Dissertation

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

Ina Leiter

Zerebrale Energie-Stoffwechsel-Veränderungen im Kontext der Epileptogenese und als therapeutisches Target zur Epilepsie-Prävention

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110000

title (eng.)

Changes in cerebral energy metabolism in the context of epileptogenesis and as therapeutic target for epilepsy prevention

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/leiteri_ss17.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsien, die infolge eines Hirninsults entstehen, machen einen hohen Anteil unter den verschiedenen Epilepsieformen aus. Bisher gibt es keine epilepsiepräventiven Therapien, um die durch einen Insult des Gehirns ausgelöste Epileptogenese zu verhindern oder zu beschränken. Zur Entwicklung epilepsiepräventiver Therapien müssen die einer Epileptogenese zugrundeliegenden Mechanismen besser verstanden werden. Veränderungen im zerebralen Energiestoffwechsel scheinen eine

wichtige Rolle bei der Epilepsieentwicklung zu spielen, ebenso auch

Entzündungsgeschehen und Beeinträchtigungen der Blut-Hirn-Schranken-Integrität.

Translationale Bildgebungsverfahren wie die Positronen-Emissionstomographie (PET) und die Magnetresonanztomographie (MRT), die in vivo eine longitudinale Untersuchung der Epileptogenese ermöglichen, wurden in dieser Arbeit eingesetzt, um den zerebralen Glukosestoffwechsel im Kontext mit anderen relevanten Aspekten der Epileptogenese zu untersuchen. Die PET mit den Tracern [18F]FDG zur Untersuchung des zerebralen Glukosestoffwechsels und [18F]GE-180 zur Darstellung

von Entzündungsgeschehen (Mikrogliaaktivierung) wurde während der

Epileptogenese wiederholt angewendet, um den Verlauf hinsichtlich beider Aspekte und Effekte von Therapieansätzen zugleich in vivo analysieren zu können. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden die Effekte der beiden in den Energiestoffwechsel eingreifenden Therapieansätze 2-Desoxy-D-Glukose (2-DG) und ketogene Diät (KD) im Hinblick auf eine potentielle antiepileptogene Wirkung getestet. 

In der ersten Teilstudie wurde der zerebrale Glukosestoffwechsel mit [18F]FDG-PET während der Epileptogenese und unter Beeinflussung durch eine Behandlung mit 2-DG im kornealen Kindlingmodell in Mäusen untersucht. Ein kinetisches Modeling der PET-Daten wurde durchgeführt.  Die Kindlingprogression war in den mit 2-DG behandelten Tieren in der frühen Phase abgeschwächt und es wurden insgesamt weniger Anfälle vom höchsten Schweregrad gezeigt. Die [18F]FDG-PET ließ erkennen, dass die 2-DG-Behandlung während der kindlingvermittelten Epileptogenese die Glukoseversorgung im Mausgehirn steigert. Das Kindling verursachte eine Aktivierung von Astrozyten, die durch 2-DG abgeschwächt wurde. Zusammen mit der zugleich durch 2-DG bewirkten Aktivierung von Mikroglia könnte dies einen Teil des positiven Einflusses auf die Epileptogenese ausmachen. Eine veränderte Expression des

Glukosetransporters 1war in keiner Tiergruppe ersichtlich, ebenso wenig eine Neurodegeneration. Die 2-DG-Behandlung zeigte damit Hinweise auf antiepileptogene Eigenschaften im kornealen Kindlingmodell in der Maus. Behandlungseffekte auf den zerebralen Glukosestoffwechsel konnten während der Kindlingprogression mit der [18F]FDG-PET nachvollzogen werden.

In der zweiten Teilstudie wurde der Verlauf und die Ausprägung der

Albuminextravasation im Kontext mit der Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke in der frühen Epileptogenese nach einem Status epilepticus (SE) im Pilocarpinmodell in Ratten mit Immunhistochemie und MRT untersucht. Damit assoziierte und zur frühen epileptogenen Neuropathologie beitragende Reaktionen der neurovaskulären Einheit (NVU) wurden immunhistochemisch untersucht.  Die Blut-Hirn-Schranken-Integrität

zeigte sich am ersten bis zweiten Tag nach dem SE in epileptogeneseassoziierten Gehirnregionen am stärksten beeinträchtigt und erholte sich dann, begleitet von einem zerebralen Ödem, das in einem ähnlichen Zeitverlauf auftrat. Auf dem Höhepunkt der Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke wurde Albumin mit Teilen der NVU kolokalisiert, nicht aber mit Astrozyten.  Die Immunreaktivität eines Markers für astrozytäre Endfüßchen war in Arealen mit Albumin-Extravsation reduziert. Anzeichen

für adaptive Reorganisationsvorgänge in Gefäßen waren eine verminderte

Immunreaktivität des Endothels und Veränderungen von Markern für die

Basalmembran. Die frühe Beeinträchtigung der Blut-Hirn-Schranke und die folgenden degenerativen Effekte auf die NVU unterstreichen die Notwendigkeit einer sofortigen therapeutischen Intervention, wenn die Blut-Hirn-Schranken-Integrität im Rahmen einer potentiellen antiepileptogenen Therapie wiederhergestellt werden soll. 

