Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Die Rolle der Neurodegeneration bei der Pathogenese der Temporallappenepilepsie im Hinblick auf die Entwicklung neuer Antiepileptika

Brandt, Claudia

Temporal lobe epilepsy is the most common type of epilepsy in adult humans. Most patients with temporal lobe epilepsy show pronounced loss of neurons in limbic brain regions including the hippocampus. The neurodegeneration in the hippocampus can be typically found in the pyramidal cell layers CA1 and CA3c and is referred to as hippocampal sclerosis. There is a long and ongoing debate on whether this neurodegeneration is the result of a pathological event, such as febrile seizures, status epilepticus, or head trauma, which often precedes the development of temporal lobe epilepsy, or is caused by the spontaneous recurrent seizures once epilepsy has developed. This question is of great importance because up to now there is no successful strategy for the prevention of the manifestation of temporal lobe epilepsy after an initial insult. Assuming that the occurring neurodegeneration is cause of the development of epilepsy after the preceding insult, the prophylactic application of a neuroprotective agent after the insult could be an effective means for the prevention of temporal lobe epilepsy. In the present study the relationship between neurodegeneration and the occurrence of spontaneous recurrent seizures was closely investigated. For this purpose the kainate-model, the pilocarpine-model, the model of the prolonged stimulation of the basolateral amygdala (BLA) and the overkindling-model were applied. All of these models exhibit features which are typically observed in human temporal lobe epilepsy. The advantage of these epilepsy-models are that the rats show spontaneous recurrent seizures after they experienced an initial insult like a status epilepticus (kainate-model, pilocarpine-model and prolonged stimulation of the BLA) or after extensively repeated electrical induction of one short generalized seizure at a time (overkindling-model). This allows the investigation of the process leading to the manifestation of epilepsy. At first the brain regions in which neurodegeneration occurred were investigated in each model. It was found that the only region which showed heavy loss of neurons in all models was the hilus of the hippocampus. The characteristic pattern of neurodegeneration described for the hippocampal sclerosis could be detected in several but not all rats with chemically or electrically induced status epilepticus. In a second step markers for active, programmed cell death were investigated after the chemical or electrical induction of a status epilepticus. The results provided strong evidence that the neuronal loss after a status epilepticus occurs delayed and is controlled by a cell death program. This is of importance because the involvement of a delayed, active cell death program is essential to enable agents, applied after the insult, to unfold a neuroprotective potential. Based on the finding that delayed cell death is at least in part responsible for the occurring neurodegeneration, the effect of a caspase-inhibitor on the neuronal loss was tested in the kainate-model. Caspases have been described to be associated with the cell death program. Caspase-inhibitors inactivate the caspases and therefore specifically interfere with the cell death cascade. The intracerebroventricular application of the caspase-inhibitor Ac-DEVD-CHO after a kainate-induced status epilepticus failed to significantly reduce the extent of the neurodegeneration though. The new anticonvulsant retigabine did not either develop a neuroprotective potential when applied systemically after a kainate-induced status epilepticus. The N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-receptor antagonist dizocilpine (MK-801) significantly reduced or even prevented the neuronal loss in some but not all brain regions in kainate-treated rats. Dizocilpine did not effect the occurring neurodegeneration in the hilus of the hippocampus. Rats treated with dizocilpine after the kainate-induced status epilepticus still developed spontaneous recurrent seizures in spite of the neuroprotection in brain regions responsible for the development and progression of seizure activity. The results of the present study indicate that delayed cell death determined by a specific death program is involved in the neurodegeneration which occurs after an insult like a status epilepticus. This leaves the opportunity for pharmacological interference with the neuronal loss. The agents investigated in this study did not or only partly exhibit a neuroprotective potential when applied after a kainate-induced status epilepticus. Dizocilpine which inhibited neuronal loss in specific brain regions failed to be effective in the hilus of the hippocampus. Thus, the hilus of the hippocampus and the neurodegeneration occurring in this brain structure might play a role in the manifestation of temporal lobe epilepsy after a predisposing insult like a status epilepticus. Evidence for the involvement of the typical hippocampal sclerosis which includes the massive neuronal loss in the pyramidal cell layers CA1 and CA3c or neurodegeneration in other brain structures could not be found.  

