Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Die Rolle des zentralen cholinergen Systems und weiterer Neurotransmitter in Nagermodellen der Temporallappenepilepsie

Meller, Sebastian

Epilepsien gehören zu den häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen des zentralen Nervensystems bei Mensch und Tier. Trotz der Entwicklung zahlreicher neuer Antiepileptika in den letzten Jahrzehnten stellen eine persistierende Pharmakoresistenz von mehr als 30 % beim Menschen und sogar mehr als 50 % beim Hund sowie Nebenwirkungen weiterhin ein großes Problem dar. Einer solchen lediglich symptomatischen und lebenslangen Behandlung mit ungewissem Erfolg wäre eine transiente antiepileptogene Therapie zur Unterdrückung der Epilepsieentstehung in der Latenzzeit zwischen Hirninsult und dem Auftreten erster spontaner Anfälle vorzuziehen. Da epileptogene Prozesse bis dato jedoch kaum verstanden sind, ist eine antiepileptogene Therapie nicht möglich und stellt einen der aktuell wichtigsten Forschungsaspekte in der Epileptologie dar. Das zentrale cholinerge System stellt in diesem Zusammenhang ein bisher wenig erforschtes neurochemisches Netzwerk dar, da es zu Gunsten vom wichtigsten erregenden Neurotransmitter Glutamat und wichtigsten hemmenden Neurotransmitter g-Aminobuttersäure (GABA) in den Hintergrund geriet. Nichtsdestotrotz zeigten diverse Studien in jüngerer Vergangenheit, dass ein verstärktes cholinerges Signal nicht nur für die Induktion und womöglich für die Aufrechterhaltung von Anfällen wichtig ist, sondern auch ein epileptogenes Potential bergen könnte. Das Ziel meiner Arbeit bestand darin, die extrazelluläre Konzentration von Acetylcholin (ACh) im Hippokampus von Ratten zwischen initialem Hirninsult und chronischer Epilepsie zu untersuchen und zu charakterisieren. Zur Überprüfung modellspezifischer Abhängigkeiten neurochemischer Veränderungen wurden zwei Post-Status epilepticus (SE)-Modelle der Temporallappenepilepsie (TLE) miteinander verglichen: Das chemische Lithium (Li)-Pilocarpin-Modell und die langanhaltende elektrische Stimulation der basolateralen Amygdala (BLA-Modell). ACh wurde über Mikrodialyse im Hippokampus gesammelt und anschließend per Hochleistungsflüssigkeitschromatographie analysiert. Das weiterführende Ziel dieser Arbeit war es, mit den gewonnenen Daten den Weg für künftige Strategien zu Studien zur Antiepileptogenese durch Einsatz anticholinerger Substanzen wie z.B. Scopolamin zu ebnen. Zusätzlich wurden Neurotransmitter aus der Klasse der Aminosäuren untersucht, um weitere neurochemische Veränderungen in der Epilepsieentwicklung festzustellen. ACh stieg in den Dialysaten während eines SE im Vergleich zu Kontrolltieren im chemischen Li-Pilocarpin-Modell signifikant an. Eine ähnliche Entwicklung konnten wir zum ersten Mal im elektrischen BLA-Modell nachweisen, die jedoch schwächer ausgeprägt war. In der Epileptogenese und Epilepsie konnten keine Veränderungen zwischen den Gruppen bei beiden Modellen festgestellt werden. Allerdings waren ACh-Werte bei chronisch epileptisch erkrankten Tieren signifikant niedriger als bei Tieren, bei denen keine spontanen Anfälle detektiert wurden. Während im chemischen Modell sowohl GABA als auch Glutamat im SE nicht erhöht waren, kam es im elektrischen Modell zu einer signifikanten Erhöhung beider Transmitter gegenüber Kontrollwerten, die z.T. noch nach SE anhielt. In letzterem Modell war Glutamat auch in der chronisch epileptischen Phase erhöht. Im chemischen Modell waren GABA-Werte in der Epileptogenese zeitweise bei Tieren ohne detektierte Anfälle signifikant höher als bei epileptischen Tieren, Glutamat-Werte hingegen in der epileptischen Phase bei epileptischen Tieren niedriger im Vergleich zu Kontrollwerten. Die Arbeit ermöglichte zum ersten Mal einen Überblick über den extrazellulären Transmitterhaushalt des ACh im Hippokampus der Ratte von der Induktion des SE bis zur chronisch epileptischen Phase in zwei Modellen der TLE. Sein extrazellulärer Konzentrationsanstieg während eines Anfalls spricht dafür, dass ACh eine Rolle in anfallsgenerierenden, -erhaltenden und womöglich sogar -hemmenden Mechanismen spielen könnte, die unabhängig von der Art des verwendeten Stimulus zu sein scheinen. Die Ausschüttung von GABA und Glutamat scheint hingegen modellspezifisch zu sein. Interessant ist hierbei, dass bei nicht-epileptischen Tieren GABA in der Latenzzeit z.T. erhöht war, was für einen Reparationsmechanismus sprechen könnte. Weiterhin ist die ausgeschüttete ACh-Menge anscheinend abhängig von der Intensität des SE. Während Epileptogenese und Epilepsie konnten jedoch keine Veränderungen in der ACh-Konzentration festgestellt werden. Ob ACh daher einen direkt proepileptogenen Faktor darstellt bleibt fragwürdig. Eine in der Epileptogenese entstehende Hypersensitivität des hippokampalen Gewebes gegenüber ACh könnte sein vermeintliches epileptogenes Potential jedoch erhöhen. Außerdem scheint die ACh-Ausschüttung bei epileptisch erkrankten Tieren reduziert zu sein, was für potentielle Kompensationsmechanismen spricht. Es ist daher nicht auszuschließen, dass cholinerge Antagonisten einen interessanten Ansatz für antiepileptogene Therapien darstellen.

Epilepsy is one of the most common chronic neurological diseases of the central nervous system in humans and animals. Despite the development of various new antiepileptic drugs in the last few decades, obstacles to effective epilepsy treatment remain, including pharmacoresistance in more than 30 % of human patients and 50 % of dog patients as well as pronounced side effects. An antiepileptogenic therapy that suppress epilepsy development itself before the onset of spontaneous recurrent seizures would be preferable to the uncertain outcomes of symptomatic and lifelong therapy with antiepileptic drugs. Since epileptogenic processes remain barely understood, antiepileptogenic therapies are not feasible and, therefore, constitute one of the most important fields of current epilepsy research. In this context, there has so far been little research on the central cholinergic system compared to the excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic system. Nevertheless, recent studies have shown that an enhanced cholinergic signal is not only important for the induction and possibly maintenance of seizures, but also could bear epileptogenic properties. The goal of my work consisted of monitoring and characterizing extracellular levels of acetylcholine (ACh) in the hippocampus of rats between the initial brain insult leading to epilepsy and the chronic phase of epilepsy. Two different post-status epilepticus (SE) models of acquired temporal lobe epilepsy were used to assess model-specific differences: the chemical lithium-pilocarpine model and the prolonged electrical stimulation of the basolateral amygdala (BLA) model. The neurotransmitter ACh was sampled via microdialysis in the hippocampus of rats and analyzed via high performance liquid chromatography. We also sought to create a basic concept for strategies of antiepileptogenic therapies, e.g. by the antimuscarinic drug scopolamine. Furthermore, amino acid neurotransmitters like g-Aminobutyric acid (GABA), glutamate, aspartate, serine, glycine, and glutamine were analyzed to assess other neurochemical changes during epilepsy development. Extracellular levels of ACh in the dialysates rose significantly in comparison to control animals during SE in the lithium-pilocarpine model. For the first time, we were able to determine a similar (albeit lower) rise in ACh levels in the BLA model. During epileptogenesis and chronic epilepsy, no changes were observed in both models. However, ACh values in chronic epileptic animals were significantly lower than in animals in which spontaneous recurrent seizures were not detected. Though GABA and glutamate remained unchanged during SE in the chemical model, a significant rise of the concentrations of both neurotransmitters was detected in comparison to control values in the electrical model, persisting even after termination of SE. In the electrical model, glutamate levels also rose during the chronic epileptic phase. In the chemical model, there was a significant transient rise of GABA levels in nonepileptic animals in comparison to epileptic animals during the phase of epileptogenesis whereas glutamate levels of epileptic animals were significantly lower compared to control values in the chronic epileptic phase. This work allowed the first overview of extracellular ACh levels in two models of temporal lobe epilepsy in the rat hippocampus from induction of SE to the chronic epileptic phase. The extracellular rise in ACh concentrations during SE could imply its role in mechanisms of generating, maintaining, and possibly even inhibiting SE regardless of stimulus type. In contrast, GABA and glutamate seem to be more model-specific. Interestingly, values of GABA were partly increased in nonepileptic animals during the latent period. This increase could represent an attempt of the brain to prevent epileptogenic processes. Furthermore, the grade of ACh liberation seems to be positively correlated to the intensity of the SE. However, because changes of ACh levels were not seen in epileptogenesis or the chronic epileptic phase, it is questionable if ACh has epileptogenic properties. Nevertheless, hypersensitivity of the hippocampal tissue to ACh in early epileptogenesis could increase its putative epileptogenic potential. Besides, ACh release seems to be reduced in epileptic animals in the chronic epileptic phase. This reduction of ACh levels could represent a compensation mechanism. Hence, the use of cholinergic antagonists as an interesting approach for antiepileptogenic therapies could not be ruled out.

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Meller, Sebastian: Die Rolle des zentralen cholinergen Systems und weiterer Neurotransmitter in Nagermodellen der Temporallappenepilepsie. Gießen 1. Auflage 2018. DVG.

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