ntrahipokampal Kainik Asit Uygulanm fl S çanlarda Ifl k Mikroskopi Çal flmas *

Transkript

1 9 ntrahipokampal Kainik Asit Uygulanm fl S çanlarda Ifl k Mikroskopi Çal flmas * A Light Microscopy Study of the Intrahippocampal Kainic Acid-Treated Rats Tangül fian, Serap fi RVANCI, Emsal SALIK, Feriha ERCAN, fiule ÇET NEL, Hasan YANANLI, Filiz ONAT Epilepsi 2001;7(1-2):9-16 Amaç: Bu çal flmada, s çanda oluflturulan kainik asit epilepsi modelinde hipokampusta nöron kayb olup olmad incelendi. Çal flma Plan ve Yöntemler: Eriflkin Sprague-Dawley s çanlara ( gr) intrahipokampal serum fizyolojik veya kainik asit verildi. Enjeksiyondan 120 gün sonra intrakardiyak perfüzyon yap l p hipokampus izole edildi ve fiksatif içine al nd. Haz rlanan yar -ince kesitler toluidin mavisi ile boyan p fl k mikroskobu alt nda incelendi. Bulgular: ntrahipokampal tek tarafl enjeksiyon yap lm fl s çanlar n hipokampusunda CA1 bölgesinde ipsilateral tarafta kontralaterale göre daha fazla nöron kayb gözlendi. psilateral dentat girus moleküler tabakas nda aksonal liflerde art fl görüldü. Kontrol grubundaki s çanlarda nöron kayb na ve aksonal lif art fl bulgular na rastlanmad. Sonuç: Kainik asit uygulanm fl s çan modeli, insan mesial temporal lob epilepsisi ile en çok benzerlik gösteren model olmas aç s ndan önemlidir. Anahtar Sözcükler: Hipokampus/ilaç etkisi; epilepsi/kimyasal yolla oluflturulan; enjeksiyon; kainik asit; mikroskopi; s çan. Objectives: We examined whether there is neuronal loss in the hippocampus of kainic acid-treated rats. Study Design and Methods: Adult Sprague- Dawley rats ( g) were assigned to either intrahippocampal isotonic saline or kainic acid. Four months later, following intracardiac perfusion hippocampi of the rats were isolated and transferred to the fixative solution. Semi-thin sections were prepared and stained with toluidine blue for light microscopy. Results: Neuronal loss was observed in the CA1 region of the hippocampus of the kainic acid-treated rats, being greater on the ipsilateral than the contralateral side. Axonal projections were increased in the molecular layer of the ipsilateral dentate gyrus. There was no evidence of neuronal loss and increased axonal projections in the control group. Conclusion: Kainic acid-treated rat model is instrumental because it has similar characteristics with human mesial temporal lobe epilepsy. Key Words: Hippocampus/drug effects; epilepsy/ chemically induced; injections; kainic acid; microscopy; rats. Dergiye gelifl tarihi: Düzeltme iste i: Yay n için kabul tarihi: Marmara Üniversitesi, T p Fakültesi, Histoloji ve Embriyoloji Anabilim Dal (fian, fiirvanc, Sal k, Ercan, Çetinel); Farmakoloji ve Klinik Farmakoloji Anabilim Dal (Yananl, Onat). *Bu çal flma Beyin Araflt rmalar Derne i (BAD) taraf ndan desteklenmektedir. letiflim adresi: Dr. Tangül fian. Marmara Üniversitesi T p Fakültesi, Elektron Mikroskopi Ünitesi, Haydarpafla, Kad köy - stanbul. Tel: Faks: e-posta: sirvanci@prizma.net.tr

