Charakterisierung neuer Zielstrukturen für Antiepileptika

Epileptische Erkrankungen betreffen 1-2% der Bevölkerung, das sind zwischen 50 und 100 Millionen Menschen weltweit. Der Begriff Epilepsie umfasst verschiedene Syndrome, deren gemeinsames Kennzeichen eine Neigung zu wiederkehrenden, spontan auftretenden Anfällen ist. Gängige Antiepileptika (AEDs) wirken rein symptomatisch, das heißt sie vermögen epileptische Anfälle zwar zu unterdrücken, können aber Epilepsie nicht heilen, da die verursachenden (weitgehend unbekannten) pathologischen Mechanismen unbeeinflusst bleiben. Zudem gelingt es bei ca. 30% der Epilepsie-Erkrankten nicht, durch Therapeutika die Anfälle unter Kontrolle zu bringen. Daher ist es nötig, verbesserte AEDs zu entwickeln. Das neurologische Korrelat eines epileptischen Anfalls ist ein Ausbruch anomaler elektrischer (iktaler) Entladungsaktivität. Aber auch zwischen den Anfällen (interiktal) treten kurze epileptiforme Entladungen auf, die jedoch ohne erkennbare physische Wirkung bleiben und nur im EEG als sogenannte interiktale Zacken (IZs) zu registrieren sind. Neuere Erkenntnisse weisen nun darauf hin, dass IZs am Entstehen und der Aufrechterhaltung epileptischer neuronaler Netzwerke beteiligt sind. Demzufolge sollte die Unterdrückung der IZs epileptische Anfälle verhindern. Neben den IZs wird auch der Übergang von interiktaler zu iktaler Entladungsaktivität als potentieller Angriffspunkt für neue antiepileptische Wirkstoffe in Betracht gezogen. Es gibt Hinweise darauf, dass bei diesem Übergang Neurotransmitter-Systeme eine Rolle spielen. So wurde zum Beispiel wiederholt berichtet, dass cholinerge Neurotransmission an der Pathogenese epileptischer Anfälle beteiligt ist. L-Typ Kalziumkanäle (LTCCs) sind in die IZs und deren epileptogenetische Auswirkungen involviert und haben bei iktaler Entladungsaktivität ebenso Bedeutung. Andererseits weiß man von nikotinischen Acetylcholinrezeptoren (nAChRs), dass sie präsynaptische Fazilisierung verursachen, und bei Überfunktion epileptiforme Entladungen verursachen. Daher kommen LTCCs und nAChRs als Zielstrukturen für neuere Antiepileptika in Frage. Im Gehirn dominieren zwei L-Typ Kalziumkanal-Subtypen, die sich in subzellulärer Lokalisation, biophysikalischen Parametern als auch in der Kopplung an Ca2+-abhängige Signalwege unterscheiden. Welche Subtypen und in welcher Funktion diese LTCCs an interiktalen und iktalen Entladungen beteiligt sind, blieb bisher aber unbekannt. Das antiepileptische Potential von nAChR-Antagonisten wurde bislang ebenso nicht ermittelt. Im vorliegenden Projekt plane ich die Rolle von LTCCs und nAChRs in epileptiformer Aktivität an Primärkulturen zentraler Neurone zu untersuchen. Dazu werde ich LTCC-knock-out Mäuse, bzw. nAChR-Agonisten und -Antagonisten verwenden, und insbesondere folgenden Fragen nachgehen. (i) Auf welche Weise sind neuronale LTCC an interiktaler und iktaler Entladungsaktivität beteiligt? (ii) Unterscheiden sich die LTCC Subtypen durch pro- bzw. antiepileptisches Potential? (iii) Stellen nAChRs geeignete Zielstrukturen zur Unterdrückung epileptiformer Entladungsaktivität dar? Experimente, die diese Fragen behandeln, werden ergänzt durch nähere Untersuchung eines neuen LTCC Blockers, den ich im Venom der Jagdspinne Cupiennius salei identifiziert habe. Meine vorliegenden Daten weisen darauf hin, dass dieses Toxin, CSTX-1, zwischen verschiedenen LTCC Subtypen zu unterscheiden vermag. Daher werde ich abklären, ob CSTX-1 als Leitstruktur zur Entwicklung therapeutisch einsetzbarer, Subtyp-selektiver LTCC Antagonisten in Frage kommt. Ferner habe ich festgestellt, dass Retigabin, ein neues Antiepileptikum, das sich gegenwärtig in klinischer Prüfung befindet, in therapeutischen Konzentrationen zentrale nAChR inhibiert. Bislang wurde angenommen, dass die Wirkung von Retigabin vorwiegend auf der Hemmung des M-Typ Kaliumkanals beruht. Aufgrund meiner neuen Befunde werde ich Retigabin einsetzen, um das antiepileptische Potential der Hemmung von zentralen nAChR festzustellen. Letztendlich ist es das Ziel von Epilepsie-Therapie, die Krankheit zu heilen, und nicht nur Anfälle zu unterdrücken. Vorliegendes Projekt wird wesentliche Erkenntnisse zur Entwicklung neuer, verbesserter AEDs liefern.

