Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchung der neuroprotektiven Wirkung von Valproat und des Einflusses von Rattensubstämmen auf die Konsequenzen eines elektrisch induzierten Status epilepticus

Langer, Melanie

Temporal lobe epilepsy (TLE) is one of the most frequent chronic neurological diseases in humans. It is characterized by complex-focal seizures which originate in the temporal lobe of the brain, especially in the hippocampus. Many of the TLE-patients are considered as pharmacoresistant, which means that a treatment with established antiepileptic drugs (AED) does not result in a reduction of the seizure frequency. The recurrent spontaneous seizures cause deficits in learning and memory and a remarkable limitation of the patient’s quality of life. The last option to gain a reduction of the seizure frequency is a surgically removal of the epileptic focus, i.e. the hippocampus and adjacent brain structures. Very often a severe loss of neurons in the hippocampus and surrounding brain regions can be detected by histological examination of this removed brain tissue. These typical changes are constituted as hippocampal sclerosis. They are mainly found in patients, which experienced a brain damaging insult in their past like a traumatic brain injury or a status epilepticus (SE). In retrospective studies it was shown that such incidences lead to a dramatic increase in the risk of developing epilepsy later on. Mostly epilepsy develops after a latency phase, which often consists of many years. For this reason it is assumed that during this time functional changes in specific brain regions occur (“epileptogenesis”), which ultimately lead to the generation of spontaneous seizures. It is desirable that this process could be inhibited or stopped directly after a brain damaging insult so that epilepsy would not develop at all. Up to now this was not possible neither in human patients nor in animal models. However, also a modulaton of epileptognesis in the direction that the epilepsy is less severe and could be treated with established AED would display as a benefit for the patients. In a rat model for chronic TLE pharmacoresistant nonresponders could be distinguished from pharmacosensitive responders not only through their missing response to the treatment with AEDs but also through the existence of typical signs of a hippocampal sclerosis. In rats which reacted to the treatment with a reduction of seizure frequency this form of neurodegeneration was absent. Furthermore, in the same model it was possible to completely prevent the occurrence of neurodegeneration in the hippocampus after a SE by a treatment with the AED valproate over 4 weeks. Based on these findings it was hypothesized that the development of pharmacoresistant epilepsy after a brain damaging insult could be prevented through a prophylactic neuroprotective treatment. For this purpose at first it should be tested if the same neuroprotective effect is possible with a shorter duration of treatment with valproate. In doing so, a significant neuroprotection could be gained with the infusion of valproate over 5 days and also over 24 hours immediately after SE. In addition to that a remarkably neuroprotective effect could be demonstrated for the AMPA-antagonist NS-1209. During the experiments we were forced to change the source of our routinely used Sprague Dawley rats. Changes in the responsiveness of these animals in different models of TLE already could be observed earlier. Therefore, we decided to investigate the influence of substrains of Sprague Dawley rats on the consequences of a SE in this model, before the continuation of experiments. The Sprague Dawley rats of five different vendors were compared for differences in the induction of a SE through electrical stimulation of the basolateral amygdala (BLA), the subsequent development of spontaneous recurrent seizures (SRS) and the dimension of neurodegeneration in the hippocampus. The best results could be achieved with Sprague Dawleys from the laboratory animal breeder Taconic in Denmark. These animals showed a high SE induction rate, the highest fraction of rats, which subsequently developed SRS, and a reliable amount of neurodegeneration in the hippocampus. Due to these results these rats seem to be most suited for further investigations on the possibilities of preventing pharmacoresistance. According to this, the promising neuroprotective treatments with valproate and NS-1209 after the induction of a SE should be repeated with a larger number of these animals. Afterwards they have to be divided into responders and nonresponders through the treatment with the AED phenobarbital and an accompanying EEG and video monitoring for the detection of the seizure frequency. If the hypothesis that neuroprotection prevents pharmacoresistance is approved, then a significant reduction of nonresponders would have to be assessed. In the case that this could be transferred to humans, possibly the development of pharmacoresistant epilepsy and accompanying co-morbidities after a brain damaging insult could be prevented in many people at risk.

