Neurochemie: Základy excitotoxicity, epilepsie a generalizované křeče, farmakologie antiepileptik

1. Neurochemie: Základy excitotoxicity, epilepsie a generalizované křeče, farmakologie antiepileptik 8. přednáška

2. Cena za specializaci = mozek představuje jen 2% tělesné hmotnosti  využívá asi 20% tělem spotřebovaného kyslíku a cca 15% celkového srdečního výdeje • nedostatečné prokrvení mozku  vyčerpání kyslíku a glukosy  hromadění potenciálně toxických metabolitů (laktát, CO2) • průměrný čas, za který mozek vyčerpá aktuálně dodaný kyslík: přerušení dodávek krve do mozku může vést ke ztrátě vědomí během 10 sekund • ztráta schopnosti udržovat svůj klidový membránový potenciál  generování salv akčních potenciálů  výlev neuropřenašečů depolarizujících sousední neurony • tedy: začátek destruktivního cyklu vedoucího k prodlouženým periodám neuronální aktivity • díky nim porušení iontového gradientu na membráně, masivní vtok Ca2+, otok buňky, aktivace buněčných proteas a lipas a eventuálně rozsáhlá smrt neuronů • i jen několikaminutová ischemie může vést k nenávratnému poškození mozku • ischemie = místní nedokrevnost tkání a orgánů, která vede k jejich poškození až odumření (nekróze, infarktu) • hypoxie = snížený obsah kyslíku ve tkáních • anoxie =nepřítomnost kyslíku v organismu, orgánech, tkáních či buňkách

3. MRTVICE Mrtvice (iktus) je akutní neurologický stav, při kterém je přerušena dodávka krve k určité části mozku. • ischemická/okluzivní (ICMP) = trombotická nebo embolická mrtvice: cévu ucpe trombus • hemoragická mrtvice (HCMP): céva praskne

4. MRTVICE • v ČR ročně postihne asi 35-40 tisíc lidí třetina do roka zemře třetina s trvalými následky (pohybová omezení, poruchy řeči a kognitivních funkcí aj.) třetina téměř bez poškození • v případě hemoragické mrtvice (asi 15% mrtvic) umírá asi polovina pacientů 85% případů jsou převážně muži nad 45 let věku 32 lidí denně na iktus v ČR zemře výskyt 3 vyšší než jinde v Evropě léčba ročně cca na 20 miliard korun 29. října – Světový den mrtvice Klinický obraz: • slabost až ochrnutí nebo porucha citlivosti poloviny těla • náhlá porucha ostrosti vidění, dvojité vidění • jednostranná slepota • náhlá porucha řeči, sluchu • náhle vzniklá nevysvětlitelná závrať • další neurologické poruchy podle lokalizace postižení • u HCMP náhlá silná bolest hlavy s příznaky podráždění mozkových plen (bolest se zvyšuje při pokusu zdvihnout hlavu nad podložku)

5. !!! „TIME IS BRAIN“ !!! Jen dva ze tří dospělých Američanů dokáží identifikovat aspoň jeden příznak mrtvice… …je třeba něco udělat, a to F.A.S.T… Kredit: Stony Brook University Kredit: Cameron Rink, PhD, The Ohio State University Wexner Medical Center

6. MRTVICE • každou minutu bez kyslíku zemře až 1 900 000 milionu neuronů každou minutu bez kyslíku zaniká 14 miliard synapsíkaždou minutu bez kyslíku zaniká 12 kilometrů myelinizovaných vláken, tj. asi 720 km za hodinu neboli trasa Praha - Amsterodam ZÁKLADNÍ MECHANISMY EXCITOTOXICITY • zeslabení nebo zastavení průtoku krve mozkem  pokles přísunu živin a kyslíku  zvyšování koncentrací potenciálně toxických metabolitů v mozkové tkáni  podstatné biochemické změny v dané oblasti mozku  změny v extracelulárním prostředí neuronů vedou k poruše buněčných funkcí • mnohé z těchto změn velmi ničivé až fatální, některé mají na přežití neuronů jen malý vliv a některé jsou i neuroprotektivní: • vyčerpání energetických zásob • selhání iontových pump • depolarizace membrány a vznik APs • vzrůst intracelulární koncentrace Ca2+ • aktivace Ca2+-dependentních enzymů • acidóza • vznik volných radikálů • apoptóza

7. Vyčerpání energetických zásob • za normálních podmínek produkce ATP v procesu oxidativní fosforylace a glykolýzy kompletní zastavení přívodu krve do mozku  vyčerpání kyslíku během cca 10 vteřin.  pak jediným zdrojem ATP pro neurony anaerobní glykolýza ta „dodá“ méně než 10% ATP pro neurony potřebného navíc vede k produkci kyseliny mléčné neurony musí začít metabolizovat i své zásoby glukosy a glykogenu, které během ischemie vyčerpají za 2-3 minuty nakonec využívají i své zásoby fosfokreatinu ischemie vede k celkové depleci ATP v řádu minut nedostatek ATP tedy velmi rychle spouští kaskádu dalších dějů • Selhání iontových pump •  jeden z nejvážnějších důsledků ztráty dostupného ATP  vede k disipaci membránového potenciálu hlavní pumpa: Na+-K+-ATPasa, které přenáší ionty na úkor ATP velké neurony dokáží udržet negativní membránový potenciál i nějakou dobu po zablokování Na+-K+-ATPasy malé a vysoce větvené savčí neurony k inhibici Na+-K+-ATPasy velmi citlivé (poměr jejich povrchové plochy je vůči jejich objemu značný - větvení!) velmi rychlá depolarizace mnohých neuronů savčího CNS po vyčerpání zásob ATP nejen přímá depolariazce: mnohé iontové pumpy (Na+-Ca2+ přenašeče aj.) závislé na transmembránovém gradientu Na+; s jeho poklesem klesá i jejich účinnost