2 10 Epilepsi Cilt 7, Say 1-2, 2001 Temporal lob epilepsisi insanda di er epilepsilere göre daha s k ortaya ç kmaktad r. Temporal lob üzerine yap lan histopatoloji çal flmalar nda olgular n %65 inde hipokampal skleroz saptanm flt r. [1] Bu nedenler araflt rmac - lar n ilgisini hipokampal bölgeye yo unlaflt rm flt r. Anterior hipokampal skleroz ile temporal lob epilepsileri aras nda görülen yak n ilgi nedeniyle terminolojik olarak parsiyel epilepsilere hipokampal epilepsi ad verilmesi de benimsenmifltir. [2] Hipokampal skleroz ile temporal lob epilepsisi aras ndaki yüksek korelasyona ra men, nöbetlerin bafllamas ve ilerlemesinde hipokampal nöron kayb n n rolü henüz aç k olarak anlafl lamam flt r. Epilepsinin ve nöbetlerin etyopatogenezini ayd nlatmak amac yla hayvanlarda çeflitli epilepsi ve nöbet modelleri oluflturulmaktad r. Temporal lob epilepsisinin oluflumunu aç klamak amac yla kullan lan modellerden biri de, glutamat reseptör agonisti olan kainik asidin sistemik ya da lokal yoldan uygulanmas d r. Nöronal hipereksitabilite art fl n n, hücresel ve moleküler düzeyde de ifliklikler meydana getirerek (a) eksitatör sistemlerde afl r laflma, (b) eksitatör ve inhibitör fonksiyonlarda nöromodülasyon defekti, (c) inhibitör fonksiyon bozuklu u, (d) nöronal membranlarda veya iyon kanallar nda transport defekti oluflturdu u konusunda de iflik hipotezler ortaya at lm flt r. Bir nörotoksin olan kainik asidin s çanlara enjeksiyonu, akut ve doza ba l olarak konvülsiyonlara, nörotoksik eksitasyona ba l nöbete ve haftalar sonra da spontan reküren nöbetlere neden olmaktad r. [3] Kronik tablo, insan mesial temporal lob epilepsisindeki klinik de iflikliklerle yak n benzerlikler gösterir. Medikal tedaviye yan t vermeyen temporal lob epilepsili hastalardan al nan cerrahi materyalde, hipokampal CA3/CA4 ve CA1 bölgelerinde nöron kayb ve reaktif gliozis oldu u gözlenmifltir. [1] Benzer bir lezyon ve glial yan t, s çanlarda intraperitoneal, intraserebroventriküler ve intrahipokampal kainik asit uygulamas ndan sonra da görülmüfltür. [4] Bir baflka çal flmada ise CA3 piramidal nöronlar n n ve CA4 komissürel asosiasyonel liflerin kainik asit ile hasara u rat lmas ndan 1-3 ay sonra, ipsilateral dentat girusun iç moleküler tabakas nda çinko yönünden zengin terminallerin iflaretlenmesinde art fl gözlenmifltir. [5] Kainik asit enjeksiyonu, temporal lob epilepsisindeki hipereksitabilitenin alt nda yatan mekanizmalar araflt rmak aç s ndan oldukça uygun bir model olma özelli ini tafl maktad r; çünkü, bu epilepside görülen Ammon boynuzu sklerozu ve hipokampal hipereksitabilite kainik asit modelinde görülebilmektedir. [6-9] Bu çal flmada, hayvanlarda oluflturulan kainik asit modeli ile insan temporal lob epilepsisinde görülen Ammon boynuzu sklerozunun nöropatolojik profilinin ayd nlat lmas amaçland. GEREÇ VE YÖNTEM Eriflkin gr a rl ndaki 10 adet Sprague-Dawley s çan ketamin (50 mg/kg, intraperitoneal) ile uyutulduktan sonra, stereotaksik alet (Stoelting, Model 51600) yard m ile kafa sabitlenip kafa derisi vertikal olarak aç ld. Hipokampus koordinatlar bregmadan arkaya 6.0 mm, sa a 4.5 mm ve kafatas yüzeyinden afla ya do ru 7.0 mm dir. Hipokampusa madde uygulamas tek tarafl olarak yap ld. Kontrol grubuna (n=5) serum