Klinische und experimentelle Epileptologie - Martin Holtkamp

Das übergeordnete Ziel unserer Forschungsprojekte besteht darin, die Lebensqualität aller Patientinnen und Patienten mit Epilepsie nachhaltig zu verbessern.

Dafür verbinden wir klinische, experimentelle und translationale Forschungsansätze mit exzellenter Krankenversorgung.

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Arbeitsgruppe Klinische und experimentelle Epileptologie

Unsere Forschungsschwerpunkte werden und wurden durch die Friedrich-von-Bodelschwingh-Stiftungsprofessur für Epileptologie, das Berliner Institut für Gesundheitsforschung – Charité & Max-Delbrück-Centrum, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Europäische Union (Rahmenprogramm 7), die Stiftung Charité sowie durch verschiedene Industriekooperationen gefördert.

Klinische Epileptologie

Das Ziel dieses Arbeitsgruppenbereichs ist ein besseres Verständnis der Häufigkeit, der Ursachen, der Behandlung und der Prognose der Epilepsien. Unsere Projekte fokussieren auf epidemiologischen und bildgebenden Untersuchungen von und nach ersten epileptischen Anfällen und von pharmakoresistenten, chronischen Epilepsien. Ein Schwerpunkt ist die Epilepsiechirurgie, hier eröffnen die intrakraniellen EEG-Ableitungen die äußerst seltene Gelegenheit, neurophysiologische Signale mit Funktionen wie Gedächtnis zu korrelieren und somit deren Grundlagen besser zu verstehen.

Berliner Epilepsie-Studie (BEST) – eine prospektive Langzeit-Kohorte

In der Epileptologie sind prospektive Langzeituntersuchungen bei Patientinnen und Patienten mit neu beginnender Epilepsie von höchstem Interesse, um Fragen zum natürlichen Verlauf, zum Ansprechen auf die Therapie, zur Sterblichkeit, zu kognitiven Defiziten, zu psychiatrischen Komorbiditäten und zur psychosozialen Prognose belastbar zu beantworten.

Unter dem Titel "Berliner Epilepsie-Studie (BEST) - eine prospektive Langzeit-Kohorte" stellen wir über 3 Jahre eine Gruppe von 600 Patientinnen oder Patienten mit einem ersten epileptischen Anfall in den letzten 3 Monaten zusammen, diese wird dann langfristig nachverfolgt. Eingeschlossen werden Patienten ab dem 14. Lebensjahr, diese müssen sprachlich und kognitiv in der Lage sein, über ihre Anfälle zu berichten und die diversen Fragebögen auszufüllen. Bei der ersten Studienvisite erfolgt eine exakte klinische Phänotypisierung des epileptischen Anfall bzw. der Epilepsie durch Erhebung von Eigen- und Fremdanamnese. Zudem werden relevante Biomarker mit Hilfe von Untersuchungen wie Routine-EEG, cMRT (3 Tesla), Autoantikörper-Diagnostik (Liquor und Serum) sowie genetischen Tests, neuropsychologischen Evaluationen und Erhebungen zu depressiven und anderen psychiatrischen Störungen sowie zur Lebensqualität bestimmt. Diese Biomarker werden hinsichtlich ihres prädiktiven Werts für die Faktoren Anfallsfreiheit und Sterblichkeit im Verlauf der Erkrankung analysiert.

Die Patientinnen und Patienten werden 6 und 12 Monate nach der ersten Studienvisite und danach in jährlichen Abständen klinisch und - mit zum Teil längeren Zeitabständen - hinsichtlich Bestimmung einiger der genannten Biomarker nachverfolgt. Bei etwa 30 % der Patienten mit Epilepsie wird der Einsatz der ersten beiden Antiepileptika nicht zur Anfallsfreiheit führen, dies definiert Pharmakoresistenz. Patientinnen und Patienten mit pharmakoresistenter fokaler Epilepsie werden hinsichtlich der Möglichkeit eines epilepsiechirurgischen Eingriffs evaluiert. Wir werden Risikofaktoren für Pharmakoresistenz und für fehlende Anfallsfreiheit nach Chirurgie analysieren.