8. Depolarizace membrány a vznik akčních potenciálů • selhání Na+-K+-ATPasy  depolarizace membrány  případně vznik APs se vzrůstem frekvence APs dále roste i míra depolarizace membrány více a více se snižují rozdíly v koncentracích iontů na obou stranách membrány roste výlev neuropřenašečů ze zakončení neuronů neuropřenašeče excitační (glutamát)  depolarizace a vznik APs i neuronech sousedních  větší rozsah poškození selhání neuropřenašečových transportních systémů (Glu): reuptake závislý na ATP ATP není dostupné  pokles aktivity glutamátových transportérů  nefyziologicky vysoké koncentrace glutamátu v synaptické štěrbině  aktivace glutamátové receptory po neúměrně dlouhou dobu Vzrůst intracelulární koncentrace Ca2+  za normálních klidových podmínek cytoplasmatická koncentrace vápníku v neuronu zhruba 100 nM, koncentrace extracelulární asi 1 mM rozdíl čtyřech řádů udržován hlavně díky ATP-dependentním vápníkovým pumpám vyčerpání zásob ATP  a snížení nebo zástava činnosti vápníkových pump a transportérů  vstup Ca2+ po koncentračním gradientu do buňky  depolarizace membrány  další otevírání napěťově ovládaných vápníkových kanálů  další vtok Ca2+ glutamát uvolňovaný okolními depolarizovanými neurony také může navodit vtok vápníku NMDA receptory

9. A diagrammatic representation of Ca2+ homeostasis in a stylized neuron. 1, Ca2+ and Na+ influx along with K+ efflux in receptor-gated ionic channels, such as glutamate receptors. 2, Ca2+ efflux via an ATP-requiring ionic pump. 3, Ca2+ influx via voltage-gated Ca2+ channels. 4, Ca2+ efflux in exchange for Na+ influx via the Na+/Ca2+ exchanger. 5, additional ionic channels contributing to membrane repolarization and ionic homeostasis. 6, intracellular Ca2+ buffering by Ca2+-binding proteins.7, Ca2+ sequestration by mitochondria.8, Ca2+ fluxes through the nuclear membrane with potential effects on nucleic acid transcription. 9, Ca2+ sequestration (and release) by endoplasmic reticulum.ADP, adenosine diphosphate. Another diagrammatic representation of Ca2+ homeostasis in a stylized neuron

11. Aktivace Ca2+-dependentních enzymů  značný vzrůst cytoplasmatického Ca2+ s ischemií spojená buněčná smrt  vápník je významný druhý posel i malá změna v intracelulární koncentraci Ca2+ naznačuje = stalo se něco podstatného  např. depolarizace a aktivace napěťově ovládaných vápníkových kanálů nebo aktivace systémů druhých poslů, které vedly k uvolnění Ca2+ z intracelulárních rezervoárů neuronálním poškození spojené se vzrůstem cytoplasmatické koncentrace vápníku  vápníkem aktivované proteasy, zejména kalpain kalpain štěpí cytoskeletární proteiny spectrin a s mikrotubuly asociovaný protein 2 (microtubule-associated protein 2, MAP2)  vážné poškození cytoskeletární architektury neuronu fosfolipasy (PLA2) také aktivovány vápníkem, PLA2 atakuje membránové fosfolipidy pří masivním štěpení fosfolipidů membrány  porušení integrita membrány změnou v počtu i zastoupení jednotlivých fosfolipidů vznikající volné mastné kyseliny (k. arachidonová) dále metabolizovány cykloxygenasami a lipoxygenasami za vzniku četných biologicky aktivních produktů (prostaglandiny aj.) během těchto reakcí také vznikají vysoce reaktivní kyslíkové radikály (·O2ˉ)  synthasa oxidu dusnatého (NOS): produkuce oxid dusnatý (NO) při přeměně argininu na citrulin za účasti Ca2+ NO = messengerová molekula aktivující gualnynylcyklasua vedoucí k produkci cGMP NO = nitrosyluje proteiny, zejména ty, které obsahují Fe-S komplexy (mitochondriální NADH-ubiquitonoxidoreduktasa, NADH-sukcinátoxidoreduktasa) NO se také podílí na vzniku dalších volných radikálových molekul myši deficientní pro eNOS daleko větší rozsah poškození, myši knock-outované pro iNOS menší velikost poškozených ploch (eNOS = reperfuse; absence iNOS snížení zánětlivé odpověď v poškozené oblasti)