fizyolojik, kainik asit grubuna (n=5) ise 0.2 µg/taraf madde uyguland. Daha sonra hayvanlar kendi ortamlar nda yiyecek ve su al mlar serbest olacak flekilde bekletildi. Enjeksiyondan 120 gün sonra s çanlar eterle uyutulup perfüzyon pompas ile 50 ml/dk h zda intrakardiyak perfüzyon yap ld. Perfüzyonda fiksatif olarak 0.1 M HEPES tamponu içinde %2.5 glutaraldehit, %0.5 paraformaldehit, %0.2 pikrik asit kullan ld. Beyinlerden izole edilen hipokampus dokusu 24 saat boyunca 4 C de bekletildi. HEPES tamponunda dokular y kand ktan sonra takibe al nd. %1.5 osmium tetroksit/%1.5 potasyum ferrisiyanid ile 30 dk postfiksasyondan sonra deiyonize suyla y kanan dokular, %0.5 uranil asetatta 30 dk bekletildi. Yükselen alkol serileri ve propilen oksit ile dehidratasyon yap ld ve bloklar Epon 812 ye gömüldü. K rk sekiz saat boyunca 60 C de etüvde bekletilen doku bloklar ndan yar -ince kesitler al nd ve toluidin mavisi ile boyama yap ld. BULGULAR Ifl k mikroskobu ile yap lan çal flmada, tek tarafl intrahipokampal kainik asit uygulanan s çanlar n ipsilateral hipokampus doku kesitleri, kontralateral taraf ile ve serum fizyolojik uygulanan kontrol hipokampus bulgular ile

3 fian ve ark. ntrahipokampal kainik asit uygulanm fl s çanlarda fl k mikroskopi çal flmas 11 karfl laflt r ld. psilateral hipokampusun CA2 ve CA3 bölgelerinde nöron kayb gözlenmedi. Kontrol hipokampusun CA1 bölgesindeki piramidal hücre tabakas nda nöronlarda devaml l k izlenirken (fiekil 1), ipsilateral CA1 seviyesinde (fiekil 2, 3) kontralateral CA1 seviyesine (fiekil 4, 5) göre daha fazla nöron kayb oldu u kalitatif olarak gözlendi. psilateral hipokampusta gliozis oldu u görüldü (fiekil 2, asterisk). psilateral hipokampusun dentat girus supragranüler tabakas nda aksonal lif art fl saptand (fiekil 7). Art fl gösteren bu aksonal liflerin myelinli oldu u görüldü. Kontrol s çanlarda (fiekil 6) ve kontralateral hipokampusta (fiekil 8) bu bulguya rastlanmad. fiek L 1 Kontrol hipokampus. CA bölgelerinde nöronlar n devaml l görülüyor (oklar: CA1) (x 40). fiek L 2 Tek tarafl intrahipokampal kainik asit enjeksiyonu uygulanm fl s çanda ipsilateral hipokampus. CA1 bölgesinde nöron kayb gözleniyor (oklar). Asterisk: Reaktif gliozis bölgesi (x 40).

4 12 Epilepsi Cilt 7, Say 1-2, 2001 TARTIfiMA Daha önceki önçal flmam zda amigdalohipokampektomi yap lm fl hastalar n hipokampuslar nda Ammon boynuzunda bulunan piramidal hücrelerde kay p oldu unu gözlemifltik. [10] Ammon boynuzu sklerozu oluflturabilme özelli ine sahip olan kainik asit modelinde de benzer bir bulguya rastlanmas, daha önceki çal flmam zla histolojik bak mdan paralellik göstermektedir. Dolay s yla deney, kainik asit uygulamas n n sonucunu do rulayacak biçimde beyin hasar n ortaya koyan bir sonuç göstermifltir. Bouilleret ve ark., [11] eriflkin farelere intrahipokampal kainik asit enjeksiyonundan iki saat sonra CA1, CA3c ve hilusta piknotik piramidal fiek L 3 Tek tarafl enjeksiyon, ipsilateral hipokampusta nöron kayb (oklar) (x100). fiek L 4 Tek tarafl enjeksiyon, kontralateral hipokampusta ipsilaterale göre daha az oldu u görülen nöron kayb (oklar) (x40).

