Universität zu Köln

Mechanisms of the Cav2.3 Calcium Channel’s Role in Epileptogenesis and Antiepileptic Pharmacotherapy

Dibué-Adjei, Maxine (2015) Mechanisms of the Cav2.3 Calcium Channel’s Role in Epileptogenesis and Antiepileptic Pharmacotherapy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    RATIONALE: The Cav2.3 (R-type) voltage-gated calcium channel represents the most enigmatic of all voltage-gated calcium channels due to its pharmacoresistance, mixed characteristics of high voltage-activated and low voltage-activated calcium channels and relatively low expression levels. Lamotrigine (LTG) is a modern antiepileptic drug however, its mechanism of action has yet to be fully understood, as it is known to modulate several ion channels and other targets. In heterologous systems, LTG inhibits Cav2.3 (R-type) calcium currents, which contribute to kainic-acid (KA)–induced epilepsy in vivo. LTG has been suggested to increase the risk of sudden unexpected death in epilepsy (SUDEP), in which cardiac and respiratory mechanisms are proposed to be involved. In addition to the higher risk of SUDEP during sleep, epileptic patients are at higher risk of seizures during sleep, especially during slow wave sleep (SWS). The bidirectional relationship between sleep and epilepsy has long been acknowledged, however it remains far from understood. AIM: The goal of the present project was to perform an in depth investigation of the role of R-type signaling in the epileptic brain and heart, by analyzing its contribution to experimental epilepsy, antiepileptic pharmacotherapy and sleep. METHODS: In the first study we compared the effects of LTG to two other AEDs (Topiramate and Lacosamide) in Cav2.3-deficient mice and controls on KA-induced seizures. Behavioral seizure rating and quantitative electrocorticography were performed after KA induced epilepsy, as well as immunohistochemistry and western blot analysis of Cav2.3 expression in the brain. In the second study we investigated cardiac parameters during KA-induced epilepsy and LTG treatment in awake and sleeping C57Bl6 mice. Continuous electrocardiograms and electrocorticograms were collected telemetrically from freely moving mice, and time- and frequency-domain analysis performed on the electrocardiograms. In the third study, we analyzed sleep architecture in Cav2.3-deficient and control mice also using radiotelemetric electrocorticography and electromyography during spontaneous and urethane-induced sleep. RESULTS: LTG treatment displayed no antiepileptic potency in Cav2.3-deficient mice, but contrarily significantly aggravated seizures and increased neurodegeneration in the CA1 region of the hippocampus as well as increasing ultra-high frequency oscillations (ripples) known to be associated with seizure generation. This effect was specific to LTG in Cav2.3-deficient mice, as the two other AEDs tested - one with and one without Cav2.3 inhibiting capacity- did not aggravate seizures. In our second study we found LTG to alter autonomous nervous control of the heart during SWS after induction of chronic epilepsy promoting sympatho-vagal imbalance. Furthermore, we found LTG to increase the squared-coefficient of variation of the heart rate during SWS, but not during wakefulness. Our third study was able to demonstrate, that ablation of Cav2.3 robustly impacts sleep architecture, producing deficits in the amount and depth of SWS. Interestingly, although Cav2.3 mice sleep less and display shorter SWS phases, they do not compensate for this deficit by increasing sleep depth, pointing to disturbances in sleep homeostasis. DISCUSSION: We provide first in vivo evidence for a crucial role of R-type signaling in LTG pharmacology and shed light on a paradoxical effect of LTG in the absence of Cav2.3. LTG appears to promote ictal activity in Cav2.3-deficient mice by increasing high frequency components of seizures, resulting in increased neurotoxicity in the CA1. This paradoxical mechanism, possibly reflecting rebound hyperexcitation may be key in understanding LTG-induced seizure aggravation observed in patients. Furthermore, we