Einfluß glialer Background-Kalium-Kanäle auf die Kalium-Homöostase im gesunden und epileptischen Hippocampus

Abstract

Bei dem häufig vorkommenden neurologischen Krankheitsbild der Epilepsie steigt die fokale extrazelluläre Kaliumkonzentration auf pathologisch hohe Werte an. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind noch immer nicht komplett erklärt. Hier rückten die schon in den 1950er Jahren vorhergesagten und in den letzten Jahren klonierten und intensiver untersuchten two-pore-domain-Kalium-Kanäle (K2P-Kanäle) in den wissenschaftlichen Fokus. Ein Beitrag dieser Kanäle zur Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials der Glia ist bereits belegt. In dieser Studie sollte der Beitrag der K2P-Kanäle zur Kalium-Homöostase im gesunden und epileptischen Hippocampus bestimmt werden. Die Messungen wurden in der Pyramidenzellschicht der Regio I des Ammonshorns (CA1) akuter Hirnschnitte des Hippocampus von Kontrolltieren (Wistar-Ratten), einem Epilepsiemodell (Pilokarpin-behandelte Wistar-Ratten) und humanem epileptischen Gewebe (Hippocampusteil-resektate operierter Patienten mit Temporallappenepilepsie) durchgeführt. Unter Blockade synaptischer Transmission wurden Anstiege der extrazellulären Kaliumkonzentration durch antidrom aktivierte Neurone (repetitive Reizung im Alveus) bzw. Kaliumiontophorese induziert und die Wirkungen verschiedener K2P-Kanal-Blocker (Quinin, Quinidin, Bupivacain) auf diese Anstiege untersucht. Zusätzlich wurden die Wirkungen der Blocker auf die Summenaktions-potentiale und die den Kaliumanstieg begleitenden langsamen Feldpotentialänderungen betrachtet. Quinin bzw. Quinidin inhibieren TWIK-1-, TASK-1-, TASK-2- und TREK-1-Kanäle, Bupivacain inhibiert TASK-1-, TASK-2-, TASK-3- und TRESK-Kanäle. Im Kontrollgewebe minderte Quinin konzentrations- und zeitabhängig die neuronale Kalium-freisetzung und die gliale Kaliumaufnahme. Die neuronale Aktivität blieb nahezu unbeeinflußt. Quinidin zeigte die gleichen Wirkungen wie Quinin. Die Effekte der K2P-Kanal-Blocker wurden bei Co-Applikation mit Barium, einem potenten Blocker einwärts gerichteter Kalium-Kanäle (Kir-Kanäle), deutlich verstärkt, wobei die zusätzliche Reduktion des neuronalen Kalium-ausstroms als Folge einer drastischen Reduktion der reizinduzierten neuronalen Aktivität angesehen werden muß. Bupivacain blockierte den neuronalen Kaliumausstrom und die neuronale Aktivität, hatte aber keine Wirkung auf die gliale Kaliumaufnahme. Im epileptischen Gewebe wurde der Kaliumausstrom aus Neuronen durch Quinin (200 µM) ebenfalls gemindert, die gliale Kaliumaufnahme jedoch nicht relevant beeinflußt. Die Co-Applikation von Barium bewirkte eine starke Verminderung der reizinduzierten Aktivität und dadurch eine zusätzliche Verminderung des neuronalen Kaliumausstroms. Die ebenfalls sicht-bare Zunahme des iontophoretisch induzierten Kaliumanstiegs zeigt eine Verminderung der glialen Kaliumaufnahme durch Hemmung von Kir-Kanälen an. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit lassen annehmen, daß die K2P-Kanäle TWIK-1 und TREK-1 in allen untersuchten Geweben einen beachtlichen Anteil des durch antidrome Reizung induzierten neuronalen Kaliumausstroms vermitteln. Darüberhinaus sind TWIK-1- und TREK-1-Kanäle an der glialen Kaliumpufferung im Hippocampus von Kontrollratten beteiligt, jedoch in einem deutlich geringeren Ausmaß als Barium-sensitive Kir-Kanäle. Im epileptischen Hippo-campus erfolgt die gliale Kaliumpufferung nur über Kir-Kanäle.

In the frequent neurological disease of epilepsy, focal extracellular potassium concentration in the brain increases to pathological values. The underlying mechanisms are not yet fully understood. Two-pore-domain potassium channels (K2P channels), postulated in the 1950s and cloned and investigated in the past years, came into scientific view. A contribution of these channels on keeping membrane’s resting potential of glial cells is proven. In the present study, the contribution of K2P channels on potassium homeostasis in healthy and epileptic hippocampus should be investigated. Measurements were done in the pyramidal cell layer of Cornu ammonis regio I (CA1) in acute slices from hippocampus of control animals (Wistar rats), epilepsy model (pilocarpine treated Wistar rats) and human epileptic tissue (resected hippocampus of operated patients suffering from temporal lobe epilepsy). Rises of extracellular potassium concentration were induced by antidromically activated neurons (repetitive alvear stimulation) and potassium iontophoresis under blocked synaptic transmission. Effects of K2P channel blockers (quinine, quinidine, bupivacaine) on such rises were investigated. Additionally, effects of these blockers on summarized action potentials and slow field potential changes were considered. Quinine or quinidine inhibit TWIK-1-, TASK-1-, TASK-2- and TREK-1-channels, bupivacaine inhibits TASK-1-, TASK-2-, TASK-3- and TRESK-channels. In control tissue quinine reduced neuronal potassium release and glial potassium uptake in a time and concentration dependent manner. Neuronal activity was nearly unaltered. Quinidine had similar effects as quinine. The effects of these K2P blockers were clearly increased under co- application with barium, a potent blocker of inward rectifying potassium channels (Kir channels). The additionally reduced neuronal potassium efflux must be seen as an effect of a strong reduction of stimulus induced neuronal activity. Bupivacaine blocked both, neuronal potassium efflux and neuronal activity, but had no effect on glial potassium uptake. In epileptic tissue quinine (200 µM) also reduced neuronal potassium efflux but glial potassium uptake was not significantly altered. Co-application of barium caused a strong reduction of stimulus induced activity and therefore an additional reduction of neuronal potassium efflux. The increase of iontophoretically induced potassium rise shows a reduction of glial potassium uptake by inhibition of Kir channels.