5 fian ve ark. ntrahipokampal kainik asit uygulanm fl s çanlarda fl k mikroskopi çal flmas 13 hücreler; bir hafta sonra ayn bölgelerde hücre kayb gözlemifller; bir ay sonra da CA1 ve CA3c bölgelerinin tamam na yak n bir bölümünün dejenerasyona u rad n ve granül hücre tabakas n n yayg nlaflt n saptam fllard r. Yapt - m z çal flmada da kainik asit intrahipokampal uygulanm fl ve dört ayl k bir bekleme süresinden sonra histolojik inceleme yap lm flt r. Dolay s yla, yukar da belirtilen çal flmadakine uygun bir flekilde oluflan hücre kayb bir ayl k bir sürede gerçekleflmifl, daha sonraki zaman sürecinde bir de ifliklik izlenmemifltir. Hücre kayb n n sektör üzerinde hangi bölgede oldu u konusunda çeflitli tart flmalar vard r. Davenport ve ark., [12] intrahipokampal kainik asit enjeksiyonundan sonra, hücre say m fiek L 5 Tek tarafl enjeksiyon, kontralateral hipokampusta nöron kayb (oklar) (x100). fiek L 6 Kontrol hipokampus. Dentat girus moleküler tabakada aksonal lif art fl gözlenmemektedir (g: Granüler tabaka; m: Moleküler tabaka) (x400).

6 14 Epilepsi Cilt 7, Say 1-2, 2001 sonucu CA3 piramidal tabakas nda ve hilar bölgede hücre kayb oldu unu göstermifllerdir. Nadler ve ark., [13] kainik asidin tek tarafl intrahipokampal uygulamas ndan sonra CA3 bölgesindeki nöronlar n hasarland n gözlemifllerdir. Özellikle CA2 bölgesi hücre kayb bak - m ndan etkilenmemektedir ve insan temporal lob epilepsisinde tan mlanan dirençli sektör olma özelli ini göstermektedir. [14] Bu çal flmam z da ayn bölgenin kainik asit uygulamas nda direnç gösterdi ini ortaya koymufltur. Davenport ve ark. [15] baflka bir çal flmada ise tek tarafl intrahipokampal kainik asit enjeksiyonunun supragranüler mossy lifi filizlenmesine neden oldu unu ortaya koymufllard r. Normalde dentat girustan ç kan mossy liflerinin fiek L 7 Tek tarafl enjeksiyon, ipsilateral hipokampus. Dentat girusun moleküler tabakas nda aksonal liflerde art fl (oklar) (x400). fiek L 8 Tek tarafl enjeksiyon, kontralateral hipokampus. psilateral hipokampus ile karfl laflt r ld nda dentat girus moleküler tabakada aksonal lif art fl gözlenmemektedir (g: Granüler tabaka; m: Moleküler tabaka) (x400).

