The role of astrocytes in epilepsy: identification of new drug targets  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124558
Type K
Principal investigator Héja, László
Title in Hungarian Az asztrociták szerepe az epilepszia kialakulásában: új gyógyszercélpontok azonosítása
Title in English The role of astrocytes in epilepsy: identification of new drug targets
Keywords in Hungarian farmakorezisztens epilepszia, asztrocita, glia, transzporter, gap junction
Keywords in English pharmacoresistant epilepsy, astrocyte, glia, transporter, gap junction
Discipline
Neurochemistry and neuropharmacology (Council of Medical and Biological Sciences)70 %
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Kardos, Julianna
Kovács, Zsolt
Péter, Márton
Szabó, Zsolt
Vincze, Renáta
Starting date 2017-10-01
Closing date 2022-06-30
Funding (in million HUF) 45.292
FTE (full time equivalent) 14.28
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A gliasejtekről sokáig az a nézet élt, hogy kizárólag metabolikus támogató szerepük van a központi idegrendszerben. Az elmúlt két évtizedben elért eredmények révén azonban ma már világos, hogy fontos szerepet töltenek be a legkülönbözőbb fiziológiás funkciókban és aktív tagjai az úgynevezett tripartit szinapszisnak. Ennek megfelelően az asztrociták szerepe jelentősen felértékelődött mind a fiziológiás, mind a patofiziológiás állapotok szabályozásában. A metabolikus támogatás meglétén vagy épp hiányán túlmenően, képesek közvetlenül is befolyásolni a neuronok aktivitását. Különösen sok információ áll rendelkezésre az asztrociták szerepéről az epileptiform aktivitás kialakításában. Korábbi munkáinkban több glia-neuron kommunikációs útvonalat tártunk fel, melyek alkalmasak lehetnek anti-epileptikus stratégiák kiszolgálására. A jelen pályázatban ezen útvonalak, mint potenciális gyógyszercélpontok alkalmazhatóságát kívánjuk feltárni in vitro és in vivo epilepszia modellekben transzgenikus, Ca2+-szenzitív fehérjét expresszáló patkányok felhasználásával

