Mechanisms of action of novel antiepileptic drugs in chronic epileptic hippocampus

Abstract

Globally, at least 50 million people suffer from epilepsy and almost one third of these do not respond to treatment with one or even multiple antiepileptic drugs (AEDs). One of the most prominent approaches trying to explain this phenomenon termed pharmacoresistance is the target-hypothesis. It implies that epilepsy-related or seizure-induced alterations in the properties of the molecular targets of AEDs occur and ultimately result in reduced drug sensitivity.<br /> Voltage-gated sodium channels constitute one of the key targets for many AEDs (so-called sodium channel blockers), as they are crucial for neuronal excitation and for signal transduction in the brain. For the anticonvulsant carbamazepine but also other older sodium channel blockers a strong reduction of efficacy in use-dependent blocking of sodium channels and thereby reduction of repetitive neuronal firing was shown in epileptic tissue of animal models of epilepsy as well as epilepsy patients. While older sodium channel blockers including carbamazepine interfere with the fast inactivation of sodium channels, the novel AEDs lacosamide and eslicarbazepine acetate (via its active metabolite eslicarbazepine) were shown to modulate slow inactivation of sodium channels, in contrast. Due to this unique mechanism of action both compounds were proposed to be candidate drugs to overcome pharmacoresistance.<br /> Using the patch-clamp technique, this thesis aimed at investigating the mechanism of action and the efficacy of both substances on granule cells of the dentate gyrus, which plays an important role in limiting the spread of epileptic seizures and thereby preventing temporal lobe seizures from generalizing. Since previous studies were mostly performed on physiologically different cultured cell lines, here, multiple aspects of the still not completely understood slow inactivation of sodium channels in dentate granule cells were in the focus of investigations. Furthermore, in order to identify potential reductions in efficacy or changes in the mechanism of action of lacosamide and eslicarbazepine, comparisons between healthy and epileptic tissue were made using the pilocarpine model of epilepsy. Identical experiments were also conducted in human epileptic brain tissue that was provided after surgical removal of the epileptic foci of treatment resistant epilepsy patients. We could show that both substances exert potent efficacy on the slow sodium channel inactivation, particularly on the voltage dependence of slow inactivation (implied by a strong hyperpolarizing shift of the inactivation curve) also in dentate granule cells. Much less pronounced effects on sodium channel fast inactivation processes were demonstrated for eslicarbazepine in an earlier study and for lacosamide within this thesis. These effects appear to be negligible when compared to the prominent shifts of the voltage dependence of slow inactivation, however. Interestingly, all of the reported effects were not limited to healthy dentate granule cells but could also be replicated in rat and human epileptic granule cells in unaltered magnitude.<br /> As described for lacosamide within this work and for eslicarbazepine in an earlier study, the observed effects on the slow inactivation of sodium channels translate into inhibition of action potential firing of dentate granule cells in response to prolonged depolarization – again without differences between epileptic and nonepileptic cells. Subsequent analyses of the action potential firing behavior during application of lacosamide revealed that the effects on slow inactivation processes translate into systematic changes in the action potential waveform that further increase with the duration of depolarization. <br /> To sum up, lacosamide as well as eslicarbazepine show relatively small effects on fast inactivation processes while strongly modulating the slow inactivation of sodium channels and its voltage dependence. This is reflected by a reduction of the granule cell firing behavior. For all of the effects described, no differences between granule cells of epileptic and nonepileptic origin were observed. On the basis of these results it can be concluded that both of the investigated substances have the potential to overcome the resistance mechanism described for carbamazepine and other sodium channel blockers, at least in the light of the target-hypothesis.

