Cerebral Cortical Cholesterol Changes in Cobalt-Induced Epilepsy

UMMARY The present study was designed to elucidate cerebral cortical cholesterol changes observed earlier in cobalt-induced epilepsy in the rat. This model is produced by insertion of cobalt metal rods into the cerebral cortex. Seven days after implantation of cobalt (or other metals), measurements of cerebral cortical lipid concentrations were made in the direct area of metal implantation (lesion area) and in the nonnecrotic tissue immediately adjacent to the lesion site (adjacent area). The cortical concentration of free cholesterol decreased and the concentrations of cholesterol esters (CE) greatly increased in the adjacent area of rats implanted with epileptogenic metals (cobalt and nickel) but not in those implanted with nonepileptogenic metals (copper and stainless steel). Differences in the fatty acid compositions of CE from plasma and those from cobalt-lesioned cortex indicated that the accumulated CE originated in the brain rather than from the plasma CE pool. A time course study revealed that changes in the cortical concentrations of free and esterified cholesterol precede the first appearance of epileptiform activity as measured by electrocorticography. The reduction of free cholesterol levels most likely reflects increased cholesterol metabolism in the cobalt-lesioned cortex. A major portion of this free cholesterol appears to be converted to CE, but not to bile acid or neutral sterol (potential products of cholesterol metabolism). The concentration of free fatty acids, the other substrate of CE formation, was decreased in the lesion site. The increased metabolism of cholesterol could not be explained by changes in the activities of CE synthetase and hydrolase(s). Since cholesterol in the brain is found almost exclusively in membranes, it is likely that these sterol changes reflect membrane alterations or disintegration. However, the exact relationship of these changes to the epileptogenic effect of cobalt remains unclear. RESUME Les auteurs cherchent a clarifier les modifications de la concentration du cholesterol qui ont ete prealable-ment observees dans le cortex cerebral chez des rats preasentant une epilepsie provoquee par implantation corticale de cobalt. Sept jours apres une implantation de cobalt, ou d'un autre metal, les Auteurs mesurent la concentratration des lipides directement dans L'aire lesee et, autour d'elle, dans les aires adjacentes. La concentration corticale en cholesterol libre diminue tandis que celle en esters de cholesterol (EC) augmente considerablement dans les aires adjacentes a L'implan-tation de metaux presentant des proprietes epilepto-genes (cobalt, nickel). De telles modifications ne s'observent pas dans les aires adjacentes a une implantation de metaux non-epileptogenes (cuivre et acier). Les diffeArences observees dans la composition en acides gras des esters de cholesterol provenant du plasma et ceux obtenus a partir du cortex implante au cobalt montrent que L'origine de L'accumulation des EC est dans le cerveau plutot que dans le pool des EC plasmatiques. Les modifications de concentration corticale du cholestdrol libre et esterifie precedent la premiere ebauche de decharge epileptique enregistree en electrocorticographie. La reduction du taux de cholesterol libre traduit probablement un metabolisme accru du cholesterol dans le cortex implante avec du cobalt. La plus grande partie de ce cholesterol libre semble se convertir en EC et non pas en acide biliaire ou en sterols neutres (produits potentiels du metabolisme du cholesterol). La concentration en acides gras libres, qui representent L'autre substrat de formation des EC est diminuee au siege de la lesion. Le metabolisme accru du cholesterol ne peut pas s'expliquer par des modifications de L'activite des enzymes synthetisant ou hydrolysant les EC. Puisque le cholesterol du cerveau est trouve presque exclusivement dans les membranes, il est probable que les modifications des sterols que nous venons de rapporter dependent d'une alteration ou d'une desintegration de celles-ci. Toute-fois les relations exactes de ces modifications avec les effets epileptogenes du cobalt ne sont pas clarifyees. RESUMEN Este estudio se ha realizado con el proposito de determinar los cambios de colesterol en la corteza cerebral que, segun se ha observado, se