Dissertation

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

Laura Gey

Chronische intrazerebrale Applikation des Antiepileptikums

Vigabatrin zur Epilepsietherapie

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106418

title (engl.)

Chronic intracerebral application of the antiepileptic drug vigabatrin for the treatment of epilepsy

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/geyl_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsien sind die häufigsten chronischen Erkrankungen des Zentralnervensystems beim Menschen und Hund. Trotz des Einsatzes modernster Antiepileptika wird bei ca. 30% (Mensch) bzw. bei mehr als 50% (Hund) der Patienten keine Anfallsfreiheit erreicht. Zudem ist eine systemische Therapie mit zum Teil erheblichen Nebenwirkungen verbunden. Die Entwicklung alternativer Therapiestrategien für pharmakoresistente Epilepsiepatienten ist daher dringend notwendig. Eine vielversprechende Behandlungsoption ist die Manipulation epileptischer Netzwerke mittels intrazerebraler Pharmakotherapie, die durch den Einsatz vergleichsweise geringer Wirkstoffmengen systemische Nebenwirkungen reduzieren kann. Neben dem epileptischen Fokus gehören insbesondere die Basalganglien zu den Schlüsselregionen der Anfallsweiterleitung und -modulation. Sie stellen vorrangig bei unklarer Fokuslage oder multiplen Foki im limbischen System vielversprechende Zielregionen für die intrazerebrale Pharmakotherapie dar. Neben der Substantia nigra pars reticulata (SNr, v.a. anteriore SNr) ist hier besonders der subthalamische Nukleus (STN) von Interesse, da kürzlich in einer vergleichenden Studie zur akuten Mikroinjektion des Antiepileptikums Vigabatrin in verschiedene Basalganglienregionen gezeigt wurde, dass eine bilaterale Hemmung des STN im Pentylentetrazol-Anfallsschwellentest (PTZ-Test) in Ratten am wirksamsten war (BRÖER et al., 2012). Außerdem traten keine Nebenwirkungen auf (BRÖER et al., 2012). Hinsichtlich einer klinischen Translation ist zu überprüfen, ob eine chronische Mikroinfusion von Vigabatrin in den STN zu lang anhaltenden antikonvulsiven Effekten führt.

In meiner Arbeit habe ich zu diesem Zweck eine chronische intrazerebrale Mikroinfusion mittels Minipumpen (iPrecio®, Primetech Corporation) in der Ratte etabliert. Zur Findung der geeigneten Vigabatrin-Dosis wurde zuvor eine akute Mikroinjektion von Vigabatrin in den STN oder die anteriore SNr durchgeführt, um post mortem umfassende neurochemische Untersuchungen des STN, der SNr, benachbarten Gewebes dorsal der SNr und des anterioren Striatums durchzuführen. Vigabatrin erhöht durch irreversible Hemmung des GABA-ab-bauenden Enzyms, der GABA-Transaminase (GABA-T), dosisabhängig die GABA-Konzentration im Gehirn. Durch Messung der GABA- und Vigabatrin-Konzentrationen sowie der GABA-T-Aktivität mittels HPLC bzw. fluorimetrischer Methoden, konnte ich zeigen, dass sich für die chronische intrazerebrale Mikroinfusion eine tägliche Vigabatrin-Dosis von ca. 10 µg oder weniger eignet. Während der 3-wöchigen Mikroinfusion wurden wöchentlich antikonvulsive Effekte im PTZ-Test bestimmt. Zur Erfassung möglicher Nebenwirkungen wurden gleichzeitig das Allgemeinverhalten sowie physiologische Parameter beurteilt. Am Ende der Studie erfolgte analog zur akuten Mikroinjektion von Vigabatrin eine neurochemische Analyse.

Eine chronische Mikroinfusion von 5 bzw. 9-12 µg Vigabatrin/Tag bilateral in den STN erhöhte die Anfallsschwellen signifikant über 2 Wochen bzw. die gesamte Infusionszeit von 3 Wochen, eine chronische Mikroinfusion von 9-12 µg Vigabatrin/Tag bilateral in die anteriore SNr hingegen nur für die erste Behandlungswoche. Es konnten pharmakoresistente (Non-Responder) von pharmakosensitiven Tieren (Responder) unterschieden werden, bei denen zum Teil eine Toleranzentwicklung eintrat. Trotz Diffusion von Vigabatrin in alle unter-suchten Hirnregionen wurden die antikonvulsiven Effekte vermutlich vorrangig über den STN vermittelt, da hier die höchste Vigabatrin-Konzentration und der deutlichste relative GABA-Anstieg gemessen wurde. Eine chronische Mikroinfusion von 5 µg Vigabatrin/Tag bilateral in den STN war mit keinen Nebenwirkungen verbunden, während die chronische bilaterale Applikation von 9-12 µg Vigabatrin/Tag unabhängig von der Zielregion zu Sedation, Gewichtsverlust und Abnahme der Körpertemperatur führte. Nach chronischer Mikroinfusion von 9-12 µg Vigabatrin/Tag bilateral in die anteriore SNr zeigte sich zudem ein deutliches Circling-Verhalten der Ratten. In einem nächsten Schritt wird eine chronische Mikroinfusion von 10 µg Vigabatrin/Tag unilateral in den STN in einem chronischen Epilepsiemodell, dem Amydala-Kindling-Modell, durchgeführt. Präliminäre Daten weisen auf einen initialen antikonvulsiven Effekt in einigen Ratten hin.

