Noradrenerge medicatie zorgt ervoor dat zebravissen minder epileptische aanvallen krijgen

Maïté
Verstraeten
  • Markella
    Gryllionaki

 

Auteurs: Maïté Verstraeten en Markella Gryllionaki (Universiteit Gent). Speciale dank gaat uit naar onze promotor prof. dr. Robrecht Raedt (4BRAIN) en copromotor prof. dr. Delfien Syx (CMGG). 

 

 

Zo’n 30% van alle mensen met epilepsie is niet geholpen met de huidige anti-epileptica. Wetenschap staat niet stil en de zoektocht naar nieuwe en efficiëntere medicatie om epileptische aanvallen onder controle te houden gaat verder. Medicatie die inwerkt op het noradrenalinesysteem lijkt te werken in proefdieren en zou wel eens een doorbraak in de medische wereld kunnen betekenen… 

 

Ze zeggen dat … epilepsie een zeldzame aandoening is met weinig impact op het leven van patiënten. 

Ah, de twee meest bekende fabels over epilepsie! Meer dan zestigduizend Belgen hebben echter epilepsie, en wereldwijd gaat het zelfs over meer dan 70 miljoen mensen! Epilepsie is na migraine de meest voorkomende neurologische aandoening en treft ongeveer 1 op de 200 mensen. Het is natuurlijk wel zo dat er verschillende oorzaken (hersentumor/-infarct/-bloeding, genetische afwijking, metabole afwijking…) bestaan waardoor epilepsie kan ontstaan, maar het is wel een aandoening die jong en oud treft. Toch niet zo zeldzaam dus! Daarnaast is de impact van actieve epilepsie zeker niet te onderschatten. Dat wordt duidelijk bewezen door het volgende cijfermateriaal.

 

Wat zijn anti-epileptica en hoe werken deze? 

Anti-epileptica zijn geneesmiddelen tegen epilepsie die worden gebruikt om zowel een epileptische aanval te onderdrukken als te voorkomen. Ze werken in op hersencellen en zorgen ervoor dat deze minder snel overgaan tot een ‘kortsluiting’ (hyperexcitatie) die resulteert in epileptische aanvallen. Hoewel er bij behandeling verschillende mogelijkheden zijn qua anti-epileptica, waaronder levetiracetam en natriumvalproaat, zijn deze slechts in 2 van de 3 epilepsiepatiënten effectief bij het reduceren van de aanvallen. De zoektocht naar nieuwe, efficiëntere anti-epileptica met minimale bijwerkingen voor deze drugresistente patiënten blijft een ‘hot topic’ binnen de wetenschapswereld!

"Slechts 2 op 3 patiënten met epilepsie worden aanvalsvrij door inname van de huidige anti-epileptica.” 

(Prof. dr. Robrecht Raedt, professor aan de Universiteit Gent, 4BRAIN)

 

Welke andere behandelingen zijn er voor epilepsie? 

Voor patiënten die niet geholpen zijn met anti-epileptica zijn er nog enkele andere mogelijke therapieën, waaronder het volgen van een restrictief ketogeen dieet (bovendien de oudste therapievorm voor epilepsie) of het ondergaan van epilepsiechirurgie, waarbij het epileptische hersenweefsel uit de patiënt wordt verwijderd. Een andere mogelijkheid is neuromodulatie, waarvan nervus vagus stimulatie (NVS) een voorbeeld is. Hierbij wordt de hersenactiviteit gemoduleerd door middel van elektrische pulsen. Er wordt verondersteld dat er door stimulatie van deze zenuw noradrenaline in de hersenen wordt vrijgesteld, wat de anti-epileptische werking van NVS kan verklaren. Hoewel er wereldwijd meer dan honderdduizend patiënten met drugresistente epilepsie geholpen zijn met NVS, zijn de exacte werkingsmechanismen van noradrenaline nog niet gekend. 

 

Hoe voert men onderzoek naar nieuwe anti-epileptica? 

De wetenschap staat niet stil en elke dag zijn wetenschappers intensief bezig met het zoeken naar nieuwe medicatie en therapieën om epilepsie onder controle te krijgen. Vooraleer nieuwe anti-epileptische medicatie in de apotheek verkrijgbaar is, moeten er echter vele stappen gezet worden. Men voert eerst preklinisch onderzoek uit in proefdieren vooraleer men verdergaat naar klinische studies in gezonde proefpersonen en epilepsiepatiënten. Neurologisch onderzoek gebeurt vooral in muizen en ratten, maar zebravissen bieden misschien wel nóg meer voordelen: ze zijn makkelijk te kweken en te huisvesten, ze leggen veel eitjes en kunnen chemische stoffen uit het water opnemen via hun kieuwen, waardoor veel soorten medicatie tegelijkertijd getest kan worden. Zo kunnen we bijvoorbeeld door het toevoegen van de chemische stof PTZ (pentylenetetrazole) in het water epileptische aanvallen induceren bij zebravissen. Om deze epileptische aanvallen in de zebravissen te onderzoeken, gebruiken we toestellen die filmen hoe snel de zebravissen zwemmen, hoe lang ze stil liggen in het water, hoe ver ze kunnen zwemmen, enz. 


