A study of the effects of antiepileptic drugs on the focal freeze lesion model: new insights on the pathophysiology of malformations of cortical development

Abstract

Malformations of cortical development (MCD) can lead to difficult-to-treat epilepsy in children and adults. They are characterized by physical abnormal tissue in the neocortex; however, it is often the area surrounding this malformation that is hyperexcitable. Antiepileptic drugs can be used to reduce the frequency or severity of seizures, but they do not target the relying cause of the epilepsy, only symptoms. I studied the effect of established and newer antiepileptic drugs in a model of MCD: the focal freeze lesion model (FFLM), that reproduces some of the characteristics of microgyria which is a frequent form of MCD. After noticing visually, a reduction in the volume of the hemisphere, I tested the hypothesis that the freeze lesion led to a wider reduction in brain size, using magnetic resonance imaging. I induced seizure-like events (SLE) using the potassium channel blocker 4 amino-pyridine. I located the onset site of SLE using electrophysiology combined with intrinsic optical imaging. This method also allowed to study the propagation of seizure-like event in the slice. The analysis of this data led to the identification of the onset site in the lesioned slices and in the two controls, contralateral side, and sham-lesioned animals. I also analysed the electrophysiological parameters of the SLE in the three groups. I performed experiments during which I bath applied one of five antiepileptic drugs (AEDs) of different generations with different targets, and I measured their impact on SLE duration, frequency, propagation, and onset-site. I showed and quantified for the first time a reduction of the volume of the lesioned hemisphere in the FFLM, limited to the neocortex. This could indicate a further involvement of the “healthy” normo-typic neocortex in the pathology. I confirmed that the perilesional area is the site of the initiation of spontaneous seizures. Taken together, these results can influence the treatments of MCD, notably surgical as removing the abnormal tissue would not be sufficient to prevent further seizures. In this work, I described the mode of actions of all five AEDs in this model, confirming or contradicting general knowledge on these molecules. I showed that the sodium channel blockers carbamazepine and lacosamide suppressed SLE in this model but not specifically in the lesioned slices. Zonisamide and acetazolamide which target respectively calcium channels and the carbonic anhydrase had more contrasted effects, reducing either the frequency or the propagation of SLE in the model. Both had no specific effect on the lesioned slices though. These results indicated that these four drugs can be efficient in MCD but that they do not target the abnormal networks. I also analysed the modes of action of the antiepileptic drugs and described whether they acted by limiting the initiation of SLE or by reducing the propagation of SLE. These data can be of great clinical use and influence the choice of AED (or the combination) prescribed in patients. Finally, I showed for the first time a specific effect of the sodium potassium chloride cotransporter 1 (NKCC1) blocker bumetanide in adult lesioned neocortex, when it had no effect in the controls. This result indicates the persistence of an immature cortical network in this model and is an important contribution to the current discussion on the use of NKCC1 blockers in the treatment of MCD. I discuss here the possible clinical implications of these results and their limitations.

Malformationen der kortikalen Entwicklung (MCD) können bei Kindern sowie Erwachsenen zu schwer behandelbarer Epilepsie führen. Sie sind durch Gewebeanomalien im Neokortex erkennbar, wobei jedoch häufig das periläsionelle Gewebe übererregbar ist. Um die Häufigkeit oder Schwere von Anfällen zu verringen, werden Antiepileptika eingesetzt. Diese zielen aber nicht auf die eigentliche Ursache der Epilepsie ab, sondern nur auf das Symptom epileptischer Anfall. Ich habe die Wirkung von etablierten und neueren Antiepileptika in einem Modell der MCD untersucht, dem fokalen Freeze-Läsion Modell (FFLM). Dies bildet einige der Merkmale von Mikrogyrien, einer häufigen Form von MCD, nach. Im FFLM habe Ich untersucht und aufgezeigt, dass die Volumenreduktion in der läsioniellen Hemisphäre größer als der eigentliche Gewebeverlust ist, der bei der Nekrose durch die Kühlläsion auftritt. Dies könnte auf einen weiteren Einfluss des "gesunden" normotypischen Neokortex an der Pathologie hinweisen. Mit Hilfe elektrophysiologischer und intrinsischer optischer Signalaufzeichnungen bestätigte ich, dass die 4AP-induzierten Anfälle mehrheitlich im normotypischen periläsionellen Bereich begannen. Unterschiedliche Antiepileptika wurden in diesem Modell getestet, um 1. zu untersuchen, ob eine oder mehrere der Substanzen eine spezifische Wirkung auf das Modell haben, und um 2. ihre Wirkungsweise in diesem Modell zu untersuchen. Insbesondere bin ich der Frage nachgegangen, ob die untersuchten Antiepileptika (AEDs) die Entstehung von anfallsartigen Ereignissen (SLE, für seizure-like events) unterdrücken oder die Ausbreitung von SLE reduzieren. Ich wählte etablierte und neuere AEDs mit unterschiedlichen vermuteten Zielstrukturen und Wirkungsweisen aus, die Natriumkanalblocker Carbamazepin und Lacosamid, den T-Typ-Kalziumkanalblocker Zonisamid, den potenten Karbonanhydraseblocker Acetazolamid und schließlich den Chlorid-Cotransporter NKCC1-Blocker Bumetanid. Ich habe die Wirkungsweise aller fünf AEDs in diesem Modell beschrieben und damit das allgemeine Wissen über diese Moleküle bestätigt oder widerlegt. Carbamazepin und Lacosamid blockierten die SLE in allen Gruppen erfolgreich. Ihre Wirkung war nicht läsionsspezifisch. Zonisamid und Acetazolamid hatten intermediäre Wirkungen, indem sie die Häufigkeit oder Ausbreitung von SLE reduzierten, ohne sie vollständig zu blockieren, der Effekt war nicht läsionsspezifisch. Bumetanid blockierte die SLE in diesem Modell spezifisch, was das anormale Vorhandensein von NKCC1 in diesem kortikalen Netzwerk adulter Nager aufzeigte. Der NKCC1 ist normalerweise nur in unreifen neuronalen Netzwerken vorhanden und beeinflusst EGABA stark, indem er das GABA-Gleichgewicht in Richtung desdepolarisierenden GABA verschiebt. Diese Ergebnisse deuten auf das Fortbestehen eines unreifen Netzwerks in dem FFLM und damit auch bei MCD hin. Ich gehe in meiner Arbeit auf die möglichen klinischen Implikationen dieser Ergebnisse und ihre Limitationen ein.