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

 

Ina Gröticke

 

Untersuchungen zu Epilepsie-assoziierten Verhaltensstörungen und Lern- und Gedächtnisdefiziten an Mausmodellen unterschiedlicher Epilepsietypen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-94922

title (engl.)

Investigation of epilepsy-related behavioural disturbances and learning and memory deficits in mouse models of different types of epilepsy

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2007

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/groetickei_ws07.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsien zählen zu den häufigsten neurologischen Erkrankungen. Die Temporallappenepilepsie tritt als häufigste Form fokaler Epilepsien auf und erweist sich bei einer großen Zahl an Patienten als pharmakoresistent. Des Weiteren besteht für Epilepsiepatienten ein höheres Risiko der Entwicklung psychisch-kognitiver Begleiterkrankungen, was für die Patienten eine zusätzliche Beeinträchtigung der Lebensqualität bedeutet. Im Hinblick auf das korrelierte Auftreten psychischer wie kognitiver Begleiterkrankungen mit Epilepsien wird eine mögliche bidirektionale Verbindung diskutiert. Bisher fehlt es an entsprechenden Tiermodellen, so dass detaillierte Erkenntnisse über die exakten Zusammenhänge und pathogenen Mechanismen der Assoziation nicht vorliegen.

In Mausmodellen lassen sich Aspekte verschiedener Epilepsietypen sowie psychische und kognitive Störungen darstellen. Aufgrund vielfältiger genetischer Manipulationsmöglichkeiten bei der Maus, gewinnt die Phänotypisierung von Mausmodellen an Bedeutung. Studien an epileptischen Ratten bestätigen begleitend auftretende Störungen des Verhaltens, Lernens und des Gedächtnisses. Ob epileptische Mäuse ähnliche Verhaltensauffälligkeiten und kognitive Defizite entwickeln, ist bisher nicht untersucht worden.

Die PhD-Arbeit basierte auf der Hypothese, dass chronisch epileptische Anfallsaktivität oder ein vorangegangener Status epilepticus (SE) für die Manifestation von Verhaltens­änderungen und Lern- und Gedächtnisdefiziten bei der Maus verantwortlich sein kann. Ziel war es, zwei chemische Mausmodelle für Temporal­lappen­epilepsie, Pilocarpin und Kainat, zu etablieren und anhand einer Verhaltensbatterie zu phänotypisieren.

Studie 1a: Bei der Suche nach einem optimierten Pilocarpin-Protokoll für die Maus, erwies sich eine fraktionierte, intraperitoneale Applikation im Abstand von 20 Min. bis zur Induktion eines SE als ideal. Im Gegensatz zu einer Bolusinjektion ermöglichte ein fraktioniertes Applikationsregime eine individuell angepasste Dosierung mit höherer SE-Induktionsrate und geringer ausfallender Mortalitätsrate.

Studie 1b: Ein systematischer Vergleich verschiedener Pilocarpin-Bolusinjektionen mit und ohne Lithiumchlorid-Prämedikation ergab überraschend, dass eine Prä­medikation bei der Maus – im Gegensatz zur Ratte – ohne positiven Einfluss auf die SE-Induktionsrate und Mortalitätsrate verlief bzw. eine Prämedikation die SE-Induktion sogar zu reduzieren vermochte.

Studie 2: Histopathologische Untersuchungen an Gehirnschnitten eine Woche nach Pilocarpin-induziertem SE ergaben, dass die Dauer des SE mit dem Ausmaß neuro­degenerativer Veränderungen korreliert war. Untersuchungen des Hippocampus, des piriformen Cortex wie der Amygdala zeigten, dass eine SE-Dauer von 60 Min. geringere neurodegenerative Schäden nach sich zog als nach 90 oder 120 Min. SE-Dauer.