12. Acidóza • přerušení krevních dodávek do mozku  vzrůst parciálního tlaku CO2 v mozkové tkáni ( odstraňování), vzrůst koncentrace laktátu (díky anaerobní glykolýze)  acidóza může být velice těžká: hodnoty pH v ischemické oblasti často až k 6.0 acidóza ovlivňuje buněčné funkce mnoha způsoby: vznikají volné radikály, jsou inhibovány Na+-Ca2+ výměníky, rozpadá se NAD nezbytný pro oxidativní fosforylaci nebo je inhibováno zpětné vychytávání neuropřenašečů neuroprotektivní efekty acidózy – neurony vystavené velkým dávkám glutamátu jsou při fyziologickém pH výrazně poškozeny, při pH 6.6 se v experimentech poškození vyhnuly zřejmě o inhibici pH sensitivních NMDA receptorů: při nízkém pH výrazně klesá tok Ca2+ těmito receptory, menší excitotoxická stimulace ischemického neuronu • Vznik volných radikálů •  volné radikály = molekuly s volným elektronem nespárovaný elektron  nestabilní a vysoce reaktivní molekula lipoperoxidují mastné kyseliny membrán  změny v jejich fluiditě a integritě oxidují sulfhydrylové (-SH) skupiny proteinů  ztráta funkčnosti způsobují střihy či zlomy v DNA, tedy přímé poškození genetického materiálu •  osmotický otok nebo nadměrná stimulace fosfolipas  k uvolnění obsahu mitochondrií do cytoplasmy  s ním i uvolnění volných radikálů aktivace PLA2 arachodinová kyselina dále metabolizována i za vzniku ·O2ˉ NO reaguje s kyslíkem nebo O2ˉza vzniku peroxynitrátu (ONOO) peroxynitrát je rozkládán za vzniku vysoce toxického hydroxylového radikálu (·OH)

13. Apoptóza • smrt neuronů po ischemii nejen nekrózou nekrotická smrt: buňky otékají a praskají  nekontrolované uvolnění obsahu do okolí  nejen toxické poškození okolních buněky, ale i zánětlivé procesy v dané oblasti apoptóza: smršťování buňky, densnější cytoplasma, organely se shlukují k sobě, kondenzace a hrudkování chromatinu jádra, fragmentace DNA, vytváření povrchových puchýřků (tzv. „blebs“) a následný rozpad buňky na tzv. apoptotická tělíska apoptotická tělíska odstraňována hlavně gliemi apoptóza = tedy sled kroků, které buňka aktivně podniká, aby zabránila nekróze • neurony podléhají apoptóze jen při mírném ischemickém poškození, jinak nekróza apoptóza = typická změněná exprese a aktivita některých důležitých proteinů změny hladin regulačních pro- a antiapoptotických členů tzv. Bcl-2 rodiny vzrůstá koncentrace propoptotického proteinu p53 ( jaderný supresorový protein) aktivace specifických cysteinových proteas nazývaných kaspasy kaspasy během postupující apoptózy aktivovány za svých inaktivních forem, prokaspas spouštějí další biochemické kaskády „point of no return“ = uvolnění cytochromu c z mitochondrií do cytoplasmy to ve finále vede k aktivaci hlavního výkonného enzymu apoptózy – kaspasy-3 kaspasa-3 aktivuje další kaspasy, dochází k dokončení celého apoptotického scénáře • Experimentální zablokování procesu apoptózy vede ke vzniku menších postischemických infarktových ložisek. Ideální v prevenci rozvoje těchto ložisek by bylo využití inhibitorů kaspas. Zatím dostupné inhibitory jsou bohužel zejména malé peptidy, které neprocházejí hematoencefalickou bariérou.

14. LÉČBA MRTVICE • možnosti postiktální léčby stále poněkud omezené nejužívanější akutní přístupy v podstatě zaměřeny na • udržení funkce kardiovaskulárního systému• znovuobnovení krevního zásobení různými farmaky (aspirin, trombolytika)• znovuobnovení krevního zásobení mechanicky• zpomalení metabolismu hypotermií  preventivní přístup: incidence iktů byla výrazně snížena preventivními kontrolami hypertenze a hypercholesterolemie v prevenci okluzivních příhod dlouhodobé užívání nízkých dávek látek, které inhibují krevní destičky (aspirin, ibuprofen) u postmenopauzálních žen byl také prokázán příznivý účinek podávání estrogenu. •  „time is brain“: všechny současné terapie mrtvice bojují proti času projevy známek mrtvice - účinná terapie: mohou uplynout až hodiny vážná neuronální / neurologické poškození přitom vznikají v řádu minut • Vlastní léčebné přístupy: • • obnova krevního zásobení • minimalizace vtoku Ca2+ do buněk • snižování poškození způsobeného volnými radikály • podpora „uzdravení“ neuronů

15. Farmakav léčbě iktu

16.  léčba periiktální oblasti tato tkáň obsahuje poškozené, ale nikoliv nezachránitelné neurony a glie, které se nacházejí mezi ischemií těžce postiženou (infarktovou) tkání a tkání, která byla adekvátně prokrvována buňky periiktální oblasti velmi zranitelné, neboť i jim hrozí smrt díky vysokým koncentracím excitotoxických neuropřenašečů, volných radikálů, vlnám depolarizace nebo zánětlivým procesům • Obnova krevního zásobení • po okluzivní mrtvici může být průtok krve poškozenou oblastí obnoven buď mechanicky, nebo pomocí antikoagulačních a trombolytických farmak látky rozpouštějící krevní zátku a obnovující tok krve musí být ale užívány velmi obezřetně z důvodu hrozících hemoragií, před jejich nasazením je potřeba předem vyloučit mrtvici hemoragickou (MRI, CT) mechanické odstranění okluze: stenty po delší době uzavření cévy „roztahující“ cévu (wing stents) „tlačící“ krevní zátku pryč LÉČBA MRTVICE

