Dissertation

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

Friederike Twele

Charakterisierung und Optimierung des fokalen Kainat-Modells

und des Pentylentetrazol-Anfallsschwellen-Tests der Maus für die

Entwicklung neuer Therapieoptionen von Epilepsien

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-106970

title (engl.)

Characterization and optimization of the focal kainate model and the pentylenetetrazole seizure threshold test in mice for the development of new treatment options for epilepsies

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/twelef_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Epilepsie ist eine der häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen bei Mensch, Hund und Katze. Der Temporallappenepilepsie, der häufigsten Epilepsieform des Menschen, liegt häufig ein initialer Hirninsult zugrunde, wie etwa eine Infektion, ein Hirntumor, ein Schädel-Hirn-Trauma oder ein Status epilepticus. Die Zeit zwischen dem initialen Insult und dem ersten spontanen Anfall wird als Latenzzeit bezeichnet und bietet ein therapeutisches Fenster für präventive Therapien. Es besteht zurzeit jedoch keine Möglichkeit, in den Prozess der Krankheitsentwicklung (Epileptogenese) einzugreifen. So erfolgt die Therapie weiterhin durch eine symptomatische Unterdrückung der spontanen Anfälle mittels Antiepileptika, die nicht ursächlich in den Krankheitsprozess eingreifen. Dabei werden etwa 30% der Epilepsie-Patienten als pharmakoresistent eingestuft, was bedeutet, dass bei ihnen trotz einer adäquaten Therapie weiterhin unkontrollierbare Anfälle auftreten. Für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien besteht vor allem ein Bedarf an zeitsparenden Screening-Modellen, die schon nach wenigen Wochen eine Aussage über den antiepileptogenen Effekt der untersuchten Substanz ermöglichen, und die im Vergleich zu traditionell eingesetzten akuten Anfallsmodellen durch eine bessere prädiktive Validität der Ergebnisse gekennzeichnet sind. In dieser Arbeit sollten deshalb sowohl ein Anfalls- als auch ein Epilepsiemodell an der Maus für die Entwicklung neuer Therapieoptionen charakterisiert und etabliert werden.

Der erste Abschnitt hatte das fokale Kainat-Modell zum Gegenstand, das bisher nicht für Antiepileptogenese-Studien zum Einsatz kam, an weiblichen NMRI-Mäusen zu etablieren. Entgegen unserer Hypothese gelang es jedoch nicht, die Latenzzeit elektrographisch eindeutig von der chronischen Phase der Epilepsie abzugrenzen. So konnte zu keiner Zeit eine Ruhephase ohne epileptiforme Aktivität im EEG festgestellt werden, sondern eine kontinuierliche Entwicklung der Entladungen in Richtung chronisch auftretender Anfallsaktivität, sogenannter High voltage sharp waves (HVSW). Der Mausstamm und die Narkoseform hatten keinen, die Kainatdosis lediglich einen geringen Einfluss auf die Latenzzeit. Durch eine fokusferne EEG-Ableitung konnte eine verbesserte Abgrenzbarkeit der Latenzzeit erreicht werden, doch führte dies zu einer deutlichen Reduktion spontaner Anfallsaktivität in der chronischen Phase, die für ein Screening-Modell ungeeignet erscheint. Im Gegensatz dazu ließ sich bei männlichen NMRI-Mäusen eine Latenzzeit im EEG ermitteln. An diese schloss sich eine progressive Entwicklung von Entladungen sowohl des bereits bei den weiblichen Mäusen dominierenden Anfallstyps HVSW als auch des Typs HPD (Hippocampal paroxysmal discharges) an, der bereits von anderen Arbeitsgruppen bei männlichen Mäusen im fokalen Kainat-Modell beschrieben wurde. Auch in der chronischen Phase konnten diese beiden Anfallstypen bei männlichen Mäusen detektiert werden, wobei der Typ HPD in einer deutlich höheren Frequenz als bei weiblichen Mäusen auftrat. Exemplarisch wurde die Wirkung von drei Antiepileptika auf die chronische Anfallsaktivität der männlichen Mäusen untersucht, und es konnte eine deutlich erhöhte Sensitivität gegenüber den untersuchten Antiepileptika im Vergleich zu weiblichen Mäusen festgestellt werden. Dies ist somit die erste Studie, in der ein Geschlechtsdimorphismus für das fokale Kainat-Modell der Maus ermittelt wurde. Als zugrundeliegende Ursachen kommen sowohl bekannte Unterschiede in Strukturen und Netzwerken des Gehirns als auch ein Einfluss von Sexualhormonen auf die Anfallsempfindlichkeit in Frage, und es bedarf weitergehender Studien, um die komplexen Mechanismen zu analysieren. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass vor allem der bisher meist unterschätzte Faktor „Geschlecht“ in präklinischen Studien einen Einfluss auf das verwendete Modell und die ermittelten Ergebnisse haben kann. Vor allem im Hinblick auf die Übertragbarkeit präklinischer Ergebnisse auf Epilepsiepatienten beider Geschlechter sollte in zukünftigen Studien der Einsatz beider Geschlechter bevorzugt werden.

In einer weiteren Studie wurde das antiepileptogene Potential des AMPA-Rezeptor-Antagonisten NBQX im fokalen Kainat-Modell untersucht. Es konnte weder ein antiepileptogener, noch ein krankheitsmodifizierender Effekt festgestellt werden. Ursachen für die fehlende Wirkung mögen im gewählten Behandlungsschema liegen und schließen ein antiepileptogenes Potential von NBQX nicht aus, was bereits in anderen Studien nachgewiesen wurde. Es bleibt jedoch festzustellen, dass das fokale Kainat-Modell der Maus grundsätzlich für Antiepileptogenese-Studien geeignet erscheint, um in vergleichsweise kurzer Zeit eine Aussage über das antiepileptogene Potential einer Substanz treffen zu können.

