Suppression of carbamazepine-resistant epileptiform activity by activation of adenosine A1 receptors in human neocortex slices from pharmacoresistant epilepsy patients

Abstract

Introduction: Resistance to antiepileptic drugs is a major clinical problem affecting about 30 % of all epilepsy patients and up to 80 % of patients suffering from temporal lobe epilepsy. Surgical resection of ictogenic brain tissue is only feasible for a small minority of pharmacoresistant patients, therefore, developing novel pharmacological treatment strategies is an important goal of neurological research. The purinergic receptor system comprises of adenosine receptors and adenosine triphosphate (ATP)-activated P2-receptors. They are known to modulate synaptic transmission and are therefore regarded as potential pharmacological targets for new anticonvulsive drugs. The present in vitro study investigates adenosinergic modulation of induced epileptiform activity in human neocortical tissue. Methods: In total, 77 neocortical slices from 17 patients, who underwent epilepsy surgery between 2010 and 2015, were recorded. Local field potential recordings were obtained in layer V/VI of human neocortex. Stable epileptiform activity, so called seizure-like events (SLEs), were induced by elevating [K+] in artificial cerebrospinal fluid (aCSF) to 8 mM and adding 50 µM of the GABAA receptor antagonist bicuculline-methiodide to the aCSF. Results: 1 µM of the selective A1 receptor agonist SDZ WAG 994 fully suppressed SLEs in 73 % of slices yielding a significantly higher proportion of slices where SLEs were blocked than 300 µM of ATP (18 %) or 300 µM of adenosine (13 %). The anticonvulsant effects of the high dose physiological broadband purinergic agonists ATP and adenosine were most likely mediated by A1 receptor activation. Moreover, SLEs which were resistant to 50 µM carbamazepine (CBZ) were also blocked by the selective A1 agonist in 71 % of slices. No relevant effects on SLE parameters were observed by selectively antagonizing P2Y1, P2X1, P2X3, P2X2/3 and P2X7 receptors thus ruling out a possible endogenous P2 receptor mediated anticonvulsant effect. Conclusion: The main finding of the present study is a surprisingly high efficacy of the selective A1 agonist SDZ WAG 994 to block CBZ-resistant epileptiform events in human neocortex tissue. This study confirms the known anticonvulsant action of adenosine and, in addition, provides for the first time evidence for efficient, direct A1 receptor- mediated suppression of epileptiform activity in human neocortex tissue. Interestingly, SDZ WAG 994 has been shown to be tolerated by humans and thus may constitute a novel pharmacological approach to treating seizure disorders.

Einleitung: Resistenz gegenüber antiepileptischer Medikation ist ein bedeutendes klinisches Problem und betrifft circa 30 % aller Epilepsiepatienten und bis zu 80 % der Patienten mit Temporallappen-Epilepsie. Die chirurgische Resektion der iktogenen Hirnstrukturen ist nur für eine kleine Minderheit der pharmakoresistenten Patienten möglich. Daher ist die Entwicklung von neuen pharmakologischen Behandlungen ein wichtiger Gegenstand der neurologischen Forschung. Das purinerge Rezeptorsystem besteht aus Adenosinrezeptoren und P2-Rezeptoren, welche durch Adenosintriphosphat (ATP) aktiviert werden. Purinerge Rezeptoren modulieren die synaptische Transmission und werden daher als potenzielle Zielstrukturen für die Entwicklung neuer antikonvulsiver Medikamente gesehen. Die vorliegende in vitro Studie untersucht die purinerge Modulation von induzierter epileptiformer Aktivität in humanen neokortikalen Hirnschnitten. Methodik: Insgesamt wurden 77 neokortikale Hirnschnitte von 17 Patienten mit epilepsiechirurgischen Eingriffen zwischen den Jahren 2010 und 2015 untersucht. Lokale Feldpotenzial Ableitungen wurden in den Schichten V/VI des humanen Neokortex durchgeführt. Um stabile epileptiforme Aktivität, sogenannte anfallsartige Ereignisse (AAE), auszulösen, wurde in der artifiziellen cerebrospinalen Flüssigkeit (aCSF) die extrazelluläre Kalium-Konzentration auf 8 mM erhöht und dem aCSF 50 µM des GABAA Rezeptorantagonisten Bicucullin-Methiodid hinzugefügt. Ergebnisse: 1 µM des selektiven A1 Rezeptoragonisten SDZ WAG 994 blockierte AAEs vollständig in 73 % der Hirnschnitte. Dies entspricht einem signifikant größeren Anteil an Hirnschnitten mit unterdrückten AAEs als durch Applikation von 300 µM ATP (18 %) oder 300 µM Adenosin (13 %) beobachtet wurde. Auch der antikonvulsive Effekt der physiologischen purinergen Breitbandagonisten Adenosin und ATP wurde am ehesten durch Aktivierung der A1 Rezeptoren ausgelöst. Des Weiteren wurden durch Applikation des selektiven A1 Rezeptoragonisten in 71 % der Hirnschnitte auch die AAEs unterdrückt, die resistent gegenüber der Applikation von 50 µM Carbamazepin (CBZ) waren. Bei Applikation selektiver P2Y1, P2X1, P2X3, P2X2/3 und P2X7 Rezeptorantagonisten wurde keine relevante Modulation der AAE Parameter beobachtet, sodass eine mögliche Beteiligung endogen aktivierter P2 Rezeptoren unwahrscheinlich ist. Schlussfolgerung: Das wichtigste Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist die überraschend effiziente Unterdrückung CBZ-resistenter epileptiformer Aktivität in humanen neokortikalen Hirnschnitten durch den selektiven A1 Rezeptoragonisten SDZ WAG 994. Diese Studie bestätigt die bekannte antikonvulsive Wirkung von Adenosin und beschreibt des Weiteren erstmals die effiziente Blockierung von epileptiformer Aktivität durch direkte A1 Rezeptoraktivierung in humanen neokortikalen Hirnschnitten. Interessanterweise ist bekannt, dass die Gabe von SDZ WAG 994 durch den Menschen toleriert wird. Dessen Anwendung könnte daher einen neuartigen pharmakologischen Ansatz zur Therapie von Anfallserkrankungen darstellen.