17. Mechanická rekanalizace (<8 h od vzniku CMP) Otevření větve střední mozkové tepny pomocí systému PNEUMBRA (muž, 23 let)

18. Mechanická rekanalizace Otevření větve střední mozkové tepny pomocí systému SOLITAIR

19. Wing stent LÉČBA MRTVICE

20. LÉČBA MRTVICE Obnova krevního zásobení: trombolytika  klíčovým enzyme degradující fibrin = plasmin konverzi proenzymu plasminogenu na plasmin napomáhají urokinasa, streptokinasa, prourokinasa a tkáňový aktivátor plasminogenu (tPA)  tkáňový aktivátor plasminogenu štěpí jednořetězcový plasminogen na dva plasminy u lidí lokalizován na chromosomu 8, nicméně terapeuticky často tPA rekombinantní pak označován jako alteplasa, reteplasa (produkován E. coli) nebo teneplasa (produkován linií ovariálních buněk čínských křečků) při podání do tří hodin od nástupu projevu mrtvice, výrazně u pacientů zlepšuje poruchy hybnosti streptokinasa = protein produkovaný streptokoky, schopný vázat se na plasminogen štěpí hydrolyticky plasminogen na mezi Arg561a Val562  podávána intravenózně, nikoliv však déle než 4 dny, neboť by jako bakteriální produkt mohla vyvolávat alergické reakce prourokinasa = jednořetězcový proenzym štěpený plazminem za vzniku urokinasy k její aktivaci dochází poměrně pomalu v přítomnosti trombu terapeutické využití není rozsáhlé

21. PŘED PO Intraarteriální trombolýza Angiografický obraz uzávěru střední mozkové tepny před a po intraarteriálně podaném tPA

22. Intravenózní trombolýza (<6 h od vzniku CMP) TCD (transkranilální dopplerovská sonografie) obraz uzávěru levé střední mozkové tepny 54letého muže (náhlé vzniklé pravostranné ochrnutí končetin a porucha řeči). 15 minut od i.v. podání tPA detekováno otevření tepny s těsnou stenózou, během 40 minut došlo k úplné úpravě toku tepnou.

23. Obnova krevního zásobení: antikoagulancia  obecně k prevenci přechodných ischemických atak, krátkých ischemií mozku bez přetrvávajícího neurologického deficitu symptomy těchto atak jsou podobné iktu, ale během minut až hodin vymizí  heparin = vysoce sulfatovaný mukopolysacharid molekula nesoucí nejvíce záporného povrchového náboje z biologicky aktivních molekul  nativní heparin = polymer o velikosti 3-30 kDa většina komerčně dostupných preparátů jsou hepariny o velikosti 12-15 kDa běžně v mastocytech a extracelulární matrix většiny tkání není vhodný pro perorální podávání a příliš ani pro intramuskulární (riziko hematomů); nejběžnějšíforma aplikace je i.v. nebo do podkoží nízkomolekulární deriváty = v prevenci hluboké žilní trombózy nebo plicní embolie  vznik krevní zátky inhibuje tím, že zvyšuje aktivitu antitrombinu III antithrombin III =protein, který formuje během vzniku krevní sraženiny ekvimolární komplexy s různými proteasami – faktorem Xa, trombinem aj.  heparin se na antithrombin III přímo váže a navodí takové konformační změny, které vedou ke zvýšené vazbě antitrombinu III na cílové molekuly vzhledem k negativním zbytkům heparinu je vznik ternárního komplexu heparin- antithrombin III-proteasa závislý na počtu sacharidových podjednotek v molekule heparinu pro reakci s trombinem jich je potřeba nejméně 18 na reakci s faktorem Xa jich stačí pět déledobé podávání heparinu  např. heparinem navozená trombocytopenie, kdy klesá díky degradaci imunitním systémem počet krevních destiček LÉČBA MRTVICE

24. Heparin První heparin pro intravenózní použití byl připraven roku 1936 Švédy. Před rokem 1933 byl sice dostupný, ale extrémně drahý a toxický. Na lidech začaly první klinické pokusy roku 1935. A = 1HPN (all IdoA(2S) residues in 2S0 conformation) Jmol viewerB = van der Waals radius space filling model of AC = 1HPN (all IdoA(2S) residues in 1C4 conformation) Jmol viewerD = van der Waals radius space filling model of C

