Dissertation

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

 

Rebecca Klee

 

 

Modifikationen des intrahippocampalen Kainat-Modells

der Ratte zur Optimierung für Studien der

Epilepsieprävention

und

Verträglichkeit verschiedener Substanzkombinationen mit

möglicher antiepileptogener Wirkung

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108197

title (engl.)

Modification of the focal kainate model in rats for optimized use in studies on epilepsy-prevention and tolerability of different drug combinations with a potential antiepileptic efficacy

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kleer_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsien zählen zu den häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen von Mensch und Tier. Die Entwicklung von strukturell-metabolischen Epilepsien, wie der Temporal­lappenepilepsie (TLE) kann durch eine Reihe von Hirninsulten, wie traumatische Verletzungen des Schädels, Tumoren, Enzephalitiden oder einen Status epilepticus (SE) ausgelöst werden. Der Zeitraum von einem epileptogenen Insult bis zum Auftreten erster epileptischer Anfälle wird als Latenzphase bezeichnet. Zum jetzigen Zeitpunkt besteht keine Möglichkeit, den Prozess der Epilepsie­entstehung, der Epileptogenese genannt wird, aufzuhalten.

Um präklinisch Anti­epilepto­genese-Studien durchführen zu können, werden geeignete Tiermodelle benötigt. Es gibt bereits viele verschiedene Epilepsiemodelle für Ratten und Mäuse, allerdings wird immer deutlicher, dass all diese Modelle Vor- aber auch Nachteile haben, wenn es das Ziel ist, antiepileptogene Strategien zu untersuchen. Der Vorteil des fokalen Kainat-Modells der Ratte gegenüber dem Modell der Maus ist eine größere Ähnlichkeit der klinischen Symptomatik und neuro­pathologischen Veränderungen zu den Veränderungen, die in humanen TLE-Patienten auftreten. Es besitzt also eine hohe Augenschein­validität („face validity“). Das fokale Kainat-Modell der Maus eignet sich aufgrund eines schnellen Auftretens anfalls­artiger Ereignisse im Elektroenzephalogramm (EEG) nach dem primären Insult als Screening-Modell anti­epileptogener Effekte. Im entsprechenden Modell der Ratte müssen aufgrund einer langen Latenz und geringer Anfalls­frequenzen sehr zeit­intensive Unter­suchungen durchgeführt werden. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigte sich daher mit der Modifikation des intra­hippocampalen Kainat-Modells der Ratte, in Anlehnung an das Maus-Modell, um es in Anti­epilepto­genese-Studien optimaler einsetzen zu können.

In dieser Studie wurde nach Vergleich der beiden Modelle eine Reihe methodischer Modifikationen durchgeführt. Die Kainat­injektion wurde an anästhesierten Tieren durchgeführt. Es wurden fokale Elektroden implantiert, die Injektions­stelle wurde verlegt und die Dosis sowie das Volumen des Kainats schrittweise erhöht. Alle durchgeführten Anpassungen des Ratten-Modells an das Maus-Modell konnten die vorteilhaften EEG Charakteristika des Maus-Modells nicht reproduzieren. Der Einsatz des Inhalations­anästhetikums Isofluran während der Injektion von Kainat in den Hippocampus resultierte überraschenderweise in einer signifikant geringeren Inzidenz epileptischer Tiere im Vergleich zu dem originären Modell der Ratte. Dieser Effekt ist nach Auswertung der EEG- und Video­aufnahmen des SE der Tiere nicht auf die Reduktion der Dauer oder Schwere des Kainat-induzierten SE zurückzuführen. Dies legt die Schlussfolgerung nahe, dass es sich um die Folge bisher nicht untersuchter anti­epilepto­gener Effekte Isoflurans handeln könnte.

Um anti­epileptogene Effekte zu erzielen, werden in der Epilepsie­forschung verschiedene Strategien verfolgt. Zum einen werden etablierte Anti­epileptika untersucht, zum anderen moduliert man verschiedene Mechanismen, die in die Epilepto­genese involviert zu sein scheinen. Neuro­inflammation, Neuro­degeneration und neuronale Hyper­exzitabilität sind einige von ihnen. Einige Substanzen konnten Teil­abläufe der Epilepto­genese beeinflussen. So konnten in all diesen Bereichen Teilerfolge erzielt werden. Es ist bislang jedoch nicht gelungen, die Entstehung von Epilepsien zu verhindern. In den bisher durch­geführten Untersuchungen wurde meist je eine Substanz verwendet. Aufgrund der Komplexität der Epilepto­genese erscheint es zielführend, pharmakologisch in unterschiedliche Ziel­strukturen bzw. Signal­wege einzugreifen, und so mit Hilfe eines Synergismus der Einzel­effekte mehrerer Substanzen das Ziel einer Epilepsie­prävention zu erreichen. Bevor solche Substanz­kombinationen in einer Anti­epilepto­genese-Studie eingesetzt werden können, müssen sie auf ihre Verträglichkeit untersucht werden. Der zweite Teil dieser PhD-Arbeit befasste sich mit der Untersuchung der Verträglichkeit von vier erfolgs­versprechenden Substanz­kombinationen in der Maus.

