Gliacellenes rolle ved epilepsi

Kunnskapsgrunnlaget

Denne oversiktsartikkelen er basert på egen forskning og på søk i databasen PubMed med søkeordene «epilepsy AND astrocyte» frem til utgang av 2012 (1 089 treff). Kun engelskspråklige artikler ble inkludert. De mest relevante originalartiklene og oversiktsartiklene ble valgt ut skjønnsmessig på bakgrunn av kjennskap til det internasjonale fagmiljøet og på bakgrunn av kjennskap til de mest relevante tidsskriftene innen emnet.

Forstyrrelser i astrocyttenes funksjon

Ny forskning har vist at den største undergruppen av gliaceller, astrocytter, i likhet med nevroner har et mangfold av membranproteiner og kanaler i cellemembraner. Det finnes nå en rekke holdepunkter for at astrocytter er i stand til å «overvåke» aktiviteten i synapsene, omkode og integrere synaptisk informasjon og frigjøre signalmolekyler som påvirker nevronenes aktivitet. I de følgende avsnitt beskrives de viktigste egenskapene til astrocyttene samt hvordan forstyrrelser i disse kan bidra til eller forårsake epilepsi.

Vann- og kaliumlikevekt

Det finnes to viktige kanalproteiner i astrocyttmembranen som er ansvarlig for å opprettholde vann- og kaliumbalansen i hjernen: kaliumkanalen Kir4.1 og vannkanalen akaporin-4 (AQP4) (fig 1a).

Figur 1  Astrocyttfunksjoner med betydning for epilepsi. a) Kalium- og vannlikevekt. Kalium blir frisatt ved synaptisk impulsoverføring og tatt opp av astrocytter via kaliumkanalen Kir4.1. Dette antas å skje sammen med vann via vannkanalen AQP4. Kalium kan omfordeles videre til naboastrocytter via kommunikasjonskanaler og kan frisettes til det perivaskulære ekstracellulærrommet via kanaler i astrocyttendeføttene. b) Opptak og metabolisering av glutamat. Glutamat frisatt ved synaptisk aktivitet blir tatt opp via glutamattransportører lokalisert i astrocyttmembranen. I astrocyttene blir glutamat omdannet til glutamin ved hjelp av enzymet glutaminsyntetase før gjenopptak i den presynaptiske terminalen. I likhet med kalium og andre ioner kan også glutamat omfordeles via kommunikasjonskanaler. c) Gliotransmisjon og kalsiumsignalering. Frisetting av Ca²⁺ fra intracellulære lagringssteder induseres ved aktivering av glutamatreseptorer (GluR) som befinner seg i astrocyttmembranen. Økning av den intracellulære Ca²⁺-konsentrasjonen antas å kunne utløse transmitterutskilling (glutamat (Glu)) fra astrocyttene (gliotransmisjon). d) Immunrespons. Astrocytter er involvert i en rekke immunologiske prosesser ved epilepsi. Fremstilt er frisetting av cytokinene IL-1β og TNF-α fra astrocyttene som inflammatorisk respons på epileptiske utladninger i nevroner. IL-1β og TNF-α fører til frisetting av glutamat og til migrasjon av mikroglia, som igjen bidrar til inflammasjon. Astrocytter er i besittelse av toll-liknende reseptorer som kan aktiveres av mikrober. Dette vil kunne føre til utskilling av glutamat

Kaliumkanalen Kir4.1

Kalium blir frisatt fra nevroner til enhver tid i hjernen, blant annet i forbindelse med impulsoverføringen i synapsene. Dette medfører en konsentrasjonsøkning av kalium i ekstracellulærrommet rundt synapsene. Det er viktig at kalium raskt og effektivt blir fjernet fra områder med høy konsentrasjon, da det ville kunne depolarisere nærliggende nevroner og dermed gi opphav til epileptiske anfall. Kaliumopptak blir ivaretatt av blant annet Na-K-pumpen og forskjellig K-transportere. Astrocytter bidrar til kaliumopptak via disse, men den kanskje viktigste kanalen for kaliumopptak er Kir4.1 (kalium inwardly rectifying) (fig 2). En rekke studier har bekreftet at forstyrrelser av funksjonen i Kir4.1 øker tilbøyeligheten for epileptiske anfall. Fenotypen av Kir4.1-knockoutmus som ikke uttrykker Kir4.1, er preget av en alvorlig epilepsi som ofte allerede etter noen få ukers levetid fører til døden (2). Hos pasienter med epilepsiformen mesial temporallappsepilepsi med hippokampal sklerose (MTLE-HS) har man funnet mangel på Kir4.1 og manglende evne til kaliumopptak i hippocampus (3 – 6). I tillegg er det beskrevet genmutasjoner i genet til Kir4.1 i noen familier med et spesielt syndrom, kalt EAST-syndrom, der epilepsi er et av hovedsymptomene (7, 8).

