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

 

Marc Wolfgang Nolte

 

Funktionelle Untersuchungen an einem Tiermodell für Temporallappenepilepsie: Elektrophysiologie und neue therapeutische Strategien

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-91722

title (engl.)

Functional investigations in an animal model of temporal lobe epilepsy: Electrophysiology and new therapeutic strategies

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2005

text

/dissertations/noltem_ws05.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsien stellen beim Menschen und bei Hund und Katze die häufigste chronische Erkrankung des zentralen Nervensystems dar. Trotz deutlicher Fortschritte in der Pharmakotherapie der Epilepsien über die letzten Jahrzehnte sind ca. ein Drittel aller Epilepsieformen (bei der Temporallappenepilepsie sogar 60-70 %), sowohl beim Menschen, als auch bei Hund und Katze resistent gegenüber den heute zur Verfügung stehenden Pharmakotherapien. Um diesen pharmakotherapeutischen Notstand zu lösen sind daher ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen, die der Temporallappenepilepsie zugrunde liegen sowie die Suche nach neuen, rationalen Therapieansätzen unumgänglich.

In die Ausbreitung epileptischer Anfallsaktivität sind neben fokusnahen auch fokusferne Hirnregionen wie die Basalganglien einbezogen. In diesem Zusammenhang scheint die Substantia nigra pars reticulata (SNr), als Teil der Basalganglien, eine Schlüsselrolle zu spielen. Die SNr ist vermutlich entscheidend an der Generalisierung unterschiedlichster epileptischer Anfallsaktivitäten beteiligt und kann über Verbindungen zum limbischen System zudem modulierend auf die fokale Aktivität eingreifen („nigrales inhibitorisches System“).

Ziel dieser Ph.D.-Arbeit war es, unter Verwendung eines etablierten Tiermodells für die Temporallappenepilepsie (Amygdala-Kindling-Modell) zum einen durch eine elektrophysiologische Untersuchung des pedunculopontinen Nucleus (PPN) die Kenntnis über die Bedeutung dieser Region sowie der SNr für die Temporallappenepilepsie zu vertiefen. Zum anderen sollten neue therapeutische Strategien (neuronale Transplantation, hochfrequente Tiefenhirnstimulation) innerhalb dieses Tiermodells unter besonderer Berücksichtigung der SNr genauer funktionell untersucht werden.

Mittels extrazellulärer in vivo-Einzelzellableitungen des PPN konnte gezeigt werden, dass im PPN bei vollgekindelten Ratten 24 Std. nach einem generalisierten Anfall eine erniedrigte Entladungsrate, eine vermehrt burst-artige Entladung, ein vermehrt irreguläres Entladungsmuster sowie eine Absenkung der Frequenz, bei der die Neurone oszillieren, vorliegt.

Mit dieser Studie konnte die Ansicht bestätigt werden, dass Veränderungen des epileptischen Netzwerkes auch fokusfern zu finden sind, und dass diese Veränderungen den Anfall überdauern. Zudem wird durch die Erkenntnisse aus dieser Studie die Bedeutung der SNr und deren assoziierten Gehirnareale innerhalb der Temporallappenepilepsie ausgebaut und die Möglichkeit bekräftigt, dass der PPN ein interessantes Ziel für therapeutische Manipulationen innerhalb des epileptischen Krankheitsbildes sein könnte.

 

Innerhalb der Studie zur neuronalen Transplantation konnte das Ziel, durch eine transfizierte Zelllinie, welche hohe Mengen an GABA produziert, deutliche und länger anhaltende antikonvulsive Effekte nach intranigraler Transplantation bei amygdala-gekindelten Ratten zu erzielen, nicht erreicht werden. Diese Zelllinie musste wegen massiver, ungeklärter Gewebereaktionen nach der Transplantation von der Studie ausgeschlossen werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass eine vergleichsweise wenig GABA-produzierende Zelllinie, die eigentlich als Kontrolle fungieren sollte, die generalisierte Anfallsschwelle signifikant im Vergleich zu den Werten vor der Transplantation erhöhte. Jedoch war der insgesamt erzielte antikonvulsive Effekt nicht stark, transient und kein Fortschritt zu bereits in diesem Modell durchgeführten Studien mit Zellen anderen Ursprungs.

 

Innerhalb der Studie zur hochfrequenten Tiefenhirnstimulation konnte gezeigt werden, dass durch eine hochfrequente Neurostimulation des subthalamischen Nucleus mit den in dieser Studie angewendeten Stimulationsregimen (Stimulus: biphasisch, bipolar; Frequenz: 130 Hz; Stimulusbreite: 60µs; Stromstärke: 25µA unter der individuellen motorischen Nebenwirkungsschwelle bzw. einmal 400µA; kontinuierliche Stimulationen mit Vorlaufzeiten vor der Amygdala-Stimulation von zwei oder fünf Sek. bzw. einer oder 24 Std. versus intermittierende Stimulation (30 Sek. alle fünf Min. bzw. fünf Sek. alle fünf Min.) mit Vorlaufzeiten von einer Std.) keine robusten antikonvulsiven Effekte bei amygdala-gekindelten Anfällen hervorgerufen werden konnten. Lediglich bei einer kontinuierlichen Stimulation mit einer Vorlaufzeit von zwei Sekunden bzw. 24 Stunden konnte ein tendenziell antikonvulsiver Effekt beobachtet werden.

