Induzieren posttraumatische Epilepsie in einem Mausmodell von sich wiederholenden diffusen traumatischen Hirnverletzungen

Jedes Jahr sind weltweit schätzungsweise 60 Millionen Menschen von TBI betroffen. Betroffene Personen haben ein höheres Risiko, epilepsie zu entwickeln, die sich Jahre nach der anfänglichen Verletzung manifestieren kann. Obwohl schwere TBIs mit einem höheren Risiko für Epilepsie verbunden sind, erhöht selbstmildes TBI die Wahrscheinlichkeit, epilepsie nanzuentwickeln 1^,2,3,4. Alle TBIs können als fokal, diffus oder als Kombination aus beidem klassifiziert werden. Diffuse Hirnverletzungen, die in vielen, wenn nicht allen TBIs vorhanden sind, sind das Ergebnis von Hirngeweben unterschiedlicher Dichte, die durch Beschleunigungsverzögerung und Rotationskräfte gegeneinander scheren. Per Definition tritt diffuse Verletzung nur isoliert bei leichten/konkussiven nicht durchdringenden Hirnverletzungen auf, bei denen keine Hirnläsionen auf Computertomographie-Scans sichtbar sind⁵.

Derzeit gibt es zwei kritische Probleme beim Management von Patienten, die an posttraumatischen Epilepsien (PTE) leiden oder einem Risiko ausgesetzt sind. Die erste ist, dass, sobald PTE manifestiert hat, Anfälle resistent gegen verfügbare Antiepileptika (AEDs)⁶sind. Zweitens sind AEDs ebenso wirkungslos bei der Verhinderung der Epileptogenese, und es gibt keine wirksamen alternativen therapeutischen Ansätze. Um dieses Defizit anzugehen und bessere therapeutische Ziele und Behandlungskandidaten zu finden, wird es notwendig sein, neue zelluläre und molekulare Mechanismen an der Wurzel von PTE⁶zu erforschen.

Eines der herausragenden Merkmale der posttraumatischen Epilepsie ist die latente Periode zwischen dem anfänglichen traumatischen Ereignis und dem Beginn spontaner, unprovozierter, wiederkehrender Anfälle. Die Ereignisse, die in diesem zeitlichen Fenster auftreten, sind ein natürlicher Fokus für Forscher, da dieses Zeitfenster die Behandlung und Prävention von PTE insgesamt ermöglichen könnte. Tiermodelle werden am häufigsten für diese Forschung verwendet, weil sie mehrere verschiedene Vorteile bieten, nicht zuletzt, dass eine kontinuierliche Überwachung menschlicher Patienten sowohl unpraktisch als auch kostspielig über solche potenziell langen Zeiträume wäre. Darüber hinaus können zelluläre und molekulare Mechanismen an der Wurzel der Epileptogenese nur in Tiermodellen erforscht werden.

Tiermodelle mit spontanen posttraumatischen Anfällen und Epilepsie werden gegenüber Modellen bevorzugt, bei denen Krampfanfälle nach TBI durch weniger physiologisch relevante Mittel induziert werden, z. B. durch Chemokonvulsiva oder elektrische Stimulation akut, chronisch oder durch Entmundung. Spontane posttraumatische Anfallsmodelle testen, wie TBI das gesunde Gehirnnetzwerk verändert, was zu epilektiöser Genese führt. Studien mit zusätzlicher Stimulation nach TBI bewerten, wie die Exposition gegenüber TBI die Anfallsschwelle verringert und die Anfälligkeit für Anfälle beeinflusst. Die Vorteile von Tiermodellen mit chemisch induzierten Anfällen oder mit elektrischer Stimulation liegen darin, die spezifischen Mechanismen der Refraktorik auf AEDs und die Wirksamkeit bestehender und neuartiger AEDs zu testen. Der Grad der Relevanz und Übersetzung dieser Daten für den Menschen kann jedoch^aufgrund der folgenden Aspekte mehrdeutig sein 7: 1) Die Anfallsmechanismen können sich von denen unterscheiden, die nur durch TBI induziert werden; 2) nicht alle diese Modelle führen zu spontanen Anfällen⁷; 3) Läsionen, die durch das Krampmittel selbst, mit der für seine Entbindung erforderlichen Kanüle oder durch stimulierte Elektrodenplatzierung in Tiefenstrukturen (z.B. Hippocampus oder Amygdala) erzeugt werden, können bereits eine erhöhte Anfallsanfälligkeit und sogar hippocampale epiptiforme Feldpotentiale^{verursachen 7}. Darüber hinaus produzieren einige Krampfmittel (d.h. Kainsäure) direkte Hippocampusläsionen und Sklerose, die nach diffusem TBI nicht typisch ist.

Bis vor kurzem gab es nur zwei Tiermodelle der posttraumatischen Epilepsie: kontrollierte kortikale Einschlage (CCI, fokal) oder Flüssigkeitspercussion-Verletzung (FPI, fokal und diffus)⁸. Beide Modelle führen zu großen fokalen Läsionen neben Gewebeverlust, Blutungen und Gliose bei Nagetieren⁸. Diese Modelle imitieren posttraumatische Epilepsie, die durch große fokale Läsionen induziert wird. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, dass wiederholtes (3x) diffuses TBI für die Entwicklung von spontanen Anfällen und Epilepsie bei Mäusen auch ohne fokale Läsionen⁹ausreicht, wobei ein drittes Nagetier-PTE-Modell mit bestätigten spontanen wiederkehrenden Anfällen hinzugefügt wird. Dieses neue Modell imitiert zelluläre und molekulare Veränderungen, die durch diffuses TBI induziert werden, und repräsentiert die menschliche Bevölkerung besser mit milden, konkussiven TBIs. In diesem Modell ermöglicht die latente Periode von drei Wochen oder mehr vor dem Anfall des Anfalls und das Auftreten von späten, spontanen, wiederkehrenden Anfällen die Untersuchung der Ursachen der posttraumatischen Epileptogenese, die Erprobung der Wirksamkeit präventiver Ansätze und neuer therapeutischer Kandidaten nach dem Anfall und hat Potenzial für die Entwicklung von Biomarkern der posttraumatischen Epileptogenese, da etwa die Hälfte der Tiere eine posttraumatische Epilepsie entwickeln.

Die Wahl des Tiermodells für die Untersuchung der posttraumatischen Epilepsie hängt von der wissenschaftlichen Frage, der Art der untersuchten Hirnverletzung und der Frage ab, mit welchen Werkzeugen die zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen bestimmt werden. Letztlich muss jedes Modell der posttraumatischen Epilepsie sowohl das Auftreten spontaner Anfälle nach TBI als auch eine anfängliche Latenzzeit bei einer Teilmenge von TBI-Tieren nachweisen, da nicht alle Patienten, die ein TBI erkranken, Epilepsie entwickeln. Dazu wird in diesem Protokoll die Elektroenzephalographie (EEG) bei gleichzeitiger Videoerfassung verwendet. Das Verständnis der technischen Aspekte hinter Hardware und Ansätzen zur Datenerfassung ist für eine genaue Dateninterpretation von entscheidender Bedeutung. Zu den entscheidenden Hardwareaspekten gehören die Art des Aufzeichnungssystems, die Art der Elektroden (Schraube oder Drahtleitung) und das Material, aus dem sie bestehen, die synchronisierte Videoerfassung (als Teil des EEG-Systems oder Eines Drittanbieters) und die Eigenschaften des Computersystems. Je nach Studienziel, EEG-Ereignissen von Interesse, weiterer Analysemethode und Nachhaltigkeit der Datenspeicherung müssen in jedem System typisiert die entsprechenden Erfassungsparameter festgelegt werden. Schließlich ist die Methode der Elektrodenkonfiguration (Montage) zu berücksichtigen, da jede vor- und nachteile hat und die Dateninterpretation beeinflusst.

Dieses Protokoll beschreibt, wie man das modifizierte Marmarou-Gewichtsabfallmodell^10,11 verwendet, um diffuse Verletzungen zu induzieren, die zu spontanen, unprovozierten, wiederkehrenden Anfällen bei Mäusen führen, beschreibt chirurgische Ansätze zur Erfassung eines ein- und mehrkanaligen kontinuierlichen und synchronisierten Video-EEG mit monopolarer, bipolarer oder gemischter Montage.