25. LÉČBA MRTVICE Obnova krevního zásobení: antikoagulancia aspirin irreverzibilně inhibuje cyklooxygenasu ta v krevních destičkách katalyzuje konverzi kyseliny arachidonové na prostaglandin H PGH následně tromboxan-A synthesou přeměněn na tromboxan A2 tromboxan A2 = velmi důležitý intermediát koagulační kaskády stimuluje aktivaci dalších krevních destiček a zvyšuje agregaci stávajících děje se tak odkrýváním glykoproteinového komplexu GP IIb/IIIa na membráně destiček působí tedy hlavně auto- a parakrinně (poločas degradace na inaktivní tromboxan B2 asi 30 sekund) při podávání pacientům léčených na iktálním lůžku „ušetří“ ve srovnání s placebem cca 13 životů na 1000 pacientů. warfarin = používán u pacientů, kteří neodpovídají na aspirin a jemu příbuzné sloučeniny derivát kumarinu (kumarin samotný je chemicky benzopyron) objev se datuje k 20. létům minulého století severních částech Ameriky a Kanadě zjistili, že domácí zvířata po drobných veterinárních zákrocích vykrvácela k smrti, pokud se předtím napásla posečené komonice (Melilotus sp.) z komonice nakonec vyizolován dikumarol za krvácení zodpovědný warfarin = antagonista vitamínu K vitamín K = kofaktor enzymů aktivujících některé faktory koagulační kaskády (např. faktor II, VII, IX a X nebo proteinu C, S a Z) zabraňuje redukci oxidovaného vitamínu K do jeho aktivní formy warfarin = jedna z nejsilnějších orálně podávaných antikoagulačních látek často koadministrován s heparinem

26. Mechanismus působení antikoagulantů a trombolytik

28. LÉČBA MRTVICE Minimalizace vtoku Ca2+ do buněk  vtok vápníku do glií a neuronů = kritická událost v rozvoji biochemických procesů vedoucích k destrukci mozkové tkáně minimalizace jeho vtoku do buněk v post-iktální terapii teoreticky velmi slibná v klinických pokusech nicméně tato cesta příliš efektivní není antagonisté NMDA receptorů: výrazný protektivní účinek na tkáňových kulturách, který se ovšem neprojevil u lidských pacientů navíc navozovali stavy podobné psychóze a disociaci blokátory napěťově ovládaných vápníkových kanálů (nimodipin, flunarizin): u pacientů s mrtvicí není nějaké výrazné zlepšení (Nimodipin 60 mg a 4 h p.o. po subarachnoideální HCMP po ruptuře aneurysmatu) neuspěly ani blokátory napěťově ovládaných sodíkových kanálů (phenytion), jinak velmi účinné v terapií křečí Snižování poškození způsobeného volnými radikály  k vychytávání volných radikálů = molekuly tzv. scavengerů scavengery = látky oxidované kyslíkovými radikály, které vyvazují a eliminují jejich destrukční působení na buňku non-glukokortikoidní steroid tirilazad inhibuje lipoperoxidaci při podání do 10 minut od kompletní fokální ischemie výrazně redukuje infarktovou oblast jeho efekt ovšem neprokázánu lidských pacientů při podání 4 h od nástupu mrtvice další scavenger ebselen vykázal v klinických testech mírné zmenšení oblasti zasažené infarktem při okluzi střední mozkové tepny ještě 6-12 hodin od nástupu iktu. profylakticky = jiné antioxidanty jako vitamín E

29. LÉČBA MRTVICE • Podpora „uzdravení“ neuronů •  dalším z přístupů = napomoci poškozeným nervovým buňkám v „opravách“, nebo podpořit zdravé neurony v růst ev. dělení, aby mohly kompenzovat ztráty buněk způsobené mrtvicí teoreticky dvě cesty:• nutritivní – zajišťující, aby neurony měly dostatek molekul nutných pro svou opravu a růst• signální – zahrnuje zejména neurotrofické faktory instruující neurony k růstu  v rámci první strategie např. podávání fosfolipidového prekursoru citicholinu, jehož mírný prospěšný efekt byl klinicky prokázán v rámci neurotrofických faktorů testován např. růstový faktor fibroblastů (FGF) na zvířecích modelech redukoval velikost infarktem postižené oblasti, pokud byl podán bezprostředně po fokální ischemii dlouhodobé vylepšení postižených motorických a/nebo kognitivních funkcí = zejména rehabilitací, tedy kompenzačním remodelováním poškozených neuronálních okruhů

30. Tokotrienoly: méně známé vitamíny E  oproti tokoferolům tři další dvojné vazby v postranním řetězci • 50 mg tokotrienolů denně po dobu 10 týdnů okluze a. cerebri media (myši) měřen průměr a počet kolaterál, prefuse (S1 kortex) měřena exprese genu a proteinu pro tkáňový inhibitor metalloproteinasy-1 (TIMP1, klíčový enzym v remodelaci extarcelulární matrix) • oproti placebu • kontrolní body: c-Src, 12-lipoxygenasa ???  profylaxe vysoce rizikových pacientů (TIA) ??? • perfuse zvýšena o 38,7% • průměr kolaterál o 21,2% • počet kolaterál 5,7násobně • TIMP1 exprese zvýšena 9,6násobně Prof. Chandan K. Sen Kredit: Stroke. 2005 36(10):2258-2264 Kredit: Stroke. 2014; 45: ATMP109

31. Kmenové neuroektodermální buňky (NCS) v subventrikulární zóně (SVZ) leží poblíž vrstvy buněk ependymu. Tyto buňky produkují VEGF (vascular endothelial growth factor) v místě odstupu početných kapilár. Pokles hladiny kyslíku během ataky mrtvice (cvičení ap.) zvýší produkci VEGF VEGF obratem stimuluje buňky neuroektodermu a kapiláry k růstu, stimuluje diferenciaci neuronů, růst axonů a přežití neuronální buňky. Buňku endotelu v rámci neurogenese přispívají k produkci BDNF (brain-derived neurotrophic factor). BV, cévy Kredit: Nature Reviews Genetics 4, 710-720 (September 2003)