7 fian ve ark. ntrahipokampal kainik asit uygulanm fl s çanlarda fl k mikroskopi çal flmas 15 myelinsiz projeksiyonlar oluflturmas na karfl n, [16] çal flmam zda moleküler tabakada art fl gösteren aksonal liflerin myelinli oluflunun gözlenmesi dikkat çekicidir. Bu bulgular, kainik asit etkisiyle dentat girus moleküler tabakas nda mossy lifi filizlenmesi meydana gelmifl olabilece ini düflündürmektedir. Enjeksiyon sonras beklenen sürecin uzunlu u bu sonucu ortaya ç karm fl olabilir. Hipokampal skleroz, özellikle CA1 de piramidal hücre kayb, reaktif gliozis, dentat girusta granül hücre yayg nlaflmas ve mossy fibril reorganizasyonu ile karakterizedir. [17] Bu çal flmam zda ipsilateral hipokampusta saptad - m z gliozis de daha önceki çal flmalarla uyum göstermektedir. Kainik asit enjeksiyonundan sonra dentat girusun iç moleküler tabakas nda görülen mossy lif kollaterallerinin filizlenmesine neden olan etkiler kesin olarak bilinmemektedir. Hipokampal yollar n deneysel olarak hasara u rat lmas reaktif plastisiteye neden olmaktad r. psilateral ve komissürel afferentler, inervasyonu ortadan kalkan dendritik bölgeleri yeniden uyarmak için filizlenme göstermektedirler. [18] Nadler ve ark. [4] CA3/CA4 nöronlar n n kainik asit ile hasara u rat lmas ndan sonra, hipokampal mossy lif kollaterallerinin, dejenere olan assosiasyonel-komissürel afferent liflerin yerini ald klar n göstermifllerdir. Komissürel assosiasyonel lifler normalde granüler hücre dendritlerinin iç moleküler tabakas n uyarmaktad rlar. Dejenerasyon sonucu, anormal bir flekilde filizlenen reküren granüler hücre kollateralleri bu liflerin yerini almaktad r. Bu reküren kollaterallerin baz lar n n eksitatör oldu- u, [19] bunun da kronik epileptik bir odak ortaya ç kmas nda önemli etkisi olabilece i düflünülmektedir. [5] Milgram ve ark., [20] kainik asit uygulanm fl hayvanlarda CA1 piramidal nöronlar nda kay p gözlemifllerdir. Epileptiklerde görülen nöbet tetiklenmesi ve nöronal yan t n art fl nda, inhibisyon mekanizmalar n n ifllemeyiflinin önemli bir faktör oldu u düflünülmektedir. Dentat girusta bu inhibisyonun, moleküler tabakadaki GABAerjik internöronlar uyaran reküren kollateraller taraf ndan gerçeklefltirildi i öne sürülmektedir. Cornish ve Wheal, [21] tek bir intraserebroventriküler kainik asit enjeksiyonundan 16 hafta sonra, CA1 bölgesindeki inhibisyonun azald n bulmufllard r. Milgram ve ark. [20] taraf ndan bu de iflikliklerin internöron kayb ndan dolay olabilece i ileri sürülmüfltür. Sloviter, [22] perforan yolun tekrarlanan uyar lar ndan sonra hilar bölgedeki somatostatin içeren internöronlarda selektif bir kay p oldu unu gözlemifllerdir. Scharfman ve Schwartzkroin [23] dentat girus afferentlerinin uyar lmas ndan sonra, kalsiyum ba lay c proteinlerin olmad hücrelerde dejenerasyon bulgusuna rastlam fllard r. Status epileptikus modellerinde hasar profili de iflken olmas na ra men, CA1 ve hilar bölgelerde birbirleriyle uyumlu hücre kayb gözlenmektedir. Sonuç olarak, kainik asit uygulanm fl s çan modeli, insan mesial temporal lob epilepsisine di er temporal lob epilepsi modellerinden daha çok benzerlik göstermektedir. Bafll ca nöron kayb olan bölgeler (dentat girusun hilusu ve CA1) ayn d r. Gliozis ve mossy lifi filizlenmesi de insan mesial temporal lob epilepsisinde ve deneysel kainik asit modelinde görülen ortak bulgulard r. Yapt m z bu çal flmada, kainik asit modelinde hipokampal sklerozun karakteristik özellikleri olan CA1 piramidal hücrelerinin kayb, reaktif gliozis ve mossy lifi filizlenmesi meydana gelmifl olabilece ini düflündüren myelinli lif art fl bulgular yla, bu modelin insan mesial temporal lob epilepsisini çal flmak için uygun bir model olma özelli i tafl d n saptad k. KAYNAKLAR 1. Babb TL, Brown WJ. Pathological findings in epilepsy. In: Engel J Jr, editor. Surgical treatment of epilepsies. New York: Raven Press; p Babb TL. Research on the anatomy and pathology of epileptic tissues. In: Lüders H, editor. Epilepsy surgery. New York: Raven Press; p Kofler N, Kirchmair E, Schwarzer C, Sperk G. Altered expression of NPY-Y1 receptors in kainic acid induced epilepsy in rats. Neurosci Lett 1997; 230: Nadler JV, Perry BW, Cotman CW. Selective reinnervation of hippocampal area CA1 and the fascia dentata after destruction of CA3-CA4 afferents with kainic acid. Brain Res 1980;182: Sundstrom LE, Mitchell J, Wheal HV. Bilateral reorganisation of mossy fibres in the rat hippocampus after a unilateral intracerebroventricular kainic acid injection. Brain Res 1993;609: Babb TL, Lieb JP, Brown WJ, Pretorius J, Crandall PH. Distribution of pyramidal cell density and hyperexcitability in the epileptic human hippocampal formation. Epilepsia 1984;25: Babb TL, Pretorius JK, Kupfer WR, Crandall PH.