Die Studie wird an der Charité am Campus Virchow-Klinikum durchgeführt. Studienleiter sind Verena Gaus, Martin Holtkamp und Alexander Kowski. Die Rekrutierung der Patientinnen und Patienten erfolgt über akut-neurologische Kliniken in Berlin und Brandenburg. Patientinnen und Patienten können sich mit Hilfe eines Flyers über diese Studie informieren und bei Interesse Kontakt mit unserer Studienassistentin aufnehmen.

Finanziert wird diese Studie in den ersten 5 Jahren durch die großzügige Überlassung eines Erbes an die Charité mit der expliziten Festlegung des Erblassers auf "Epilepsie-Forschung". Die langfristige Finanzierung soll über öffentliche Drittmittelgeber (Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) etc.) erfolgen.

Zusammengefasst erhoffen wir uns durch diese Studie neue Erkenntnisse über den Langzeitverlauf von neu aufgetretenen Epilepsien, über das Ansprechen auf die pharmakologischen und chirurgischen Therapieoptionen und über häufige komorbide Störungen wie Depression und Angst.

Wir würden uns freuen, wenn Sie Patientinnen oder Patienten mit einem ersten Anfall auf diese Studie aufmerksam machen würden.

Sie erreichen die Studienärzte unter der Email-Adresse: best@charite.de.

Bildgebende Verfahren

Primäres Ziel der zerebralen Bildgebung bei Epilepsien ist die Identifikation einer - wahrscheinlich ursächlichen - Läsion. Dies ist insbesondere bei der Epilepsiechirurgie wichtig, da der Nachweis einer epileptogenen Läsion die Wahrscheinlichkeit für postoperative Anfallsfreiheit signifikant erhöht.

Zwei Projekte widmen sich einer verbesserten Erkennung von potenziell epileptogenen Läsionen.

Mit Hilfe des neuen Verfahrens der Mehrfrequenz-Magnetresonanz-Elastographie (Mehrfrequenz-MRE) soll untersucht werden, ob die verminderte Elastizität mesio-temporaler Strukturen ein Hinweis auf eine Hippocampus-Sklerose sein kann (Verena Gaus, Alexander Kowski).

Mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) soll untersucht werden, ob - bei fehlendem Nachweis von strukturellen Auffälligkeiten - funktionell defizitäre Hirnregionen als Anfallsfokus identifiziert werden können.

Das Ziel ist die Validierung und der Vergleich von drei verschiedenen Radiotracern [15O]H2O, [18F]Fluorodeoxyglucose (FDG) und [18F]Flumazenil (FMZ) mit PET/MRT im Rahmen der prächirurgischen Diagnostik bei Patienten mit MRT-negativer pharmakoresistenter mesialer Temporallappenepilepsie.

Letztlich werden die Ergebnisse der PET/MRT Untersuchungen in vivo mit der Histologie des chirurgisch resezierten Gewebes ex-vivo vergleichen (Maria Ilyas-Feldmann).

Mit Hilfe des Diffusion-Tensor-Imaging-Verfahrens (DTI-Verfahrens) werden Strukturveränderungen der weißen Substanz bei Patientinnen und Patienten mit nicht-läsioneller Frontallappenepilepsie untersucht und mit denen von Patientinnen und Patienten mit läsioneller Frontallappenepilepsie verglichen.

Die zugrunde liegende Hypothese ist, dass die mit Hilfe der DTI dargestellten Veränderungen von Fasern Rückschlüsse auf den epileptogenen Fokus erlauben (Mirja Steinbrenner).

Antiepileptika auf der Intensivstation

Auf Intensivstationen werden häufig Antiepileptika eingesetzt, aber bislang sind keine Daten über Häufigkeiten, Indikationen und assoziierte Faktoren publiziert.

In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Anästhesiologische und Analgesiologische Neurophysiologie der Klinik für Anästhesiologie mit Schwerpunkt operative Intensivmedizin vergleichen wir den Einsatz von Antiepileptika auf den verschiedenen fachspezifischen Intensivstationen des Virchow-Klinikums.

