Seizure-related Inflammation in Refractory Epilepsy Patients : A video-EEG study

Abstract

Epilepsialla tarkoitetaan taipumusta saada poikkeavan hermosolujen purkaustoiminnan seurauksena epilepsiakohtauksia ilman välitöntä altistavaa tekijää. Purkauksen alkamispaikka ja leviäminen aivoissa vaikuttavat kohtauksen luonteeseen. Epilepsia on 30 prosentilla sairastuneista edelleenkin vaikeahoitoinen, eli lääkityksestä huolimatta kohtauksettomuutta ei ole saavutettu. Paikallisalkuinen kohtaus alkaa usein ohimolohkon alueelta. Viimeisen 20 vuoden aikana on kiinnostuttu lisääntyvästi epilepsian vaikeahoitoisuuteen liittyvistä tulehduksellisista tekijöistä.

Neljästä osatyöstä koostuvan tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää erilaisiin epilepsiakohtauksiin liittyviä tulehdusreaktiota ja niihin vaikuttavia tekijöitä luotettavasti analysoidussa kohtauksessa neljän vuorokauden video-EEG -tutkimuksen aikana vaikeahoitoisilla epilepsiapotilailla. Tutkimukseen osallistui 78 potilasta, joista 51 sai yhden tai useampia epilepsiakohtauksia rekisteröinnin aikana. Heiltä otettiin verinäytteitä tulehdusmerkkiaineiden analysointiin ennen kohtausta sekä 3, 6, 12 ja 24 tunnin kuluttua kohtauksesta.

Sytokiinit ovat proteiinirakenteisia solujen viestinnän välittäjäaineita, jotka tunnetaan tulehdusreaktiota säätelevistä vaikutuksistaan. Kokeellisissa malleissa interleukiini(IL)-6 ja IL-1β ovat vaikuttaneet kohtauksia lisäävästi, ja IL-1 reseptoriantagonistilla(Ra) on ollut kohtauksia estävää vaikutusta. Sytokiinien määritys verestä voi antaa tietoa potilaiden kohtauksiin liittyvästä tulehduksesta. Ensimmäisessä osatyössä määritettiin sytokiinianalyysit 20 potilaasta, ja verrattiin kohtauksen jälkeisiä pitoisuuksia ennen kohtausta otettuihin näytteisiin. Epilepsiapotilaista vain ohimolohkopotilaiden ryhmässä tapahtui IL-6:n nousua. Sytokiinien IL-1Ra- ja IL-1β -pitoisuudet eivät eronneet merkittävästi lähtötilanteen pitoisuuksiin.

Ensimmäistä työtä jatkettiin määrittämällä IL-6 -pitoisuudet 49 kohtauksen saaneelta potilaalta. IL-6 kohosi kaikissa aikapisteissä kohtauksen jälkeen. IL-6:n nousu oli suurempi kolme ja kuusi tuntia paikallisalkuisesta yleistyneen kohtauksen jälkeen verrattuna paikalliseksi jääneen kohtauksen jälkeen. Ohimolohkoepilepsiassa IL-6:n maksimimuutos oli merkitsevästi korkeampi muihin epilepsiaryhmiin verrattuna. Ohimolohkoepilepsiassa kohtaus nosti IL-6 -pitoisuuksia tilanteissa, joissa kohtaus kesti yli 100 sekuntia, IL-6 -pitoisuus oli matalampi ennen kohtausta ja mikäli kohtauksia oli edeltävästi vuoden aikana vähemmän kuin kymmenen kuukaudessa.

Kolmannessa osatyössä 31 vaikeahoitoisen epilepsiapotilaan analyysissa todettiin lähtötilanteessa CRP:n pitoisuuden olevan merkitsevästi korkeampi kuin terveiden verrokkien CRP-pitoisuus. Kaikilla viidellä epilepsiapotilaalla, joilla CRP oli lähtötilanteessa koholla, oli ohimolohkoepilepsia, mutta ei yhdelläkään muiden aivolohkojen epilepsiaa sairastavilla. Epilepsiakohtauksen tyyppi vaikutti kohtauksen jälkeiseen nousuun siten, että yleistyneet kohtaukset nostivat CRP:n pitoisuutta, mutta paikalliseksi jäävät kohtaukset eivät. Epilepsiatyypillä ei ollut vaikutusta nousuun.

Neljännessä osatyössä 51 kohtauksen saaneesta potilaan verinäytteistä määritettiin cell-free DNA (cf-DNA) eli tulehduksen ja solukuoleman merkkiaineiden pitoisuudet. Lähtötilanteessa muista kuin ohimolohkoista alkaneissa kohtauksissa cf-DNA oli matalampi verrattuna terveiden verrokkien pitoisuuteen, ohimolohkoepilepsia ei eronnut verrokeista. Yli 18 vuotta epilepsiaa sairastaneiden cf-DNA:n pitoisuudet olivat kohtauksen jälkeen matalampia kuin alle 18 vuotta sairastaneiden. Cf-DNA:n pitoisuus oli kohtauksen jälkeen korkeampi potilailla, joilla painoindeksi eli body mass index (BMI) oli ≥ 25 verrattuna potilaisiin, joilla BMI oli <25.

