Characterization of hippocampal network activity and pharmacological pilot study in a Scn2a epilepsy mouse model

Abstract

Epilepsy is one of the most common neurological diseases worldwide with about 50 million people suffering from this disease according to the World Health Organization. In infancy, seizures and epileptic syndromes are the most common neurological disorders with the neonatal period showing a particularly high susceptibility to seizures. During maturation, the brain is more vulnerable to seizures as the GABAergic inhibitory system is not yet fully functional. This mechanism contributes to synaptogenesis and brain development, but contributes to higher seizure susceptibility. Idiopathic epilepsies are assumed to comprise 47% of all epilepsies and to be mainly due to genetic causes. My thesis focuses on a genetic mouse model with a mutation in the voltage-gated sodium channel Scn2a. Voltage-gated sodium channels (VGSC) are transmembrane channels that are essential for the initiation and the propagation of action potentials. Channelopathies, diseases based on mutations in ion channels, show a broad clinical spectrum of epileptic syndromes. Based on this mouse model two hypotheses are discussed in this thesis: 1. The Scn2a(p.A236V) mutation leads to altered (seizure like) brain activity in neonatal mice compared to wildtype mice. 2. Epileptic patterns in Scn2a mutant neonatal mice can be prevented via prophylactic pharmaceutical treatment. In vivo electrophysiological recordings of neonatal Scn2a mice enabled us to detect spontaneous electrographic seizures indicative of a marked epileptic phenotype in this genetic mouse model. Furthermore, we could demonstrate that the incidence of seizures was dependent on the Scn2a genotype, and particularly homozygous mice consistently developed an epileptic phenotype during the first postnatal week and, therefore present a valuable mouse model for the study of neonatal epilepsy. The pharmacological pilot treatment studies proved to be difficult due to the limited number of treated animals and treatment side effects. However, the trend of a reduced seizure frequency in retigabine and phenytoin treated neonates will lead to further trials. This thesis contributes to the understanding of epileptogenesis and especially to the understanding of the electrophysiological phenotype of a sodium channel gain-offunction mutation.

Epilepsie ist mit 50 Millionen Betroffenen eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen weltweit. Bei Kindern sind Epilepsie und Krampfanfälle die häufigsten neurologischen Erkrankungen. Dabei zeigen Kinder besonders in der neonatalen Periode eine hohe Anfallsbereitschaft. Das Gehirn ist während der Entwicklung und Reifung anfälliger für Krampfanfälle, da das inhibitorische GABAerge System des Gehirns noch nicht ausgereift ist. Dabei trägt das GABAerge System in dieser Zeit zur Synaptogenese und Entwicklung des Gehirns bei, jedoch ebenso zu einer höheren Anfallsbereitschaft. 47% aller Epilepsien werden als idiopathisch klassifiziert, und es wird vermutet, dass ihnen eine genetische Ursache zu Grunde liegt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf ein genetisches Mausmodel für Epilepsie mit einer Mutation in dem spannungsabhängigen Natriumkanal Scn2a. Spannungsabhängige Natriumkanäle sind Transmembrankanäle, die für die Auslösung und die Weiterleitung von Aktionspotentialen eine bedeutende Rolle spielen. Kanalopathien, Erkrankungen die auf Mutationen solcher Kanäle beruhen, zeigen ein großes Spektrum an epileptischen Syndromen. Basierend auf diesem Mausmodel werden zwei Hypothesen in dieser Arbeit diskutiert: 1. Die Scn2a(p.A236V) Mutation führt zu veränderter (anfallsähnlicher) Hirnaktivität in neonatalen Mäusen im Vergleich zu Wildtypmäusen. 2. Epileptische Hirnaktivität in Scn2a mutierten Mäusen kann durch eine prophylaktische medikamentöse Therapie verhindert werden. Die durchgeführten in vivo elektrophysiologischen Messungen ermöglichten es spontane elektrographische Anfälle zu erkennen, die deutlich auf den epileptischen Phänotyp unseres genetischen Mausmodels hinweisen. Die Anfallsinzidenz zeigte sich abhängig von dem Scn2a Genotyp. Besonders bei homozygoten Mäusen konnte die Entwicklung eines konstanten epileptischen Phänotyps in der ersten postnatalen Woche gezeigt werden, wodurch sich dieses genetische Mausmodel als valides Mausmodel für die weitere Erforschung neonataler Epilepsien erweist. Die pharmakologische Pilotstudie erwies sich als schwierig auf Grund der niedrigen Fallzahl sowie auf Grund der beobachteten, teils schweren Nebenwirkungen. Der positive Trend von Anfallsreduktion bei der Therapie mit Phenytoin und Retigabin spricht jedoch dafür weitere Versuche abzuschließen.