Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Immunhistologische Untersuchung des Kaliumkanals KCa2.2 (SK2) und der GABAA-Rezeptoruntereinheiten in den Basalganglien im Kindling-Modell für Temporallappenepilepsie

Honndorf, Stefanie

Epilepsy is a common chronic neurological disease in humans as well as in dogs and cats. Several types of epilepsy, including temporal lobe epilepsy (TLE), are considered to be difficult to treat, because 50-90 % of patients suffer from resistance against currently used antiepileptic drugs. For the rational development of new pharmacological treatment options for complex-partial seizures as observed in TLE, a better understanding of the pathophysiological mechanisms of TLE is required. Basal ganglia brain regions play an important role in the propagation and manipulation of epileptic seizures, emanating in the limbic system. Particularly, the substantia nigra pars reticulata (SNr) is known to be involved in the modulation and generalization of seizure activity in the brain. Furthermore, the basal ganglia are affected by epilepsy-induced plastic network changes. Numerous studies point to disturbed GABAergic inhibition as well as disturbed neuronal activities in basal ganglia brain regions in the kindling-model of TLE. To understand the molecular mechanisms underlying these dysfunctions, the aim of the first study in this thesis was to investigate the number of small-conductance Ca2+-activated K+-channels type 2 (SK2)-positive neurons in the SNr and the subthalamic nucleus (STN) in the kindling model of TLE. SK2 channels are involved in the control of neuronal excitability. Counting SK2-positive neurons in the SNr and the STN 24 h after a kindled, generalized seizure did not reveal significant differences in the number of SK2-positive neurons between naive, sham-kindled, and kindled rats ipsi- and contralateral to the stimulation side. In the second part of the present study, basal ganglia brain regions including striatum, SNr, substantia nigra pars compacta, STN, and globus pallidus as well as the pedunculopontine nucleus, a target region of the basal ganglia, were investigated immunhistochemically concerning the GABAA-receptor subunits alpha1-4, beta2/3, gamma2, and delta in both brain hemispheres in the kindling-model of TLE. Measurements of the optical density 24 h after a kindled, generalized seizure revealed a significant increase in the immunoreactivity of the GABAA-receptor subunit alpha1 in the ventromedial, anterior SNr as well as a significantly decreased alpha3-immunoreactivity in the STN of kindled rats compared to controls ipsilateral to the stimulation side. The increase in the immunoreactivity of the GABAA-receptor subunit alpha1 likely reflects a compensatory mechanism in response to kindling-induced network changes, whereas the decreased alpha3-immunoreactivity in the right STN together with previous electrophysiological findings may rather mirror epileptogenic or pro-convulsant adaptations. Further measurements revealed an increase in delta-immunoreactivity, and therewith an increase in GABA-sensitivity, in the dorsolateral anterior striatum contralateral to the stimulation side in kindled rats compared to naive rats. This might reflect a compensatory mechanism in response to recently observed kindling-induced increased firing rates of striatal neurons in this subregion. Apart from kindling-induced alterations of the GABAA-receptor subunit composition, sham-kindling-induced changes were also observed, strengthening previous biochemical findings that chronic implantation of electrodes into the limbic system even without stimulation affects brain functions. In the present study, sham-kindled animals showed a downregulation of the alpha4-subunit in the right ventral posterior striatum (ipsilateral to the sham-kindling side) as well as a downregulation of the beta2/3-subunits in the left dorsolateral and dorsomedial subregions of the anterior striatum (contralateral to the sham-kindling side) and in the right dorsomedial, ventrolateral, and ventromedial subregions of the anterior striatum. Together with previous studies, the present findings add to a better understanding of kindling-induced molecular basal ganglia network changes and, in the long run, may provide a base for the development of rational therapeutical approaches for the treatment of pharmacoresistant TLE patients.

