Astroglial GABAB receptor deletion attenuates epileptic network function in vivo

Abstract

Temporal lobe epilepsy is a neurological condition characterized by erratically recurrent seizures. To date, anti-epileptic drug treatment is unsatisfactory, since more than one-third of patients remain drug resistant and require neurosurgical intervention. Thus, progress in the field demands investigation of basic underlying mechanisms to identify new therapeutic targets. Epilepsy is linked to the disruption of the excitation-inhibition balance in the brain. Therefore, astrocytes arise as key elements in this neurological disorder, due to their essential functions at the interface of excitation and inhibition. More specifically, astroglial γ-aminobutyric acid receptor type B (GABAB receptor)-signaling, involving intracellular calcium rises and subsequent gliotransmitter release, crucially modulates network excitability. Hence, we investigated the contribution of the astroglial GABAB receptor to pathological network function in an adapted mouse model of temporal lobe epilepsy. To this end, we performed EEG telemetry, in vivo two-photon calcium-imaging and histopathological analysis in transgenic mice with astrocyte-specific GABAB receptor deletion and expression of the calcium sensor GCaMP3. Astroglial GABAB receptor loss had an overall anti-epileptic effect. During status epilepticus (acute phase), GABAB receptor-deficient mice experienced 70 % less seizures than controls and displayed a significant reduction in γ-band power, even before seizure induction. Concomitantly, astrocytes displayed large stereotypical Ca2+ waves during generalized epileptiform activity in the cortex. In GABAB receptor mutant mice, the calcium waves were delayed compared to controls. In addition, GABAB receptor deficient animals developed atypical epileptiform activity, lacking correlations between basic epileptiform event and calcium wave characteristics. These data suggest a promoting role for astroglial calcium signals during epileptiform events, restricted by GABAB receptor deletion. During the latent phase, astroglial calcium dynamics of mutant mice were resilient against the global depression observed in controls. Finally, in the early chronic phase (four weeks post kainate), GABAB receptor loss attenuated histopathological hallmarks. Specifically, GABAB receptor mutant mice displayed diminished astro-and microgliosis as well as reduced incidence of granule cell dispersion, without impacting its severity. In conclusion, astroglial GABAB receptor-dependent signaling endorses the development and maintenance of epileptic network function in vivo and thereby constitutes an attractive target for future research in the epilepsy field.

Zusammenfassung Temporallappenepilepsie ist eine neurologische Erkrankung, welche durch unbrechenbare, wiederkehrende Anfälle gekennzeichnet ist. Gegenwärtig ist die Behandlung mit Antiepileptika unbefriedigend, da mehr als ein Drittel der Patienten medikamentenresistent ist und einen neurochirurgischen Eingriff benötigt. Die Erforschung der grundlegenden Mechanismen ist daher elementar, um neue therapeutische Ziele zu identifizieren. Epilepsie basiert auf der Störung des Erregungs-Inhibitions-Gleichgewichts im Gehirn. In diesem Zusammenhang spielen Astrozyten aufgrund ihrer essentiellen Funktionen an der Schnittstelle von Erregung und Hemmung eine Schlüsselrolle bei dieser neurologischen Störung. Genauer wird die Erregbarkeit des neuronalen Netzwerks durch astrogliale γ-Aminobuttersäure-Rezeptor Typ B (GABAB-Rezeptor) -Signalübertragung, über einen intrazellulären Calcium-Anstieg und die anschließende Freisetzung von Gliotransmittern, moduliert. In dieser Arbeit untersuchten wir den Beitrag des astroglialen GABAB-Rezeptors zur pathologischen Netzwerkfunktion in einem adaptierten Mausmodell der Temporallappenepilepsie. Dazu wurden EEG-Telemetrie, in vivo Zwei-Photonen-Mikroskopie der Calcium-Signale und histopathologische Analysen in transgenen Mäusen mit Astrozyten-spezifischer GABAB- Rezeptor Deletion und Expression des Calcium-Sensors GCaMP3 durchgeführt. Ein astroglialer GABAB-Rezeptor Verlust hatte einen globalen anti-epileptischen Effekt. Während des Status epilepticus (akute Phase) erlebten GABAB-Rezeptor-defiziente Mäuse 70 % weniger Anfälle als ihre Kontrollen und zeigten eine Reduktion der γ-Band-Leistung, sogar vor der Anfallsinduktion durch Kainat. Gleichzeitig zeigten Astrozyten große stereotype Calcium-Wellen während generalisierter epileptiformer Aktivität im Cortex. In GABAB-Rezeptor-defizienten Mäusen waren die Calcium-Wellen verzögert. Darüber hinaus entwickelten GABAB-Rezeptor-defiziente Tiere atypische epileptiforme Aktivität, wobei Korrelationen zwischen epileptiformen Ereignissen und Calcium-Wellen Charakteristika entfielen. Diese Daten legen eine fördernde Rolle für astrogliale Calcium-Signale während epileptiformer Ereignisse nahe, welche durch die GABAB-Rezeptor Deletion gemindert wurde. In der latenten Phase hat sich die astrogliale Calcium-Dynamik von GABAB-Rezeptor-defizienten Mäusen als widerstandsfähig gegen die globale Depression erwiesen, welche in Kontrollen beobachtet wurde. Schließlich führte der GABAB- Rezeptor Verlust in der frühen chronischen Phase (vier Wochen nach Kainat) zu signifikant abgeschwächten histopathologischen Merkmalen. GABAB-Rezeptor-defiziente Mäuse zeigten eine verringerte Astro- und Mikrogliose sowie eine verringerte Inzidenz der Körnerzelldispersion, ohne sich auf deren Schweregrad auszuwirken. Zusammenfassend unterstützt die astrogliale GABAB-Rezeptor abhängige Signalübertragung die Entwicklung und Aufrechterhaltung der epileptischen Netzwerkfunktion in vivo und stellt somit ein attraktives Ziel für die zukünftige Forschung im Bereich der Epilepsie dar.