAergic system among the basal ganglia. The STN is already clinically used as a target in a number of neurosurgical applications like deep brain stimulation, which makes it feasible to target the STN for focal pharmacotherapy.

 

keywords

Basalganglien, Vigabatrin, Pentylentetrazol, basal ganglia, vigabatrin, pentylenetetrazole

kb

5.628