Hintergrund: Einer Epilepsie liegt eine komplexe und oft polygene Pathophysiologie zugrunde, die durch eine Dysregulation biologischer Netzwerke und Zellfunktionen verursacht wird. Genexpressionsanalysen in Abhängigkeit von epilepsietypischer Aktivität können das Verständnis beteiligter zellulärer Signalkaskaden verbessern. Bisher wurden dafür überwiegend Tiermodelle eingesetzt, die die humanen Bedingungen nur eingeschränkt rekapitulieren können. Durch Verwendung eines in vitro Anfallsmodells eröffnen sich Perspektiven, anfallsassoziierte Veränderungen der Genexpression auch in humanem Gewebe ex vivo zu studieren. Als Voraussetzung für einen translationalen Forschungsansatz haben wir die grundsätzliche Eignung eines etablierten in vitro Modells zur Untersuchung der Modulation von Genexpression infolge epilepsietypischer Aktivität evaluiert. Dafür haben wir das 4-Aminopyridin-Modell (4-AP-Modell) verwendet. In Rattenhirnschnitten wurde das Ausbreitungsmuster anfallsartiger Ereignisse (AE) mit den mRNA-Spiegeln der untersuchten Gene c-Fos (FOS-Proto-Onkogen), Icer (engl. inducible cAMP early repressor) und mTor (engl. mechanistic target of rapamycin) korreliert. Methoden: Von naiven Ratten (Wistar Han) wurden kombinierte entorhinal-hippocampale Hirnschnitte (400 μm) angefertigt und AE in vitro durch 4-AP induziert. Die AE wurden durch Messung extrazellulärer Feldpotentiale und intrinsischer optischer Signale erfasst. Die Interventionsdauer variierte zwischen 1 und 4 Stunden. Anschließend erfolgte eine relative Quantifizierung der mRNA-Spiegel durch Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) unter Verwendung von Ywhaz als Referenzgen. Ergebnisse: In den akuten Rattenhirnschnitten konnten durch 4-AP regelmäßig auftretende AE in anhaltend stabiler Frequenz induziert werden. Die meisten AE hatten ihren Ursprung im temporalen Kortex, breiteten sich zum entorhinalen Kortex aus und zeigten nur selten eine Einbeziehung der Hippocampusformation. Infolge der Präparation und Lagerung der Hirnschnitte wurde bereits in den Kontrollschnitten eine Zunahme der c-Fos und Icer mRNA beobachtet. Die epilepsietypische Aktivität in vitro resultierte in einer zusätzlichen zeitabhängigen Induktion der Genexpression von c-Fos und Icer. In Übereinstimmung mit dem regionalen Ausbreitungsmuster der AE war der mRNA Anstieg beider Gene im temporalen Kortex am stärksten. Für mTor ließ sich keine Änderung der Genexpression infolge epilepsietypischer Aktivität nachweisen. Schlussfolgerung: Bei positivem Nachweis einer regionalen und zeitlichen Korrelation zwischen elektrophysiologisch-optischen und molekularbiologischen Parametern epilepsietypischer Aktivität schlussfolgern wir, dass das akute Hirnschnittmodell mit 4-AP induzierten AE für Genexpressionsstudien geeignet ist. Daher können Transkriptomanalysen in humanen Hirnschnitten perspektivisch Einblicke in die molekularen Grundlagen der Pathophysiologie von Epilepsien geben.
Background: Epilepsy is considered as a complex and often polygenic disorder caused by dysregulation of biological networks and cellular functions. Analysis of gene expression changes due to epileptiform activity may enhance the understanding of involved molecular signaling cascades. Until now, animal models have been predominantly used for this purpose, but they can only recapitulate the humane conditions to a limited extent. In vitro seizure models provide perspectives to determine seizure-associated changes in gene expression also in human tissue ex vivo. As requirement for a translational approach, we evaluated the suitability of an established in vitro model to examine modulation of gene expression caused by epileptiform activity. For this, we used the 4-aminopyridine model (4-AP model). In rat brain slices, the propagation pattern of epileptiform activity was correlated with gene expression of the candidate genes c-Fos (FOS-Proto-Oncogene), Icer (inducible cAMP early repressor) and mTor (mechanistic target of rapamycin). Methods: In combined entorhinal-hippocampal brain slices (400 μm) prepared from naive Wistar Han rats, epileptiform events in vitro were induced by 4-AP and monitored using recordings of extracellular field potentials and intrinsic optical signals. The duration of the intervention ranged from 1 to 4 hours. The mRNA levels were relatively quantified by reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) using Ywhaz as reference gene. Results: In acute rat brain slices, 4-AP was effective in inducing recurrent epileptiform activity at a persistently stable frequency. The majority of epileptiform events had their origin in the temporal cortex, propagated to the entorhinal cortex and rarely showed any hippocampal involvement. As a result of the preparation and storage of slices, an increase of c-Fos and Icer mRNA was already apparent in control slices. The epileptiform activity in vitro resulted in an additional time-dependent induction of c-Fos and Icer gene expression. Correlating with the regional propagation, the induction of both genes was strongest in the temporal cortex. The mTor gene expression did not show any changes following epileptiform activity. Conclusion: Demonstrating a positive spatiotemporal correlation between electrophysiological-optical and molecular parameters of epileptiform activity, we conclude that the acute brain slice model with 4-AP induced epileptiform events is suitable for gene expression studies. Perspectively, transcriptome analyses in human brain tissue may enhance our knowledge of the molecular mechanisms of the pathophysiology of epilepsies.