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A hagyományos gyógyszerfejlesztés az ortosztérikus agonisták és antagonisták kutatására irányult. Annak érdekében, hogy csökkentsék a felmerült mellékhatásokat, illetve nagyobb szelektivitást érhessenek el, idővel előtérbe került az allosztérikus moduláció szerepe. A jelen pályázat munkahipotézise az, hogy egy hasonló elmozdulásra van szükség a közvetlenül a neuronokon ható gyógyszerektől a neuronok aktivitását indirect módon szabályozó asztrociták felé.
Az elsődleges célunk, hogy olyan asztrogliális mechanizmusokat azonosítsunk, melyek alkalmasak lehetnek anti-epilepsziás gyógyszerfejleszéts célpontjaiként, valamint, hogy ezen célpontok alkalmazhatóságát in vitro és in vivo epilepszia tesztben kimutassuk.
Ezen cél elérése érdekében tovább vizsgáljuk az asztrociták és asztrocita hálózatok szerepét a neuronális szinkronizáció és túlserkentés epileptikus körülmények között tapaztalható kialakításában. Az így megszerzett információ birtokában új, potenciális gyógyszercélpont mechanizmusokat azonosítunk.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A pályázatban megfogalmazott munka révén új ismereteket szerezhetünk az asztrociták neuronális szinkronizációhoz való hozzájárulásáról epileptikus körülmények között. A kutatás sikere esetén új gyógyszercélpontok azonosíthatóak, melyek új utakat nyithatnak meg a jelenleg farmakorezisztens epilepsziás betegek gyógyításában.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Világszerte az epilepsziás betegek mintegy harmada farmakorezisztens, azaz nem reagál semmilyen jelenleg elérhető gyógyszerrel való kezelésre. A jelenlegi gyógyszerfejleszési irányok még mindig arra fókuszálnak, hogy közvetlenül módosítsák az epilepsziás agyban diszfunkcionálissá váló neuronokat, annak ellenére, hogy egyre több adat támasztja alá, hogy az agy egy másik sejttípusa, az asztrociták is jelentős szerepet játszanak az epilepsziás rohamok kialakulásában, fenntartásában és befejeződésében. A jelenleg elérhető gyógyszerek szűk spektruma is hozzájárul ahhoz, hogy még mindig jelentős a gyógyszeresen nem kezelhető betegek száma. A mi célunk, hogy új mechanizmusokat azonosítsunk és validáljunk, melyek részt vesznek az epilepszia kialakításában, és amelyeken keresztül később gyógyszeresen is beavatkozhatunk a betegség lefolyásába.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Glial cells have long been considered to have only supporting role in the central nervous system. Substantial advances in the past two decades, however, shed light on the various physiological functions they perform and led to the current view that they are active participants of the tripartite synapse. Accordingly, astrocytes are increasingly recognized as important players in the modulation of physiological neuronal function and various pathophysiological conditions and diseases. In addition to modulation by the supplement or lack of metabolic support, they also directly control neuronal activity. In particular, growing evidence demonstrate the involvement of astroglia in epileptiform activity by various mechanisms. We have previously identified novel glia-neuron communication pathways that have the potential to be explored as anti-epileptic strategies. In the current proposal we investigate several pathways through which glial cells can contribute to the generation, propagation and termination of seizure-like events and validate them as potential targets in anti-epileptic drug development in in vitro and in vivo epilepsy models using transgenic rats expressing Ca2+-sensitive proteins.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Traditional drug discovery efforts had focused on developing agonists or antagonists for orthosteric receptor sites where their endogenous ligands bind. To reduce side effects and increase selectivity, allosteric modulators have been developed which - instead of directly switching the receptor response on or off - indirectly modulate neuronal activity. The working hypothesis underlying the current grant proposal is that further shifting of target selection from neuronal receptors that directly influence neuronal activity to astroglial targets that indirectly tune neuronal function would be beneficial to achieve anti-epileptic drugs (AEDs) with less side effects and wider applicability.
Our main objective is to identify astrocytic mechanisms that can be potential targets for AED development and validate their applicability in in vitro and in vivo epilepsy models.