“Zebravissen kunnen bijdragen tot het ontrafelen van de onderliggende mechanismen van epilepsie en het ontwikkelen van efficiëntere anti-epileptica.” 

(Prof. dr. Delfien Syx, professor aan de Universiteit Gent, Centrum Medische Genetica Gent)

Een zebravis met een epileptische aanval… hoe ziet dat er uit? 

Terwijl een normaal zebravisje van 5 dagen oud korte en onregelmatige zwembewegingen zal maken, zal een PTZ-zebravis tijdens een epileptische aanval een lange circulaire beweging aan hoge snelheid vertonen. Om dit verder te onderzoeken, werken we met de parameters ‘maximale snelheid’ en ‘maximale afgelegde afstand’ per zwembeweging. Deze parameters laten ons toe om een onderscheid te maken tussen normale zebravissen en zebravissen met epileptische aanvallen. Bij deze laatste groep zien we een verdubbeling van de maximale afgelegde afstand en de maximale snelheid in vergelijking met de controle-zebravissen.

 

Wat is het noradrenalinesysteem? 

Noradrenaline functioneert niet alleen als ‘fight-or-flight’-hormoon in het lichaam, maar ook als neurotransmitter in de hersenen waar het instaat voor de communicatieoverdracht tussen hersencellen. Om deze communicatieoverdracht vlot te laten verlopen, moeten de juiste chemische stoffen binden op de juiste receptoren in de hersenen. Vergelijk het met een sleutel en een slot: als de juiste sleutel op het juiste slot zit, dan gaat de deur open. Wanneer we spreken over noradrenerge stoffen, bedoelen we chemische stoffen die binden op de noradrenaline-receptoren. Een voorbeeld van zo’n noradrenerge stof is atipamezole. 

 

Hoe oefent atipamezole zijn anti-epileptische werking uit? 

Op de grafieken zien we drie verschillende groepen: een eerste groep van controle-zebravissen (grijs), een tweede groep van zebravissen met PTZ-geïnduceerde epileptische aanvallen (rood) en een derde groep van zebravissen behandeld met PTZ in combinatie met atipamezole (blauw). Atipamezole zorgt voor een significante daling van maximale afgelegde afstand én maximale snelheid, waaruit we besluiten dat deze noradrenerge stof de epileptische aanvallen in zebravissen kan onderdrukken. Wat nu precies het werkingsmechanisme is waarop atipamezole zijn anti-epileptische effecten uitoefent, is een complex verhaal waarbij meerdere hersencellen, receptoren en chemische stoffen een rol spelen. Stof voor verder onderzoek! 

 

Conclusie 

Het noradrenalinesysteem blijkt een belangrijke en veelbelovende component te zijn in epilepsiebehandeling, hoewel nog geen enkele anti-epileptische medicatie hierop inwerkt. Het verder ontrafelen van de precieze mechanismen waardoor noradrenerge stoffen (waaronder atipamezole) epileptische aanvallen in zebravissen kunnen onderdrukken, is nodig om nieuwe anti-epileptische medicatie voor patiënten te vinden. Dit zou een grote stap vooruit betekenen, aangezien nog steeds een aanzienlijk deel van de patiënten niet geholpen wordt door een of meerdere behandelingen, wat een enorme impact heeft op hun dagelijkse leven. Verder onderzoek binnen het veld van de epilepsie blijft nodig! 

Bibliografie

Thijs, R. D., Surges, R., O’Brien, T. J. & Sander, J. W. Epilepsy in adults. Lancet 393, 689–701 (2019).

Gawel, K. et al. Seizing the moment: Zebrafish epilepsy models. Neurosci. Biobehav. Rev. 116, 1–20 (2020).

Ioannou, P. et al. The burden of epilepsy and unmet need in people with focal seizures. Brain Behav. 12, (2022).

Leibetseder, A., Eisermann, M., LaFrance, W. C., Nobili, L. & Von Oertzen, T. J. How to distinguish seizures from non‐epileptic manifestations. Epileptic. Disord. 22, 716–738 (2020).

Seidenberg, M., Pulsipher, D. T. & Hermann, B. Association of epilepsy and comorbid conditions. Future Neurol. 4, 663–668 (2009).