producen en la rata con epilepsia inducida con cobalto. Este modelo se consigue introduciendo cilindros metalicos de cobalto en la corteza cerebral. A los 7 dias de la implantation de cobalto (o de otros metales) se midieron las concentraciones de h'pidos corticales directamente en la zona de implantacion del metal (area lesiva) y en el tejido no necrotico adyacente al lugar de la lesion (area adyacente). La concentra-cion cortical de colesterol libre estaba reducida y las concentraciones de esteres de colesterol (CE) aumentaron de modo importante en el area adyacente de las ratas implantadas con metales epileptogenicos (cobalto y niquel) pero no en las que se implantaron metales no epileptogenicos (cobre y acero inoxidable). Las diferencias entre la composition de los acidos grasos de los esteres de colesterol procedentes del plasma y los que procedian de las cortezas lesionadas con cobalto indican que los CE acumulados se originan en el cerebro y no en el pool plasmatico de CE. Un estudio longitudinal ha revelado que los cambios en las cambios en las concentraciones corticales de colesterol libre y esterificado precede la aparicion mas inicia! de actividad epileptiforme medida con electro-corticografia. Esta reduccion de los niveles de colesterol libre probablemente refleja un aumento del meta-bolismo del colesterol en la corteza lesionada con cobalto. Una parte importante de este colesterol libre se convierte en ester de colesterol y no en acido biliar o esterol neutro (productos potenciales del metabolismo del colesterol). La concentracion de acidos grasos libres, el otro sustrato de la formation de CE, estaba reducida en el area lesionada. El aumento del metabolismo del colesterol no pudo explicarse por cambios en las actividades de la CE sintetasa e hidrolasa. Puesto que en el cerebro el colesterol se encuentra casi exclusivamente en las membranas parece probable que estos cambios reflejen alteraciones o desintegracion de las membranas. Sin embargo, la relacibn exacta entre estos cambios y el efecto epilept-ogeno del cobalto no esta clara. ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegende Untersuchung wurde durchgefuhrt, um Veranderungen des cerebralen cortikalen Cholesterins naher zu untersuchen, die durch fruhere Arbeiten bei der Cobalt-induzierten Epilepsie der Ratte gefunden worden sind. Das Modell wird erzeugt durch Einpflan-zung von Cobaltmetalldrahten in den cerebralen Cortex. 7 Tage nach Implantation des Cobalts oder eines anderen Materials wurden Messungen der cerebralen cortikalen Lipidkonzentration vorgenommen und zwar in der direkten Implantationsgegend (Lasionsstelle) und in dem nicht-nekrotischen Gewebe unmittelbar in der Nachbarschaft der Lasion (Umge-bung). In der Umgebung des implantierten epilepto-genen Materials (Cobalt und Nickel) nahm die cortikale Konzentration des freien Cholesterins ab und die Konzentration der Cholesterin-Ester (CE) nahm stark zu. Diese Befunde fehlten nach Implantation nicht-epileptogenen Metalls (Kupfer oder rostfreier Stahl). Unterschiede der Fettsaurenzusammensetzung der Cholesterin-Ester im Plasma und im Gewebe der cortikalen Cobalt-Lasion deuten darauf hin, das die vermehrten Cholesterin-Ester eher aus dem Gehirn als aus dem Plasma Pool stammen. Die Untersuchung der zeitlichen Abfolge ergab, das Veranderungen der cortikalen Konzentration des freien und veresterten Cholesterins dem Auftreten der Krampfaktivitat im Elektrocortikogramm vorhergehen. Die Verminderung des freien Cholesterin-Spiegels ist wahrscheinlich Ausdruck des erhohten Cholesterinmetabolismus in der cortikalen Cobalt-Lasion. Ein groser Anteil dieses freien Cholesterins scheint zu Cholesterin-Ester umgewandelt zu werden aber nicht zu Gallensauren oder neutralem Sterin (mogliche Produkte des Cholesterinmetabolismus). Die Konzentration der freien Fettsauren und die anderen Stoffe der CE-Bildung waren am Ort der Lasion vermindert. Der erhohte Stoffwechsel des Cholesterins konnte nicht erklart werden durch Veranderungen der Aktivitat der CE-Synthetasen und Hydrolasen. Da Cholesterin im Gehirn fast ausschlieslich in den Membranen gefunden wird, ist es wahrscheinlich, das diese Cholesterinverande-rungen Veranderungen oder eine Desintegration der Membranen anzeigen. Die exakten Beziehungen dieser Veranderungen zu der epileptogenen Wirkung des Cobalts bleibt jedoch unklar.