Temporallappenepilepsie ist die am häufigsten vorkommende Epilepsieform bei Erwachsenen. Häufig hat die Anfallsaktivität ihren Ursprung im Hippocampus, einer im Temporallappen lokalisierten Struktur des limbischen Systems. Die Pathogenese der Temporallappenepilepsie ist bisher nicht geklärt. Retrospektive Untersuchungen zeigen, dass bestimmte Faktoren das Risiko für die Entstehung einer Temporallappenepilepsie drastisch erhöhen. Zu diesen Risikofaktoren gehören frühkindliche epileptische Anfälle, das Auftreten eines Status epilepticus oder ein schweres Schädel-Hirn-Trauma. Ein großes Problem bei der Behandlung der Temporallappenepilepsie ist, dass etwa 70 – 80% der Patienten nicht auf die zur Zeit zur Verfügung stehenden Pharmaka ansprechen. Bei solchen Patienten ist die Entfernung des epileptischen Fokus, also des Hippocampus und angrenzender Strukturen, die letzte Therapiemöglichkeit. Histologische Untersuchungen der Resektionen von pharmako-therapieresistenten Patienten zeigten massive Neuronenverluste im Hippocampus und in anderen Gehirnstrukturen wie der Amygdala, dem entorhinalen Cortex, dem piriformen Cortex und thalamischen Kernen. Vor allem die Neurodegeneration im Hippocampus, die besonders stark in den Pyramidenzellschichten CA1 und CA3c auftritt und als Hippocampus-Sklerose bekannt ist, wurde detailliert beschrieben. Zu einem hohen Prozentsatz konnten solche Neuronenverluste bei Temporallappenepileptikern mit einem wie oben beschriebenen vorausgegangenen Insult gefunden werden. Die Frage, die aus diesen Befunden resultiert, lautet, ob die Neuronenverluste die Ursache für die Entwicklung einer Temporallappenepilepsie sind, oder ob sie eine sekundäre Erscheinung sind und somit nicht für die Manifestation dieser Erkrankung verantwortlich gemacht werden können. Diese Frage ist von großer Bedeutung, da es momentan nicht möglich ist, Risikopatienten, d.h. Patienten mit einzelnen epileptischen Anfällen in der Kindheit, einem Status epilepticus oder einem Schädel-Hirn-Trauma, prophylaktisch zu behandeln, um das Risiko der Manifestation einer Temporallappenepilepsie zu reduzieren. Wenn die Neuronenverluste die Ursache für die Entstehung der Temporallappenepilepsie sind, wäre der Einsatz von neuroprotektiven Substanzen nach einem initialen Insult ein sinnvolles Mittel zur Prävention der Temporallappenepilepsie. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der  Neurodegeneration und dem Auftreten spontaner epileptischer Anfälle anhand von vier Epilepsie-Modellen an Ratten eingehender untersucht. Es wurden das Kainat-Modell, das Pilocarpin-Modell, das Modell der elektrischen Stimulation der basolateralen Amygdala und das Overkindling-Modell verwendet. Bei den 3 zuerst genannten Modellen wird ein Status epilepticus induziert. Beim Overkindling-Modell werden durch kurze elektrische Reize über einen langen Zeitraum wiederholt generalisierte Anfälle ausgelöst. In allen verwendeten Modellen entwickeln die Ratten spontane epileptische Krampfaktivität, die durch fokale oder komplex-fokale Anfälle mit sekundärer Generalisierung gekennzeichnet ist.  Es wurden zunächst für jedes Modell die Gehirnregionen bestimmt, in denen Neuronenverluste vorkamen. Es konnte gefunden werden, dass nach einem chemisch oder elektrisch induzierten Status epilepticus massive Neurodegeneration in Gehirnregionen auftrat, die auch bei Patienten mit Temporallappenepilepsie als sehr vulnerabel beschrieben sind. Das spezifische Muster der Hippocampus-Sklerose konnte bei vielen, aber nicht bei allen Ratten mit Status epilepticus gefunden werden. Die konstant von Neuronenverlusten betroffenen Gehirnstrukturen sind in den 3 Modellen bis auf wenige Ausnahmen identisch. Es ergab sich jedoch bei einem Vergleich aller vier Modelle miteinander, dass der Hilus des Hippocampus die einzige Gehirnregion war, die konstant bei allen Tieren mit spontan auftretenden epileptischen Anfällen detektierbare Neuronenverluste aufwies.  