Dissertation

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

Sabine Klein

 

Untersuchungen zur Wirkung von Antiepileptika und zum Auftreten Depressions-assoziierten Verhaltens im fokalen Kainat-Modell in der Maus

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104912

title (engl.)

Investigations on the effects of antiepileptic drugs and on the occurrence of depression-associated behaviour in the focal kainic acid mouse model

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kleins_ss14.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsie ist eine der häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen bei Mensch, Hund und Katze. Sie ist durch das Auftreten spontaner Anfälle zentralen Ursprungs gekennzeichnet. Die Therapie besteht in der Regel in der dauerhaften Verabreichung von Antiepileptika, welche die Anfälle symptomatisch unterdrücken. Eine pharmakotherapeutische Heilung ist bisher nicht möglich. Bei über 30 % der Epilepsiepatienten treten jedoch trotz einer adäquaten Behandlung weiter Anfälle auf, sodass sie als pharmakoresistent eingestuft werden. Die Mechanismen, die zur Resistenz führen, sind noch weitgehend unbekannt. Die meisten Patienten, die gegen ein Antiepileptikum resistent sind, sprechen auch nicht auf eine Behandlung mit Antiepileptika anderer Wirkmechanismen an. Dies spricht gegen die Möglichkeit, dass alleine eine Veränderung der Zielstrukturen, an welchen die Antiepileptika wirken, die Resistenz verursacht. Vielmehr müssen auch unspezifischere Mechanismen eine Rolle spielen, wie etwa die Überexpression von sogenannten „Multidrug-Transportern“ in der Blut-Hirn-Schranke, welche Substanzen aus dem Gehirn zurück in die Blutbahn transportieren und so zu verminderten Arzneimittelkonzentrationen im epileptischen Fokus führen. Ein sehr gut untersuchter Effluxtransporter ist das P-Glykoprotein (Pgp), das physiologisch eine entscheidende Rolle zum Schutz des Organismus vor toxischen Substanzen spielt, indem es die Akkumulation in besonders empfindlichen Geweben wie dem Gehirn verhindert. Antiepileptika, die von Pgp transportiert werden, sind beispielsweise Phenytoin, Phenobarbital, Lamotrigin und Oxcarbazepin. Eine erhöhte Expression von Pgp wurde bereits in reseziertem Gewebe menschlicher pharmakoresistenter Patienten sowie im Tiermodell bei pharmakoresistenten Ratten nachgewiesen.

Das Ziel der vorliegenden Studie war die Etablierung eines Modells, welches einerseits geeignet ist, zugrundeliegende Resistenzmechanismen zu untersuchen, und in welchem andererseits neue Arzneimittel speziell zur Behandlung pharmakoresistenter Patienten entwickelt werden können. In der vorliegenden Studie wurde das intrahippocampale Kainat-Modell in der Maus gewählt. Zur Untersuchung der Auswirkungen von Pgp auf die Pharmakoresistenz wurden dabei FVB/N-Wildtyp- (FVB/N-wt-) und mdr1a/b(‑/‑)-Mäuse, welche kein Pgp exprimieren, in ihrem Ansprechen auf verschiedene Antiepileptika verglichen.

Es konnte gezeigt werden, dass die Frequenz fokaler Anfälle hoch genug war, dass anti- oder prokonvulsiver Effekte nach einer einmaligen Behandlung beurteilt werden konnten. Damit ist das intrahippocampale Kainat-Modell das einzige chronische Epilepsiemodell, welches diese Möglichkeit bietet. Es stellte sich dabei außerdem wie erwartet als sehr resistent dar. Die Frequenz fokaler Anfälle konnte nur durch die Behandlung mit Diazepam in ethanolhaltiger Lösung, in der Gruppe der FVB/N-wt-Mäuse durch Levetiracetam und in der Gruppe der mdr1a/b(‑/‑)-Mäuse durch Phenobarbital signifikant gesenkt werden. Carbamazepin und Phenytoin riefen hingegen prokonvulsive Effekte hervor. Durch die Behandlungen mit Phenobarbital bei den FVB/N-wt-Mäusen, Levetiracetam bei den mdr1a/b(‑/‑)-Mäusen sowie mit Diazepam in wässriger Lösung und Valproat bei allen Mäusen konnte keine signifikante Veränderung der Anfallsfrequenz hervorgerufen werden. Allerdings erscheint im Hinblick auf auftretende antikonvulsive Tendenzen eine Erhöhung der Anzahl untersuchter Tiere sinnvoll, um die statistische Validität der Versuche zu verbessern und so auch geringe Effekte nachweisen zu können.

Nur ein Teil der menschlichen Epilepsiepatienten ist pharmakoresistent, während andere durch die gleiche Behandlung anfallsfrei werden. Eine entsprechende Einteilung der Tiere in Responder und Nonresponder konnte in dieser Studie erfolgreich durchgeführt werden. Es traten jedoch keine „generellen“ Responder auf, bei welchen die Anfallsfrequenz durch (fast) alle Antiepileptika gesenkt werden konnte. Eine solche Klassifikation könnte große Vorteile in der Entwicklung spezieller Therapiemöglichkeiten für humane pharmakoresistente Patienten bringen. Daher sollten zu dieser Thematik unbedingt weitere Studien angefertigt werden, die beispielsweise andere Mausstämme einsetzen könnten.

Unterschiede zwischen FVB/N-wt- und mdr1a/b(‑/‑)-Mäusen konnten weder in der Auswertung der gesamten Tiergruppen noch in der Responder-Nonresponder-Selektion unter der Behandlung mit Pgp-Substraten gefunden werden. Die Hypothese, dass Pgp einen Einfluss auf die Pharmakoresistenz nimmt, konnte demnach in dieser Arbeit nicht bestätigt werden.