Studie 3: Nach einem Pilocarpin-induzierten SE von 60 bis 120-minütiger Dauer entwickelten alle Mäuse spontane epileptische Anfälle. Die Phänotypisierung der Tiere während der chronischen Phase der Epilepsie innerhalb einer Verhaltensbatterie bestätigte massive Verhaltensauffälligkeiten sowie Lern- und Gedächtnisdefizite. Epileptische Tiere verhielten sich häufig immobil, zeigten sich abgesehen von Elevated-Plus-Maze-Test innerhalb der meisten Angst-assoziierten Tests ängstlicher als Kontrollen, zeigten weniger Immobilität in Depressions-assoziierten Tests sowie deutliche Defizite räumlicher Lern- und Gedächtnisleistung. Die Reduktion immobilen Verhaltens innerhalb Depressions-assoziierter Tests lässt sich im Sinne eines Kontextproblems und des Unvermögens, situationsangepasst zu reagieren, interpretieren.

Die beobachteten Verhaltensänderungen korrelierten nicht mit der SE-Dauer. Abschließende histopathologische Untersuchungen des Hippocampus epileptischer Tiere fielen im Vergleich zu Ergebnissen der Studie 2 durch eine gering ausgeprägte Gliose, eine Zunahme der Hilusfläche sowie eine gering ausgeprägte Korrelation zwischen neurodegenerativen Schäden und der Dauer des SE auf.

Studie 4: Im Zuge der Etablierung des intrahippocampalen Kainat-Modells an der Maus bestätigten sich Literaturangaben über die nicht-konvulsive Ausprägung des induzierten SE. EEG-Ableitungen sowie häufig zu beobachtende spontane konvulsive Anfälle verifizierten für die meisten Kainat-behandelten Tiere den Eintritt in die chronische Phase der Epilepsie. Verhaltensbiologische Untersuchungen ergaben für epileptische Mäuse kognitive Defizite in Form einer langsamer verlaufenden Lernkurve und Langzeitgedächtnisdefizite anhand des Morris-Water-Maze-Tests. Kainat-behandelte Tiere zeigten im Porsolt-Forced-Swimming-Test, nicht aber im Tail-Suspension-Test, weniger Immobilität als Kontrolltiere. Vorläufige histologische Untersuchungen bestätigten die korrekte Lokalisation der Injektions- wie Implantationsstellen bei sham- und Kainat-injizierten Tieren. Histopathologische Veränderungen beschränkten sich auf den ipsilateralen Hippocampus und imponierten bei epileptischen Tieren durch eine unterschiedlich stark ausgeprägte Dispersion des Gyrus dentatus.

Der Vergleich des Pilocarpin-Modells mit dem Kainat-Modell lässt auf ein modellspezifisch ausgeprägtes Profil von Verhaltensänderungen und Lern- und Gedächtnisdefiziten schließen. Einflüsse der Administrationsroute der chemischen Konvulsiva, die damit einhergehende Lokalisation, Art und Ausprägung neuro­degenerativer Veränderungen und Unterschiede in der Ausprägung konvulsiver vs. nicht-konvulsiver SE bzw. spontaner Anfälle kommen hierfür ursächlich in Frage.

Die Phänotypisierung des Pilocarpin- und Kainat-Modells an der Maus bestätigte die zugrunde liegende Arbeitshypothese, dass epileptische Mäuse Verhaltens­auffälligkeiten sowie Lern- und Gedächtnisdefizite entwickeln. Es hat sich gezeigt, dass sich für die häufig zu beobachtende Assoziation von Epilepsien und psychisch-kognitiven Störungen tierexperimentelle Modellmöglichkeiten bieten, die einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung therapeutischer Strategien und der Aufklärung pathogener Mechanismen leisten können.

 

abstract (englisch)

Epilepsy constitutes one of the most common neurological disorders. Temporal lobe epilepsy is one of the most frequently occurring focal epilepsies and a great number of patients suffer from pharmacoresistance. Epilepsy patients develop psychiatric-cognitive comorbidities with high prevalence, diminishing their quality of life even further. It is discussed whether the parallel appearance of psychiatric-cognitive comorbidities with epilepsies may account for a bidirectional relationship. However, corresponding animal models are still missing, so that detailed knowledge about pathogenic mechanisms and causal connections is not available.