find Cav2.3 to be a critical mediator of sleep homeostasis, potentially representing a pivotal link between sleep and epilepsy. Cav2.3 has been shown to be crucial for bursting in the reticular thalamus, which underlies delta-rhythm during SWS and generation of spike-and-wave discharges, the hallmark of absence epilepsy. Therefore, seizure resistance and SWS impairment of Cav2.3-deficient mice may be symptomatic of impairment of bursting in the thalamus and therefore of the generation and maintenance of highly synchronized slow rhythms. Remarkably, we found LTG to only affect autonomous control of the epileptic heart during SWS, possibly indicating a mechanism by which LTG could increase the risk for SUDEP. LTG-induced increased sympathetic tone during SWS, may also reflect impaired SWS, found in LTG-treated patients and in our Cav2.3-deficient mice. CONCLUSION: Because Cav2.3-deficient mice display a subtle phenotype as oppposed to an obvious one, because of the expression of Cav2.3 in rhythmically active tissue and because of Cav2.3’s unique electrophysiological properties, it is conceivable that a general function of R-type currents is the “fine tuning” of oscillatory networks One may assume that a loss of “fine-tuning” in Cav2.3KO mice is only minimally noticeable under physiological conditions, but becomes evident in certain pathological conditions exerting a strain on an oscillatory network such as during experimentally induced epilepsy. This may explain how R-type signaling is crucial for sustaining physiological rhythmic activity of an entire network despite relatively low expression levels.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    HINTERGRUND: Der Cav2.3 (R-Typ) spannungsgesteuerte Kalziumkanal ist der enigmatischste aller Kalziumkanäle aufgrund von seiner Pharmakoresistenz, Charakteristika zwischen hoch- und niedrig- spannungsgesteuerten Kalziumkanälen und relativ niedrigen Expression. Lamotrigin (LTG) ist ein beliebtes modernes Antiepileptikum (AED), jedoch sind seine Wirkmechanismen noch unklar, da LTG viele Ionenkanäle und andere Zielstrukturen moduliert. Im heterologen System, inhibiert LTG R-Typ Ströme, die in vivo zu Kainat (KA)-induzierter Epilepsie beitragen. Es wurde gezeigt, dass LTG das Risiko für plötzlich auftretenden, ungeklärten Tod bei Epilepsie (SUDEP) erhöht, ein Phänomen, bei dem kardiale und respiratorische Mechanismen impliziert sind. Außerdem ist das Risiko für epileptische Anfälle bei Patienten höher im Schlaf, besonders im Langsame-Wellen-Schlaf (SWS). Die bidirektionale Beziehung zwischen Schlaf und Epilepsie ist schon lange bekannt, jedoch dem vollen Verständnis noch fern. ZIELE: Ziel des gegenwärtigen Projekts, war es eine tiefgründige Analyse der Rolle des R-Typ Kalziumkanals in dem epileptischen Hirn und Herz durchzuführen, indem seine Mitwirkung bei experimenteller Epilepsie, antiepileptischer Pharmakotherapie und Schlaf analysiert wird. METHODEN: In der ersten Studie wurden die Effekte von LTG und zwei anderen AEDs (Topiramat und Lacosamid) auf Cav2.3-defizienten und Kontrollmäusen bei KA–induzierter Epilepsie untersucht. Neben telemetrischer Erfassung von Elektrokortikogrammen, wurde der Schweregrad der Anfälle quantifiziert. Immunohistochemie und Westernblot Analyse von Cav2.3 Expression im Hirn wurden auch ausgeführt. In der zweiten Studie wurden kardiale Parameter nach KA-induzierter Epilepsie und anschließender LTG-Behandlung in wachen und schlafenden C57Bl6 Mäusen untersucht. Langzeit Elektrokardiogramme und Elektrokortikogramme wurden telemetrisch von sich–frei bewegenden Mäusen erhoben und anschließend Zeit- und Frequenzdomänen ausgewertet. In der dritten Studie wurde spontanes und Urethaninduziertes Schlafverhalten in Cav2.3-defizienten und Kontrollmäusen mittels telemetrische Elektrokortikographie und ektromyographie untersucht. ERGEBNISSE: In Cav2.3-defizienten Mäusen zeigt LTG keine antiepileptische Potenz, sondern verstärkt epileptische Anfälle und Neurodegeneration in der CA1 Region des Hippokampus und verstärkt ultra-hochfrequente Oszillationen (Ripples), von denen gezeigt