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine chronische Mikroinfusion mit der geeigneten Vigabatrin-Dosis in den STN ohne Nebenwirkungen zu lang anhaltenden antikonvulsiven Effekten führt. Da eine neurochurgische Manipulation des STN zur Epilepsie- und Parkinsontherapie etabliert ist, ist eine Translation der chronischen intrasubthalamischen Pharmakotherapie als alternatives Behandlungsverfahren für pharmakoresistente Epilepsien realistisch.

abstract (englisch)

Epilepsies are the most common chronic neurologic diseases of the central nervous system in humans and dogs. Despite the treatment with new antiepileptic drugs, about 30% (humans) and more than 50% (dogs) of the patients do not become seizure-free. Moreover, systemic treatment is associated with in part significant adverse effects. Therefore, the development of alternative therapy strategies to treat patients suffering from pharmacoresistant epilepsies is highly necessary. One promising treatment option is the manipulation of epileptic networks by intracerebral pharmacotherapy. Because only small amounts of substance are necessary, systemic adverse effects can be reduced. Apart from the epileptic focus, the basal ganglia are among key structures, which are involved in seizure propagation and modulation. Especially in cases of unclear focus localization or multiple foci within the limbic system, the basal ganglia are promising target regions for intracerebral pharmacotherapy. Apart from the substantia nigra pars reticulata (SNr, especially anterior SNr), the subthalamic nucleus (STN) plays an important role in this respect. We recently demonstrated that an acute microinjection of the antiepileptic drug vigabatrin into different basal ganglia regions exerted the most prominent anticonvulsant effect in the timed intravenous pentylenetetrazol seizure threshold test (PTZ-test) in rats, when injected bilaterally into the STN (BRÖER et al., 2012). Moreover, there were no adverse effects. (BRÖER et al., 2012). For clinical translation, it is of high importance to determine if a chronic microinfusion of vigabatrin into the STN leads to long lasting anticonvulsant effects.

In my study, I therefore established a chronic intracerebral microinfusion in rats using implantable microinfusion pumps (iPrecio®, Primetech Corporation). For dose finding, vigabatrin was microinjected acutely into the STN or anterior SNr to perform extensive neurochemical analyses post mortem within the STN, the SNr, adjacent to the SNr, and in the anterior striatum. Vigabatrin dose-dependently elevates GABA-levels in the brain by irreversibly inhibiting the GABA-degrading enzyme GABA-aminotransferase (GABAT). The measurements of GABA and vigabatrin concentrations as well as the activity of GABAT by HPLC or fluorimetric methods revealed that for a chronic microinfusion, a daily dose of 10 µg vigabatrin or less would be appropriate. During the chronic microinfusion over a period of 3 weeks, anticonvulsant effects were determined using the PTZ-test. To detect putative adverse effects, behavioral tests were performed and physiological parameters of the rats were monitored. Finally, neurochemistry was performed analogous to the investigations after acute microinjection.

A chronic microinfusion of 5 or 9-12 µg vigabatrin/day bilaterally into the STN elevated seizure thresholds significantly for 2 weeks or for the entire infusion period of 3 weeks, respectively. In contrast, a chronic microinfusion of 9-12 µg vigabatrin/day bilaterally into the anterior SNr elevated seizure thresholds only for the first week. Animals differed in the anticonvulsant response to the intracerebral vigabatrin application so that pharmacoresistant (non-responder) and pharmacosensitive animals (responder), some of which showed a tolerance development, could be detected. Despite diffusion of vigabatrin to all investigated brain regions, anticonvulsant effects were mediated most likely by the STN, because of the highest vigabatrin concentrations along with the most marked increase in relative GABA-levels inside the STN. A chronic microinfusion of 5 µg vigabatrin/day bilaterally into the STN exerted no adverse effects, whereas a chronic bilateral application of 9-12 µg vigabatrin/day led to sedation, decrease in body weight and body temperature, regardless of the target region. After chronic microinfusion of 9-12 µg vigabatrin/day bilaterally into the anterior SNr, rats additionally showed extensive circling behavior. In a next step, a chronic microinfusion of 10 µg vigabatrin/day unilaterally into STN will be performed using a chronic epilepsy model, the amydala kindling model. Preliminary data indicate initial anticonvulsant effects in some rats.

The present study demonstrates that a chronic microinfusion of an appropriate vigabatrin dose into the STN leads to long lasting anticonvulsant effects without exerting adverse effects. Because neurosurgical manipulation of the STN is established for the treatment of Parkinson´s disease and epilepsy, clinical translation of the intrasubthalamic pharmacotherapy to treat pharmacoresistant epilepies is a realistic goal.

keywords

Epilepsie, Vigabatrin, Intrazerebral, epilepsy, vigabatrin, intracerebral

kb

8.962