Eslicarbazepine acetate effects in a model of KCNQ2-related epilepsy

Abstract

KCNQ2-related epilepsies encompass a spectrum of rare childhood epilepsies caused by mutations of the gene encoding for the Kv7.2 subunit of non-inactivating potassium channels. KCNQ2-related diseases can be differentiated into two main forms: the benign autosomal dominant neonatal self-limited epilepsy, mainly caused by KCNQ2 haploinsufficiency, and the severe encephalopathy phenotype caused by missense variants of the KCNQ2 gene. Most heterozygous patients carrying the latter mutation develop pharmacoresistant epilepsy, hence there is need of new effective treatments. Eslicarbazepine acetate (ESL), a sodium channel blocker, has shown a good tolerability profile and high efficacy as an antiseizure medication (ASM) in adults. By employing a mouse model of self-limited neonatal epilepsy caused by a heterozygous deletion of the Kcnq2 gene, I conducted a study on ESL effects as a first effort to estimate the value of this drug in the KCNQ2 disease spectrum. In more detail, I first investigated effects of the major active metabolite eslicarbazepine (S-Lic) on in vitro physiological and pathological hippocampal network activity in mouse brain hippocampal slices: sharp wave-ripples (SPW-Rs), gamma oscillations and seizure-like events (SLEs). S-Lic (10-300 μM) decreased the incidence and increased the amplitude of SPW-Rs in a concentration-dependent manner and marginally reduced gamma oscillations frequency. 4-AP-induced SLEs were completely blocked by the highest S-Lic concentration and considerably decreased in incidence at lower concentrations. No difference was detected between Kcnq2+/+ and Kcnq2+/- genotypes, although the EC50 estimation suggested a higher efficacy in Kcnq2+/- mice. Next, I tested ESL antiseizure efficacy in young mice by employing the 6 Hz psychomotor model of acute seizures in vivo. Seizure thresholds obtained from the Staircase test were different in male and female animals, resulting inconclusive for the latter. Therefore, I continued the in vivo experiments in male animals only. As previously described, Kcnq2+/- mice showed a lower threshold for acute seizures when compared to Kcnq2+/+ littermates. However, ESL revealed a nearly complete protection against seizures in both genotypes. The effect decreased in a dose-dependent manner with lower efficacy of ESL in Kcnq2+/- mice. The results of my work suggest that the increased excitability phenotype in Kcnq2+/- mice might be efficiently targeted by S-Lic. In vivo, the mutation is reflected in an increased sensitivity to epileptogenic stimuli which is sensitive to ESL, albeit with lower efficacy than in Kcnq2+/+ littermates.

Unter KCNQ2-bedingten Epilepsien wird ein Spektrum von seltenen Formen von Epilepsien im Kindesalter verstanden, welche durch Mutationen des Gens verursacht werden, das für die Kv7.2-Untereinheit der nicht inaktivierenden Kaliumkanäle kodiert. KCNQ2-bedingte Erkrankungen reichen von einer gutartigen Form der autosomal-dominanten neonatalen selbstlimitierenden Epilepsie, die häufig durch KCNQ2-Haploinsuffizienz verursacht wird, bis hin zu einem schwereren Enzephalopathie-Phänotyp, der Folge von KCNQ2-Missense-Varianten ist. Bei den meisten heterozygoten Patienten, die die zweitgenannte Mutation tragen, kommt es zur Entwicklung von schwerer pharmakoresistenter Epilepsie. Deshalb sind neue wirksame Behandlungen erforderlich. Eslicarbazepinacetat (ESL), ein Natriumkanalblocker, hat ein gutes Verträglichkeitsprofil und eine hohe Wirksamkeit als Antiepileptikum bei Erwachsenen. Anhand eines Mausmodells für eine selbstlimitierende neonatale Epilepsie, das eine heterozygote Deletion des Kcnq2-Gens trägt, habe ich eine Studie über die Wirkung von ESL durchgeführt und damit einen ersten Schritt unternommen, den Nutzen dieser Substanz für das KCNQ2-Krankheitsspektrum zu bewerten. Zunächst untersuchte ich die Wirkung des Hauptmetaboliten Eslicarbazepin (S-Lic) auf physiologische und pathologische neuronale Aktivität im Hippocampus von Mäusen in vitro: Sharp Wave-Ripples (SPW-Rs), Gamma-Oszillationen und anfallsartige Ereignisse (seizure-like events, SLEs). S-Lic (10-300 μM) erhöhte die Amplitude und verringerte die Häufigkeit von SPW-Rs in einer konzentrationsabhängigen Weise und verringerte leicht die Frequenz der Gamma-Oszillationen. Durch 4-AP induzierte SLEs wurden bei hohen S-Lic-Konzentrationen blockiert und bei niedrigeren Konzentrationen in ihrer Häufigkeit erheblich reduziert. Diese Ergebnisse unterschieden sich bei Kcnq2+/+ und Kcnq2+/- Mäusen nicht, obwohl die Bestimmung der EC50 eine höhere Wirksamkeit bei Kcnq2+/- Tieren zeigte. Anschließend testete ich die Wirksamkeit von ESL bei jugendlichen Mäusen in vivo im psychomotorischen 6-Hz-Modell für akute epileptische Anfälle. Die beim Staircase-Test ermittelten Schwellenwerte für Krampfanfälle waren bei männlichen und weiblichen Tieren unterschiedlich, so dass die Ergebnisse für letztere nicht schlüssig waren. Daher setzte ich die In-vivo-Versuche nur mit männlichen Tieren fort. Wie bereits beschrieben, hatten Kcnq2+/--Mäuse im Vergleich zu Kcnq2+/+-Mäusen eine niedrigere Anfallsschwelle. Bei beiden Genotypen zeigte ESL einen nahezu vollständigen Schutz vor epileptischen Anfällen. Die Wirkung nahm dosisabhängig ab, wobei die Wirksamkeit von ESL bei Kcnq2+/- Mäusen geringer war. Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass der Phänotyp der erhöhten Erregbarkeit in Kcnq2+/- Mäusen durch hohe Konzentrationen von S-Lic, das Natriumkanäle blockiert, wirksam bekämpft werden kann. In vivo führt die Mutation zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber epileptogenen Reizen, welche durch ESL reduziert werden kann, wenn auch mit geringerer Wirksamkeit als bei Kcnq2+/+-Geschwistern des gleichen Wurfs.