Im zweiten Abschnitt wurde die Wirksamkeit etablierter Antiepileptika an chronisch-epileptischen Mäusen im Pentylentetrazol-Anfallsschwellen-Test (PTZ-Test) untersucht, um zu überprüfen, ob die Verwendung chronisch-epileptischer Mäuse in einem akuten Anfallsmodell ein vielversprechendes Screening-Modell für die Entwicklung besser wirksamer Antiepileptika darstellt. Entgegen unserer Hypothese waren die akut ausgelösten Anfälle im PTZ-Test bei chronisch-epileptischen Tieren nicht resistent gegenüber der Mehrheit der untersuchten Antiepileptika. Nur für Valproat konnte eine schlechtere Wirkung bei chronisch-epileptischen Mäusen festgestellt werden. Zu unserer Überraschung ließ sich für eine niedrige Dosis von Levetiracetam sogar eine bessere antikonvulsive Wirksamkeit bei chronisch-epileptischen Mäusen nachweisen. Der Einsatz chronisch-epileptischer Mäuse im PTZ-Test stellt auf Grundlage der erhobenen Ergebnisse keine geeignete Methode dar, um die prädiktive Validität des PTZ-Modells zu verbessern.

abstract (englisch)

Epilepsy is one of the most common chronic neurological diseases in humans, dogs, and cats. Temporal lobe epilepsy, the most common form of epilepsy in humans, is often caused by an initial brain insult such as infection, brain tumor, traumatic brain injury, or status epilepticus. The time between the initial insult and the first spontaneous seizure is called latent period and offers a therapeutic window for prophylactic treatments. At the moment, there is no possibility to intervene the development of the disease (epileptogenesis). The only available treatment is the symptomatic suppression of spontaneous seizures with antiepileptic drugs, which do not interfere with the causal disease process. 30% of epilepsy patients are pharmacoresistant, meaning that they still show uncontrollable seizures despite adequate treatment. There is a clear need for time-saving screening-models for the development of new therapeutic strategies. These models should enable an evaluation of potentially antiepileptogenic substances within a few weeks and should be characterized by a higher predictive validity in comparison to traditionally used seizure models. For this reason, the objective of this thesis was to characterize and establish a model for acute seizures as well as a model for chronic epilepsy in mice for the development of new treatment options.

The first part of the study consisted of the establishment of the focal kainate-model which has not been used for studies on antiepileptogenesis in female NMRI-mice before. In contrast to our hypothesis, it was not possible to electrographically distinguish the latent period from the chronic phase of epilepsy. There was no silent phase without epileptiform activity in the EEG, but a continuous progression of discharges towards a chronic seizure activity consisting of high voltage sharp waves (HVSW). The latent period was not influenced by the mouse strain or the form of anesthesia but slightly by the dose of kainate. With EEG recordings outside of the focus, a latent period could be distinguished, but the spontaneous seizure activity in the chronic phase was reduced to an extent inappropriate for a screening-model. In apparent contrast, it was possible to determine a latent period in the EEG in male NMRI-mice. The latent period was followed by a progression of discharges towards the dominant seizure type of HVSW already seen in female mice, and additionally Hippocampal paroxysmal discharges (HPD), which have already been described by other research groups when using male mice in the focal kainate model. The two types could also be recorded in the chronic phase, during which HPD appeared in significantly higher frequencies in male compared to female mice. Exemplarily, the effect of three antiepileptic drugs on the chronic seizure activity of male mice was tested and a significantly increased sensitivity to the investigated antiepileptic drugs was found in comparison to female mice. This is the first study that determined a sexual dimorphism in the focal kainate model in mice. The underlying causes could be known differences in structures and networks of the brain as well as the influence of sex hormones on seizure susceptibility and require further studies to analyze the complex mechanisms. In summary, the results show that particularly, the so far underestimated factor “sex” influences the used model and the obtained results in preclinical studies. Especially regarding the translation of preclinical results to patients with epilepsy of both sexes, the use of both sexes in future experimental studies should be preferred.

In a further study, the antiepileptogenic potential of the AMPA receptor antagonist NBQX was analyzed in the focal kainate model in mice. Neither an antiepileptogenic nor a disease-modifying effect could be determined. This might be due to the chosen treatment-protocol and does not exclude the antiepileptogenic potential of NBQX, which has already been demonstrated in different studies in other models.

In the second part of the thesis, the efficacy of established antiepileptic drugs was investigated in chronic-epileptic mice in the pentylenetetrazole seizure threshold test (PTZ test) to evaluate whether using chronic-epileptic mice in a model for acute seizures might constitute a promising screening-model for the development of more effective antiepileptic drugs. In contrast to our hypothesis, the acutely induced seizures in the PTZ test in chronic-epileptic mice were not resistant to the majority of the examined antiepileptic drugs. Only valproate showed a lower efficacy in chronic-epileptic mice. Surprisingly, a low dose of levetiracetam showed higher anticonvulsant efficacies in chronic-epileptic mice. Based on the obtained results, using chronic-epileptic mice in the PTZ test does not seem to be a suitable method to increase the predictive validity of the PTZ test.

keywords

Epileptogenese, Kainat, Pharmakoresistenz, epileptogenesis, kainate, pharmacoresistance

kb

23.297