Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Etablierung von zwei chronischen Epilepsiemodellen und Detektion von spontan auftretenden Anfällen

Glien, Maike

Epilepsies belong to the most common chronic neurological diseases in humans. Animal models are of great importance in experimental epilepsy research, since neither the underlying pathophysiological mechanisms of this disease nor the causes of pharmacoresistance against known anticonvulsants occurring in some patients are explained up to now. An ideal animal model should fulfill the following requirements. First of all, the model should reflect the characteristics of the corresponding type of epilepsy in humans. Secondly, the generation of the model should be as easy as possible and be most reliable. An ideal animal model, which fulfills these two requirements, is not available so far. In models of elicited seizures, no spontaneous epileptic seizures can be observed, which are the common feature of all epilepsies in humans. However, the use of seizure models is less time-consuming and laborious. The opposite applies to epilepsy models in which spontaneous recurrent seizures occur, but their generation and use require a higher expenditure of time and work. For some of the epilepsy models characterized so far, a high mortality rate or a small proportion of animals developing epilepsy is described. First of all the aim of this study was the characterization of two improved models of epilepsy by modifications of well-known protocols in which epileptogenesis was induced chemically in one model and electrically in the other model. In the lithium pilocarpine model the effects of a repeated low-dose treatment with the cholinomimetic pilocarpine on the induction of status epilepticus and the chronic epileptic period was examined. The duration of status epilepticus was limited to a certain time. In the model of electrical stimulation of the basolateral amygdala, the influence of gender and strain of the rats on the induction of status epilepticus as well as the influence of the type of status epilepticus on the development of spontaneous seizures was investigated. The repeated administration of pilocarpine in low doses (up to 4x 10 mg/kg) to lithium-pretreated rats efficiently induced status epilepticus which later led in the majority of animals to the development of spontaneous seizures. The mortality rate could be lowered significantly by termination of status epilepticus after 90 min as compared with a single application of pilocarpine (30 mg/kg) and the same duration of status epilepticus or the repeated low-dose treatment and a duration of status epilepticus of 120 min. In the model of electrical stimulation of the basolateral amygdala, marked differences between female Wistar rats and female and male Sprague-Dawley rats could be determined regarding the induction of status epilepticus. With respect to seizure severity, three types of status epilepticus could be distinguished: focal status epilepticus, focal status epilepticus with some generalized seizures, and generalized status epilepticus. Generalized seizure activity during status epilepticus resulted in almost all animals in the development of spontaneous seizures following a latency period. Female Wistar rats in most cases developed no or only a focal status epilepticus, whereas Sprague-Dawley rats exhibited a status epilepticus with generalized seizure activity in almost all cases. Since seizures in epilepsy models occur spontaneously, an intense monitoring of the animals is necessary. Simultaneously to the generation of the models, a new method for seizure detection was checked for its applicability. This method is based on the measurement of intensities of motions by means of acceleration sensors. The results of this work demonstrated that these sensors are a good alternative to conventional methods such as video or EEG recordings in order to select rats with generalized seizures. However, they are not suitable for the detection of focal seizures, which are associated with a low motor activity. Finally the effects of chronic treatment with the new anticonvulsant levetiracetam were examined in both models. Levetiracetam showed an anticonvulsant effect on spontaneous seizures in the lithium pilocarpine model, whereby the individual response of the animals differed in a manner comparable to the clinical situation in humans. In the model of electrical stimulation, anticonvulsant and antiepileptogenic effects of levetiracetam were tested. For this reason, treatment was started immediately after the induction of status epilepticus. No differences could be determined regarding the number of animals with spontaneous seizures as well as the seizure parameters when comparing data from treated animals and untreated control animals in this model.   The results of this work show that a meaningful optimization of epilepsy models is possible and that pharmacological studies in these models can supply valuable results to the effectiveness of anticonvulsants. These approaches should be further pursued by future investigations in epilepsy research.  