32. KŘEČE A EPILEPSIE • křeče = záchvatovité poruchy mozkových funkcí obvykle vznikají důsledkem silné a obecně synchronizované aktivity skupin neuronů tato aktivita se může objevit v různých oblastech mozku její somatické projevy se mění podle toho, která část mozku je zasažena „křeč“ = obecně projevy od cca třívteřinových výpadků vědomí pozorovatelných okolím až po těžké tonicko-klonické křeče typu epileptického grand malu během života údajně postihne záchvat křečí alespoň jednou jednoho člověka z 20 většinou důsledkem např. poranění hlavy, vysokou horečkou nebo abstinenčním příznakem po vysazení drog či alkoholu asi jeden člověk z 200 může být označen za epileptika nebo osobu se zvýšenou náchylností ke křečímepilepsie = skupina poruch mozku projevujících se opakovanými záchvaty paroxysmů různého charakteru snižovat práh pro výskyt křečí mohou také chronické choroby, lokální mozkové poškození a pod. • Tak jako je mnoho typů křečí, tak je i mnoho typů epilepsií. Epileptičí pacienti mohou být např. děti, které trpí pětivteřinovými výpadky pozornosti a koncentrace ve školní hodině, stejně jako mentálně retardovaní kvadruplegici, kteří musí nosit ochranné helmy, protože nekontrolovatelně padají. Stejně tak efektivita léčby velice kolísá.

33. Vznik křečí  normálním bdělý stav bez alterace vědomí: na EEG záznamu objevuje několik málo typů vln a žádné výrazné posuvy v polaritě záznamu  !!! mozek není „potichu“ !!! záznam spíš indikuje asynchronní aktivitu jednotlivých neuronálních populací  abychom udrželi vyrovnaný tělesný postoj, rovnováhu a mohli ovládat jemnou motoriku, musí být např. některé neurony motorického kortexu aktivní a jiné hyperpolarizované • při nástupu záchvatu křečí změna EEG záznamu mnohdy dramatické posuvy polarity směrem nahoru i dolů naznačují, že velké skupiny neuronů začaly generovat akční potenciály a repolarizovat se synchronně typ tohoto synchronního chování neuronů  různé abnormity motorické, senzorické nebo poruchy vědomí velmi typický EEG projev křečí spojených se ztrátou vědomí: 3Hz hrot-vlna aktivita může se objevovat v rozsahu celého kortexu

34. Vznik křečí  vícefaktorové podmínění vzniku křečové aktivity, tedy synchronního generování akčních potenciálů omezenou skupinou neuronů pomocí MRI či jiných zobrazovacích technik detekovatelná ložiska křečí ložiska nezřídka spojena se skupinami degenrujících neuronů nebo s mozkovým nádorem nástup křečové aktivity může být podmíněn i celkovým snížením obsahu inhibičních neuropřenašečů v mozkové tkáni u vnímavých jedinců může způsobit křeče i hyperventilace (zvýšení pCO2) nebo světelné záblesky tendence neuronů generovat synchronně akční potenciály souvisí i s mírou jejich vzájemného propojení neurony v jednom regionu mozku bohatě recipročně propojeny spolu i s neurony v jiných oblastech mozkového parenchymu např. glutamátergní neurony thalamu projikují do glutamtátergních kortikálních neuronů, které dále inervují jiné talamické neurony pokud pak vzniknou vlny synchronní aktivity, mohou se v podstatě samoudržovacím mechanismem přesouvat z jednoho mozkového regionu do druhého

35. Klasifikace křečí • velmi obecněděleny na parciální, dříve fokální (částečné) a generalizované• parciální křeče = klinicky i podle EEG záznamu iniciální aktivita neuronů v poměrně malé, ohraničené oblasti mozku• vzniku křečí generalizovaných se účastní obě hemisféry a dochází při nich k rozsáhlé aktivaci různých skupin neuronů desítky typů křečí s typickými klinickými projevy a zapojením charakteristických mozkových oblastí i křeče multifokální nebo způsobené synchronní aktivitou jen jedné hemisféry a pod. Křeče se co do projevu dělí na• tonické (extense a ztuhnutí končetin/y ev. celého těla)• klonické (záškuby, třas apod.) • nebo tonicko-klonické • Mezinárodní klasifikace křečí pochází z roku 1981 (s revizí z roku 1997, ale ta není obecně akceptovaná).

36. Klasifikace křečí: křeče parciální Mezi parciální/fokální křeče paří např. i •křeče afázické/fonatorní = náhlá neschopností mluvit, psát nebo číst; jejich ložiska leží často v temporálním, přední části frontálního nebo zadní části parietálního laloku • v somatosensorickém oblasti = ložiska způsobující somatosensorické křeče, projevující se jako vjemy horka, chladu, píchání špendlíky a pod. • ve frontálním laloku nebo precentrálním gyru = ložiska adversivních křečí, které se manifestují náhlými pohyby očí nebo a hlavy na opačnou stranu od hemisférové lokalizace ložiska •fokální motorické křeče vycházejí z ložisek poblíž motorického kortexu a vedou k stahům kontralaterálních svalů; vnější = mírný třas až těžké záškuby •komplexní parciální křeče = těžká forma fokálních křečí , jsou spojeny se ztrátou vědomí a širokou symptomatologií. Pacienti mívají poruchy motoriky, ale i vyšších funkcí – halucinace zraková i sluchové, pocity deja vu, poruchy paměti, vykazují automatizované žvýkací pohyby a pod.