Väitöstutkimuksen tulosten mukaan vaikeahoitoisilla epilepsiapotilailla tapahtuu kohtaukseen liittyviä tulehdusreaktioita. Ohimolohkoepilepsiassa tulehdusvasteet eroavat muista lohkoista alkavista epilepsioista yksittäisen kohtauksen jälkeen. Uutena löydöksenä oli ohimolohkoepilepsiassa IL-6:n nousu, jos IL-6 -pitoisuus oli matala tai kohtauksia oli vähemmän edeltäneen vuoden aikana. Jos kohtauksia oli enemmän tai IL-6 -pitoisuus oli korkeampi, ei yksittäinen kohtaus nostanut IL-6:n pitoisuutta. Yleistyneet ja pidempään kestäneet kohtaukset nostavat yksittäisen kohtauksen jälkeen IL-6:n ja CRP:n pitoisuuksia. Tulokset viittaavat myös cf-DNA:n osallisuuteen vaikeahoitoisessa epilepsiassa; jos sairaus on kestänyt pidempään, reaktio yksittäisen kohtauksen jälkeen on heikompi. Voidaan todeta, että tulehdusreaktioilla voi olla merkitystä vaikeahoitoisessa epilepsiassa tapahtuviin pitkäkestoisiin muutoksiin, kuten solukatoon tai aivojen eri osien väliseen toiminnan koordinaatioon. Tulehdusreaktiot voivat suojata vaurioilta tai lisätä niitä.

Epilepsy is a disorder of the brain characterized by an enduring predisposition to generate epileptic seizures, which are transient disorders of cerebral function due to abnormal neural activity to varying extents in different brain regions. Approximately 30 % of patients suffer from refractory epilepsy with recurrent seizures, even though they use antiepileptic medication. Focal refractory epilepsy with temporal lobe origin has been widely studied. During the last two decades, increasing interest has been focused on clarifying inflammatory seizure-related factors which are related to refractory epilepsy.

The purpose of this thesis was to investigate seizure-related inflammatory factors in refractory epilepsy patients in a well-controlled video-electroencephalographic (VEEG) environment. The thesis is based on four scientific articles. Seventy-eight consecutive patients with refractory focal epilepsy admitted to the VEEG monitoring unit were included in the study, and of these, 51 patients experienced at least one epileptic seizure during the recording period. Plasma samples were collected for the analysis of the inflammatory markers at the beginning of the four-day recordings, on the subsequent mornings until the patient exhibited a seizure, and at 3, 6, 12 and 24 hours after the first verified seizure. Cytokines are proteins that are involved in inter-cellular communication; they are involved in immune responses as well as regulating cell growth, tissue homeostasis and repair. In experimental studies, interleukin(IL)-6 and IL-1β are thought to be proconvulsive, whereas IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra) has shown anticonvulsive effects. In the first pilot study with 20 patients, IL-6 levels increased and peaked at 6 h postictally only in temporal lobe epilepsy (TLE). Analyses of cytokines in the blood can provide information about seizure-related inflammation. Postictal plasma levels of IL-1Ra and IL-1β did not significantly differ from baseline samples, but IL-1Ra showed a decreasing trend during 12-24 h postictally.

In the final cytokine study with 49 patients IL-6 levels were increased at all time points between 3 h and 24 h. The levels of IL-6 were significantly higher at the 3 h and 6 h time points after focal to bilateral tonic-clonic seizures in comparison to patients with focal aware or impaired awareness seizures. The plasma level of IL-6 was significantly elevated in patients with TLE in comparison with those having extratemporal lobe epilepsy (XLE). The following characteristics were associated with an increase in IL-6 concentrations during 24 h after the index seizure; 1) a duration of the index seizure longer than 100 seconds, 2) a low baseline IL-6 level and 3) fewer than 10 seizures/month in patients with TLE were associated with an increase in IL-6 concentrations during 24 h after the IS.

In the third part of the study with 31 epilepsy patients the baseline serum levels of C-reactive protein (CRP) were significantly higher in patients with refractory epilepsy compared to controls. All five patients with elevated levels of baseline CRP had TLE vs. none in the XLE group. Seizure type during the recording was associated with a CRP increase from baseline to maximum level after the seizure. In tonic-clonic seizures CRP increased, but this did not occur in patients with focally restricted seizures. Epilepsy type was not associated with any difference in the CRP levels after the seizure.

In the fourth part of the study, the concentrations of cell-free DNA (cf-DNA) were measured from 51 epilepsy patients. Cf-DNA in plasma is released from apoptotic and necrotic cells and has displayed inflammatory properties. The baseline concentrations of cf-DNA were dependent on epilepsy type. The mean baseline concentration of cf-DNA was lower in patients with XLE as compared to control subjects. There was no significant difference in the concentration of cf-DNA between patients with TLE and control subjects. The maximum concentration of cf-DNA after baseline measurement was lower in patients with the duration of epilepsy ≥ 18 years compared to those with the duration of epilepsy < 18 years. The maximum concentration of cf-DNA after the seizure was higher in patients with body mass index (BMI) ≥ 25 compared to those with BMI < 25.

The present thesis provides evidence that in patients with human refractory epilepsy, immunological changes are related to the seizure. TLE differs from many other epilepsies in the immunological responses occurring after acute seizure. This is the first time that it has been demonstrated that only in TLE a low baseline IL-6 level and a smaller amount of seizures (≤10/month) during the last year associated with an increase in IL-6 after the single seizure. If the levels of IL-6 were elevated or there had been many more seizures (>10/month) during the last year, a single seizure exerted no effect on IL-6 levels in TLE. More severe seizure types and longer seizures evoke a greater inflammatory response with higher IL-6 and CRP levels after the seizure. Cf-DNA may be involved in refractory epilepsy; the levels after seizure are lower, if epilepsy has lasted longer. In conclusion, the immune system seems to be involved in the long-term changes such as cell loss or damage to brain networks in patients with refractory epilepsy. Inflammatory responses may either confer protection or increase the severity of the injury.