Mouse models allow to study aspects of different epilepsies as well as psychiatric and cognitive disturbances. Due to the possibility of various genetic manipulations in mice, phenotyping mouse models gains importance. Studies in epileptic rats confirm the co-occurrence of behavioural disturbances and deficits in learning and memory. Yet, it is not known, if epileptic mice develop similar behavioural and cognitive alterations.

The PhD-thesis is based upon the assumption that chronic epilepsy or a previous status epilepticus (SE) induces behavioural disturbances and learning and memory deficits in mice. This work was aimed at establishing two chemical mouse models of temporal lobe epilepsy, pilocarpine and kainate, to phenotype both within a behavioural test battery.

Study 1a: In search of an ideal pilocarpine protocol for mice, a titrated intraperitoneal application protocol with drug injection every 20 min until the occurrence of SE turned out well. Contrary to bolus administration, a titration protocol offers the advantage of individual dosing accounting for a higher rate of SE induction and a lower rate of mortality.

Study 1b: Comparing different doses of pilocarpine bolus injections with and without lithium chloride premedication was aimed to give a systematic overview on premedication effects. Surprisingly, in contrast to rats, in mice a premedication with lithium had no positive effect on the rate of SE induction or mortality, but rather it suppressed SE induction.

Study 2: Histopathological investigation of brain sections one week following pilocarpine-induced SE illustrated that the degree of neurodegeneration is dependent on the duration of SE. Investigation of the hippocampus, piriform cortex and amygdala confirmed that a SE of 60 min duration induced fewer neuronal damage than did a SE of 90 or 120 min.

Study 3: A pilocarpine-induced SE of 60 to 120 min duration led to the development of spontaneous recurrent seizures. Phenotyping chronic epileptic mice within a behavioural test battery confirmed the occurrence of prominent behavioural abnormalities and learníng and memory deficits. Chronic epileptic mice spent more time being immobile, appeared to be more anxious than did controls in most of anxiety-related tests except the elevated plus maze test, behaved less immobile during depression-associated test situations and had difficulties in spatial learning and memory abilities. A reduced immobility during depression-associated test situations was thought to be related to problems in context understanding and incapacity to adapt to the situation. There was no obvious correlation between behavioural disturbances and length of SE. Histopathological analysis of the hippocampus of epileptic mice resulted in some differences compared to results of study 2, such as less pronounced gliosis, increased area of the hilus as well as less obvious correlation of neurodegeneration with length of SE.

Study 4: By establishing the intrahippocampal kainate model in mice, the induced SE was confirmed to be non-convulsive. In the following weeks, EEG-recordings as well as frequently observed spontaneous convulsive seizures verified that most of kainate-injected mice had entered the chronic phase of epilepsy. Behavioural testing discovered cognitive deficits in the morris water maze task, indicated by a delayed learning curve and long term memory deficits. Kainate-treated mice showed less immobility than did controls during the porsolt forced swimming test but not during tail suspension test. Preliminary histological analysis revealed for all sham- und kainate-injected mice a correct location of injection sites and implanted electrodes. Histopathological alterations were confined to the ipsilateral hippocampus and epileptic animals exhibited various degrees of dispersion of the dentate gyrus.

Comparing the pilocarpine with the kainate model of epilepsy results in a pattern of behavioural disturbances and learning and memory deficits distinctive for each model. Differences in ways of administration of the chemoconvulsants, related neurodegenerative disturbances, their location, form and peculiarity and differences in convulsive vs. non-convulsive SE or spontaneous seizures may contribute as influencing factors.

Phenotyping the pilocarpine and kainate model in mice approved the underlying hypothesis that epileptic mice would develop behavioural alterations and learning and memory deficits. It could be shown that the frequently occurring association of psychiatric-cognitive comorbidities with epilepsy can be displayed in animal models helping to find better therapeutic strategies and unraveling pathogenic mechanisms.

keywords

Epilepsie, Maus, Verhaltensuntersuchung; epilepsy, mouse, behavioural characterization

kb

6.126