37. Klasifikace křečí: křeče generalizované • původ generalizovaných křečí ne zcela objasněn nejsou spojeny z žádným ohraničeným ložiskem díky tomu na EEG odlišitelné od křečí parciálních, které se také mohou celotělově šířit mnoho generalizovaných křečí spojeno s vývojovými poruchamitonické generalizované křeče jsou nejčastější u dětí s např. Lennoxův-Gastautův syndromem/ obvykle se manifestuje mezi 1-10 rokem života (nejčastěji mezi 3-5) bývá spojován s malformitami mozku, hypoxicko-ischemickým poškozením mozku, encefalitidami a meningitidami/ typické projevy:• např. poruchy kognitivních funkcí• různé typy křečí, včetně kompletně atonických atak• EEG: 2.5-3Hz útvarů hrot-vlna tato 3 Hz aktvita hrot-vlna má zřejmě původ ve vápníkových proudech tekoucích kanály T-typu v retikulárních neuronech thalamu v EEG záznamu typický pro tzv. petit mal (absence) křeče realizované formou absencí = krátké ztráty vědomí s tonickými i klonickými projevy (u některých pacientů)

39. 3 Hz aktvita hrot-vlna

40. Klasifikace křečí: křeče generalizované  absence popsány byly už roku 1705 francouzským lékařem Poupardem 3 Hz EEG vzorec hrot-vlna je pravděpodobně spojen s oscilací mezi excitací (hrot) a inhibicí (vlna) vzájemně propojených neuronů thalamokortikální sítě thalamické neurony fungují v zásadě ve dvou aktivitních stavech: v oscilačním a tonickém bdělá pozornost: vzorec jejich aktivity desynchronizovaný a reprezentuje přenos informace ze senzorických neuronů do kortexu synchronizovaná signalizace (v oscilačním aktivitním módu): zvedá se práh pro vznik akčních potenciálů v neuronech thalamu a přenos signálů do kortexu je redukován  vznikají poruchy vědomí • Mezí další formy generalizovaných křečí patří • křeče atonické = náhlá ztrátou svalového tonu trvající několik sekund a nespojená se ztrátou vědomí křeče myoklonické = někdy předchází atonickým; jsou to rychlé mimovolní svalové kontrakce, zpravidla realizované jedním či málo záškuby (oproti repetitivním svalovým křečím nebo křečím klonickým)grand mal = známá forma generalizovaných křečí; tonicko-klonické křeče spojen s hlubokým komatem a následnou tonickou (ruce v semiflexi, nohy v extenzi) a klonickou (křeče celého těla s přechodnými relaxacemi) fází EEG záznam: v tonické fázi patrná rychlá hrotová aktivita se salvami akčních potenciálů prokládaných pomalými vlnami klonických fází

42. Neurony retikulárního jádra thalamu Čím je dáno, že thalamokortikální neurony fungují v tonickém nebo oscilačním aktivitním modu?  nejspíše aktivitou tzv. neuronů retikulárního jádra thalamu (nc. reticularis thalami, NRT) NRT = GABAergní neurony NRT hustě propojeny jeden s druhým, projikují také k téměř všem thalamickým neuronům boční vstupy (excitační glutamátergní) z kolaterál thalamokortikálních i kortikothalamických axonů období bdělosti = aktivita NRT neuronů tonická, v podobě signalizace jednotlivými akčními potenciály během synchronizované EEG aktivity = salvy akčních potenciálů (oscilační vzorec aktivity) za salvy APs nejspíše odpovědné napěťově ovládané vápníkové kanály T-typu  tyto kanály vedou dovnitř tekoucí vápníkový proud a navozují akční potenciál jen tehdy, pokud byly předtím hyperpolarizovány až po hyperpolarizaci reagují na depolarizaci ke své prahové hodnotě, která je asi –50 mV nezbytná hyperpolarizace navozena přes GABAB receptory zprostředkující odpověď na proudy generované sousedními NRT neurony následná malá depolarizace pak vede k aktivaci napěťově ovládaných vápníkových kanálů T-typu, vtoku vápníku do buňky, depolarizaci a akčnímu potenciálu

43. Neurony retikulárního jádra thalamu  aktivovaný NRT neuron uvolňuje GABA na přilehlé NRT, thalamické a kortikální neurony přilehlé NRT neurony jsou přes své GABAB Rs hyperpolarizovány a inaktivovány může následovat další depolarizace napěťově ovládaných vápníkových kanálů T-typu celý cyklus se může opakovat

44. THALAMOKORTIKÁLNÍ SMYČKA In the NRT neuron, the SWD-associated activity starts with a clear hyperpolarization followed by rhythmic low-threshold Ca2+ potentials (LTCPs) with associated high-frequency bursts of action potentials (expanded trace, bottom right). Note also the excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) leading to the generation of a LTCP. The thalamocortical neuron shows rhythmic sequences of one EPSP and four to six inhibitory postsynaptic potentials (IPSPs), with the occasional firing of (usually) one or two action potentials. An EPSP/IPSP sequence is enlarged in the inset

