Blood-brain barrier dysfunction and pharmacoresistance of seizures

Abstract

Sufficient seizure control can not be achieved in fifty to seventy percent of focal epilepsies, particularly in temporal lobe epilepsy, with present antiepileptic medications. Pharmacoresistance might result from changes in the properties of drug targets, augmented expression of drug efflux transporters, increased severity of seizures, network reorganization and / or development of drug tolerance. Recent studies indicated that blood-brain barrier (BBB) disruption is common among patients with pharmacoresistant focal epilepsies. Following BBB dysfunction, serum albumin can leak into the brain parenchyma, be taken up by astrocytes and / or neurons and trigger various transcriptional changes (e.g. reduction in inward rectifying potassium channel 4.1 (Kir 4.1), water channel 4 (AQP4) and gap junctions) via astrocytic TGFßR-II pathway, and lead to hyperexcitability. Serum albumin transports many hormones and drugs including some of the conventional antiepileptic drugs (AEDs), namely phenytoin (PHT), valproic acid (VPA), carbamazepine (CBZ), and phenobarbital (PHB) with variable binding affinities. We therefore hypothesized that following BBB disruption, albumin interferes with the action of these particular AEDs by binding to the drugs or by inducing transcriptional alterations of their targets. To test this hypothesis, we first induced seizure-like events (SLEs) by 4-aminopyridine, in acute entorhinal cortex- hippocampal slices from adult rats and investigated the efficacy of conventional AEDs in the presence of albumin by extracellular field recordings. Unbound AED concentrations were detected by ultrafiltration and high-performance liquid chromatography. Next, we applied albumin intracerebroventricularly (icv) 24 hrs prior to the experiments and analyzed the effects of CBZ on acute slices from these albumin-pretreated rats. Conventional AEDs failed to suppress SLEs in the entorhinal cortex in the presence of albumin. This effect was partially caused by buffering of PHT and CBZ by albumin. A two-fold increase of the maximal therapeutic concentration of CBZ resulted in SLE blockage. In slices obtained from animals pretreated with icv albumin, CBZ suppressed SLEs, similar to its effect in control slices. We also found that in the absence of albumin, application of serum- like electrolytes with increased potassium, decreased calcium and magnesium concentrations, transformed SLEs into late recurrent discharges that were resistant to CBZ. We therefore concluded that a dysfunctional BBB with acute extravasation of serum albumin into brain’s interstitial space and / or alterations in the extracellular electrolyte concentrations could cause pharmacoresistance. Thus, BBB monitoring can guide the treatment to control seizures in patients with BBB dysfunction using AEDs with low albumin binding affinity.

Mit den derzeit verfügbaren Antiepileptika (AE), wird keine ausreichende Epilepsie-Anfallskontrolle in fünfzig bis siebzig Prozent der fokal Epilepsien, insbesondere der Temporalappenepilepsie, nicht erreicht. Pharmakoresistenz ist möglicherweise Folge von veränderten Eigenschaften der Wirkstoffziele, einer erhöhten Expression von Efflux-Transportern, massiver werdenden Anfällen, Reorganisation des Netzwerks oder / und der Entwicklung von Medikamententoleranz. Neueste Studien zeigen, dass eine Blut-Hirn- Schrankenstörung (BHS) häufig bei Patienten mit pharmakoresistenten fokal Epilepsien vorkommt. Nach BHS kann Albumin in das Hirnparenchym austreten und wird dort durch Astrozyten und ggfs. auch Neuronen aufgenommen. Der astrozytäre TGFßR-II-Signalweg wird aktiviert, woraus Transkriptionsänderungen (z.B. eine verminderte Expression einwärts gleichrichtender Kalliumkanäle 4.1 (Kir 4.1), Wasserkanäle 4 (AQP4) und Gap Junctions) mit nachfolgender Übererregbarkeit resultieren. Viel Hormone und Medikamente binden an Serumalbumin und werden so transportiert. Dazu gehören einige der konventionellen AE – Phenytoin (PHT), Valproinsäure (VPA), Carbamazepin (CBZ) und Phenobarbital (PHB). Wir haben daher die Hypothese aufgestellt, dass nach BHS, Albumin durch direkte Bindung an AE oder durch Induktion von Transkriptionsänderungen des AE-Targets, die Wirkweise der AE stören. Um diese Hypothese zu testen, wurden zuerst krampfähnliche Ereignisse durch 4-Aminopyridin in Akutschnitten des entorhinalen Kortex und Hippokampus der ausgewachsenen Ratte induziert. In diesen Schnitten haben wir die Wirksamkeit von konventionellen AE in der Gegenwart von Albumin durch extrazelluläre Feldpotenialableitungen untersucht. Die Konzentration ungebundener AE wurden durch Ultrafiltration und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie detektiert. In weiteren Experimenten haben wir 24 Stunden vor dem ex-vivo Experiment Albumin intrazerebroventrikulär (izv) appliziert und die Wirkungen von CBZ auf die Akutschnitte aus diesen Albumin-vorbehandelten Ratten analysiert. Konventionelle AE konnten krampfähnliche Ereignisse im entorhinalen Kortex in Gegenwart von Albumin nicht unterdrücken. Dieser Effekt wurde teilweise durch die Pufferung von PHT und CBZ durch Albumin verursacht. In doppelter maximaler therapeutischer Konzentration, unterdrückte CBZ krampfähnliche Ereignisse. In Schnitten von Tieren, die mit izv Albumin vorbehandelt wurden, unterdrückt CBZ die krampfähnlichen Ereignisse ähnlich wie in den naiven Schnitten. Die Anwendung von serumartigen Elektrolytkonzentrationen mit erhöhter Kalium-, und verringerter Calcium- und Magnesiumkonzentration in der Abwesenheit von Albumin hat epileptische Entladungen in späte rezidivierende Entladungen umgewandelt, die CBZ-resistent waren. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass eine BHS mit akuter Extravasation von Serumalbumin ins Hirnparenchym oder / und Veränderungen in den extrazellulären Elektrolytkonzentrationen der Pharmakoresistenz zugrunde liegen können. In Fällen von mehrfachem Versagen von AE, könnte die Überwachung der Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke helfen erfolgreichere Behandlung zu leiten um mit einem AE mit niedriger Albuminbindungsaffinität Anfälle besser zu kontrollieren.