Cytokines and seizures

Abstract

Sytokiinit ovat tulehdusreaktiota sääteleviä molekyylejä, joita tuotetaan myös aivoissa hermoston vaurioituessa tai muuten aktivoituessa. Aikaisemmin kokeellisissa epilepsiamalleissa on todettu lisääntynyttä sytokiinituotantoa aivoissa epileptisten kohtausten yhteydessä, mutta kliinisiä tutkimuksia epilepsiapotilailla ei juurikaan ole tehty.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli etsiä epileptisten kohtausten yhteyttä sytokiiniverkoston aktivaatioon yksittäisten kohtausten sekä kroonisen epilepsian yhteydessä. Määritimme sytokiinipitoisuuksia selkäydinnesteessä ja plasmassa toonis-kloonisten kohtausten jälkeen eri ajankohtina selvittääksemme liittyykö epilepsiakohtauksiin lisääntynyttä sytokiinien tuotantoa. Lisäksi mittasimme tulehdukseen liittyviä parametrejä verestä samoilla potilailla ja etsimme korrelaatiota sytokiinituotantoon. Vaikeahoitoista kroonista epilepsiaa sairastavilla potilailla arvioimme sytokiinien alkuperää vertaamalla sytokiinien plasmatasoja veren monosyyttien kykyyn tuottaa sytokiineja. Tutkimme myös sytokiinien geneettisen monimuotoisuuden esiintyvyyttä vaikeahoitoista epilepsiaa sairastavilla potilailla.

Sytokiinituotannon merkitystä epilepsiakohtausten yhteydessä ei vielä täysin tiedetä. Kuitenkin kokeellisissa tutkimuksissa on osoitettu että tietyillä sytokiineillä voi olla joko kohtauksia estävää tai lisäävää vaikutusta, lisäksi sytokiinit voivat vaikuttaa kohtauksiin liittyvään aivojen plastisiteettiin. IL-1β on kokeellisissa malleissa prokonvulsiivinen ja neurotoksinen, IL-1RA:n vaikutukset ovat päinvastaiset. TNFα voi olla antikonvulsiivinen ja IL-6 prokonvulsiivinen. Me olemme tutkimuksessamme osoittaneet sytokiinijärjestelmän aktivaation epileptisiin kohtauksiin liittyen sekä akuuttien kohtausten että kroonisen epilepsian yhteydessä, jatkossa on keskeistä tarkemmin kartoittaa sytokiinien merkitystä sekä kokeellisissa malleissa että kliinisissä tutkimuksissa.

In this dissertation I searched togerher with my collaborators for evidence of an association between cytokine network activation and seizures both in patients with acute seizures and chronic epilepsy. We studied the circulating levels of cytokines in cerebrospinal fluid and plasma after tonic-clonic seizures with different time-windows in order to assess the significance of recent seizures in relation to cytokine production. In these patients with acute seizures we measured a set of indicators of inflammation in order to study the potential consequences of the activation of the cytokine network. In patients with refractory chronic epilepsy we evaluated the source of cytokines with comparing the plasma levels of cytokines with the production of cytokines by blood cells. We also studied cytokine gene polymorphism in patients with refractory chronic epilepsy in order to assess the potential genetic contribution.

CSF and plasma samples were collected from 37 patients with recent seizures ( We were able to correlate the indicators of inflammation with plasma IL-6 levels after recent tonic-clonic seizures. The mean peripheral blood and CSF-leukocyte counts were significantly higher in patients compared with controls; there was some indication of increased concentration of C-reactive protein in patients with seizures but no difference in haptoglobin levels. A consequent point for patient care is that, CSF pleocytosis and increase in some indicators of inflammation should not automatically be attributed to systemic or CNS infections in patients with acute seizures.

We studied the plasma levels of IL-1b, IL-1RA and IL-6 as well as the spontaneous and exogenously stimulated production of these cytokines from peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from 10 patients with refractory localization-related epilepsy compared with healthy controls. Highly pro-inflammatory cytokine profile (high IL-6, low IL-1RA and low IL-1RA/IL-1β ratio) was observed in plasma from patients with epilepsy. Spontaneous and LPS stimulated cytokine release was similar in PBMC cultures of patients and control subjects, whereas there was evidence of decreased production of these cytokines when stimulated. These results suggest that the altered plasma levels are not derived from peripheral blood, and the most likely origin for these cytokines is the brain. Formally, cytokine production by sessile cells of lymphoid organs is not excluded. This explanation would imply that there would exist a systemic disease causing proneness to seizures, that would be revolut! ionary to current thinking. In the genetic study of 48 patients with refractory localization-related epilepsy compared with 400 healthy blood donors the frequencies of the IL-1a allele 1 and IL-1b allele 2 were significantly higher in patients compared with controls, whereas there were no differences in IL-1RA allele frequencies. The combination of IL-1b (-511) A 2+ /IL-1RA (VNTR)A2- was more prevalent in patients than in control subjects.

The significance of cytokine production in relation to epileptic seizures is not yet fully known. However, there is an increasing amount of consistent experimental data suggesting a role for cytokines as modulators of seizure activity and brain plasticity. IL-1b is proconvulsant and neurotoxic in animal models, whereas IL-1RA antagonist acts as an anticonvulsant and neuroprotectant. The significance of TNFα and IL-6 is less well established, but IL-6 may be proconvulsant and local TNFα anticonvulsant. We have now presented clinical data on the association between the activation of the cytokine network both in acute seizures and chronic epilepsy as well evidence of genetic association. The available data suggests a role for cytokines in epileptic processes, and it is important to define this role better in the future in both experimental and human studies.