Die Temporallappenepilepsie (TLE) gehört zu den häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen des Menschen. Sie ist charakterisiert durch komplex-fokale Anfälle, die ihren Ursprung im Temporallappen des Gehirns und hierin besonders häufig im Hippocampus haben. Ein Großteil der Patienten gilt als pharmakoresistent, was bedeutet, dass eine Behandlung mit gängigen Antiepileptika keine Reduktion der Anfallshäufigkeit bewirkt. Durch die wiederholten spontanen Anfälle kommt es zu Defiziten in Lern- und Gedächtnisleistungen und zu einer erheblichen Einschränkung der Lebensqualität. Die letzte Therapiemöglichkeit für diese Patienten besteht in einer chirurgischen Entfernung des epileptischen Fokus, also des Hippocampus und angrenzender Hirnstrukturen. Bei der histologischen Untersuchung dieser Resektate können sehr häufig massive Neuronenverluste im Hippocampus und angrenzenden Hirnarealen festgestellt werden. Hierbei sind insbesondere die Neurone im Hilus des Gyrus dentatus, sowie die Pyramidenzellen des Ammonshorns in der CA1- und CA3-Region betroffen. Diese typischen Veränderungen werden als Hippocampus-Sklerose bezeichnet und finden sich vor allem bei Patienten, die in der Vorgeschichte einen hirnschädigenden Insult wie z.B. ein schweres Schädel-Hirn-Trauma oder einen Status epilepticus (SE) erlitten haben. In retrospektiven Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass diese Ereignisse das Risiko für die Entwicklung einer Epilepsie drastisch erhöhen. Da die Epilepsie sich erst nach einer variablen Latenzzeit von oftmals mehreren Jahren entwickelt, wird angenommen, dass es während dieser Zeit zu funktionellen Veränderungen innerhalb bestimmter Hirnstrukturen kommt („Epileptogenese“), die letztendlich zu der Generierung spontaner Anfälle führen. Wünschenswert wäre es, wenn man diesen Prozess direkt nach dem hirnschädigenden Insult verhindern oder aufhalten könnte, so dass es gar nicht erst zu der Entstehung einer Epilepsie käme. Dies ist jedoch bis jetzt weder bei Humanpatienten noch im Tiermodell gelungen. Denkbar wäre jedoch auch eine Modulation der Epileptogenese dahingehend, dass es zu einer weniger schweren Form der Epilepsie kommt, die mit gängigen Antiepileptika zufriedenstellend therapiert werden kann. In einem Rattenmodell für chronische TLE konnten pharmakoresistente Tiere (Nonresponder) nicht nur durch ihr Nicht-Ansprechen auf die Behandlung mit Antiepileptika von pharmakosensitiven Tieren (Responder) unterschieden werden, sondern auch durch das Vorliegen von typischen Merkmalen einer Hippocampus-Sklerose. Bei Ratten, die auf die Behandlung mit einer Reduktion der Anfallshäufigkeit reagierten, fehlten diese. Darüber hinaus ließ sich im gleichen Modell das Auftreten von Neurodegenerationen im Hippocampus nach einem SE durch eine vierwöchige Behandlung mit dem Antiepileptikum Valproat vollständig verhindern. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Hypothese aufgestellt, dass das Auftreten einer pharmakoresistenten Epilepsie nach einem hirnschädigenden Insult durch eine prophylaktische neuroprotektive Behandlung verhindern werden kann. Hierzu sollte zunächst überprüft werden, ob eine Behandlung mit Valproat über einen kürzeren Zeitraum den gleichen neuroprotektiven Effekt hat. Dabei konnte eine signifikante Neuroprotektion durch die Infusion von Valproat unmittelbar nach SE über fünf Tage oder 24 Stunden erreicht werden. Zusätzlich konnte eine hohe neuroprotektive Wirkung für den AMPA-Antagonisten NS-1209 nachgewiesen werden. Während dieser Versuche waren wir gezwungen, die Bezugsquelle für die routinemäßig verwendeten Sprague-Dawley-Ratten zu wechseln. Da auch bereits zuvor Veränderungen der Empfindlichkeit der Ratten in verschiedenen Epilepsiemodellen beobachtet werden konnten, entschieden wir uns, vor der Fortführung der Versuche, den Einfluss von Sublinien eines Rattenstamms, welche von verschiedenen Züchtern bezogen wurden, auf die Auswirkungen eines SE in diesem Modell zu untersuchen. Hierzu wurden Sprague-Dawley-Ratten von insgesamt fünf Züchtern auf Unterschiede bei der Induktion eines SE durch elektrische Dauerstimulation der BLA, der nachfolgenden Entwicklung von spontanen Anfällen und dem Ausmaß der Neurodegeneration im Hippocampus untersucht. Die besten Ergebnisse konnten mit Sprague-Dawleys des dänischen Versuchtierzüchters Taconic erzielt werden. Diese Tiere zeigten eine hohe Statusinduktionsrate, den höchsten Anteil an Tieren, bei denen sich nachfolgend spontane Anfälle entwickelten und eine zuverlässige Neurodegeneration im Hippocampus. Aufgrund dieser Ergebnisse erscheinen diese Ratten für die weiteren Untersuchungen zur Verhinderung einer Pharmakoresistenz besser geeignet zu sein als die Sprague-Dawleys von Harlan. Im Weiteren sollten die erfolgversprechenden neuroprotektiven Behandlungen mit Valproat und NS-1209 nach der Induktion eines SE erneut an einer größeren Zahl dieser Tiere durchgeführt werden. Anschließend müssten diese Ratten anhand ihrer Reaktion auf die Behandlung mit Phenobarbital unter einer kontinuierlichen Video- und EEG-Überwachung zur Ermittlung der Anfallshäufigkeit in Nonresponder und Responder aufgeteilt werden. Bestätigt sich die Hypothese, dass Neuroprotektion das Auftreten einer Pharmakoresistenz verhindert, dann müsste es durch die mit Valproat oder NS-1209 erreichte Neuroprotektion zu einer signifikanten Reduktion des Anteils an Nonrespondern kommen. Falls sich dies auch auf den Menschen übertragen ließe, könnte bei vielen Menschen unter Umständen durch eine prophylaktische neuroprotektive Behandlung nach einem hirnschädigenden Ereignis die Entwicklung einer pharmakoresistenten Epilepsie und die mit ihr einhergehenden Begleiterkrankungen verhindert werden.

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Langer, Melanie: Untersuchung der neuroprotektiven Wirkung von Valproat und des Einflusses von Rattensubstämmen auf die Konsequenzen eines elektrisch induzierten Status epilepticus. Hannover 2011. Tierärztliche Hochschule.

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