Blut-Hirn-Schrankenstörung und Entstehung von Epilepsie

Abstract

Störungen der Integrität der Blut-Hirn-Schranke (BHS) sind unter verschiedensten pathologischen Bedingungen sowohl beim Menschen als auch im Tierversuch beschrieben worden1. Allerdings ist bisher unklar, wie sich das Eindringen von Substanzen aus dem Blutstrom in das normalerweise abgeschirmte Gehirngewebe auf die Funktion der Nerven- und Gliazellen auswirkt. Insbesondere eine mögliche pathogenetische Rolle von Schrankenstörungen ist kaum untersucht worden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Tiermodell für eine gezielte, fokale, atraumatische Öffnung der BHS entwickelt. Dabei kamen in der Literatur beschriebene Gallensalze2 zum Einsatz, welche direkt auf die kortikale Oberfläche von Rattengehirnen appliziert wurden. Auf diese Weise gelang es, die BHS auch für große Moleküle aus dem Serum durchlässig zu machen, wobei exemplarisch ein massiver Einstrom von Serum-Albumin in das zerebrale Parenchym nachgewiesen werden konnte. Eine neurotoxische bzw. neuromodulatorische Wirkung der Gallensalze selbst wurde für die verwendeten Konzentrationen ausgeschlossen. Bereits zwölf Stunden nach Applikation der Gallensalze in vivo zeigte sich in dem betroffenen kortikalen Areal eine prominente Aktivierung von Astrozyten, jedoch kein Hinweis auf eine entzündliche Reaktion oder signifikanten Neuronenverlust. Die Öffnung der BHS verursachte somit nicht die typischen Veränderungen traumatischer Läsionsmodelle3. Elektrophysiologische Messungen in Hirnschnitten zeigten bei ca. 70% der behandelten Tiere nach einer Frist von mindestens vier postoperativen Tagen einen Fokus mit epileptiformer Aktivität. Dagegen wiesen nur 10% der scheinoperierten Kontrollen ähnliche Aktivität auf. Interessanterweise führte auch die kortikale Applikation einer Albumin-Lösung zur Entstehung eines epileptiformen Erregungsherdes. In Hirnschnitten ließ sich eine Zunahme der Erregbarkeit einzelner Neurone unter Einwirkung von Albumin nachweisen. Dabei wurde das Albumin über einen TGF-beta abhängigen Transportprozeß, der sich selektiv hemmen ließ, in Astrozyten aufgenommen. In der Folge war in den behandelten Hirnregionen eine deutliche Reduktion der astrozytären Pufferkapazität für Kaliumionen festzustellen. In einem anderen Kontext konnte schließlich gezeigt werden, daß epileptische Anfälle, die als unerwünschte Wirkung unter antiviraler Therapie mit Alpha-Interferon auftreten, durch eine vorbestehende BHS-Störung mitbedingt sein können. Es wurden also zum ersten Mal klare Hinweise dafür geliefert, daß Beeinträchtigungen der BHS direkt an der Entstehung von Epilepsieherden beteiligt sein können. Der zugrundeliegende Pathomechanismus eröffnet hier neue therapeutische Möglichkeiten.

Perturbations in the integrity of the blood-brain barrier have been reported in both humans and animals under numerous pathological conditions. However, the effect of such perturbations on brain function and their role in the pathogenesis of cortical diseases are unknown. In this study, a model for focal, atraumatic disruption of the blood-brain barrier in the rat neocortex was established, using direct application of bile salts to the brain. In vivo- exposure of the cerebral cortex to bile salts resulted in long-lasting extravasation of serum albumin to the brain extracellular space and was associated with a prominent activation of astrocytes, but no inflammatory response or marked cell loss. Using electrophysiological recordings in brain slices, a focus of epileptiform discharges could be detected within 4 days after treatment and was recorded up to 49 days postoperatively in ca. 70% of slices from treated animals but only rarely (10%) in sham-operated controls. Epileptiform activity involved both glutamatergic and GABAergic neurotransmission. It was also induced by direct cortical application of native serum, denatured serum, or albumin-containing solution. In contrast, perfusion with serum-adapted electrolyte solution did not induce abnormal activity, suggesting that the exposure of the secluded brain environment to serum proteins underlies epileptogenesis in the blood-brain barrier-disrupted cortex. Furthermore, it could be demonstrated that direct brain exposure to serum albumin is associated with albumin uptake into astrocytes, which is mediated by transforming growth factor beta receptors. This uptake was followed by a down regulation of inward-rectifying potassium channels in astrocytes, resulting in reduced buffering of extracellular potassium. The consecutive activity-induced increased accumulation of extracellular potassium resulted in facilitated N-methyl-d-aspartate-receptor-mediated neuronal hyperexcitability and eventually epileptiform activity. In another context, it was shown that generalized seizures during Interferon-alpha therapy can be a result of a blood-brain barrier disruption in the patient under treatment. This stresses the importance of identifying possible blood-brain barrier leakage among high-risk patients that are administered peripherally acting drugs. In summary, there is clear evidence that blood-brain barrier disruptions can be involved in the pathogenesis of epileptic foci.