Figur 2  Astrocytt med utløpere mot hjerneparenkym og blodkar. Immunhistokjemisk merking av kaliumkanalen Kir4.1 i human hippocampus. Astrocytt med utløpere (pilhode) og endeføtter som kler overflaten til et blodkar (pil)

Det finnes altså en rekke holdepunkter for at forstyrret funksjon av Kir4.1 kan være med på å utløse epilepsi.

Nettverk av kommunikasjonskanaler

I motsetning til nerveceller er astrocytter koblet sammen i nettverk via kommunikasjonskanaler (gap junctions) (fig 1) (18). Disse er strukturer som skaper direkte forbindelser mellom cytoplasma til celler av samme type, noe som gjør at ulike molekyler og ioner kan passere direkte fra celle til celle. En rekke ioner, aminosyrer og andre substrater, blant annet K⁺, glutamat, adenosintrifosfat (ATP), Ca²⁺ og inositoltrifosfat (IP3) kan passere via disse kanalene fra astrocytt til astrocytt (19). For eksempel kan kalium på denne måten raskt omfordeles fra et miljø med høy til lav konsentrasjon. Også Ca²⁺, som er et viktig substrat for intracellulær signalformidling, kan via kommunikasjonskanaler raskt omfordeles og bidra til «informasjonsflyt» fra astrocytt til astrocytt. Dette prinsippet, som blir betegnet som Ca²⁺-signalering, utdypes i et senere avsnitt. Kobling mellom astrocytter muliggjør en rask omfordeling av overskudd av transmittere og ioner. Ny forskning tyder på at forstyrrelser i koblinger mellom astrocytter kan spille en rolle ved epilepsi (20).

Glutamatmetabolismen

Aminosyren glutamat er den mest utbredte eksitatoriske nevrotransmitteren i nervesystemet. På grunn av den sterke eksitatoriske – og i høye konsentrasjoner cytotoksiske – effekten, er det viktig at glutamat etter frisetting i den synaptiske spalten raskt blir inaktivert. Glutamat i høy konsentrasjon ville kunne føre til økt eksitasjon av nevroner og dermed til epilepsi (21). Det er astrocyttene som er ansvarlig for opptak og omdanning av glutamat som frigjøres ved synaptisk aktivitet (fig 1b). Dette skjer via glutamattransportører som befinner seg i astrocyttmembranen. Etter opptak i astrocyttene blir glutamat omdannet til glutamin ved hjelp av enzymet glutaminsyntetase. Forstyrrelser i astrocyttmediert glutamatmetabolisme er blitt satt i sammenheng med epilepsi. Det ble blant annet funnet mangel på glutaminsyntetase i den epileptogene sklerotiske hippocampus hos pasienter med MTLE-HS (22).

Glutamat tas best opp av astrocytter ved et membranpotensial nær likevektspotensialet til kalium (23, 24). Således kan en forstyrret funksjon av Kir4.1 (anført i avsnitt over) føre til suboptimalt glutamatopptak og øke tilbøyeligheten til epileptiske anfall.

Gliotransmisjon og kalsiumsignalering

Gliotransmisjon er et relativt nytt og fortsatt noe omdiskutert begrep som betegner astrocyttenes evne til å frigjøre kjemiske transmittersubstanser (fig 1c). Det nye med dette er at ikke bare nevroner kan sende signaler til hverandre og til astrocytter, men at også astrocytter kan sende kjemiske signaler til nevroner ved å skille ut transmittersubstanser. En viktig studie i denne sammenhengen ble publisert i 1994 i Nature (25). Forfatterne studerte astrocytter i cellekultur og påviste at disse kunne frigjøre glutamat, en egenskap som inntil da var antatt å være forbeholdt nevronene. Siden har denne studien blitt etterfulgt av en rekke publikasjoner om astrocyttenes samspill med nevroner (26, 27). Man antar at glutamatfrisetting fra astrocytter skjer via økning av den intracellulære konsentrasjonen av kalsium (28, 29). Flere studier, deriblant våre egne upubliserte data, viser at elektrisk stimulering av nevroner fører til kalsiumfrisetting i et nettverk av astrocytter. Funksjonen til disse kalsiumsignalene er dog fortsatt uklar. I dyremodeller på temporallappsepilepsi ble det funnet en økt ekspresjon av glutamatreseptorer i astrocyttmembranen (30, 31). En økt stimulering av astrocyttene via disse reseptorene kan tenkes å føre til økt frisetting av glutamat fra astrocyttene, Det igjen kan føre til eksitasjon av nevroner og gi epilepsi.

