Dissertation

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

Annelie Handreck

Cell-based therapy in epilepsy: Anticonvulsant efficacy and risk assessment of grafting genetically engineered inhibitory cell lines and neuronal precursor cells into the rat subthalamic nucleus

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95- 105522

title (ger.)

Zellbasierte Therapie bei Epilepsie: Antikonvulsive Wirksamkeit und Risikoabschätzung der Transplantation gentechnologisch modifizierter, inhibitorischer Zelllinien und neuronaler Vorläuferzellen in den subthalamischen Nukleus von Ratten 

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/handrecka_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Etwa 30% aller Epilepsiepatienten gelten als pharmakoresistent, d.h. Anfälle treten trotz adäquater Behandlung mit Antiepileptika auf. Die Neurotransplantation inhibitorischer Zellen in Gehirnregionen, die an der Entstehung und Ausbreitung von Anfällen beteiligt sind, ist ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems. Abgesehen von einer direkten Transplantation in den Anfallsfokus, stellt die Transplantation geeigneter Zellen in entferntere Strukturen, die bei der Anfallsmodulation entscheidend beteiligt sind, möglicher­weise eine vorteilhafte Strategie zur Behandlung von pharmakoresistenten Patienten mit multiplen epileptischen Fokussen oder einem nicht klar definierbaren Fokus dar, also für Patienten bei denen eine Fokusresektion nicht durchführbar ist. Klinische Erfahrungen mit tiefer Hirnstimulation und eine kürzlich durchgeführte Mikroinjektions­studie an Ratten weisen darauf hin, dass der subthalamische Nucleus (STN), eine Schlüsselregion der Basalganglien, in dieser Hinsicht eventuell ein vielversprechendes Ziel darstellt. Bisher wurde der STN jedoch noch nicht als Zielregion für Neurotransplantationen in der experimentellen Epilepsieforschung verwendet.

In einer ersten Machbarkeitsstudie haben wir daher γ-Aminobuttersäure (GABA)-produzierende, striatale Rattenzelllinien in den STN von Ratten transplantiert. Die antikonvulsive Wirksam­keit wurde mittels einem akuten Anfallsmodell bewertet, dem intravenösen Pentylenetetrazol (PTZ)-Anfallsschwellentest. Bi- und unilaterale Transplan­tationen von GABAergen Zelllinien in den STN bewirkten deutliche antikonvulsive Effekte. Die bilaterale Transplantation der GABAergen Zellen außerhalb des STN, sowie die intrasubthalamische Transplantation von Kontrollzellen, die kein GABA produzieren, induzierte hingegen keine antikonvulsiven Effekte, wodurch die Orts- und Zellspezifität der beobachteten Effekte betont wird. Vergleichbar zu früheren Transplantationsstudien in andere Basalganglienregionen, waren die antikonvulsiven Effekte nur transient, obwohl die Zellen bis fünf Wochen nach der Transplantation überlebten.

Für eine klinische Translation müssen andere Zelltypen, wie etwa porzine neuronale Zellen, präklinisch untersucht werden, um die Sicherheit und Wirksamkeit einer Transplantation ins Gehirn zu zeigen. Bei Xenotransplantationsstudien ist eine Immunsuppression notwendig, um Abstoßungsreaktionen zu verhindern. Widersprüchliche Literaturdaten weisen jedoch darauf hin, dass sich eine Behandlung mit dem gebräuchlichen Immunsuppressivum Cyclosporin A (CsA) eventuell selbst pro- oder antikonvulsiv auf unterschiedliche experimentelle Anfalls- oder Epilepsiemodelle auswirkt. In einer zweiten Studie haben wir daher die Effekte einer akuten und chronischen Immunsuppression mit verschiedenen Dosierungen, Applikations­wegen, und Formulierungen von CsA auf Anfallsschwellen im PTZ-Anfallsschwellentest und zusätzlich im Amygdala-Kindling Modell, als chronisches Epilepsiemodell in Ratten untersucht. Unabhängig vom CsA-Behandlungsprotokoll konnten keine robusten Effekte auf die Anfallsschwellen beobachtet werden. Die Immunsuppression mit CsA scheint daher eine sichere und praktikable Option für Neurotransplantationsstudien in den beiden Modellen zu sein. Unerwünschte Arzneimittelwirkungen einschließlich transienter gast­rointestinaler Beschwerden sowie einer verringerten Körpertemperatur und Lokomotion traten jedoch auf.