In einem zweiten Schritt planen wir den Effekt einer regelmäßigen neurologischen "Antiepileptika-Visite" auf den Einsatz von Antiepileptika zu untersuchen (Bernd Vorderwülbecke).

Epilepsiechirurgie

Alle Patientinnen und Patienten mit pharmakoresistenter fokaler Epilepsie sollten hinsichtlich der Möglichkeit eines epilepsiechirurgischen Eingriffs evaluiert werden.

Randomisierte kontrollierte Studie haben eindeutig die Überlegenheit der Epilepsiechirurgie hinsichtlich des Therapieziels Anfallsfreiheit gegenüber der weiteren rein medikamentösen Therapie gezeigt, die "Number needed to treat" (NNT; die Anzahl der notwendigen Behandlungen) beträgt 2. Zudem senkt die Resektion des Anfallsfokus die Mortalität signifikant.

Trotz dieser eindeutigen Vorteile der Epilepsiechirurgie werden viele Patientinnen und Patienten gar nicht oder erst nach vielen Jahren zum prächirurgischen Monitoring überwiesen.

Zudem lehnen viele Patientinnen und Patienten die Empfehlung zum prächirurgischen Monitoring ab.

Wir schauen uns daher im Rahmen von Versorgungsforschung an, welche Variablen dazu führen, dass geeignete Patientinnen und Patienten nicht zum Monitoring überwiesen werden (Mirja Steinbrenner).

In einem weiteren Projekt untersuchen wir im prächirurgischen Monitoring sowohl retro- als auch prospektiv, welche Faktoren dazu führen, dass Patientinnen und Patienten aus ärztlicher Sicht geeignet sind für Epilepsiechirurgie und dass Patientinnen und Patienten diese Empfehlung ablehnen.

Parallel werden Daten zu Lebensqualität und psychiatrischen Komorbidität zum Zeitpunkt des Monitorings und ein Jahr danach erhoben, unabhängig davon, ob eine Resektion stattgefunden hat oder nicht (Martin Holtkamp).

Neurophysiologische Untersuchungen mit intrakranieller Elektroenzephalografie

Bei etwa jeder vierten Patientin bzw. jedem viertem Patienten ist im Rahmen des prächirurgischen Monitorings eine Ableitung mit intrakraniellem EEG notwendig, weil entweder der Anfallsfokus mit dem Oberflächen-EEG nicht eindeutig identifiziert werden konnte oder weil eloquenter Hirnkortex von epileptogenen Regionen abgegrenzt werden muss. In Abhängigkeit von der Hirnregion und der Fragestellung kommen hier subdurale Platten- und Streifenelektroden oder Tiefenelektroden zum Einsatz.

In einem Projekt gehen wir der Frage nach, ob die Morphologie des Anfallsmusters zu Beginn des Anfalls in Korrelation mit dem Ort der Anfallsentstehung oder mit der zugrundeliegenden Pathologie steht.

Ferner untersuchen wir, ob das initiale Anfallsmuster bzw. die Geschwindigkeit und Lokalisation der Ausbreitung des elektrophysiologischen Anfallsmuster Prädiktoren für die Anfallsprognose nach Resektion darstellen (Martin Holtkamp, Mirja Steinbrenner).

Die Ableitung eines intrakraniellen EEGs führt zu einem signifikant verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis, welches die Analyse neurophysiologischer Korrelate von Gedächtnisprozessen erlaubt.

So werden u .a. Hochfrequenzoszillationen bei Patientinnen oder Patienten mit Epilepsie im Hinblick auf die neuronale Verarbeitung von Informationen im visuellen Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis untersucht (Matthias Wawra).

Experimentelle und translationale Epileptologie

Das Ziel dieses Arbeitsgruppenbereichs ist ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Grundlagen der Epilepsien. Unsere Projekte fokussieren auf funktionelle Untersuchungen an Schnittpräparaten von Nagerhirnen und von humanem Hirngewebe aus epilepsiechirurgischen Resektionen. Die Schnittpräparate dienen dabei als Labormodelle für Epilepsie und neuronale Übererregbarkeit. Wir bearbeiten schwerpunktmäßig Fragestellungen, die sich aus dem klinischen Alltag und der Suche nach neuen Therapieansätzen ergeben, und suchen dabei nach neuen Methoden, um die Tierversuchslast in der Epilepsieforschung zu reduzieren. Die Ergebnisse unserer experimentellen Untersuchungen sollen langfristig, einem translationalen Ansatz folgend, bei Patientinnen und Patienten angewandt werden.

