Актуальность. Эпилепсия — хроническое неврологическое заболевание, характеризующееся повторяющимися припадками, которые возникают в результате чрезмерных нейронных разрядов и сопровождаются разнообразными нарушениями двигательных, чувствительных, вегетативных и психических функций.

Одним из этиологических факторов в развитии эпилепсии может являться накопление в организме серосодержащей аминокислоты – гомоцистеина. Даже небольшое повышение уровня гомоцистеина в плазме коррелирует с возрастными когнитивными нарушениями, нейродегенеративными и цереброваскулярными заболеваниями, развитием эпилепсии [1, 2]. Одним из механизмов нейротоксического действия гомоцистеина является активация ионотропных и метаботропных рецепторов глутамата в нейронах, избыточная стимуляция которых вызывает гипервозбудимость [3,4,5].

Цель исследования: исследование влияния метаболита гомоцистеина -гомоцистеин-тиолактона (ГЦ-ТЛ) на электрическую активность в гиппокампе крыс.

Материалы и методы. Эксперименты проводились на крысах линии Wistar двух возрастов р6–8 и р35–90. 16-канальный электрод помещали в гиппокамп, электрическую активность регистрировали в зоне CA1. Раствор ГЦ-ТЛ или искусственную цереброспинальную жидкость объемом 2 мкл вводили в зону СА1 с помощью микроинъектора со скоростью 200 нл/с. ГЦ-ТЛ вводили в дозах 0.24*10-6 мг, 0.24*10-3 мг, 0.03 мг, 0.06 мг или 0,12 мг. C помощью пакета программ MatLab оценивали общую спектральную мощность локальных полевых потенциалов (ЛПП) и частоту множественных потенциалов действия (МПД).

Результаты.

В контроле в СА1 зоне гиппокампа у животных р6-8 наблюдалась низкая электрическая активность, включающая редкие низкочастотные волны в тета диапазоне и вспышки МПД продолжительностью от 0,5 до 3 с. У животных р35-95 наблюдалась высокая электрическая активность соответствующая возрасту животных.

Введение ACSF (2 мкл) или ГЦ-ТЛ в низких дозах 0.24*10-6мг, 0.24*10-3мг в гиппокамп не приводило к изменению электрической активности в исследуемых группах.

ГЦ-ТЛ в дозах 0.03-0.12 мг приводил к развитию эпилептиформной активности в виде увеличения спектральной мощности ЛПП в альфа и тета-диапазонах. В группе р6-8 у 3 животных из 4 после введения ГЦ-ТЛ (0.03 мг) наблюдалось быстрое (в течение первых 1-2 минут) развитие эпилептиформной активности: спектральной мощности ЛПП повышалась до 1331±662% (p<0.05, n=3) и частота МПД - до 1155±598% (p<0.05, n=3). В группе р35-90 увеличение частоты МПД наблюдалось только у 2 из 4 животных до 212±82% через 10 минут после аппликации ГЦ-ТЛ, которое достигало 343±61% к 30-40 минутам (p<0.05, n=2). Введение ГЦ-ТЛ в дозе 0.06 мг в группе р6-8 (n=4) приводило к возникновению эпилептиформной активности у всех животных: спектральная мощность ЛПП и частота МПД повышались до 463±156% и 259±45% (p<0.05, n=4), соответственно. В группе р35-90 (n=4) ГЦ-ТЛ (0.06 мг) вызывал эпилептиформную активность у 3 из 4 животных: спектральная мощность ЛПП повышалась до 454±32% (p<0.05, n=3) и частота МПД - до 396±126% (p<0.05, n=2).

ГЦ-ТЛ в дозе 0.12 мг у всех животных в обеих группах вызывал эпилептиформную активность, наблюдалось увеличение спектральной мощности ЛПП и частоты МПД у группы р6-8 до 1205±596% и 956±203%, а в группе р35-90 до 856±143% и 296±98% (p<0.05), соответственно.

