GABA and glutamate in human epilepsies: studies on the platelet model

Abstract

Epilepsia on yleisimpiä neurologisia pitkäaikaissairauksia, johon sairastuu noin 5 % ihmisistä jossain elämänsä vaiheessa. Epilepsian tutkimuksessa ja hoidossa on saavutettu merkittäviä edistysaskeleita viime vuosikymmeninä, mutta epilepsian syntymekanismit ovat osaltaan edelleen tuntemattomia. Epilepsia ja epileptiset kohtaukset on liitetty estävien (inhiboivien) ja kiihottavien (eksitoivien) aminohappovälittäjäaineiden epätasapainoon. Ihmisen keskushermoston tärkein estävä aminohappo-välittäjäaine on gamma-aminovoihappo (GABA) ja vastaavasti tärkein kiihottava välittäjäaine on glutamaatti. GABA:n ja glutamaatin vaikutukset keskushermostossa päättyvät niiden takaisinkuljetuksella hermosoluihin ja tukisoluihin, mikä tapahtuu erityisien kuljettajaproteiinien avulla. Verihiutaleita on käytetty jo aikaisemmin mallina GABAergiselle ja glutamatergiselle hermovälitykselle, koska näiden hermovälittäjäaineiden takaisinotto verihiutaleisiin muistuttaa vastaavaa mekanismia keskushermostossa. Verihiutaleita on käytetty mallina useiden eri neurologisten sairauksien tutkimiseen, mutta tutkimuksia epilepsioissa on vähän.

Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli mitata GABA:n ja glutamaatin takaisinkuljetusta sekä GABA:a hajottavan GABA-T-entsyymin aktiivisuutta verihiutaleissa erilaisia epilepsioita sairastavilla potilailla. Lisäksi pyrittiin selvittämään epileptisiin kohtauksiin mahdollisesti liittyviä aminohappopitoisuuksien muutoksia veressä ja/tai aivoselkäydinnesteessä akuutin epilepsia kohtauksen jälkeen sekä erilaisissa epilepsioissa. Halusimme myös tutkia, mitkä kuljettajat toimivat ihmisen verihiutaleissa. Tutkimushenkilöinä olivat aikuisikäiset potilaat, jotka sairastivat nuoruusiän myoklonista epilepsiaa, vaikeahoitoista paikallisalkuista epilepsiaa sekä ohimolohkoepilepsiaa, mihin liittyi aivojen hippokampuksen vaurio. Lapsipotilailta mitattiin verihiutaleiden GABA:n takaisinkuljetusta ja GABA-T aktiivisuutta lapsuusiän poissaoloepilepsiaa sairastavilta.

Verihiutaleiden GABA:n kuljetuskapasiteetti oli heikentynyt aikuispotilailla, jotka sairastivat nuoruusiän myoklonista epilepsiaa ja vaikeahoitoista paikallisalkuista epilepsiaa. Verihiutaleiden GABA-T aktiivisuus oli lisääntynyt nuoruusiän myoklonista epilepsiaa sairastavilla, mutta alentunut poissaoloepilepsiaa sairastavilla. Glutamaatin takaisinkuljetus oli lisääntynyt ohimolohkoepilepsiaa sairastavilla terveisiin kontrolleihin verrattuna, kun taas nuoruusiän myoklonista epilepsiaa sairastavat eivät eronneet terveistä. Tutkittaessa lääkeaineiden vaikutuksia in vitro mikään potilaidemme yleisimmin käyttämistä lääkeaineista, ei näyttänyt vaikuttavan merkitsevästi tuloksiin.

Tulokset osoittavat, että erityisesti idiopaattisiin epilepsioihin liittyy merkittäviä muutoksia GABAergisessä hermovälityksessä. Glutamatergisen hermovälityksen muutokset näyttävät liittyvän paikallisalkuisiin epilepsioihin, ja ko. muutokset ovat mahdollisesti kompensatorisia. Plasman glutamaattipitoisuudet lisääntyivät akuutin kohtauksen jälkeen. Muutokset tutkittujen välittäjäaineiden toiminnoissa näyttävät olevan ominaisia tietyille epilepsiatyypeille.

Tunnistimme ihmisen verihiutaleiden GABA:n ja glutamaatin kuljettajaproteiinit. Nämä kuljettajat olivat aikaisemmin hermokudoksessa kuvatut BGT-1 ja EAAT3. Tunnistamalla nämä kuljettajaproteiinit varmistettiin, että verihiutaleita voidaan käyttää keskushermoston GABA:n ja glutamaatin kuljetusmekanismien luotettavana mallina.

Epilepsy and seizures have been proposed to be associated with an imbalance in the levels of inhibitory and excitatory amino acids. The main inhibitory amino acid transmitter in the human central nervous system (CNS) is g-aminobutyrate (GABA) and the major excitatory amino acid transmitter glutamate. The actions of GABA and glutamate in the CNS are terminated by uptake into neurons and glia, this beeing mediated by transporters for both transmitters. Blood platelets have been used as a model for GABA and glutaminergic neurotransmission. It is presumed that the platelet functions are similar to those in the CNS. Platelets have been used in studies on different neurological diseases, but epilepsy studies on the platelet model are scant.

We measured now the uptake of GABA and glutamate into platelets, the activity of GABA transaminase (GABA-T) activity in platelets and the concentrations of amino acids in plasma and cerebrospinal fluid. Adult patients with juvenile myoclonic epilepsy (JME), refractory localization-related epilepsy (RLE), temporal lobe epilepsy and hippocampal sclerosis (TLE+HS) and healthy controls were involved in the studies. We also assessed the plasma amino acid concentrations after acute tonic clonic seizures. GABA uptake and GABA-T activity were likewise assessed in pediatric patients with absence epilepsy (CAE).

The capacity of GABA uptake in platelets was decreased in the adult patients with JME and RLE. The activity of GABA-T was altered in those with JME and CAE, being increased and decreased, respectively. The uptake of glutamate was enhanced in patients with TLE+HS when compared to healthy controls, but in JME patients it did not differ from that in controls. When tested in vitro, only ethosuximide (ESM) showed GABA uptake by the platelets to be diminished in a concentration-dependent manner at clinically relevant ESM concentrations. None of the other commonly used antiepileptic drug directly affected these uptake processes or GABA-T activity in platelets in our patient population.

Our results imply marked differences in the functions of GABA, especially in idiopathic epileptic syndromes. The changes in glutamate metabolism, in patients with partial epilepsy, seem to be compensatory to the increased glutamate levels in plasma after seizures. The changes in these transmitters are apparently syndrome-specific.

We also cloned transporters for GABA and glutamate from human blood platelets. The transporters found in the platelets were betaine/GABA (BGT-1) transporter and excitatory amino acid transporter 3 (EAAT3). The cloning of these transporters confirms that blood platelets can be used as a model for the transport of at least some neurotransmitters in the CNS.