Ein weiteres Ziel bestand darin herauszufinden, ob das fokale Kainat-Modell geeignet ist, Depressions-assoziiertes Verhalten in Mäusen näher zu untersuchen. Depressionen sind die häufigste psychiatrische Komorbidität und betreffen 20 – 40 % aller Epilepsiepatienten. Sie vermindern die Lebensqualität betroffener Patienten erheblich. In dieser Studie gelang es durch den Einsatz des Sucrose-Preference-Tests, eine Depressions-assoziierte Anhedonie der epileptischen Mäuse nachzuweisen, welche über einen Zeitraum von mindestens 40 Wochen erhalten blieb. Der Test und das Modell bieten sich folglich für weitere Untersuchungen des Zusammenspiels von Depression und Epilepsie an.

Insgesamt charakterisiert die vorliegende Arbeit das intrahippocampale Kainat-Modell in der Maus als vielversprechenden Ansatz für weitergehende Untersuchungen sowohl der Entstehung und Behandlung der Pharmakoresistenz als auch  depressiver Störungen bei Epilepsiepatienten.

abstract (englisch)

Epilepsy is one of the most frequent neurological disorders in humans as well as in cats and dogs. It is characterized by a predisposition of the brain to develop spontaneous recurrent seizures. The therapy of choice to treat epilepsies is the chronic administration of antiepileptic drugs, which symptomatically suppress the epileptic seizures. It is, however, not possible to cure epilepsy yet. About 30 % of epilepsy patients are not seizure-free although they are treated in an adequate way, and so have to be classified as pharmacoresistant. The mechanisms, which lead to pharmacoresistance, are still only poorly understood. Most of the patients who are resistant to one antiepileptic drug do not get seizure free with another antiepileptic drug, even though it may act differently. This does not support the hypothesis that a specific change of the target regions of the antiepileptic drug is the only cause of pharmacoresistance. Contrary, an unspecific change like overexpression of multidrug transporters in the blood-brain barrier, which transport substances from the brain back to the blood and reduce the drug concentration in the epileptic focus, could explain this inefficiency. One of these multidrug transporters is P‑glycoprotein (Pgp). Physiologically Pgp plays an important role in the protection of the organism against toxic substrates, because it avoids the accumulation in sensitive tissues like the brain. The following antiepileptic drugs, among others, are known to be transported by Pgp: phenytoin, phenobarbital, lamotrigine and oxcarbazepine. An increased expression of Pgp in the blood-brain-barrier could already be detected in resected human tissue of pharmacoresistant epileptic patients as well as in pharmacoresistant rats in several epilepsy models.

The aim of this study was to establish an animal model that can be used to investigate mechanisms of pharmacoresistance and to develop new drugs especially useful in the treatment of pharmacoresistant patients. For this issue the focal kainic acid mouse model has been used. To analyse the effects of Pgp on pharmacoresistance FVB/N-wildtype (FVB/N-wt) and mdr1a/b(‑/‑) mice, which do not express Pgp, were compared in their response to different antiepileptic drugs.

It could be shown that the frequency of focal seizures in this model was high enough to detect anti- or proconvulsive actions after just one acute treatment. Thus, it is the only chronic epilepsy model that offers this opportunity. As expected the model proved to be very resistant: The frequency of focal seizures could only be reduced significantly by the treatment with diazepam in an ethanol-containing solution. In the group of FVB/N-wt mice with levetiracetam and in the group of mdr1a/b(‑/‑) mice with phenobarbital. Carbamazepine and phenytoin produced proconvulsive effects. No effects could be seen after treatment with phenobarbital in the FVB/N-wt mice, with levetiracetam in mdr1a/b(‑/‑) mice and in all mice after treatment with diazepam in an aqueous solution and valproate. Because of occurring anticonvulsant tendencies it seems, however, useful to increase the number of analysed animals to improve the statistical power of the investigations and thus the sensitivity to smaller effects.

Only a fraction of human epilepsy patients are pharmacoresistant while others become seizure-free although they get the same treatment. An equivalent division of the animals into responders, which react on treatment, and nonresponders, which still have seizures, could be successfully done. But no “general” responders which show a response to (almost) all antiepileptic drugs could be found. A classification like this could be of significant advantage in the development of new therapeutic strategies for pharmacoresistant patients. For this purpose further studies should investigate this topic using for example other mouse strains.

Significant differences between FVB/N-wt and mdr1a/b(‑/‑) mice could not be found, neither in the analysis of treatment in groups nor in the responder-nonresponder selection. The hypothesis about Pgp playing an important role in pharmacoresistance could not be confirmed in this study.

Another important aim of this study was to investigate whether the kainic acid mouse model is suitable to detect depression-associated behavior. Depression is the most frequent psychiatric comorbidity affecting 20 – 40 % of epilepsy patients. It substantially reduces the quality of life of these patients. In this study a depression-associated anhedonia could successfully be detected in epileptic mice using the sucrose preference test. This anhedonia lasted for at least 40 weeks. Therefore, this test and model are hopeful candidates for upcoming investigations about the interference of depression and epilepsy.

Altogether, this study characterizes the intrahippocampale kainic acid mouse model as a promising approach for further investigations of both, causes of and therapies for pharmacoresistance as well as depression in epilepsy patients.

keywords

Epilepsie, P-Glykoprotein, Kainat, epilepsy, P-glycoprotein, kainic acid

kb

1.976