Латентный период возникновения эпилептиформной активности у животных р6-8 был достоверно короче, чем у животных группы р35-90 в дозах 0.06 и 0.12 мг, и составил у группы р6-8: 3.23±0.29 мин и 2.01±0.12 мин, соответственно. В группе р35-90 латентный период составил 6.2±1.8 мин после введения ГЦ-ТЛ (0.06 мг), 4.92±1.61 мин - ГЦ-ТЛ (0.12 мг) (Pu<0.05).

Таким образом, ГЦ-ТЛ при введении в гиппокамп дозозависимо приводил к усилению электрической активности и вызывал эпилептиформную активность начиная с концентрации 0,03 мг у животных возраста p6-8 и 0.06 мг - у крыс возраста р35-90. Полученные данные свидетельствует о высокой чувствительности животных к ГЦ-ТЛ в первую постнатальную неделю развития и экспериментально подтверждают высокий риск развития эпилепсии у детей с высоким уровнем гомоцистеина в пренатальный или ранний постнатальный периоды. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-15-00100)



Список литературы:

1. Sitdikova, G.F.; Hermann, A.; Yakovlev, A.V. Neurotoxic and neuroprotective effects of homocysteine and hydrogen sulfide.Uchenye Zap. Kazan. Univ. Seriya Estestv. Nauk. 2018, 160, 686–704.

2. Gerasimova E, Yakovleva O, Burkhanova G, Ziyatdinova G, Khaertdinov N, Sitdikova G. Effects of Maternal Hyperhomocysteinemia on the Early Physical Development and Neurobehavioral Maturation of Rat Offspring // BioNanoSci. 2017 March; 7:155–158.

3. Yakovlev AV, Kurmashova ED, Zakharov A, Sitdikova GF. Network-Driven Activity and Neuronal Excitability in Hippocampus of Neonatal Rats with Prenatal Hyperhomocysteinemia // BioNanoSci. 2018 March; 8(1): 304–309.

4. Kurmashova ED, Gataulina ED, Zefirov, AL, Sitdikova GF, Yakovlev AV. Effects of Homocysteine and its Derivatives on Spontaneous Network Activity in the Hippocampus of Neonatal Rat Pups // Neurosci Behav Physi. 2020 Oct 7; 50(7):1236-1246.

5. Gerasimova E, Burkhanova G, Chernova K, Zakharov A, Enikeev D, Khaertdinov N, Giniatullin R, Sitdikova G. Hyperhomocysteinemia increases susceptibility to cortical spreading depression associated with photophobia, mechanical allodynia, and anxiety in rats // Behav Brain Res. 2021 Jul 9;409:113324.

Background. Epilepsy is a chronic neurological disease characterized by recurrent seizures resulting from excessive neuronal discharges and accompanied by a variety of motor, sensory, autonomic and psychiatric disorders.

One of the etiological factors in the development of epilepsy can be an accumulation of sulfur-containing amino acid - homocysteine. Small increases in plasma homocysteine levels correlate with age-related cognitive impairment, neurodegenerative and cerebrovascular diseases, and the development of epilepsy [1, 2]. One of the mechanisms of the neurotoxic effect of homocysteine is the activation of ionotropic and metabotropic glutamate receptors in neurons, which excessive stimulation causes hyperexcitability [3,4,5].

Study objective: to investigate the effect of the homocysteine metabolite homocysteine-thiolactone (Hcy-thiolactone) on electrical activity in the rat hippocampus.

Materials and Methods. Experiments were carried out on Wistar rats of two ages p6-8 and p35-90. A 16-channel electrode was placed in the hippocampus, and electrical activity was recorded in the CA1 area. Hcy-thiolactone solution or 2 µl of artificial cerebrospinal fluid (ACSF) was injected into the CA1 area using a microinjector at the rate of 200 nl/s. The doses of Hcy-thiolactone were 0.24*10-6 mg, 0.24*10-3 mg, 0.03 mg, 0.06 mg or 0.12 mg. The total spectral power of local field potentials (LFP) and the frequency of multiple action potentials (MUA) were estimated using MatLab software package.