Epilepsie ist eine häufige, chronische, neurologische Erkrankung beim Menschen, sowie bei Hunden und Katzen. Einige Epilepsieformen, wie die Temporallappenepilepsie (TLE), gelten als schwer therapierbar, da 50-90 % der betroffenen Patienten eine Resistenz gegenüber den heute zur Verfügung stehenden Antiepileptika zeigen. Für die rationale Entwicklung neuer Pharmakotherapien für die Behandlung der komplex-fokalen Anfälle, die bei TLE auftreten, ist es dringend notwendig, das Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen der TLE zu erweitern. Bei der Weiterleitung und Modulation epileptischer Anfälle, die im limbischen System entstehen, spielen die Regionen der Basalganglien eine wichtige Rolle. Insbesondere wird der Substantia nigra pars reticulata (SNr) eine Modulation der Anfälle und eine Beteiligung an der Generalisierung der epileptischen Anfallsaktivität zugeschrieben. Darüber hinaus unterliegen die Basalganglien einer epilepsieinduzierten Netzwerkplastizität. Im Kindling-Modell der TLE gibt es zahlreiche Hinweise auf eine gestörte GABAerge Inhibition und auf gestörte neuronale Aktivitäten innerhalb der Basalganglien. Zur Abklärung zugrunde liegender molekularer Mechanismen dieser Dysfunktionen bestand das Ziel des ersten Teils der vorliegenden Arbeit darin, die SNr und den subthalamischen Nucleus (STN) als weitere Struktur der Basalganglien bezüglich der Ca2+-abhängigen K+-Kanäle mit geringer Leitfähigkeit vom Typ 2 (SK2) im Kindling-Modell für TLE zu untersuchen. SK2-Kanäle sind an der Kontrolle neuronaler Erregbarkeit beteiligt. Die Zählung der SK2-positiven Neurone in der SNr und dem STN ergab 24 h nach einem gekindelten, generalisierten Anfall keine signifikanten Unterschiede der Anzahl SK2-positiver Neurone zwischen naiven, sham-gekindelten und gekindelten Tieren ipsi- und kontralateral zur Stimulationsseite. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Basalganglienregionen Striatum, SNr, Substantia nigra pars compacta, STN und Globus pallidus, sowie als Zielregion der Basalganglien der pedunculopontine Nucleus, in beiden Hirnhemisphären bezüglich der Immunreaktivität der GABAA-Rezeptoruntereinheiten α1-4, β2/3, γ2 und δ im Kindling-Modell für TLE untersucht. Mit Hilfe der Messung der optischen Dichte konnte 24 h nach einem gekindelten, generalisierten Anfall eine signifikant erhöhte Immunreaktivität der GABAA-Rezeptoruntereinheit α1 in der ventromedialen Subregion der anterioren SNr sowie eine signifikant erniedrigte α3-Immunreaktivität im STN gekindelter Tiere im Vergleich zu Kontrollen ipsilateral zur Stimulationsseite ermittelt werden. Die erhöhte Immunreaktivität der GABAA-Rezeptoruntereinheit α1 stellt vermutlich einen kompensatorischen Mechanismus als Reaktion auf kindlinginduzierte Netzwerkveränderungen dar, wohingegen die erniedrigte α3-Immunreaktivität im STN zusammen mit früheren elektrophysiologischen Befunden vermutlich eher epileptogene oder pro-konvulsive Anpassungen widerspiegelt. Die Erhöhung der Immunreaktivität der GABAA-Rezeptoruntereinheit δ, und damit eine erhöhte GABA-Sensitivität in der dorsolateralen Subregion des anterioren Striatums bei gekindelten Tieren im Vergleich zu naiven Tieren kontralateral zur Stimulationsseite weist auf einen kompensatorischen Mechanismus als Antwort auf die kürzlich gezeigte kindling-induzierte erhöhte Feuerrate der Neuronen in dieser Subregion hin. Neben kindling-induzierten wurden sham-kindling-induzierte Veränderungen der GABAA-Rezeptoruntereinheiten-Zusammensetzung beobachtet, die frühere biochemische Befunde von Effekten einer chronischen Implantation von Elektroden im limbischen System ohne Stimulation erweitern. In der vorliegenden Arbeit zeigten sham-gekindelte Tiere im rechten ventralen posterioren Striatum (ipsilateral zur Sham-Kindlingseite) eine Runterregulierung der α4-Untereinheit und im linken dorsolateralen und dorsomedialen anterioren Striatum (kontralateral zur Sham-Kindlingseite) als auch im rechten dorsomedialen, ventrolateralen und ventromedialen anterioren Striatum eine Runterregulierung der β2/3-Untereinheiten. Zusammen mit vorhergehenden Studien tragen die vorliegenden Ergebnisse zu einem verbesserten Verständnis der kindling-induzierten molekularen Veränderungen in den Basalganglien bei und stellen langfristig eine Grundlage für die Entwicklung rationaler Behandlungsmöglichkeiten von pharmakoresistenten TLEPatienten dar.

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Honndorf, Stefanie: Immunhistologische Untersuchung des Kaliumkanals KCa2.2 (SK2) und der GABAA-Rezeptoruntereinheiten in den Basalganglien im Kindling-Modell für Temporallappenepilepsie. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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