 

Die Ergebnisse dieser beiden therapeutischen Studien machten deutlich, dass sich mit diesen Manipulationen tendenziell antikonvulsive Effekte erzielen lassen. Dennoch waren diese schwach ausgeprägt, und es bedarf weitergehender Untersuchungen, um die zukünftige Bedeutung und Effektivität dieser Therapiemethoden im Rahmen des epileptischen Krankheitsbildes, v.a. in Bezug auf den Einsatz innerhalb des „nigralen inhibitorischen Systems“, beurteilen zu können.

 

abstract (englisch)

Epilepsy is the most common chronic disease of the central nervous system in humans and in dogs and cats. Despite noticeable improvements in the pharmacotherapy of epilepsies during the last decades, about one third of all forms of epilepsy (in temporal lobe epilepsy even 60-70 %) are resistant to the currently available pharmacotherapeutics both in humans and in dogs and cats. To overcome this pharmacotherapeutic state of emergency, a better understanding of the pathophysiological mechanisms of temporal lobe epilepsy, as well as the search for new rational therapeutic approaches are essential.

Considering the spread of epileptic discharges, brain regions next to the focus but also distant to the focus, such as the basal ganglia, are involved. In this context the substantia nigra pars reticulata (SNr) as a part of the basal ganglia seems to play a “key-role”. The SNr is thought to be pivotally involved in the generalization of different epileptic seizure activities and can modulate focal seizure activity though connections to the limbic system (“nigral inhibitory system”).

Using an established animal model of temporal lobe epilepsy (the amygdala-kindling-model), the aim of my Ph.D.-thesis was on the one hand to increase the knowledge of the relevance of the pedunculopontine nucleus (PPN) as well as the SNr in the context of temporal lobe epilepsy by electrophysiological investigations of the PPN. On the other hand new therapeutic strategies (neuronal transplantation, high frequency deep brain stimulation) with special regard to the SNr were supposed to be investigated functionally within this animal model.

Using in vivo extracellular single unit recordings of PPN neurons, it could be shown that in the PPN of kindled rats 24 hours after a generalized seizure a decreased discharge rate, an increased burst-like discharge pattern, an increased irregular discharge pattern, as well as a lowering of the frequencies at which the PPN neurons oscillate could be found compared to naive and/ or sham-kindled controls.

This study confirms the hypothesis that alterations of the epileptic network can be found distant to the seizure focus and that these alterations outlast the seizures. Moreover, the findings of this study extend the relevance of the SNr and their associated brain regions within temporal lobe epilepsy and substantiate the possibility of the PPN as an interesting target for therapeutic manipulations of epileptic disorders.

Investigations of neuronal transplantations revealed that the aim, to produce noticeably, longer lasting anticonvulsive effects in amygdala-kindled rats after intranigral transplantation of a transfected cell line, which produces high amounts of GABA, could not be achieved. This cell line had to be excluded from the study due to massive, unexplained tissue reactions. However, it could be shown that another cell line, producing comparatively low amounts of GABA and actually posed as a control, increased the generalized seizure threshold significantly compared to pre-transplantation values. However, the achieved anticonvulsant effect was not strong and transient. There was no progress to previous studies in this model with cell-sources of different origin.

Investigations of high frequency deep brain stimulations revealed that a high frequency stimulation of the subthalamic nucleus with the stimulation parameters used in the present study (stimulus: biphasic, bipolar; frequency: 130 Hz; stimulus width: 60µs; current: 25µA below individual current for motor side effects and once 400µA respectively; continuous stimulations with times preceding the amygdala stimulation of two or five sec. and one or 24 hours respectively versus intermittend stimulations (30 sec. every five min. or five sec. every five min.) with preceding times of one hour) could not evoke robust anticonvulsive effects on amygdala-kindled seizures. However, during a continuous stimulation with lead times of two seconds or 24 hours, a trend towards anticonvulsive effects was observed.

The results of these two therapeutic studies suggested that these manipulations have the tendency to exert anticonvulsive effects. However, the effects were weak. Further investigations are needed to evaluate the future relevance and efficacy of these therapeutic approaches in the context of epilepsy, particularly when used within the “nigral inhibitory system”.

 

keywords

Epilepsie, Elektrophysiologie, Therapie, epilepsy, electrophysiology, therapy

kb

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