wurde, dass sie mit der Entstehung von iktaler Aktivität assoziiert sind. Dieser Effekt war spezifisch für LTG in Cav2.3-defizienten Mäusen und entstand nicht bei der Behandlung von Cav2.3-defizienten Mäusen oder Kontrollmäusen mit den anderen beiden getesteten AEDs. In der zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass bei chronisch epileptischen Mäusen, LTG die autonom-nervöse Kontrolle des Herzes während SWS beeinflusst, indem sympathische Kontrolle der Herzaktivität verstärkt wird. Zudem fanden wir eine Zunahme des Variationskoeffizienten im Quadrat im SWS, jedoch nur bei SWS und nicht bei Wachheit. Unsere dritte Studie konnte zeigen, dass die Ablation von Cav2.3 durch verkürzte SWS Phasen und reduzierte SWS Tiefe, robuste Veränderungen des Schlafverhaltens verursacht. Obwohl Cav2.3-defiziente Mäuse weniger Schlafen und kürzere SWS Phasen zeigen, ompensieren sie dieses nicht durch Vertiefung des SWS, was auf eine Beeinträchtigung von homöostatischen Mechanismen deutet. DISKUSSION: Wir zeigen erste in vivo Belege für eine entscheidende Rolle von R-Typ Kalziumkanälen in dem Wirkmechanismus von LTG und decken einen paradoxen Effekt von LTG in der Abwesenheit von Cav2.3 auf. LTG scheint iktale Aktivität in Cav2.3-defizienten Mäusen zu fördern, indem es ultra-hochfrequente Komponente von Anfällen verstärkt, was erhöhte Degeneration von CA1 Neurone verursacht. Dieser paradoxe Mechanismus, der womöglich reaktive Hyperexzitation reflektiert, könnte ausschlaggebend für das Verständnis von anfallsverstärkenden Effekten von LTG sein, die bei epileptischen Patienten auftreten. Cav2.3 zeigt sich als bedeutender Vermittler der Schlafhomöostase, und könnte somit ein entscheidender Knotenpunkt zwischen Epilepsie und Schlaf darstellen. Cav2.3 spielt eine entscheidende Rolle beim Bursting im Thalamus, welches dem Delta-Rhythmus unterliegt aber auch der Generation von Spike-and-Wave Discharges (SWD). Demzufolge könnte die Resistenz gegenüber Chemokunvulsiva und gestörtes SWS der Cav2.3-defizienten Mäuse symptomatisch für gestörtes Bursting im Thalamus, und somit für die Generation und Aufrechterhaltung von hochsynchronisierten langsamen Rhythmen sein. Bemerkenswerterweise, verschiebt LTG nur im SWS die autonom-nervöse Kontrolle des Herzes in sympathischer Richtung, was ein potentieller Mechanismus hinter dem erhöhten Risiko für SUDEP im Schlaf sein könnte. LTG-induzierter erhöhter Sympathikotonus im SWS könnte auch beeinträchtigtes SWS wiederspiegeln, ein Phänomen, das auch in LTG-behandelten Patienten auftritt. KONKLUSION: Weil Cav2.3-defiziente Mäuse einen subtilen statt einen eindeutigen Phänotyp zeigen, weil Cav2.3 eine einzigartige Kombination elektrophysiologischer Eigenschaften besitzt und weil Cav2.3 in verschieden rhythmisch-aktiven Geweben exprimiert wird, ist es annehmbar, dass eine Hauptfunktion dieses Kanals in der „Feinjustierung“ von oszillierenden Netzwerken besteht. Es ist möglich, dass ein Verlust von „Feinjustierung“ unter physiologischen Bedingungen kaum auffällt, jedoch unter pathophysiologischen Bedingungen bzw. wenn das Netzwerk stark belastet wird, große Auswirkungen hat wie z.B. bei der Epilepsie. Das würde erklären, wie R-Typ Kanäle, trotz relativ niedriger Expression, ausschlaggebend für die Generation und Aufrechterhaltung von rhythmischer Aktivität in ganzen Netzwerken sein können.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Dibué-Adjei, Maxinemaxine.dibue-adjei@scientist.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-60306
    Subjects: Life sciences
    Medical sciences Medicine
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Epilepsy, Calcium Channel, Cav2.3, Lamotrigine, Sleep, SUDEPEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > ZMMK
    Language: English
    Date: 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 31 October 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Apr 2015 08:41:11
    Referee
    NameAcademic Title
    Herzig, StefanProf. Dr.
    Kloppenburg, PeterProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6030

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