In einem weiteren Schritt wurden in den 3 Modellen mit induziertem Status epilepticus spezifische Marker für programmierten bzw. aktiven Zelltod untersucht, da eine pharmakologische Prävention der Neurodegeneration überhaupt nur möglich ist, wenn der Verlust der Neuronen verzögert nach dem Insult auftritt und durch ein determiniertes, pharmakologisch beeinflussbares Programm bestimmt wird. Es konnte immunhistochemisch nachgewiesen werden, dass 48 h nach einem Status epilepticus die Proteine Bax und Bcl-2, die mit dem aktiven Zelltodprogramm assoziiert sind, vermehrt exprimiert werden. Die für aktiven, programmierten Zelltod charakteristische DNA-Fragmentierung konnte 48 – 72 h nach einem Status epilepticus gefunden werden. Diese Ergebnisse ließen annehmen, dass die nach einem Status epilepticus nachweisbaren Neuronenuntergänge verzögert auftreten und nach einem determinierten Programm ablaufen. Aus diesem Grund wurde im Kainat-Modell zunächst untersucht, ob durch die intraventrikuläre Applikation des spezifischen Caspase-Inhibitors Ac-DEVD-CHO eine Neuroprotektion erzielt werden konnte, wenn er 90 min nach der Induktion des Status epilepticus appliziert wurde. Caspasen sind Cysteinproteasen, die eine entscheidende Rolle innerhalb der programmierten Zelltodkaskade spielen. Caspase-Inhibitoren greifen also spezifisch in das Zelltodprogramm ein. Durch die Applikation des hier verwendeten Caspase-Inhibitors konnten die nach einem kainat-induzierten Status epilepticus auftretenden Neuronenverluste nicht signifikant reduziert werden. Allerdings bewirkte der Caspase-Inhibitor eine Reduktion der Bax-positiven Neurone und im geringeren Maße auch der Bcl-2-positiven Neurone. Im nächsten Schritt wurde untersucht, ob die systemische Verabreichung des neuen Antikonvulsivums Retigabin oder des N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor-Antagonisten Dizocilpin (MK-801) einen Effekt auf die auftretenden Neuronenverluste zeigte, wenn die Applikation dieser Substanzen 90 min nach der Induktion des Status epilepticus vorgenommen wurde. Nur mit dem NMDA-Rezeptor-Antagonisten Dizocilpin wurde eine signifikante Reduktion und teilweise sogar eine komplette Verhinderung der Neurodegeneration erzielt, die sich jedoch auf spezifische Gehirnregionen beschränkte. Besonders auffällig war, dass die Neuronenverluste im Hilus des Hippocampus durch Dizocilpin nicht beeinflusst wurden. Ratten mit einem kainat-induzierten Status epilepticus entwickelten trotz der Gabe von Dizocilpin und der damit verbundenen Prävention von Neuronenverlusten in bestimmten Gehirnregionen spontan auftretende epileptische Anfälle. Die anhand von Epilepsie-Modellen gewonnenen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass verzögerte, aktive Zelltodmechanismen an den Neuronenverlusten nach einem Insult wie dem Status epilepticus beteiligt sind. Dadurch ist die Voraussetzung für eine pharmakologische Beeinflussung der auftretenden Neurodegeneration gegeben. Die in dieser Arbeit untersuchten Substanzen zeigten keine oder nur eine teilweise neuroprotektive Wirkung. Die Substanz Dizocilpin entwickelte in einigen Gehirnregionen ein neuroprotektives Potential, das sich jedoch nicht auf den Hilus des Hippocampus erstreckte. Die mit der vorliegenden Arbeit gewonnene Hinweise deuten darauf hin, dass der Hilus des Hippocampus und die dort auftretende Neurodegeneration nach einem initialen Insult, wie einem Status epilepticus, eine Rolle bei der Entstehung einer Temporallappenepilepsie spielen. Hinweise dafür, dass die klassische Hippocampus-Sklerose, bei der vor allem die Pyramidenzellschichten CA1 und CA3c massive Neuronenverluste aufweisen, oder Neuronenverluste in anderen Gehirnregionen an der Entwicklung einer Temporallappenepilepsie beteiligt sind, konnten nicht gefunden werden.  

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Brandt, Claudia: Die Rolle der Neurodegeneration bei der Pathogenese der Temporallappenepilepsie im Hinblick auf die Entwicklung neuer Antiepileptika. Hannover 2002. Tierärztliche Hochschule.

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