To achieve this goal, we will further explore the contribution of astrocytes and astrocytic networks to seizure generation, propagation and termination. The acquired knowledge will be used to identify novel astrocytic targets that can potentially be utilized for AED development. These targets, along with the previously identified mechanisms (Glu/GABA exchange mechanism and astrocytic gap junctional communication) will be tested in the low-[Mg2+] in vitro epilepsy model and in genetically epileptic WAG/Rij rats.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The disclosed work will deepen our understanding how astrocytes contribute to the emergent neuronal synchronization and overexcitation observed under epileptic conditions. A successful project will also lead to identification and validation of one or more potential astrocytic mechanisms that can be utilized as AED targets opening up new possibilities for the treatments of epilepsy.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
One-third of epileptic patients worldwide are pharmaco-resistant, meaning that they are resistant to all kind of currently available pharmacological treatment. Current drug development strategies still focus on directly controlling neuronal function, the main dysfunction of the epileptic brain, despite the growing number of evidence that astrocytes, another brain cell types are also significantly involved in the generation, maintenance and termination of seizures. The narrow spectrum of marketed anti-epileptic drugs (AEDs) inevitably contributes to the continued presence of drug refractory epilepsy. Our goal is to identify and validate new mechanisms in astrocytes that can later be utilized as potential new targets for AED development.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt futamideje alatt sikeresen 1) Azonosítottuk a gliális Cx43 connexint, mint potenciális anti-epileptikus célfehérjét. Feltérképeztük a Cx43 lehetséges gyógyszer interakciós felszíni struktúráit. 2) Feltártuk, hogy a putrescin direkt adagolása életképes stratégia lehet az asztrogliális Glu/GABA cserefolyamat fokozása és ezen keresztül az epileptikus aktivitás gátlása érdekében. 3) Kimutattuk a poliamin metabolizmus, mint anti-epileptikus célpont létjogosultságát. Igazoltuk, hogy a spermidin szintáz gátlása a putrescin koncentráció növelésén és a Glu/GABA cserefolyamat fokozásán keresztül teljes mértékben megszünteti az abszensz epielpsziás rohamokat. 4) Vizsgáltuk a Cu+/Cu++ homeosztázis szerepét a poliamin metabolizmus és ezen keresztül a neuronális serkenthetőség szabályozásában. 5) Azonosítottuk a gyógyászatban széleskörűen alkalmazott, de ismeretlen hatásmechanizmusú anti-epileptikus szer, a Levetiracetam hatásmechanizmusát. Kimutattuk, hogy elsősorban a gliális GAT-3 transzporterek sejtfelszíni kifejeződésének növelése révén váltja ki az anti-epileptikus hatását. 6) Elsőként vizsgáltuk képalkotással asztrocita sejtek aktivitását epilepsziás rohamok alatt in vivo. Felismertük, hogy az asztrocita sejtek nem csak, hogy a neuronokhoz hasonlóan aktiválódnak a rohamok alatt, de aktivációjuk megelőzi a neuronokét. Ezen eredmények arra utalnak, hogy az asztrocita sejteknek jelentős szerepük van az in vivo epilepsziás rohamok kialakulásában.
Results in English
During the project, we successfully 1) Identified and validated the glial connexin isoform Cx43 as a potential anti-epileptic target in convulsant epileptiform activity. We also explored the potential drug-interaction sites of Cx43 in order to advance drug development. 2) Revealed that exogenous application of putrescine can be a viable strategy to enhance the anti-epileptic potential of the astrocytic Glu/GABA exchange. 3) Identified and validated the anti-epileptic potential of intervention into the polyamine metabolism in epilepsy. Importantly, application of the spermidine synthase inhibitor 4-MCHA, which increases putrescine level and correspondingly enhance the Glu/GABA exchange mechanism, completely eliminated seizures in the in vivo absence epilepsy model. 4) Explored the potential of Cu+/Cu++ homeostasis to control on neuronal excitability by regulating polyamine metabolism. 5) Identified the mechanism of action of the clinically used anti-epileptic drug Levetiracetam. We showed that it mainly exerts its anti-convulsant effect by increasing the surface expression of astrocytic GAT-3 transporter. 6) Imaged astrocytic Ca2+ activity for the first time in in vivo rats during seizures. We revealed that astrocytes do not only display similar oscillations as neurons, but Ca2+ oscillations with SWD-like frequency appear in astrocytes before neurons. These results suggest that astrocytic activity play a causal role in the generation of in vivo seizures.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124558
Decision
Yes