Epilepsien gehören zu den häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen des Menschen. Tiermodelle haben eine große Bedeutung in der experimentellen Epilepsieforschung, da zum jetzigen Zeitpunkt weder die zugrundeliegenden pathophysiologischen Mechanismen dieses Erkrankungskomplexes noch die Ursachen der bei einem Teil der Patienten auftretenden Therapieresistenz gegenüber bekannten Antikonvulsiva aufgeklärt sind. Ein ideales Tiermodell sollte dabei folgende Anforderungen erfüllen. Zum einen sollte es die Charakteristika der entsprechenden Epilepsieform beim Menschen widerspiegeln. Zum anderen sollte die Erstellung des Modells möglichst einfach und zuverlässig sein. Ein ideales Tiermodell, das diese beiden Anforderungen erfüllt, ist bisher nicht verfügbar. Anfallsmodelle zeigen keine spontanen epileptischen Anfälle, die das gemeinsame Merkmal aller Epilepsien beim Menschen sind. Ihr Einsatz geht allerdings mit einem geringen Zeit- und Arbeitsaufwand einher. Umgekehrtes gilt für Epilepsiemodelle, bei denen spontane Anfälle auftreten, die jedoch in der Erstellung bzw. Verwendung mit einem höheren Aufwand verbunden sind. Für einige der bisher etablierten Epilepsiemodelle ist eine hohe Mortalität oder eine geringe Ausbeute an epileptischen Tieren beschrieben. Ziel dieser Arbeit war daher zunächst, durch Modifikationen bekannter Protokolle zwei verbesserte Epilepsiemodelle zu etablieren, wobei die Induktion der Epileptogenese in dem einen Modell chemisch, in dem anderen Modell elektrisch erfolgte. Im Lithium-Pilocarpin-Modell sollten die Effekte einer fraktionierten Applikation des Cholinomimetikums Pilocarpin auf die Induktion eines Status epilepticus und die chronisch epileptische Phase untersucht werden. Gleichzeitig sollte eine Limitierung der Status-Länge erfolgen. Im Modell der elektrischen Stimulation der basolateralen Amygdala sollte der Einfluß von Geschlecht und Stamm der Ratten auf die Induktion eines Status epilepticus sowie dessen Einfluß auf die Entwicklung spontaner Anfälle festgestellt werden. Durch die wiederholte Applikation von Pilocarpin in geringen Dosierungen (max. 4x 10 mg/kg) bei mit Lithium vorbehandelten Ratten konnte zuverlässig ein Status epilepticus ausgelöst werden, der bei einem Großteil der Tiere später zur Entwicklung von spontanen Anfällen führte. In Verbindung mit einem Abbruch des Status nach 90 min konnte dadurch die Mortalität signifikant gesenkt werden, verglichen mit einer einmaligen Applikation von Pilocarpin (30 mg/kg) bei gleicher Status-Länge oder fraktionierter Applikation und einer Status-Länge von 120 min. Im Modell der elektrischen Stimulation der basolateralen Amygdala konnten hinsichtlich der Induktion eines Status epilepticus deutliche Unterschiede zwischen weiblichen Wistar-Ratten und Sprague-Dawley-Ratten beiderlei Geschlechts festgestellt werden. Aufgrund der Krampfschwere war eine Unterteilung des induzierten Status in drei Arten möglich: fokaler Status epilepticus, fokaler Status epilepticus mit generalisierten Anfällen und generalisierter Status epilepticus. Generalisierte Krampfaktivität führte dabei bei annähernd allen Tieren später zum Auftreten spontaner Anfälle. Weibliche Wistar-Ratten entwickelten häufig keinen oder einen fokalen Status epilepticus, während die Status-Induktion mit zumindest anteiliger generalisierter Krampfaktivität bei fast allen Sprague-Dawley-Ratten gelang. Da die Anfälle in Epilepsiemodellen spontan auftreten, ist eine intensive Überwachung der Tiere erforderlich. Parallel zur Modelletablierung sollte eine neue Methode zur Anfallsdetektion auf ihre Anwendbarkeit geprüft werden. Diese Methode beruht auf der Messung von Bewegungsintensitäten mittels Beschleunigungs-sensoren. Nach den Ergebnissen dieser Arbeit sind diese Sensoren eine gute Alternative zu herkömmlichen Methoden, um Ratten mit generalisierten Anfällen zu selektieren. Allerdings sind sie zur Detektion von fokalen Anfällen, die mit einer geringen motorischen Aktivität einhergehen, nicht geeignet. Abschließend wurden die Effekte einer chronischen Behandlung mit dem neuen Antikonvulsivum Levetiracetam in beiden Modellen untersucht. Levetiracetam zeigte eine antikonvulsive Wirkung auf spontane Anfälle im Lithium-Pilocarpin-Modell, wobei die individuelle Ansprache der Tiere ähnlich der klinischen Situation beim Menschen war. Im Modell der elektrischen Stimulation sollten antikonvulsive und antiepileptogene Effekte von Levetiracetam getestet werden, aus diesem Grund begann die Behandlung unmittelbar nach der Status-Induktion. Es konnten weder Unterschiede hinsichtlich der Anzahl von Tieren mit spontanen Anfällen noch der Anfallsparameter zwischen behandelten Tieren und unbehandelten Kontrolltieren in diesem Modell festgestellt werden.   Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß eine sinnvolle Optimierung von Epilepsiemodellen möglich ist, und daß pharmakologische Untersuchungen in solchen Modellen wertvolle Ergebnisse zur Wirksamkeit von Antikonvulsiva liefern können. Beide Ansätze sollten durch zukünftige Untersuchungen in der Epilepsieforschung weiter verfolgt werden.  

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Glien, Maike: Etablierung von zwei chronischen Epilepsiemodellen und Detektion von spontan auftretenden Anfällen. Hannover 2002. Tierärztliche Hochschule.

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