Zu diesem Zwecke wurde in Anlehnung an die klinische Arzneimittel­prüfung ein Versuchs­ablauf entwickelt, bei dem zunächst nicht-epileptische und dann epileptische Mäuse sowie Mäuse nach einem epileptogenen Insult während der Latenz untersucht wurden. Entgegen unserer Erwartungen konnte nur bei einer Kombination eine schlechtere Verträglichkeit in epileptischen Tieren gegenüber nicht-epileptischen Tiere beobachtet werden. Zudem vertrugen die Tiere die Behandlungen während der Latenz nicht schlechter als in der chronischen Phase der Epilepsie. Insgesamt konnten bei drei der vier untersuchten Substanz­kombinationen (Phenobarbital und Levetiracetam; Topiramat und Levetiracetam sowie Levetiracetam, Parecoxib und Anakinra) in keiner der untersuchten Tier­gruppen deutliche Neben­wirkungen beobachtet werden. Die Kombinationen werden nun in Anti­epilepto­genese-Studien untersucht werden. Bei der Kombination von Valproat, Losartan und Memantin traten deutlichere Nebenwirkungen, wie Ataxie und verminderte motorische Koordination der Mäuse auf. Da das Allgemeinbefinden der Mäuse während der Behandlung jedoch nicht gestört war, wird diese Kombination ebenfalls auf ihre anti­epilepto­gene Effektivität untersucht werden.

 

abstract (englisch)

Epilepsy is one of the most common chronic neurological disorders in animals and humans. The development of structural-metabolic epilepsies, like temporal lobe epilepsy, can be induced by different insults like traumatic brain injuries, brain tumors, encephalitis, or status epilepticus (SE). The time between such an initial insult and the occurrence of the first epileptic seizures is called latent period. There is until now no possibility to halt the development of epilepsies, called epileptogenesis.

Suitable animal models are needed to perform preclinical studies on antiepileptogenesis. Several models of chronic epilepsy are already existing in rats and mice, but it becomes apparent that all existing models have advantages and disadvantages, when antiepileptic effects are investigated. The advantage of the focal kainate model in rats over the mouse model is a greater similarity in clinical symptomatology and neuropathological changes to those seen in human TLE patients. It has therefore a high face validity. The focal kainate model in mice is a suitable screening model for antiepileptogenic effects because it is characterized by a fast development of seizure like events in the electroencephalogram (EEG) following the initial insult. In the equivalent rat model time-intensive studies are necessary due to a long latent period and low seizure frequencies in the chronic phase. The first part of this thesis deals with the modification of the intra­hippocampal kainate model in rats according to the model in mice, with the aim to optimize it for the use in studies on antiepileptogenesis.

After comparing the two models, a series of methodological modifications was performed. Kainate was injected in anesthetized animals, focal electrodes were implanted, the injection site was adapted, and the dose and volume of kainate were step-by-step increased. All performed adjustments of the rat model did not reproduce the EEG characteristics of the mice model. The use of the volatile anesthetic isoflurane during the kainate injections into the hippocampus resulted in a significantly decreased incidence of epileptic animals when compared to the original rat model. After analysis of the EEG and video during SE of the animals it becomes clear that this is not the result of a reduction of duration or severity of the kainate-induced SE. One may conclude that this is the consequence of not yet investigated antiepileptogenic effects of isoflurane.

In epilepsy research, several strategies are pursued to achieve antiepileptogenic effects. On the one hand established antiepileptic drugs are investigated, on the other hand an attempt is to modulate several mechanisms which are involved in epileptogenesis. Neuro­inflammation, neurodegeneration, und neuronal hyperexcitability are some of them. Several of the previously used substances were able to modify epileptogenesis and partial success was reported in all mentioned areas. But until now it was not possible to halt the development of epilepsies. In the majority of studies, drugs were given as monotherapy. Due to the complex nature of epileptogenesis it seems to be promising to target different pathways and achieve the aim of epilepsy prevention via synergistic effects of a combination of substances. Before those drug combinations can be used in antiepileptogenesis trials, their tolerability needs to be tested. The second part of this thesis addresses the tolerability testing of four promising drug combinations in mice.

For this purpose an experimental schedule was generated, modelled after clinical drug trials. Nonepileptic mice were used as a first step, followed by epileptic mice and mice during the latent period shortly after status epilepticus. In contrast to our expectations only in one combination a lower tolerability could be determined in epileptic compared to nonepileptic animals and tolerability during latency was not worse than in chronic epileptic mice. In total, we could not detect significant adverse effects in three of the four combinations (phenobarbital and levetiracetam; topiramate and levetiracetam, and levetiracetam, parecoxib and anakinra) in all tested animal groups. These combinations will now be investigated in anti­epileptogenesis trials. The treatment with the combination of valproate, losartan and memantine resulted in more obvious side effects, like ataxia and a reduced motor coordination. Because the general condition of the mice was not impaired during treatment with this combination, its antiepileptogenic effects will also be investigated

 

keywords

Antiepileptogenese, Isofluran, Polypharmakologie, Antiepileptogenesis, Isoflurane, Network pharmacology

kb

5.735