Brain Metabolism in Mice Supplemented with Acetyl-1-carnitine and Two Mouse Models of Temporal Lobe Epilepsy

Abstract

Epilepsi er en av de vanligste nevrologiske sykdommene i verden og temporallappsepilepsi (TLE) er sannsynligvis den hyppigste formen for epilepsi. Behandlingen av TLE er i dag ikke god nok og opp til 60% av personer med TLE blir resistente mot gjeldende epilepsimedisiner. Selv om tilstanden ofte kan kureres med kirurgi, har sosiale og psykiske ringvirkninger av tilstanden gjerne manifestert seg lenge før kirurgi gjennomføres. Mekanismene bak TLE er ennå ikke klarlagte, men mye tyder på at forstyrret metabolisme, særlig i hjernestrukturen hippocampus, bidrar til patogenesen. Ved å belyse disse metabolske endringene kan vi oppdage nye mål for behandling av TLE samt forbedre diagnostikken. I Artikkel 2 og 3 undersøkte vi metabolismen i hjernen til to modeller for TLE i mus, henholdsvis pentylenetetrazole (PTZ) kindling modellen og pilocarpine status epilepticus modellen. I tillegg evaluerte vi de antiepileptiske virkningene til acetyl-l-carnitine (ALCAR) på anfall og metabolisme i PTZ kindling modellen.

ALCAR er et kosttilskudd som er tilgjengelig i helsekostbutikker i utlandet men ikke i Norge. ALCAR finnes naturlig i kroppen og er involvert i frakten av acetylenheter over den mitokondrielle membranen. I mer enn tjue år har ALCAR blitt prøvd ut som terapeutisk virkemiddel ved ulike sykdommer i hjernen. Blant annet har behandling med ALCAR til pasienter med depressive tilstander gitt gode resultater. Administrering av én enkelt dose ALCAR til rotter gir økt energitilgjengelighet i hjernen og beskyttelse mot nevrotoksiske insulter som iskemi og oksidativt stress. Det har derimot vært en mangel på studier som viser langtidsvirkningene av ALCAR behandling på metabolismen i hjernen. I Artikkel 1 undersøkte vi virkningen av ALCAR gitt til mus i 25 dager på energi og nevrotransmitter homeostasen i hjernen.

I alle de tre studiene i denne avhandlingen skaffet vi detaljert oversikt over metabolske endringer i hjernebarken og hippokampusformasjonen (HF) til mus ved hjelp av 1H nukleær magnetisk resonans (NMR) spektroskopi og væskekromatografi. For å studere metabolismen av glukose injiserte vi mus med 13C merket glukose og undersøkte hjerneekstrakt med 1H og 13C NMR spektroskopi samt gass kromatografimasse spektrometri.

I Artikkel 1 fant vi at tilskudd med ALCAR økte nivåene av høy-energi fosfater i hjernebarken til mus, noe som tyder på økt energitilgjengelighet. I begge hjerneområder senket ALCAR forbruket av glukose vist ved økte nivåer av glukose og reduserte nivåer av [3-13C]laktat. Videre fant vi at ALCAR økte konsentrasjonene av monoaminene noradrenalin i HF og serotonin i hjernebarken. Disse funnene er særlig interessante i forhold til en potensiell antidepressiv virkning av ALCAR.

I artikkel 2 og 3 demonstrerte vi metabolske endringer i epileptiske mus som likner på funnene som er rapportert hos mennesker med TLE, deriblant lavere konsentrasjon av glutamat og mitokondriell dysfunksjon i HF. Vi viste også at omsetningen av viktige metabolitter som tilhører eller er derivert fra sitronsyresyklus var nedsatt i begge hjerneområder i epileptiske mus, forenlig med en dysfunksjonell sitronsyresyklus. Tilskudd med ALCAR påvirket ikke anfallsutviklingen i PTZ injiserte mus, men motvirket noen metabolske endringer.

Alt i alt har studiene skaffet ny informasjon om de metabolske endringene i hjernen til epileptiske mus og mus behandlet med ALCAR i 25 dager. Funnene vil kunne være nyttige for å forbedre diagnostikken og behandlingen av TLE og evaluere den potensielle rollen til ALCAR i behandlingen av ulike hjernesykdommer.

Epilepsy is one of the most prevalent neurological diseases in the world and temporal lobe epilepsy (TLE) is likely the most common form of epilepsy. The treatment strategies for TLE are not satisfactory and as many as 60% of patients with TLE become resistant to currently available antiepileptic drugs. Although the condition can be effectively treated by surgical resection, social and psychological disabilities of the disorder often manifest themselves long before referral to surgery. The mechanisms underlying TLE still remain unclear, although accumulating evidence points to metabolic dysfunction especially in the hippocampus. By elucidating these metabolic alterations, we may reveal new targets for antiepileptic treatment and improve diagnostic criteria. In Papers 2 and 3, we investigated brain metabolism in two mouse models of TLE, namely the pentylenetetrazole (PTZ) kindling model and the pilocarpine status epilepticus model, respectively. Moreover, the antiepileptic efficacy of acetyl-l-carnitine (ALCAR) on seizures and metabolism was evaluated in the PTZ kindling model.

ALCAR is a dietary supplement readily available in health food stores abroad but not in Norway. It is an endogenous compound involved in the transport of acetylmoieties across the mitochondrial membrane. For more than two decades, ALCAR has been evaluated as a therapeutic supplement in various brain disorders, and has shown beneficial effects in small trials with patients with depressive disorders. In rats, single administration of ALCAR increases brain energy availability and protects against various neurotoxic insults such as ischemia and oxidative stress. However, there has been a lack of studies on the effect of chronic ALCAR administration on brain metabolism. In Paper 1, we investigated brain glucose, energy and neurotransmitter homeostasis in mice supplemented with ALCAR for 25 days.

In all three studies constituting this thesis, we obtained detailed maps of the metabolic content in the cerebral cortex and hippocampal formation (HF) of mice using 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and high-pressure liquid chromatography. To determine glucose metabolism, we injected mice with 13C labeled glucose and evaluated brain extracts using 1H and 13C NMR spectroscopy and gas chromatography–mass spectrometry.

In Paper 1, we found that ALCAR supplementation increased the amounts of high-energy phosphates in the cortex of mice, indicating increased energy availability. In both brain regions, ALCAR decreased glucose consumption evidenced by increased amounts of glucose and decreased amounts of [3-13C]lactate. Furthermore, ALCAR increased the concentrations of monoamines noradrenaline in the HF and serotonin in cortex. These findings are particularly interesting in relation to a potential antidepressive effect of ALCAR. In Papers 2 and 3, we demonstrated metabolic alterations in epileptic mice, such as glutamate reduction and mitochondrial dysfunction in the HF, partly resembling findings reported in human TLE. Moreover, we revealed that the turnover of important metabolites within and derived from tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates was decreased in both brain regions,consistent with impaired function of the TCA cycle. ALCAR did not affect seizure development in PTZ kindled mice, but attenuated some metabolic alterations.

Altogether, the studies provide new information about metabolic alterations in the brain of epileptic mice and mice treated with ALCAR for 25 days. The findings may help improving diagnostics and treatment of TLE and evaluate the possible role of ALCAR in treating brain disorders.