Mesraoua, B. et al. Dramatic outcomes in epilepsy: depression, suicide, injuries, and mortality. Curr. Med. Res. Opin. 36, 1473–1480 (2020).

Mesraoua, B. et al. Drug-resistant epilepsy: Definition, pathophysiology, and management. J. Neurol. Sci. 452, 120766 (2023).

Rahman, M., Awosika, A. O. & Nguyen, H. Valproic acid. (2024).

Grone, B. P. & Baraban, S. C. Animal models in epilepsy research: legacies and new directions. Nat. Neurosci. 18, 339–343 (2015).

De Calbiac, H., Dabacan, A., Muresan, R., Kabashi, E. & Ciura, S. Behavioral and physiological analysis in a zebrafish model of epilepsy. J. Vis. Exp. (2021) doi:10.3791/58837.

Bauer, B., Mally, A. & Liedtke, D. Zebrafish embryos and larvae as alternative animal models for toxicity testing. Int. J. Mol. Sci. 22, 13417 (2021).

Kalueff, A. V., Stewart, A. M. & Gerlai, R. Zebrafish as an emerging model for studying complex brain disorders. Trends Pharmacol. Sci. 35, 63–75 (2014).

Howe, K. et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature 496, 498–503 (2013).

Hason, M. & Bartůněk, P. Zebrafish Models of Cancer—New insights on modeling human cancer in a Non-Mammalian vertebrate. Genes 10, 935 (2019).

Cleal, M. et al. The Free-movement pattern Y-maze: A cross-species measure of working memory and executive function. Behav. Res. Methods 53, 536–557 (2020).

Blaser, R. E. & Peñalosa, Y. M. Stimuli affecting zebrafish (Danio rerio) behavior in the light/dark preference test. Physiol. Behav. 104, 831–837 (2011).

Basnet, R. M., Zizioli, D., Taweedet, S., Finazzi, D. & Memo, M. Zebrafish Larvae as a behavioral model in Neuropharmacology. Biomedicines 7, 23 (2019).

Bennun, A. The noradrenaline-adrenaline-axis of the fight-or-flight exhibits oxytocin and serotonin adaptive responses - ProQuest. Int. J. Med. Biol. Front. Vol. 21, 387–408 (2015).

Lin, H. & Vartanian, O. A neuroeconomic framework for creative cognition. Perspect. Psychol. Sci. 13, 655–677 (2018).

Farrar, M. J., Kolkman, K. E. & Fetcho, J. R. Features of the structure, development, and activity of the zebrafish noradrenergic system explored in new CRISPR transgenic lines. J. Comp. Neurol. 526, 2493–2508 (2018).

系统管理员, Suwen, Z. & Guisheng, Z. New findings on adrenergic receptors shed light on partial agonism and biased signalling. (2020).

Wang, S., Wang, Z. & Mu, Y. Locus coeruleus in Non-Mammalian vertebrates. Brain Sci. 12, 134 (2022).

Fontana, B. D. et al. Zebrafish models for attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). Neurosci. Biobehav. Rev. Biobehav. Rev. 100, 9–18 (2019).

Singh, C., Oikonomou, G. & Prober, D. A. Norepinephrine is required to promote wakefulness and for hypocretin-induced arousal in zebrafish. eLife 4, (2015).

Demin, K. A. et al. Acute effects of amitriptyline on adult zebrafish: Potential relevance to antidepressant drug screening and modeling human toxidromes. Neurotoxicol. Teratol. 62, 27–33 (2017).

Okanari, K. et al. Behavioral and neurotransmitter changes on antiepileptic drugs treatment in the zebrafish pentylenetetrazol-induced seizure model. Behav. Brain Res. 464, 114920 (2024).

Hillman, K. L., Lei, S., Doze, V. A. & Porter, J. E. Alpha-1A adrenergic receptor activation increases inhibitory tone in CA1 hippocampus. Epilepsy Res. 84, 97–109 (2009).

Giorgi, F. S., Pizzanelli, C., Biagioni, F., Murri, L. & Fornai, F. The role of norepinephrine in epilepsy: from the bench to the bedside. Neurosci. Biobehav. Rev. Biobehav. Rev. 28, 507–524 (2004).

Dailey, J. W., Mishra, P. K., Ko, K. H., Penny, J. E. & Jobe, P. C. Noradrenergic abnormalities in the central nervous system of Seizure‐Naive genetically Epilepsy‐Prone rats. Epilepsia 32, 168–173 (1991).

Berger, A. et al. How is the norepinephrine system involved in the antiepileptic effects of vagus nerve stimulation? Front. Neurosci. 15, (2021).