Ziel des Projektes war es, grundlagenwissenschaftliche Erkenntnisse zu liefern, die gegebenenfalls für innovative Ansätze in der Entwicklung neuerer Generationen von Antiepileptika Verwendung finden können. Verschiedene neurophysiologische Mechanismen wurden zu Beginn explorativ untersucht. Als erfolgversprechend kristallisierte sich dabei insbesondere die Arbeit an spannungsaktivierten Kalziumkanälen vom L-Typ heraus (LTKKs). Dementsprechend erfolgte eine Fokussierung der Forschungsarbeit auf diese Proteine. Wie im folgenden kurz zusammengefasst, gelang es uns zu zeigen, dass LTKKs eine wesentliche Zielstruktur zur Unterdrückung potentiell Epilepsie verursachender neuronaler elektrischer Signale darstellen. In Zellkulturen hippokampaler Neurone führte die pharmakologische Verstärkung der LTKKs nämlich zu abnormalen elektrischen Ereignissen, wie sie unter physiologischen Bedingungen kaum auftreten. Diese Ereignisse sind in der Fachliteratur als paroxysmale Depolarisationsshifts (PDS) bekannt. Eine Ausnahme, wo ähnliche elektrische Signale in Nervenzellen auftreten, stellt die Reifung des Nervensystems, verbunden mit Verzweigung und Verschaltung der einzelnen Nervenzellen, in den ersten Lebenswochen dar. Im Gehirn des Erwachsenen sind PDS einer Lehrmeinung folgend hingegen als krankheitsverursachend anzusehen. Allerdings vermutet ein anderes Lager von Neurowissenschaftlern, dass PDS einen Versuch des Nervensystems darstellen, epileptisches Entladungsverhalten zu unterdrücken. Wir konnten nunmehr zeigen, dass die Verstärkung der LTKKs nicht nur auf pharmakologischem Wege zur Entstehung von PDS führt, sondern dass diese, wiederum LTKK-vermittelt, auch durch oxidativen Stress ausgelöst werden können. Oxidativer Stress kann in Nervenzellen infolge von Mangeldurchblutung auftreten, z.B. infolge von Gehirnverletzungen. Da gewisse Schädigungen des Gehirns, insbesondere auch solche, die zu oxidativem Stress führen, zur Entwicklung sogenannter erworbener Epilepsieformen führen können, ist der Zusammenhang zwischen oxidativem Stress, LTKK-Verstärkung und PDS- Entstehung für zukünftige therapeutische Ansätze hochinteressant. LTKKs spielen nämlich eine entscheidende Rolle bei strukturellen als auch funktionellen neuronalen Veränderungen. Daher spricht die ursächliche Beteiligung der LTKKs an den PDS für eine epileptogenetische Wirkung. Dies schließt nicht aus, dass es im Nervensystem unter bestimmten Bedingungen, z.B. nach Anfällen, zum Auftreten von PDS-artigen Ereignissen kommt. Unsere Befunde weisen aber daraufhin, dass LTKKs an solchen "post-iktalen" PDS unwesentlichen Anteil haben, und diese Ereignisse daher andere Auswirkungen, möglicherweise tatsächlich entladungsunterdrückender Art, haben. In der Zwischenzeit mehren sich die Hinweise darauf, dass PDS auch bei anderen neuronalen Erkrankungen, z. B. bei altersbedingten Defiziten, eine Rolle spielen. Daher könnte der hier ermittelte Zusammenhang zwischen LTKKs und PDS für weitere neurologische Anwendungsgebiete Bedeutung erlangen.