Zelluläre und netzwerkbedingte Mechanismen der zerebralen Erregbarkeit

An der Entstehung und Fortleitung epileptischer Aktivität im Gehirn spielen Ionenkanalproteine eine entscheidende Rolle. Ionenkanäle sind Membraneiweiße, welche geladene Teilchen zwischen Zellinnerem und Zelläußerem transportieren und aufgrund der dabei entstehenden Potentialänderungen entscheidend zur Signalweiterleitung und Erregbarkeit beitragen. Die pharmakologische Beeinflussung der Ionenkanalaktivität kann epileptische Anfälle unterdrücken und wird heute bereits in der Behandlung von Epilepsien verwendet.

Um die beteiligten Mechanismen besser verstehen zu können und neue Therapieansätze zu entwickeln, untersuchen wir mit Hilfe von hochauflösenden elektrophysiologischen Methoden (u. a. Patch-Clamp-Technik) die elektrischen Eigenschaften einzelner Zellen und zellulärer Netzwerke. Wir arbeiten mit Hirnschnittpräparaten von Nagern, in denen einzelne Ionenkanalproteine durch genetische oder pharmakologische Verfahren "ausgeschaltet" oder in ihrer Funktion verändert sind.

So konnten wir beispielsweise zeigen, dass eine bestimmte Unterform eines Kaliumkanals im Gegensatz zu den übrigen Unterformen bei Ausschaltung nicht an der Epilepsieentstehung beteiligt ist, sondern die Erregbarkeit im Gehirnnetzwerken hemmt.

Aktuell gehen wir der Frage nach, inwiefern die eben genannte Ausschaltung des Kaliumkanals auch in Epilepsiemodellen eine schützende Funktion ausüben kann.

Wirksamkeit von neuen Antiepileptika in vitro

Während der letzten 20 Jahre sind mehrere neue Medikamente zur Behandlung von Epilepsie zugelassen worden. Diese als Antiepileptika bekannten Substanzen wurden größtenteils durch Verwendung von Tiermodellen in vivo detektiert. Über ihre Wirksamkeit auf pathologische, epileptische Aktivität in Hirnschnittpräparaten ist jedoch nur wenig bekannt. Um zu verstehen, inwiefern Hirnschnittpräparate als Modelle zur Detektion neuer Antiepileptika dienen und somit zur Reduktion von Tierversuchen beitragen können, untersuchen wir mit Hilfe optischer und elektrophysiologischer Methoden die Effekte ausgewählter Antiepileptika auf pathologische Aktivität in Hirnschnitten in vitro. Die Untersuchungen erfolgen sowohl in Nagergewebe als auch in humanem Hirngewebe aus epilepsiechirurgischen Eingriffen.

Epileptische Aktivität und Genexpression

Aus Tierversuchen ist bekannt, dass epileptische Anfälle zur veränderten Aktivierung bestimmter Gene im Gehirn führen und somit die Suszeptibilität (= Anfälligkeit) für die Entstehung von Epilepsie möglicherweise begünstigen können.

Dazu gehören Gene, die u. a. für Ionenkanalproteine, inflammatorische Signalwege oder Wachstumsfaktoren kodieren. Ob die in Tiermodellen gewonnenen Erkenntnisse auf den Menschen übertragbar sind, ist jedoch schwer zu beurteilen, da naturgemäß die Untersuchung von Genexpression im menschlichen Gehirn in vivo nicht möglich ist.

Die einzige Möglichkeit, Genexpression im menschlichen lebenden Hirngewebe zu analysieren, besteht in der Untersuchung resezierten Gewebes aus neurochirurgischen Eingriffen.