Raedt, R. et al. Increased hippocampal noradrenaline is a biomarker for efficacy of vagus nerve stimulation in a limbic seizure model. J. Neurochem. 117, 461–469 (2011).

Atzori, M. et al. Locus ceruleus norepinephrine release: a central regulator of CNS Spatio-Temporal activation? Front. Synaptic Neurosci. 8, (2016).

Jurgens, C. W., Knudson, C. A., Carr, P. A., Perez, D. M. & Doze, V. A. α1 Adrenergic receptor regulation of interneuron function. FASEB J. 23, (2009).

Zuscik, M. J. et al. Overexpression of the α1B-adrenergic receptor causes apoptotic neurodegeneration: Multiple system atrophy. Nat. Med. 6, 1388–1394 (2000).

Ciltas, A. C. et al. The anticonvulsant effects of alpha-2 adrenoceptor agonist dexmedetomidine on Pentylenetetrazole-Induced seizures in rats. Neurochem. Res. 47, 305–314 (2021).

Fitzgerald, P. J. Is elevated norepinephrine an etiological factor in some cases of epilepsy? Seizure 19, 311–318 (2010).

Wu, H.-Q., Tullii, M., Samanin, R. & Vezzani, A. Norepinephrine modulates seizures induced by quinolinic acid in rats: selective and distinct roles of α-adrenoceptor subtypes. Eur. J. Pharmacol. 138, 309–318 (1987).

Ozdemir, E. Adrenergic receptor system as a pharmacological target in the treatment of epilepsy (Review). Med. Int. 4, (2024).

Rassier, G. T. et al. Evaluation of qPCR reference genes in GH-overexpressing transgenic zebrafish (Danio rerio). Sci. Rep. 10, (2020).

Hu, Y., Xie, S. & Yao, J. Identification of Novel Reference Genes Suitable for qRT-PCR Normalization with Respect to the Zebrafish Developmental Stage. PloS One 11, e0149277 (2016).

Vanhauwaert, S. et al. Expressed Repeat Elements Improve RT-qPCR Normalization across a Wide Range of Zebrafish Gene Expression Studies. PloS One 9, e109091 (2014).

Sveinsdóttir, H. S. et al. Novel non-stimulants rescue hyperactive phenotype in an adgrl3.1 mutant zebrafish model of ADHD. Neuropsychopharmacology 48, 1155–1163 (2022).

Yang, X. et al. High-throughput screening in larval zebrafish identifies novel potent sedative-hypnotics. Anesthesiology 129, 459–476 (2018).

Ruuskanen, J. O. et al. Conserved structural, pharmacological and functional properties among the three human and five zebrafish α2‐adrenoceptors. Br. J. Pharmacol. 144, 165–177 (2005).

Ruuskanen, J. O., Peitsaro, N., Kaslin, J. V. M., Panula, P. & Scheinin, M. Expression and function of α2‐adrenoceptors in zebrafish: drug effects, mRNA and receptor distributions. J. Neurochem. 94, 1559–1569 (2005).

Myren‐Svelstad, S. et al. Elevated photic response is followed by a rapid decay and depressed state in ictogenic networks. Epilepsia 63, 2543–2560 (2022).

Effect of various antiepileptic drugs in zebrafish PTZ-Seizure model. (2014).

Benoit, E., Lyons, D. G. & Rihel, J. Noradrenergic tone is not required for neuronal activity-induced rebound sleep in zebrafish. J. Comp. Physiol. [B] (2023) doi:10.1007/s00360-023-01504-6.

Fletcher, A. & Forster, E. A. A proconvulsant action of selective α2-adrenoceptor antagonists. Eur. J. Pharmacol. 151, 27–34 (1988).

Nissinen, J. et al. Disease-modifying effect of atipamezole in a model of post-traumatic epilepsy. Epilepsy Res.136, 18–34 (2017).

Ampatzis, K. & Dermon, C. R. Regional distribution and cellular localization of β2‐adrenoceptors in the adult zebrafish brain (Danio rerio). J. Comp. Neurol. 518, 1418–1441 (2010).

Xu, H. et al. Genome‐wide identification of suitable zebrafish Danio rerio reference genes for normalization of gene expression data by RT‐qPCR. J. Fish Biol. 88, 2095–2110 (2016).

Wang, Z. et al. Zebrafish β-adrenergic receptor mRNA expression and control of pigmentation. Gene 446, 18–27 (2009).

Download scriptie (7.87 MB)
Universiteit of Hogeschool
Universiteit Gent
Thesis jaar
2024
Promotor(en)
Prof. dr. Robrecht Raedt en prof. dr. Delfien Syx