In der dritten Teilstudie wurde die Epileptogenese im intrahippokampalen Kainatmodell in Mäusen während und nach einer vierwöchigen, sich direkt an die Induktion des SE anschließenden ketogenen Diät untersucht. Dazu wurden mehrfach [18F]GE-180-  und [18F]FDG-PET-Scans durchgeführt.  Elf Wochen nach SE wurden intrahippokampal Elektroden zur folgenden Ableitung eines Elektroenzephalogramms (EEG) bei gleichzeitiger Videoüberwachung implantiert.  Im Gegensatz zu mit Standarddiät gefütterten Tieren zeigten mit KD gefütterte Tiere zwei Wochen nach SE

keine Entzündung im [18F]GE-180-PET und vier Wochen nach SE einen

unveränderten Glukosestoffwechsel. Erst sechs Wochen nach dem Absetzen der KD fand sich auch ein Hypometabolismus. Das EEG der Tiere mit KD zeigte weniger und durchschnittlich kürzere anfallsähnliche elektrische Entladungen als das der Tiere mit Standarddiät. Dies deutet auf eine mögliche antiepileptogene Wirksamkeit der KD in diesem Tiermodell mit einem Langzeiteffekt hin. 

abstract (englisch)

Epilepsies induced by a brain insult constitute a significant proportion among the various forms of epilepsy. Hitherto, there are no epilepsy-preventive therapies established to suppress or modify epileptogenesis after brain insult. In order to develop epilepsy-preventive therapies, mechanisms of epileptogenesis need to be better understood. Changes in cerebral glucose metabolism seem to play a key role in epileptogenesis, as well as inflammation and blood-brain barrier leakage. Translational

imaging techniques allowing longitudinal studies of epileptogenesis in vivo like positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI) were used for the evaluation of cerebral glucose metabolism in the context of other relevant aspects of epileptogenesis. PET with the tracers [18F]FDG for imaging cerebral glucose metabolism and [18F]GE-180 for measuring inflammation was used repeatedly during epileptogenesis to concurrently analyze the time courses of both aspects and effects of therapeutic strategies in vivo. Within the scope of these investigations, the effects of two therapeutic strategies influencing energy metabolism, 2-deoxy-d-glucose (2-DG) and ketogenic diet (KD), were assessed in view of a potential anti-epileptogenic efficacy. 

The first substudy investigated cerebral glucose metabolism during

epileptogenesis and during 2-DG treatment in the mouse corneal kindling model using [18F]FDG PET. Kinetic modeling of PET data was performed. Kindling progression was attenuated in 2-DG treated animals during the early phase and less seizures of the most severe type occurred. [18F]FDG  PET revealed that 2-DG treatment during kindling-mediated epileptogenesis  increases  glucose  supply  in  the  mouse  brain. Kindling induced astroglial activation, which was alleviated by 2-DG. Together with the simultaneous induction of microglial activation by 2-DG, this could contribute to the positive interference with epileptogenesis. Altered expression of glucose transporter 1 was not seen in any group, as well as any sign of neurodegeneration.  Thus, 2-DG treatment showed hints of anti-epileptogenic effects in the mouse corneal kindling model. Treatment effects on cerebral glucose metabolism can be monitored during kindling progression using [18F]FDG PET.

The second substudy analyzed the time course and characteristics of albumin

extravasation in the context of blood-brain barrier leakage during early epileptogenesis post status epilepticus (SE) in the rat pilocarpine model using immunohistochemistry and MRI. Associated reactions of the neurovascular unit (NVU), contributing to early epileptogenic pathology, were assessed immunohistochemically. Blood-brain barrier leakage peaked between days one and two post SE in epileptogenesis-associated brain regions and declined thereafter, accompanied by cerebral edema occurring in a similar time course. At the peak of blood-brain barrier leakage albumin was colocalized with parts of the NVU but not with astrocytes. Immunoreactivity of a marker for astrocytic endfeet was reduced in areas of albumin extravasation. Signs of adaptive reorganization processes of the NVU vasculature were seen in terms of decreased immunoreactivity of endothelium and in changes of basement membrane markers. Early impairment of blood-brain barrier and following degenerative events at the level of the NVU show the need for a prompt therapeutic intervention in order to restore blood-brain barrier integrity during a potential antiepileptogenic therapy.

The third substudy assessed epileptogenesis in the mouse intrahippocampal

kainic acid model during and after a four-week KD treatment directly starting after induction of SE. Therefore, multiple [18F]GE-180 and [18F]FDG PET scans were performed. At eleven weeks after SE, electrodes for the following electroencephalography (EEG) with simultaneous video monitoring were intrahippocampally implanted. In contrast to animals being fed a standard diet, KD fed mice did not show inflammation with [18F]GE-180 PET at two weeks after SE and an unchanged glucose metabolism at four weeks after SE. As late as at six weeks after the end of the KD, a hypometabolism was also found. EEG of KD fed animals showed less and generally shorter seizure-like events than those of animals fed a standard diet. This is an evidence for a potential anti-epileptogenic efficacy of the ketogenic diet in this animal model with a long-term effect.

keywords

Epileptogenese, 2-Desoxy-D-Glukose, ketogene Diät ; Epileptogenesis, 2-deoxy-d-glucose, ketogenic diet

kb

5.427