45.  model vysvětluje vznik oscilačního chování thalamických neuronů jaké okolnosti navodí změnu aktivity ze signalizace jednotlivými APs k oscilačnímu modu? petit mal absence často navozeny hyperventilací  snížení krevního pH tedy asi také navodí určité změny NRT neuronů  preference oscilačního chování ataky absenčních křečí se ovšem i bez jakéhokoliv zjevného spouštěče  popsaný mechanismus elegantně vysvětluje účinek některých antiepileptikethosuximid bloukuje napěťově ovládané vápníkové kanály T-typu na NRT neuronech absence negativně reagují na terapii GABA antagonisty (jeden z mála typů křečí) látky posilující GABAergní přenos (vigabatrin aj.) mohou zesilovat náchylnost NRT neuronů k „přepnutí“ se do oscilační vzruchové aktivity ethosuximid

46. Původ epilepsie  příčin je značné množství mnohé knock-outované myši jsou náchylné je spontánním křečím různé formy lidských epilepsií mají genetický základ spojený s mutacemi různých genů epilepsie se často objevuje po mozkovém poranění nebo infekci  neurony velmi silně a často recipročně propojeny teoreticky: každá excitační aktivita se může šířit a posilovat přes celým mozek zdraví jedinci: její propagace je zastavena inhibičními okruhyobecně: každý stav, při kterém je porušena křehká rovnováha mezi excitační a inhibiční signalizací, může vyústit v křeče/epilepsii Genetické vlivy  více než 20 různých myších knock-outů vykazuje spontánní křeče podobně i některé kmeny, pro které je typická nadměrná exprese některých proteinů (GAP, PLP) spontánní křeče vykazují např. myší knock-outované pro • některé iontové kanály (opožděně usměrňující K+ kanál mKv1.1)• pro neuropřenašečové receptory (Glu R2, 5-HT2C)• pro enzymy (Ca2+/kalmodulinkinasa II) nebo • pro transkripční faktory.

47.  iontové kanály a neuropřenašečové receptory ovlivňují excitabilitu membrány neuronu přímo enzymy modifikující receptory a iontové kanály ovlivňují excitabilitu neuronů dalšími způsoby proteiny vážící se na DNA mění zastoupení proteinů exprimovaných neurony a mohou se účastnit epileptogenese i komplexněji – např. mohou ovlivňovat celkově vývojové procesy za vzniku abnormálních neuronálních obvodů

48. myši mutantní pro GluR2 podjednotku = zajímavým příkladem, kdy mutace proteinu receptoru pro neuropřenašeč způsobuje epilepsii postnatálně jsou GluR2 mutantní myši bez křečí od počátku třetího týdne života se u nich začnou projevovat spontánní křeče kolem 20. dne obvykle umírají • exprese GluR2 podjednotky glutamátergního receptoru způsobuje nepropustnost AMPA receptoru pro vápník tato „inhibice“ je navozena postranskripční úpravou GluR2 mRNA mRNA GluR2 exprimovaných v časných vývojových fázích ještě není editovaná a nesnižuje tedy propustnost AMPA Rs pro Ca2+ později editovaná GluR2 mRNA už AMPA propustnost snižuje tento typ křečí ovšem může být spojen i s expresí abnormálních AMPA receptorů se zvýšenou vodivostí pro vápník  zvýšená excitabilita postižených neuronálních okruhů vápníková propustnost takto alterovaných AMPA receptorů může při excitaci navíc dále růst sebeposilujícím způsobem  neurony vystaveny většíma větším vtokům Ca2+

49.  mnohé formy lidských epilepsií = genetický podklad dědičnost ojediněle mendelovská, jednoduchá a přímá všechny známé epilepsii způsobující mutace u lidí postihují iontové kanály nebo receptory, zpravidla ve smyslu jejich následného deficitu tento deficit pak přímo ovlivňuje vzrušivost neuronální membrány

50. Epileptogenese – mechová vlákna  epileptické křeče může navodit i poranění hlavy, kraniotrauma typicky křeče po nárazu hlavy poranění způsobující křeče obvykle ostře anatomicky ohraničeno experimentálně bylo studováno zejména v oblasti hippokampu u zvířat poranění vedoucí k epileptickým křečím doprovází v oblasti hippokampu ztráta inhibičních inerneuronů hillus dentatus vzrůstá též počet tzv. mechových vláken (excitační axony) v dentálním gyru tato ztráta buněk hillu a šíření mechových vláken je spojen i s lidskou epilepsií spánkového laloku  ztráta inhibičních neuronů dentálního hillu  porucha excitačně-inhibiční rovnováhy mechová vlákna se mohou šířit z již existujících granulárních buněk gyrus dentatus, nebo z buněk nově vzniklých produkce granulárních buněk gyrus dentatus dospělosti mírná, po úrazu hlavy se zvyšuje ke vzniku epileptických projevů nejspíše mechová vlákna přispívají zvyšováním excitačních vstupů do hippokampálních neuronálních okruhů mohou ale vytvářet selektivně i synapse se zbylými inhibičními neurony hillu (snaha zvýšit celkový inhibiční tonus až k předchozí normální úrovni?)  jejich proliferaci lze ovlivnit farmakologicky i molekulárně antagonista NMDA receptorů MK-801 zpomaluje šíření mechových vláken a nástup epileptických projevů podobně i eliminace genu pro transkripční faktor c-Fos  růst mechových vláken ovlivňují i neurotrofické faktory (BDNF)