Results. Low electrical activity was observed in the CA1 zone of the hippocampus in control group (p6-8 animals), including rare low-frequency waves in the theta range and MUA bursts lasting from 0.5 to 3 s. In p35-95 animals, high electrical activity corresponding to the age of the animals was observed. Administration of ACSF (2 µl) or Hcy-thiolactone at low doses (0.24*10-6 mg, 0.24*10-3 mg) into the hippocampus did not result in changes in electrical activity in both groups. Hcy-thiolactone in doses of 0.03-0.12 mg induced the development of epileptiform activity with increased spectral power of LFP in alpha and theta ranges. In 3 of 4 animals (p6-8 group) Hcy-thiolactone (0.03 mg) administration resulted in rapid (within the first 1-2 minutes) development of epileptiform activity: the spectral power of LFP increased up to 1331±662% (p<0.05, n=3) and the frequency of MUA increased up to 1155±598% (p<0.05, n=3). In the p35-90 group, only 2 of 4 animals showed an increase in MUA frequency up to 212±82% 10 minutes after application of Hcy-thiolactone, which reached 343±61% by 30-40 minutes (p<0.05, n=2). Administration of Hcy-thiolactone at a dose of 0.06 mg in the p6-8 group (n=4) caused epileptiform activity in all animals: power spectrum of LPT and frequency of MUA increased up to 463±156% and 259±45% (p<0.05, n=4), respectively. In the p35-90 group (n=4), Hcy-thiolactone (0.06 mg) induced epileptiform activity in 3 of 4 animals: LPT spectral power increased to 454±32% (p<0.05, n=3) and MUA frequency increased to 396±126% (p<0.05, n=2). Hcy-thiolactone at a dose of 0.12 mg caused epileptiform activity in all animals in both groups, and there was an increase in spectral power of LFP and frequency of MUA in the p6-8 group to 1205±596% and 956±203%, and in the p35-90 group to 856±143% and 296±98% (p<0.05), respectively.

Latency period of epileptiform activity in p6-8 animals was significantly shorter than in p35-90 group at doses of 0.06 and 0.12 mg, and was 3.23±0.29 min and 2.01±0.12 min, respectively. In p35-90 group, the latency period was 6.2±1.8 min after administration of Hcy-thiolactone (0.06 mg) and 4.92±1.61 min for Hcy-thiolactone (0.12 mg) (p<0.05). Thus, Hcy-thiolactone, when injected into hippocampus, dose-dependently enhanced the electrical activity and induced epileptiform activity starting from 0.03 mg in p6-8 and 0.06 mg in p35-90 rats. The obtained data indicate a higher sensitivity to Hcy-thiolactone of animals in the first postnatal week of development and experimentally confirm the high risk of epilepsy in children with high levels of homocysteine in the prenatal or early postnatal periods. This work was supported by the Russian Science Foundation (Project No. 20-15-00100)



References:

1. Sitdikova, G.F.; Hermann, A.; Yakovlev, A.V. Neurotoxic and neuroprotective effects of homocysteine and hydrogen sulfide.Uchenye Zap. Kazan. Univ. Seriya Estestv. Nauk. 2018, 160, 686–704.

2. Gerasimova E, Yakovleva O, Burkhanova G, Ziyatdinova G, Khaertdinov N, Sitdikova G. Effects of Maternal Hyperhomocysteinemia on the Early Physical Development and Neurobehavioral Maturation of Rat Offspring // BioNanoSci. 2017 March; 7:155–158.

3. Yakovlev AV, Kurmashova ED, Zakharov A, Sitdikova GF. Network-Driven Activity and Neuronal Excitability in Hippocampus of Neonatal Rats with Prenatal Hyperhomocysteinemia // BioNanoSci. 2018 March; 8(1): 304–309.

4. Kurmashova ED, Gataulina ED, Zefirov, AL, Sitdikova GF, Yakovlev AV. Effects of Homocysteine and its Derivatives on Spontaneous Network Activity in the Hippocampus of Neonatal Rat Pups // Neurosci Behav Physi. 2020 Oct 7; 50(7):1236-1246.

5. Gerasimova E, Burkhanova G, Chernova K, Zakharov A, Enikeev D, Khaertdinov N, Giniatullin R, Sitdikova G. Hyperhomocysteinemia increases susceptibility to cortical spreading depression associated with photophobia, mechanical allodynia, and anxiety in rats // Behav Brain Res. 2021 Jul 9;409:113324.