8 16 Epilepsi Cilt 7, Say 1-2, 2001 Glutamate decarboxylase-immunoreactive neurons are preserved in human epileptic hippocampus. J Neurosci 1989;9: Engel J Jr. The Hans Berger lecture. Functional explorations of the human epileptic brain and their therapeutic implications. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1990;76: Sutula TP. Experimental models of temporal lobe epilepsy: new insights from the study of kindling and synaptic reorganization. Epilepsia 1990; 31 Suppl 3; S fian T, Onat F, Özkara Ç, Öztürk E, fianl S, Ercan F. Immunocytochemical study in hippocampus of patient with mesial temporal lobe epilepsy. Epilepsia 1999;40 Suppl 2: Bouilleret V, Ridoux V, Depaulis A, Marescaux C, Nehlig A, Le Gal La Salle G. Recurrent seizures and hippocampal sclerosis following intrahippocampal kainate injection in adult mice: electroencephalography, histopathology and synaptic reorganization similar to mesial temporal lobe epilepsy. Neuroscience 1999;89: Davenport CJ, Brown WJ, Babb TL. GABAergic neurons are spared after intrahippocampal kainate in the rat. Epilepsy Res 1990;5: Nadler JV, Perry BW, Cotman CW. Selective reinnervation of hippocampal area CA1 and the fascia dentata after destruction of CA3-CA4 afferents with kainic acid. Brain Res 1980;182: Margerison JH, Corsellis JA. Epilepsy and the temporal lobes. A clinical, electroencephalographic and neuropathological study of the brain in epilepsy, with particular reference to the temporal lobes. Brain 1966; 89: Davenport CJ, Brown WJ, Babb TL. Sprouting of GABAergic and mossy fiber axons in dentate gyrus following intrahippocampal kainate in the rat. Exp Neurol 1990;109: Frotscher M, Zimmer J. Lesion-induced mossy fibers to the molecular layer of the rat fascia dentata: identification of postsynaptic granule cells by the Golgi-EM technique. J Comp Neurol 1983;215: Babb TL, Kupfer WR, Pretorius JK, Crandall PH, Levesque MF. Synaptic reorganization by mossy fibers in human epileptic fascia dentata. Neuroscience 1991;42: Laurberg S, Zimmer J. Lesion-induced sprouting of hippocampal mossy fiber collaterals to the fascia dentata in developing and adult rats. J Comp Neurol 1981;200: Tauck DL, Nadler JV. Evidence of functional mossy fiber sprouting in hippocampal formation of kainic acid-treated rats. J Neurosci 1985;5: Milgram NW, Yearwood T, Khurgel M, Ivy GO, Racine R. Changes in inhibitory processes in the hippocampus following recurrent seizures induced by systemic administration of kainic acid. Brain Res 1991;551: Cornish SM, Wheal HV. Long-term loss of paired pulse inhibition in the kainic acid-lesioned hippocampus of the rat. Neuroscience 1989;28: Sloviter RS. Decreased hippocampal inhibition and a selective loss of interneurons in experimental epilepsy. Science 1987;235: Scharfman HE, Schwartzkroin PA. Protection of dentate hilar cells from prolonged stimulation by intracellular calcium chelation. Science 1989;246: