GABAB receptor signalling of OPCs attenuates a brust of OPC proliferation and oligodendrocyte formation at the onset of chronic TLE

Abstract

Epilepsy is a neurological disorder characterized by hyperexcitability of neuronal circuits, manifesting in recurrent seizures. Despite the abundance of anti-epileptic drugs available, targeting neurons, as many as 30% of patients cannot achieve a seizure free state. Several studies suggest that the balance between excitatory and inhibitory neurotransmission (E/I balance) is disturbed in the epileptic brain, favouring excitation. Uniquely among glia cells, oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) form synaptic connections with inhibitory as well as excitatory neurons making them promising candidates as potential novel targets of research. Through pairing, they even form close anatomical and functional relationships with interneurons and mirror their electrical activity. A recent study from our group demonstrates, that GABAB receptor (GABABR) mediated OPC-interneuron communication is crucial for determining interneuronal density and function during early development, thereby regulating E/I balance under healthy conditions. Moreover, in several epileptic paradigms OPCs have been shown to react to the induction of recurrent seizures. Therefore, the central aim of this study is to investigate the role of OPC-GABABR signaling in regulating the response of OPCs and interneurons following hyperexcit able network dysfunction in epilepsy. We induced epileptic condition in transgenic mice carrying OPC-specific GABABR cKO by em ploying the mouse model of temporal lobe epilepsy by intracortical kainate injections. Immuno histochemistry was performed in the acute phase directly following status epilepticus, as well as one week later at the onset of the chronic phase and two weeks later during the early chronic phase. Our results demonstrated that GABABR signaling on OPCs impedes a transient burst of OPC proliferation and oligodendrocyte formation at the cortical epileptic lesion at the onset of the chronic phase. While OPC proliferation und density only peaks transiently in OPC-GABABR cKO mice, the density of oligodendrocytes at the cortical lesion remains elevated during the early chronic phase. Therefore, we hypothesize that reduction of GABABR signaling might be beneficial in attenuating myelin damage observed during the chronic phase of epileptogenesis. Furthermore, we show that interneuronal susceptibility to excitotoxicity in GABABR cKO mice is reduced. While the contralateral cortex of control mice was slowly depleted of interneurons as epileptogenesis progressed, interneuronal density at the contralateral cortex was preserved in GABABR cKO mice. Therefore, reduction of GABABR activation of OPCs could potentially attenuate severity of epilepsy by preventing myelin damage and curtailing loss of inhibitory neurotransmission during the chronic phase

Epilepsie ist eine Erkrankung, welche durch Übererregbarkeit neuronaler Netzwerke gekennzeichnet ist und sich in wiederkehrenden Krampfanfällen manifestiert. Trotz der Vielzahl zu Verfügung stehender auf Neuronen wirkenden Antiepileptika, erreichen 30% der Patienten keine Anfallsfreiheit. Etliche Studien schlagen vor, dass das Gleichgewicht zwischen inhibitorischer und exzitatorischer Neurotransmission im epileptischen Gehirn zugunsten der Exzitation verschoben ist. Oligodendrozyten Vorläuferzellen (OPCs) besitzen die Eigenschaft, synaptische Verbindungen mit exzitatorischen sowie inhibitorischen Neuronen einzugehen. Sie gehen enge anatomische und funktionelle Verbindungen mit Interneuronen ein und spiegeln deren elektrische Aktivität wider. Eine kürzlich publizierte Studie unserer Arbeitsgruppe zeigt, dass GABAB Rezeptor (GABABR) vermittelte OPC-InterneuronKommunikation die Dichte und Funktion von Interneuronen und dadurch das Gleichgewicht von Exzitation und Inhibition entscheidend beeinflusst. In zahlreichen Epilepsiemodellen zeigte sich ein Einfluss von wiederkehrenden Krampfanfällen auf OPCs. Das zentrale Ziel dieser Arbeit ist daher, den Einfluss von OPC-GABABR vermittelter Signalübertragung auf die Dynamik von OPCs und Interneuronen im übererregbaren epileptischen Gehirn zu erforschen. Durch intrakortikale Kainate-Injektionen induzierten wir epileptische Bedingungen im Gehirn von transgenen Mäusen, welche Träger eines OPC-spezifischen cKOs des GABABRs sind. Immunohistochemie wurde unmittelbar nach Status epilepticus (akute Phase), sowie eine Woche später (Beginn der chronischen Phase) und zwei Wochen später (chronische Phase) durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass OPC-GABABR abhängige Signalübertragung zu Beginn der chronischen Phase einen vorübergehenden Schub von OPC-Proliferation und Oligodendrozytenbildung an der kortikalen epileptischen Läsion verhindert. Während die Dichte und Proliferation von OPCs in OPC-GABABR cKO-Mäusen nur kurzzeitig erhöht ist, bleibt die Dichte von Oligodendrozyten auch noch in der frühen chronischen Phase erhöht. Daher liegt die Vermutung nahe, dass eine Reduktion von OPC-GABABR abhängiger Signalübertragung die Ausprägung von Myelinschäden wie sie in der chronischen Phase beobachtet wurden, günstig beeinflussen könnte. Des Weiteren demonstrieren wir eoine reduzierte Anfälligkeit von Interneuronen für Exzitotoxizität in OPC-GABABR cKO Mäusen. Während die interneuronale Dichte im kontralateralen Kortex von Mäusen der Kontrollgruppe mit Fortschreiten der Erkrankung langsam abnahm, blieb die Dichte von Interneuronen im kontralateralen Kortex der cKO-Mäuse unbeeinträchtigt. Deswegen könnte eine Reduktion der OPC-GABABR abhängigen Signalübertragung den Verlauf von epileptischen Erkrankungen durch Verringerung von Myelinschäden und Erhalt der inhibitorischen Neurotransmission mildern.