Immunrespons og inflammasjon

Det er kjent at epileptiske anfall er assosiert med en rekke immunologiske prosesser og inflammasjon i hjernen (32). Astrocytter bidrar til disse prosessene i stor grad ved å produsere inflammatoriske substanser som kjemokiner og cytokiner, fremfor alt interleukin-1-beta (IL-1β) og tumornekrosefaktor-alfa (TNF-α), og frigjør disse i forbindelse med epileptiske anfall (fig 1d) (32, 33). Dessuten kan inflammasjon føre til endringer i genekspresjon av forskjellige membranproteiner (kanaler, transportører og reseptorer) i astrocytter (33). Endringer i antall eller konformasjon av disse igjen kan forsterke epileptiske anfall via mekanismer anført i avsnittene over.

Det er kjent at infeksjoner i hjernen, spesielt bakterielle hjerneabscesser og virusinfeksjoner, ofte er assosiert med feberkramper i barndommen eller epileptiske anfall. Også her er det antakelig den inflammatoriske prosessen i seg selv fremfor selve agens som øker tilbøyeligheten til epileptiske anfall (33).

Astrocytter uttrykker såkalte toll-liknende reseptorer (toll like receptors, TLR) som gjenkjenner og reagerer på mikrober (34, 35). Aktivering av disse reseptorene kan føre til stimulering av transkripsjonsfaktoren NFκB (nuclear factor «kappa-light-chain-enhancer» of activated B-cells), som igjen kan øke frigjøringen av glutamat fra astrocyttene (36).

Komplekse feberkramper hos barn predisponerer for utvikling av temporallappsepilepsi, og feberkramper er assosiert med økte IL-1β-nivåer i sentralnervesystemet og serum (37). IL-1β øker eksitabiliteten ved å forsterke glutamatreseptorfunksjon og ved å hemme GABA-erg impulsoverføring (32). In vitro-forsøk har vist at IL-1β og TNF-α kan virke på astrocyttreseptorer ved å hemme opptak og øke utskilling av glutamat (38). IL-1β og TNF-α som blir frisatt fra aktiverte mikrogliaceller ved for eksempel status epilepticus, forstyrrer kommunikasjonen mellom astrocyttene via nedregulering av kommunikasjonskanalproteiner (39).

Astrocytter er altså involvert i en rekke inflammatoriske prosesser som kan bidra til eller utløse epileptiske anfall.

Konklusjon

Inntil nylig er epilepsi blitt oppfattet som en tilstand nærmest utelukkende knyttet til nevroner. Først de senere årene har man funnet at epilepsi også er assosiert med funksjonsforstyrrelser i gliaceller, først og fremst i astrocytter. Astrocytter er essensielle for opprettholdelse av hjernens vann- og ionelikevekt. Astrocytter interagerer tett med nevronene og modulerer synaptisk impulsoverføring via signalering tilbake til nevronene. I tillegg er astrocytter involvert i inflammatoriske prosesser og bidrar til immunrespons. Dessuten har astrocytter viktige homøostatiske funksjoner som for eksempel opptak og omdanning av den eksitatoriske nevrotransmitteren glutamat. En rekke studier, inkludert dyremodeller og studier på humant hjernevev, har vist patologisk endret astrocyttfunksjon ved epilepsi. Dermed er det meget sannsynlig at sykdomsprosesser i astrocytter bidrar til eller sågar er direkte årsak til epilepsi. Vår kunnskap om astrocyttenes funksjon og om samspillet mellom astrocytter og nevroner i hjernen er fortsatt begrenset. Forskning innen dette feltet kan imidlertid raskt få stor klinisk betydning, idet den vil kunne åpne for helt nye behandlingsstrategier for epilepsi.