Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Rational multitargeted intervention of epileptogenesis in a mouse model of temporal lobe epilepsy

Welzel, Lisa

Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen, von der weltweit mehr als 50 Millionen Menschen betroffen sind. Eine der häufigsten Formen der fokalen Epilepsien bei Erwachsenen ist die Temporallappenepilepsie, bei der die Anfälle ihren Ursprung im Temporallappen haben (z.B. im Hippocampus). Eine akuter Hirninsult wie ein Schädel-Hirn-Trauma, ein Schlaganfall oder ein Status epilepticus kann den Prozess der Epilepsieentwicklung, welcher als Epileptogenese bezeichnet wird, initiieren. Der Zeitraum zwischen dem Hirninsult und dem ersten Auftreten von spontanen, wiederkehrenden Anfällen wird als Latenzzeit definiert, welche ein ideales therapeutisches Fenster zur frühen pharmakologischen Modifikation oder Verhinderung der Epileptogenese darstellen würde. Zur Zeit sind über 20 Antikonvulsiva für die symptomatische Behandlung von Epilepsien zugelassen, jedoch wurde bis jetzt keine antiepileptogene Behandlung entwickelt, um die Entwicklung von Epilepsien nach einem akuten Hirninsult zu verhindern. Es besteht daher in der Klinik weiterhin ein großer Bedarf nach Möglichkeiten zur Prävention von Epilepsien bei Risikopatienten (z. B. nach einem Schädel-Hirn-Trauma). Der Ansatz der Netzwerkpharmakologie wurde kürzlich vorgeschlagen, um neue antiepileptogen-wirksame Therapien zu entwickeln, die in die zahlreichen Mechanismen der Epileptogenese eingreifen sollen. Ziel dieser Arbeit war es, anhand eines Algorithmus, der auf den Phasen klinischer Studien am Menschen basiert, die Verträglichkeit und antiepileptogene Wirksamkeit von rational selektierten und potenziell antiepileptogenen Substanzkombinationen, die sich aus bereits zugelassenen Substanzen zusammensetzen, im intrahippocampalen Kainatmodell der Maus zu überprüfen. In einem ersten Schritt wurden sieben vielversprechende Substanzkombinationen auf ihre Verträglichkeit bei nicht-epileptischen Mäusen getestet (Phase I). Sechs der sieben getesteten Substanzkombinationen wurden anschließend bei Mäusen in der Latenzzeit (Phase IIa, postStatus Epilepticus) auf ihre Verträglichkeit untersucht, welche häufig ein verstärktes Ansprechen auf unerwünschte Arzneimittelwirkungen zeigen. Alle Substanzkombinationen waren in Phase IIa verträglich, jedoch zeigte keine der getesteten Substanzkombinationen bei zweimal täglicher Verabreichung über drei Tage nach dem Status epilepticus eine neuroprotektive Wirkung. Als nächstes wurden vier der verträglichen Substanzkombinationen auf ihre antiepileptogene Wirksamkeit im intrahippocampalen Kainatmodell der Maus untersucht (Phase IIb): Levetiracetam + Gabapentin + Topiramat, Levetiracetam + α-Tocopherol, Levetiracetam + Deferoxamin + Gabapentin + Fingolimod, und Levetiracetam + Atorvastatin + Ceftriaxon. Die Substanzkombination Levetiracetam + Atorvastatin + Ceftriaxon hatte keine krankheitsmodifizierende oder antiepileptogene Wirkung, jedoch wurde ein proepileptogener Trend bezüglich der Frequenz elektroklinischer Anfälle beobachtet. Die Wirksamkeitsstudie wurde daher mit reduzierten Dosierungen wiederholt, um mögliche dosisabhängige Wirkungen der Substanzkombination zu untersuchen. Mit reduzierten Dosierungen hatte die Substanzkombination Levetiracetam + Atorvastatin + Ceftriaxon eine teilweise antiepileptogene Wirkung auf die Inzidenz von elektroklinischen Anfällen und eine krankheitsmodifizierende Wirkung durch die signifikante Reduktion der Frequenz von fokalen elektroklinischen Anfällen. Des Weiteren hatte die Substanzkombination Levetiracetam + α-Tocopherol keine starke krankheitsmodifizierende Wirkung. Die Substanzkombination Levetiracetam + Gabapentin + Topiramat hatte jedoch eine krankheitsmodifizierende Wirkung, indem sie das Auftreten von elektrographischen Anfällen und die Neurodegeneration im Hippocampus signifikant verringerte. Darüber hinaus wirkte die Substanzkombination Levetiracetam + Deferoxamin + Gabapentin + Fingolimod krankheitsmodifizierend, indem sie die Frequenz generalisierter elektroklinischer Anfälle signifikant reduzierte. Zusammenfassend konnte das intrahippocampale Kainatmodell der Maus erfolgreich verwendet werden, um potenziell antiepileptogene Substanzkombinationen auf ihre antiepileptogene Wirksamkeit zu untersuchen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studien sollten durch eine Wiederholung der Experimente in größeren Gruppen von Mäusen weiter validiert werden. Darüber hinaus sollte die Wirksamkeit der Substanzkombinationen in einem anderen Maus- oder Rattenmodell für erworbene Epilepsien (z. B. einem Schädel-Hirn-Trauma Modell, Phase IIc) untersucht werden, bevor die Untersuchungen in klinischen Studien fortgesetzt werden. Die vorliegende PhD-These trägt daher dazu bei, potenziell antiepileptogene Substanzkombinationen zur zielgerichteten Intervention der Epileptogenese und für eine spätere Umsetzung in klinische Studien zu identifizieren.

