Elektrophysiologische Untersuchungen zu Einflüssen von ionotropen Glutamatantagonisten sowie 5-HT1A-Agonisten auf die Kaliumchlorid-induzierte "spreading depression" im neokortikalen Hirnschnittpräparat der adulten Ratte
Creators: name: Krüger, Hagen
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Medizinische Fakultät - Universitätsklinikum Charité
Year: 2000
Subjects: subject: Spreading depression
subject: Extrazelluläre Messung
subject: GABAerge Hemmung
subject: AMPA-Rezeptorantagonist
subject: Cerebral cortex
subject: Extracellular recording
subject: GABAergic inhibi-tion
subject: 610 Medizin
subject: 33 Medizin
subject: YG 5100

description: Die kortikale spreading depression (SD), wie sie von Leão 1944 zuerst beschrieben wurde, ist ein elektrophysiologisches Phänomen, das in der Pathophysiologie der Aurasymptomatik einer Mi-gräneattacke und Ischämie-induzierter Zellschäden diskutiert wird. Während der akuten fokalen zerebralen Ischämie treten eine Reihe von Ereignissen wie eine massive Entzündungsreaktion und die allmähliche Einbeziehung einer zunächst viablen ischämischen Randzone - der Penum-bra - in das infarzierte Hirngewebe auf. Da an diesen Ereignissen SD-ähnliche Depolarisationen kausal beteiligt sind, ist die pharmakologische Verringerung von SD-Episoden bzw. eine Ver-kleinerung ihrer Amplitude und Dauer unter in vitro als auch tierexperimentellen in vivo Bedin-gungen eine mögliche neuroprotektive Strategie. In der vorliegenden Arbeit wurde ein in vitro Modell beschrieben, das am Hirnschnittpräparat des Neokortex der adulten Ratte eine reproduzierbare Auslösung von SD-Wellen unter normoxi-schen Bedingungen gestattet. Anhand von charakteristischen elektrophysiologischen Parametern einer SD wie Amplitude, Dauer und Ausbreitungsgeschwindigkeit wurden die gute Überein-stimmungen dieses in vitro Modells mit in vivo Modellen gezeigt. Obwohl SD Wellen am nicht-ischämischen Kortex keine morphologischen Schäden verursachen, zeigte sich in den hier vorge-stellten Experimenten eine funktionelle Unterdrückung der GABAergen hemmenden Mechanis-men des Neokortex nach repetitiven SDs auch bei ausreichender Energie- und Sauerstoffversor-gung. Die hier diskutierten Ergebnisse demonstrierten, daß unter in vitro Bedingungen der AMPA-Glutamatrezeptor für die Auslösung und Ausbreitung einer SD eine untergeordnete Rolle spielt. Demgegenüber erwies sich die NMDA-Rezeptoraktivierung als herausragend für eine SD, da die Blockade dieses Rezeptors mit dem nicht-kompetitiven Antagonisten Ketamin die SD-Amplitude und SD-Dauer signifikant verringerte. Die Anwendung der selektiven 5-HT1A-Agonisten 8-OH-DPAT und BAY x 3702 erwies sich als eine neue Möglichkeit, die Zeitdauer einer SD zu verringern. Die aufgezeigte SD-induzierte neuronale Hyperexzitabilität kann unter normoxischen Bedingun-gen zelluläre Dysfunktionen verursachen und auch an einer Generierung der Aura eines Migrä-neanfalls beteiligt sein. Unter hypoxisch-ischämischen Bedingungen könnte eine SD-induzierte Dysfunktion GABAerger Kontrollmechanismen die Ausweitung ischämischer Zellschäden be-wirken. Die Hoffnungen auf eine effektive Schlaganfalltherapie haben sich mit den bisherigen NMDA-Antagonisten trotz ihrer hier bestätigten guten in vitro Wirksamkeit aufgrund der Interferenz mit physiologischen Glutamatfunktionen im Kortex nicht erfüllt. Die hier gezeigte konzentrationsab-hängige Verkürzung der SD-Dauer durch die Aktivierung des 5-HT1A-Serotoninrezeptors unter in vitro Bedingungen kann bei der bekannten hohen 5-HT1A-Rezeptor-mRNA-dichte an beson-ders ischämievulnerablen Neuronen einen neuen neuroprotektiven Ansatz auch beim Menschen darstellen. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob die hier beschriebene enge Verflechtung des serotonergen Systems mit der glutamatergen Neurotransmission eventuell auch zu uner-wünschte Wirkungen unter in vivo Bedingungen führt.
description: Repetitive cortical spreading depression (SD) and SD-like events, associated with a massive de-polarization of neuronal and glial cells, is thought to play a key role in the induction of neuronal damage in the peri-infarct zone following experimental focal cerebral ischemia. In addition, ex-perimental and clinical data suggest that SD is the underlying mechanism of neurological distur-bances during migraine auras as well. However, detailed analyses on the consequences of repeti-tive SDs on cortical function and involved receptors are lacking. Using an in vitro rat model of SD I investigated in this thesis the electrophysiological properties of repetitive potassium chloride (KCl)-induced SDs, their influence on synaptic neurotransmis-sion and the effects of ionotropic glutamate antagonists and 5-HT1A agonists in neocortical slices obtained from adult rats. Whereas repetitive SDs revealed only non-significant variations in du-ration, amplitude and integral when elicited at intervals of 30 min, paired-pulse inhibition of ex-tracellularly recorded field potential responses was significantly affected by repetitive SD even under normoxic conditions. Compared to the control recordings, each SD episode caused a sig-nificant decrease in the efficacy of intracortical GABAergic inhibition by approximately 10%. Since excitatory synaptic transmission was unaffected, these data indicate that repetitive SDs cause a selective suppression of GABAergic function even in the non-ischemic brain. None of the compounds tested prevented the SD-induced cortical disinhibition. However, the SD-associated negative shift in the extracellular DC potential was reduced by ketamine, a selective N-methyl-D-aspartic acid (NMDA-) receptor antagonist. Ketamine significantly (p &lt; 0.01) re-duced the amplitude of the first SD peak and blocked the second SD peak. Ketamine also de-creased the SD duration at half maximal amplitude (p &lt; 0.05). NBQX, a selective a-amino-3- hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptor antagonist did not affect the SD-accompanied cortical depolarization, whereas selective 5-hydroxytryptamine (5-HT)1A receptor agonists 8-OH-DPAT and BAY x 3702 shortened concentration-dependently the duration of the SD up to 50 %. Nevertheless, both 5-HT1A receptor agonists caused a strong disinhibition of neu-ronal function with a tendency towards paired-pulse facilitation as well. Thus, repetitive SD and SD-like events may induce neuronal hyperexcitability due to a selective suppression of intrinsic inhibitory GABAergic function. Under normoxic conditions, SD-induced disinhibition may be involved in the generation and maintenance of migraine or associated neurological disturbances. Under hypoxic-ischemic conditions, neuronal hyperexcitability may contribute to the gradual expansion of the ischemic core and the metabolic deterioration of the penumbral tissue after SD episodes. This underlines the deleterious effect of SD to the outcome of focal cerebral ischemia. Although the precise mecha-nisms of SD generation and propagation remains far from established, the present pharmacologi-cal profile of KCl-induced SD in vitro links the induction and propagation of SD in rat neocorti-cal slices mainly to a local increase of [K + ] e and a subsequent activation of NMDA- receptors. This corroborates the neuroprotective effect of a NMDA- receptor blockade observed in various in vitro and in vivo models. However, as it has been demonstrated in clinical trials, NMDA- re-ceptor antagonists in use today cause psychomimetic and cardiovascular side effects in humans and are therefore currently of low clinical benefit. The activation of 5-HT1A receptors by selective agonists represents a new pharmacological strategy in the treatment of acute ischemic stroke, since shortened SD waves may represent a less energy-consuming process under conditions of limited energy supply and are probably associated with an efflux of excitatory neurotransmitters to a lesser extent. The potential clinical benefit of 5-HT 1A receptor agonists remains to be investi-gated in clinical trials, since systemic administration of these compounds after the onset of acute focal cerebral ischemia might interfere with normal functions of glutamatergic neurotransmission in the intact, non-ischemic brain.