Ein interessanter alternativer Ansatz zur Immunmodulation ist daher die neonatale Toleranzinduktion gegenüber den später zu transplantierenden Zellen. In einer dritten Studie wurden daher porzine neuronale Vorläuferzellen (pNPCs) vergleichend in den STN von Ratten transplantiert, die pharmakologisch mit CsA immunsupprimiert, neonatal toleranzinduziert, oder nicht immunmoduliert wurden. Die bilaterale Transplantation von pNPCs in den STN war in allen Gruppen antikonvulsiv wirksam. Allerdings führte nur die Toleranzinduktion zu langanhaltenden antikonvulsiven Effekten nach Transplantation von pNPCs. Im Vergleich zur CsA-Behandlung traten nach Toleranzinduktion keine offensicht­lichen Nebenwirkungen auf. Die beobachteten antikonvulsiven Effekte waren jedoch auch hier transient. Unsere vielversprechenden Daten zur neonatalen Toleranzinduktion und der Verwendung von pNPCs für Neurotransplantationsstudien in der Epilepsieforschung rechtfertigen weitere Untersuchungen. 

abstract (englisch)

About 30% of patients suffering from epilepsy are considered pharmacoresistant, meaning that seizures occur despite appropriate treatment with antiepileptic drugs. Neural transplantation of inhibitory cells into brain regions involved in seizure generation or propagation is one promising experimental approach to overcome this problem. Apart from directly targeting the seizure focus, grafting appropriate cells into remote structures known to be crucially involved in seizure modulation may be an advantageous strategy, especially for pharmacoresistant patients with multiple epileptic foci or without clear focal onset, i.e. for patients in which focus resection is not feasible. Clinical experience with deep brain stimulation together with a recent microinjection study in rats indicated that the subthalamic nucleus (STN), a key basal ganglia structure, might be a highly promising target in this respect. However, until now the STN has not been targeted for neurotransplantations in experimental epilepsy research.

In a first proof-of-principle study, we therefore grafted γ-aminobutyric acid (GABA)-producing striatal rat cell lines into the STN of rats. Anticonvulsant efficacy was evaluated using an acute seizure model, the intravenous pentylenetetrazole (PTZ) seizure threshold test. Bilateral and unilateral transplantation of GABAergic cell lines into the STN caused clear anticonvulsant effects. Grafting the GABAergic cells bilaterally outside the STN and intrasubthalamic grafting of control cells, which do not produce GABA, did not induce anticonvulsant effects, emphasizing the site- and cell-specifity of the observed anticonvulsant effects. In line with previous transplantation studies targeting other basal ganglia regions in experimental epilepsy and despite graft survival up to five weeks after transplantation, the anticonvulsant effects were only transient.

For clinical translation, other cell sources such as porcine neuronal cells have to be investigated preclinically to demonstrate safety and efficacy after grafting into the brain. For xenotransplantation studies, an immunosuppression is necessary to prevent graft rejections. However, conflicting data from literature indicated that a treatment with the commonly used immunosuppressive drug cyclosporine A (CsA) might itself act pro- or anticonvulsant in different experimental seizure and epilepsy models. In a second study, we therefore comprehensively investigated the effects of an acute and chronic immunosuppression with different doses, application routes, and preparations of CsA on seizure thresholds in the PTZ seizure threshold test in rats. We included investigations of CsA effects using the amygdala-kindling model as a chronic epilepsy model. Independent of CsA treatment regimen, no robust effects on seizure thresholds were observed, indicating that an immunosuppression with CsA might be a safe and feasible option for use in neural transplantation experiments in the two models. However, observed adverse effects included transient gastrointestinal problems, a decrease in body temperature, and reduced locomotion.

An interesting alternative immunomodulatory approach is the neonatal induction of tolerance towards the cells intended for later transplantation. In a third study, porcine neuronal precursor cells (pNPCs) were therefore comparatively grafted into the STN of rats, which received either a pharmacological immunosuppression with CsA, were neonatally tolerance-induced, or were not immunomodulated at all. Bilateral grafting of pNPCs into the STN was anticonvulsant in all animal groups, but only the induction of tolerance was able to promote long-lasting anticonvulsant effects in response to grafting of pNPCs. Compared to CsA treatment, the induction of tolerance did not cause any obvious adverse effects. Nevertheless, the observed anticonvulsant effects were still transient. Our promising data on neonatal induction of tolerance and the use of pNPCs for xenotransplantation studies in epilepsy research merit further investigations.

 

keywords

Basalganglien, Pentylenetetrazol, Immunsuppression, basal ganglia, pentylenetetrazole, immunosuppression 

kb

29.486