Epilepsy is one of the most common neurological disorders, which affects more than 50 million people worldwide. One of the most common forms of focal epilepsy in adults is temporal lobe epilepsy, where seizures originate in the temporal lobe (e.g. the hippocampus). An acute brain insult, such as traumatic brain injury, stroke, or status epilepticus, can induce the process of epilepsy development, namely epileptogenesis. The time period between the initial brain insult and the first spontaneous recurrent seizures is defined as the latent period, which would be an ideal therapeutic window for early-on modification or prevention of epileptogenesis. Currently over 20 antiseizure drugs are available for symptomatic treatment of epilepsy, yet no antiepileptogenic treatment has been developed for preventing the development of epilepsy after an acute brain insult. The prevention of epilepsy therefore remains a major unmet clinical need in patients at risk (e.g. after a traumatic brain injury). The approach of network pharmacology was recently proposed for developing new antiepileptogenic therapies to target the multiple mechanisms involved in epileptogenesis. Using an algorithm based on the phases of clinical trials in humans, the objective of this thesis was to evaluate the tolerability and antiepileptogenic efficacy of rationally chosen and potentially antiepileptogenic drug combinations, consisting of clinically available drugs, in the intrahippocampal kainate mouse model. As a first step, seven promising drug combinations were tested for tolerability in nonepileptic mice (Phase I). Six of the seven tested drug combinations were subsequently tested for tolerability in mice during the latent period (Phase IIa, post-status epilepticus), which often exhibit an increased response to drug adverse effects. All drug combinations were tolerated in Phase IIa, yet none of the tested drug combinations exerted a neuroprotective effect when administered twice a day over three days following the status epilepticus. Next, four of the tolerable drug combinations were evaluated for antiepileptogenic efficacy in the intrahippocampal kainate mouse model (Phase IIb): levetiracetam + gabapentin + topiramate, levetiracetam + α-tocopherol, levetiracetam + deferoxamine + gabapentin + fingolimod, and levetiracetam + atorvastatin + ceftriaxone. The drug combination levetiracetam + atorvastatin + ceftriaxone did not exert a disease-modifying or antiepileptogenic effect; instead, a proepileptogenic trend of the frequency of electroclinical seizures was observed. The efficacy study was therefore repeated with reduced doses to investigate possible dose-dependent effects of the drug combination. With reduced doses, the drug combination levetiracetam + atorvastatin + ceftriaxone was found to exert a partially antiepileptogenic effect on the incidence of electroclinical seizures and a disease-modifying effect by significantly reducing the frequency of focal electroclinical seizures. Furthermore, the drug combination levetiracetam + α-tocopherol did not exert a strong disease-modifying effect. However, the drug combination levetiracetam + gabapentin + topiramate had a disease-modifying effect by significantly reducing the incidence of electrographic seizures and neurodegeneration occurring in the hippocampus. Finally, the drug combination levetiracetam + deferoxamine + gabapentin + fingolimod exerted a disease-modifying effect by significantly reducing the frequency of generalized electroclinical seizures. To conclude, the intrahippocampal kainate mouse model was successfully used to screen potentially antiepileptogenic drug combinations for antiepileptogenic efficacy. The results of the present study should be further validated by replicating the experiments in larger groups of mice. Furthermore, the efficacy of the drug combinations should be tested in a different mouse or rat model of acquired epilepsy (e.g. a traumatic brain injury model, Phase IIc) before continuing with clinical trials. The present PhD thesis therefore contributed to identifying potentially antiepileptogenic drug combinations for multitargeted intervention in epileptogenesis and a later translation into clinical trials.

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Welzel, Lisa: Rational multitargeted intervention of epileptogenesis in a mouse model of temporal lobe epilepsy. Hannover 1. Auflage 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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