 

List of publications

  
Szabó Z, Péter M, Héja L, Kardos J.: Dual Role for Astroglial Copper-Assisted Polyamine Metabolism during Intense Network Activity, Biomolecules, 2021, 11:604, 2021
Héja L, Szabó Z, Péter M, Kardos J.: Spontaneous Ca 2+ Fluctuations Arise in Thin Astrocytic Processes With Real 3D Geometry, Front Cell Neurosci, 2021, 15:617989, 2021
Kovács Z, Brunner B, Ari C.: Beneficial Effects of Exogenous Ketogenic Supplements on Aging Processes and Age-Related Neurodegenerative Diseases, Nutrients, 2021, 13:2197, 2021
Kovács Z, Brunner B, D'Agostino DP, Ari C.: Age- and Sex-Dependent Modulation of Exogenous Ketone Supplement-Evoked Effects on Blood Glucose and Ketone Body Levels in Wistar Albino Glaxo Rijswijk Rats, Front Neurosci, 2021, 14:618422, 2021
Kovács Z, Skatchkov SN, Veh RW, Szabó Z, Németh K, Szabó PT, Kardos J, Héja L.: Critical Role of Astrocytic Polyamine and GABA Metabolism in Epileptogenesis, Front Cell Neurosci 15:787319, 2022
Héja L, Simon Á, Szabó Z, Kardos J.: Connexons Coupling to Gap Junction Channel: Potential Role for Extracellular Protein Stabilization Centers, Biomolecules 12:49, 2021
Kovács Z, Skatchkov SN, Szabó Z, Qahtan S, Méndez-González MP, Malpica-Nieves CJ, Eaton MJ, Kardos J, Héja L.: Putrescine Intensifies Glu/GABA Exchange Mechanism and Promotes Early Termination of Seizures, Int J Mol Sci 23:8191, 2022
Ari C, Murdun C, Goldhagen C, Koutnik AP, Bharwani SR, Diamond DM, Kindy M, D'Agostino DP, Kovacs Z.: Exogenous Ketone Supplements Improved Motor Performance in Preclinical Rodent Models, Nutrients. 2020, 12:2459, 2020
Kovács Z, Brunner B, D'Agostino DP, Ari C.: Inhibition of adenosine A1 receptors abolished the nutritional ketosis-evoked delay in the onset of isoflurane-induced anesthesia in Wistar Albino Glaxo Rijswijk rats., BMC Anesthesiol. 2020, 20:30, 2020
Héja L, Kardos J.: Principles of multiple Na+-symport across astrocytic membranes, Cell Calcium, in press, 2019
Héja L, Kardos J.: NCX activity generates spontaneous Ca 2+ oscillations in the astrocytic leaflet microdomain, Cell Calcium. 2020, 86:102137, 2020
Ari C, Murdun C, Koutnik AP, Goldhagen CR, Rogers C, Park C, Bharwani S, Diamond DM, Kindy MS, D'Agostino DP, Kovács Z: Exogenous Ketones Lower Blood Glucose Level in Rested and Exercised Rodent Models., Nutrients 11: E2330, 2019
Kovács Z, D'Agostino DP, Diamond D, Kindy MS, Rogers C, Ari C.: Therapeutic Potential of Exogenous Ketone Supplement Induced Ketosis in the Treatment of Psychiatric Disorders: Review of Current Literature., Front Psychiatry. 10:363, 2019
Kovács Z, D'Agostino DP, Diamond DM, Ari C: Exogenous Ketone Supplementation Decreased the Lipopolysaccharide-Induced Increase in Absence Epileptic Activity in Wistar Albino Glaxo Rijswijk Rats., Front Mol Neurosci. 12:45, 2019
Héja L, Simon Á, Szabó Z, Kardos J.: Feedback adaptation of synaptic excitability via Glu:Na+ symport driven astrocytic GABA and Gln release., Neuropharmacology. S0028-3908, 2019
Vincze R, Péter M, Szabó Z, Kardos J, Héja L, Kovács Z.: Connexin 43 Differentially Regulates Epileptiform Activity in Models of Convulsive and Non-convulsive Epilepsies., Front Cell Neurosci. 13:173, 2019
Kardos J, Dobolyi Á, Szabó Z, Simon Á, Lourmet G, Palkovits M, Héja L.: Molecular Plasticity of the Nucleus Accumbens Revisited-Astrocytic Waves Shall Rise., Mol Neurobiol. doi: 10.1007/s12035-019-1641-z, 2019
szerkesztés Szabo Z, Heja L, Szalay G, Kekesi O, Furedi A, Szebenyi K, Dobolyi A, Orban TI, Kolacsek O, Tompa T, Miskolczy Z, Biczok L, Rozsa B, Sarkadi B, Kardos J: Extensive astrocyte synchronization advances neuronal coupling in slow wave activity in vivo., Sci Rep. 7:6018, 2017
Kardos J, Héja L, Simon Á, Jablonkai I, Kovács R, Jemnitz K.: Copper signalling: causes and consequences., Cell Communication and Signaling, 2018
Héja L, Szabó Z, Kardos J.: The astrocyte network orchestrates neuronal synchronization in slow wave activity in vivo, FENS Meeting, 2018, 2018
Kardos J, Héja L, Jemnitz K, Kovács R, Palkovits M.: The nature of early astroglial protection-Fast activation and signaling., Prog Neurobiol, 2017, 153:86-99, 2017
Szabo Z, Heja L, Szalay G, Kekesi O, Furedi A, Szebenyi K, Dobolyi A, Orban TI, Kolacsek O, Tompa T, Miskolczy Z, Biczok L, Rozsa B, Sarkadi B, Kardos J: Extensive astrocyte synchronization advances neuronal coupling in slow wave activity in vivo., SCI REP 7: , 2017




 

Events of the project

  
2019-03-29 08:53:52
Résztvevők változása



Back »