Knapp ein Drittel der weltweit mindestens 50 Millionen Menschen, die an Epilepsie leiden, spricht nicht auf die Behandlung mit einem oder sogar Kombinationsbehandlung mit mehreren Antiepileptika an. Die Zielstrukturen-Hypothese ist eine der prominentesten Hypothesen, die versucht dieses Phänomen, das als Pharmakoresistenz bezeichnet wird, zu erklären. Sie besagt, dass im Verlauf der Epilepsie oder infolge von epileptischen Anfällen eine Veränderung der Eigenschaften molekularer Zielstrukturen, an denen die Antiepileptika ihre Wirkung entfalten, stattfindet. Dies führt schlussendlich zu einer Reduktion der Medikamentensensitivität.<br /> Spannungsabhängige Natriumkanäle stellen eine sehr wichtige Zielstruktur für viele Antiepileptika (sog. Natriumkanalblocker) dar, da sie für die Erregung von Nervenzellen und für die Signalweiterleitung im Gehirn kritisch sind. Für das Antiepileptikum Carbamazepin aber auch andere ältere Natriumkanalblocker konnte in verschiedenen Tiermodellen der Epilepsie aber auch in Hirngewebe von Epilepsiepatienten eine stark verminderte Effektivität bei der Blockade von Natriumkanälen und der daraus resultierenden Reduktion von repetitivem Feuerverhalten von Nervenzellen gezeigt werden. Im Gegensatz zu allen anderen Natriumkanalblockern modulieren die relativ neuen Antiepileptika Lacosamid sowie Eslicarbazepinacetat (über seinen aktiven Wirkstoff Eslicarbazepin) nicht die schnelle sondern die langsame Inaktivierung von Natriumkanälen. Aufgrund dieser besonderen Wirkweise wurde von beiden Substanzen erwartet, dass sie Pharmakoresistenzmechanismen potenziell überwinden können.<br /> Die Wirkweise und Effektivität beider Substanzen wurde im Rahmen dieser Arbeit unter Verwendung der Patch-Clamp Technik an Körnerzellen des Gyrus Dentatus, dem eine wichtige Funktion in der Verhinderung der Ausbreitung epileptischer Anfälle mit Ursprung im Temporallappen des Gehirns zugesprochen wird, untersucht. Da frühere Studien weitestgehend an physiologisch andersartigen Zellkulturlinien durchgeführt wurden, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Parameter der noch nicht vollständig verstandenen langsamen Inaktivierung von Natriumkanälen in Körnerzellen des Gyrus Dentatus untersucht. Darüber hinaus wurde die Wirkweise und die Effektivität von Lacosamid und Eslicarbazepin zwischen Kontrollgewebe und epileptischem Gewebe im Tiermodell verglichen, um mögliche Reduktionen der Effektivität oder Veränderungen im Wirkmechanismus zu erkennen. Identische Untersuchungen wurden ebenfalls in epileptischem humanem Hirngewebe, das infolge der operativen Entfernung des Epilepsieherdes behandlungsresistenter Patienten bereitgestellt wurde, durchgeführt.<br /> Dabei konnte gezeigt werden dass beide Substanzen auch in Körnerzellen deutliche Effekte auf die langsame Inaktivierung von Natriumkanälen und hier besonders auf deren Spannungsabhängigkeit zeigen, zu erkennen an einer deutlichen Verschiebung der Inaktivierungskurve in Richtung hyperpolarisierter Membranpotentiale. Deutlich kleinere Effekte auf die schnelle Inaktivierung von Natriumkanälen wurden für Eslicarbazepin bereits im Vorfeld dieser Arbeit beschrieben und für Lacosamid im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt. Diese Effekte fallen jedoch im Vergleich zu den starken Effekten auf die Spannungsabhängigkeit der langsamen Inaktivierung vernachlässigbar klein aus. Interessanterweise sind sämtliche beschriebenen Effekte nicht nur in Kontrollgewebe beobachtet worden, sonden konnten in Körnerzellen epileptischer Ratten und Epilepsiepatienten ebenso in unveränderter Größe nachgewiesen werden.<br /> Diese Effekte auf die langsame Inaktivierung von Natriumkanälen spiegeln sich in einer Reduktion des Feuerns repetitiver Aktionspotentiale der Körnerzellen infolge längerer Depolarisation wieder, wie für Lacosamid im Rahmen dieser Arbeit und für Eslicarbazepin in einer früheren Studie ebenfalls in epileptischem und Kontrollgewebe unverändert beobachtet werden konnte. Weitere Analysen des Feuerverhaltens während der Applikation von Lacosamid legen nahe, dass sich die Effekte auf die langsame Inaktivierung in einer systematischen Änderung der Aktionspotentialeigenschaften niederschlagen, welche mit der Dauer der Depolarisation zunimmt. <br /> Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Lacosamid als auch Eslicarbazepin vergleichsweise kleine Effekte auf schnelle Inaktivierungsprozesse bei vorwiegender Modulation der langsamen Inaktivierung von Natriumkanälen und hier besonders deren Spannungsabhängigkeit zeigen, was sich in einer Reduktion im Feuerverhalten der Körnerzellen wiederspiegelt. Für sämtliche der untersuchten Effekte konnten keine Unterschiede zwischen Zellen epileptischem und nichtepileptischem Ursprungs beobachtet werden. Anhand dieser Ergebnisse lässt sich festhalten, dass beide Substanzen, zumindest im Lichte der Zielstrukturen-Hypothese, das Potenzial haben, den für Carbamazepin und weitere Natriumkanalblocker beschriebenen Resistenzmechanismus zu überwinden.