Effects of small conductance calcium activated potassium channel agonists on seizure like events in in vitro slices and slice cultures

Abstract

The problem of pharmacoresistance associated with anti-epileptic drugs (AEDs) is affecting one third of epilepsy patients. If the patient does not respond to 2-3 AEDs of primary choice then they are most likely to develop resistance. Surgical intervention is an ultimate choice in these patients, however, only a small proportion can profit from such treatment. It is therefore necessary to find better drugs exploiting novel drug targets. SK-channels regulate neuronal excitability, and their agonists were recently reported to be potentially effective in animal models of epilepsy. I therefore tested subunit specific SK-channel agonists in pharmacosensitive and pharmacoresistant models of epilepsy. This also involved evaluation of the potential use of SK-channel agonists in human tissue from epileptic patients who showed pharmacoresistance to AEDs. I firstly tested the following three SK-channel agonists namely, GW- 542573X (SK1 agonist), SKa-31 (SK 2 agonist) and CyPPa (SK 2 and 3 agonist) in acute slice preparations from adult rats. Seizure-like events (SLEs) were induced in slices by application of 4-aminopyridine (4-AP; 100 µM) and local field potentials were recorded in an interphase slice chamber. CyPPa (n=8) and SKa-31 (n=8), blocked SLEs in acute slice preparation whereas, GW-542573X (n=6), significantly increased the interval between SLEs (n=6, p< 0.05). To evaluate the effect of SK-channel agonists in the chronic epilepsy model, I used brain slices from pilocarpine treated chronic epileptic rats. CyPPa and SKa-31, blocked 4-AP induced SLEs in 88% of slices (n=8). GW-542573X was also found to be effective in this model as suppression of SLEs was found in 50% of slices compared to control group (n=6, p< 0.05) . In pharmacosensitive organotypic slice culture (OHSC), CyPPa (n=6) was found to be superior over SKa-31 (n=9). SLEs blockade was achieved in 100% and 66% of studied OHSCs respectively. Even a, low dose of CyPPa was effective at 20 µM (n=7). Although, results of % SLEs blocked in pharmacoresistant OHSCs were not as good as in pharmacosensitive OHSCs, as CyPPa (n=7) and SKa-31(n=6) blocked 66% and 33% SLEs in these OHSCs respectively. Significant results were obtained by these compounds on duration (*p< 0.05) and interval of SLEs (**p< 0.005). The most important finding in this study was the positive result from human tissue. Both CyPPa and SKa-31 blocked 100% SLEs induced by 4-AP in human tissue, while GW-542573X failed to block it. Suppression of SLEs induced by high potassium combined with bicuculline was achieved in 88%, 33% and 50% slices by CyPPa (n=9), SKa-31 (n=7) and GW-542573X (n=4) respectively. These findings suggest that SK-channel agonists might be useful for the treatment of pharmacoresistant seizures. I therefore concluded that SK-channels may serve as a new AEDs drug target for pharmacoresistant epilepsies. However, before translating SK-channel agonists into clinical phase, their possible side effect should be judged.

Das Problem der Pharmakoresistenz im Zusammenhang mit Antiepileptika (AED) tritt bei gut einem Drittel aller Epilepsiepatienten auf. Wenn ein Patient auf 2-3 AED nicht reagiert, dann liegt wahrscheinlich eine Resistenz vor. Für diese Patienten ist die Ultima Ratio/letzte Behandlungsoption der chirurgische Eingriff, von dem aber nur wenige Patienten profitieren. Es wäre also konsequent, bessere Angriffspunkte für Medikamente zu finden, um die Problematik der Pharmakoresistenz zu überwinden bei gleichzeitig verbessertem Nebenwirkungsprofil. SK-Kanäle regulieren die neuronale Erregbarkeit und - wie jüngst berichtet – sind SK-Kanal-Agonisten potentielle Antikonvulsiva. Ich habe deshalb Untereinheiten-spezische SK Agonisten in verschiedenen Anfallsmodellen untersucht, die teils pharmakosensitiv, teils pharmakoresistent sind. Ich untersuchte die drei folgenden sK Kanal Agonisten: GW-542573X (SK1-Agonist), SKa-31 (SK2 Agonist) und CyPPa (SK2 und 3 Agonist) nach Induktion epileptiformer Aktivität in akuten Hirnschnittpräparaten von erwachsenen Ratten. Anfallartige Ereignisse (engl.: Seizure-like events; SLEs) wurden durch 4-Aminopyridin (4-AP; 100 µM) induziert und durch Messung lokaler Feldpotentiale in Interface Kammern verfolgt. SLEs in akuten Schnittpräparaten wurden durch die Anwendung von CyPPa (n=8) und SKa-31 (n=8) blockiert, wohingegen GW-542573X nur die Intervalle zwischen SLEs (n=6, p <0,05) erhöhte. Die Wirkung der SK-Kanal Agonisten wurden dann im Hirngewebe von epileptischen Ratten nach Pilokarpinbehandlung untersucht. CyPPa und SKa-31 blockierten ebenfalls die 4-AP induzierten SLEs in 88% der Hirnschnitte (n=8). In diesem Modell war auch GW-542573X wirksam mit Unterdrückung der SLEs bei 50% der Gehirnschnitte im Vergleich zur Kontrollgruppe (n=6, p <0,05). Die Anwendung von CyPPa zeigten eine bessere Wirksamkeit über SKa-31 in pharmakosensitiven organotypischen Kulturen (OHSC). SLE - Blockade wurde jeweils in 100% und 66% der Präparate erreicht. In diesem Paräparat waren auch niedrigere Dosen von CyPPa (20 uM; n=7) wirksam. Die Ergebnisse waren in pharmakoresistenter OHSCs nicht ganz so gut da CyPPa (n=6) und SKa-31 (n=9) jeweils nur 66% bzw 33% der SLEs blockierten. Dauer und Intervall der SLEs waren signifikant verändert (* p <0,05; ** p <0,005). Weiterhin wurde die Wirksamkeit von CyPPa und SKa-31 am menschlichem Gewebe an durch 4-AP induzierten SLEs untersucht. Es wurden in allen Fällen Anfallsunterdrückung erreicht, wohingegen GW-542573X keine Wirkung zeigte. In Experimenten in denen SLE durch Kombination von Bicucullin und hoch-Kalium induziert worden war, waren alle drei Substanzen wirksam wobei CyPPa (n=9), SKa-31 (n=7) und GW-542573X (n=4) jeweils in 88%, 33% und 50% der Hirnschnittpräparate unterdrückte. Diese Ergebnisse deuten auf eine Wirksamkeit der SK-Kanalagonisten besonders in pharmakoresistenten Modellen hin. Es besteht daher die Möglichkeit, dass SK-Kanal-Agonisten als neue Antiepileptika Medikamente in der Behandlung pharmakoresistenter Epilepsien dienen könnten. Vor Durchführung von klinischen Studien zu SK-Agonisten sollten deren mögliche Nebenwirkungen beurteilt werden.