Dazu muss jedoch bekannt sein, ob sich Gene ex vivo während der begrenzten Aufbewahrungszeit von Hirnschnitten (ca. 12 Stunden) überhaupt aktivieren lassen. In einem Pilotprojekt konnten wir zeigen, dass in Hirnschnittpräparaten von Ratten, bei denen epileptische Aktivität induziert wurde, bereits nach 1 - 4 Stunden Veränderungen der Genexpression zu sehen sind.

Im nächsten Schritt wollen wir die Ergebnisse in humanen Schnitten reproduzieren und bei positiven Ergebnissen mit Hilfe von High-Throughput-Screening-Methoden nach neuen, unbekannten Genen suchen, deren Expression durch epileptische Aktivität beeinflusst wird.

Mechanismen von fokalen kortikalen Dysplasien

Ca. 30 % der Patientinnen und Patienten mit Epilepsie entwickeln im Verlauf ihrer Erkrankung eine Pharmakoresistenz, d. h. sie sind trotz Einnahme mehrerer Antiepileptika nicht anfallsfrei.

Pharmakoresistenz tritt überdurchschnittlich häufig bei Epilepsien auf, welche aufgrund von Entwicklungsstörungen des Gehirns entstanden sind, wozu auch die fokale kortikale Dysplasie (FCD) zählt. Bei der FCD findet man in einem umschriebenen Bereich der Hirnrinde einen fehlerhaften anatomischen Aufbau, der eine lokale Übererregbarkeit bedingt und epileptische Anfälle zur Folge hat.

In unserem Projekt untersuchen wir an einem Tiermodell anhand von elektrophysiologischen und bildgebenden Verfahren die Charakteristika der Anfallsausbreitung und pathophysiologische Mechanismen der neuronalen Übererregbarkeit bei der FCD. Das Ziel unserer Experimente ist es, Zusammenhänge zwischen Ausbreitung und Entstehungsmechanismen epileptischer Aktivität bei fokaler kortikaler Dysplasie aufzudecken und somit zu Entwicklung neuer Therapieansätze beizutragen.

Humane Hirnschnittkulturen

Aufgrund einer Kooperation mit der Klinik für Neurochirurgie der Charité verfügen wir seit 2014 über die einzigartige Möglichkeit, humanes Hirngewebe aus neurochirurgischen Eingriffen für wissenschaftliche Fragestellungen nutzen zu können.

Humanes Hirngewebe reflektiert naturgemäß die menschliche Biologie besser als jedes Tiermodell.

Die Verwendung von humanem Hirngewebe hat zusätzlich den Vorteil, dass dadurch Tierversuche reduziert werden können, da ein Teil der Fragestellungen direkt im menschlichen Gewebe bearbeitet werden kann.

Eine große Limitation ist die relativ kurze Überlebenszeit von reseziertem Hirngewebe, das gewöhnlich nicht länger als 20 Stunden vital gehalten werden kann.

In unserem Kooperationslabor in Paris (Leiter: Richard Miles) ist kürzlich eine Technik entwickelt worden, bei der humane Hirnschnitte bis zu 4 Wochen in Kultur gehalten werden können.

Wir planen aktuell, diese Methode in Berlin zu etablieren, um humanes Hirngewebe im größeren Ausmaß als bisher für grundlagenwissenschaftliche und pathophysiologische Fragestellungen nutzbar machen zu können.

Arbeitsgruppenleitung: Prof. Dr. med. Martin Holtkamp

Leitung Bereich klinische Epilepsieforschung: PD Dr. med. Alexander Kowski

Leitung Bereich experimentelle Epilepsieforschung: PD Dr. med. Pawel Fidzinski

Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter:

  • Dr. med. Jakob Dörrfuß
  • PD Dr. med. Pawel Fidzinski
  • Dr. med. Verena Gaus
  • Prof. Dr. med. Martin Holtkamp
  • Dr. med. Maria Ilyas-Feldmann, PhD
  • PD Dr. med. Alexander Kowski
  • Julia Nichtweiß
  • Sophie Reinecke (zurzeit Ev. Krankenhaus Königin Elisabeth Herzberge)
  • Sophie Schlabitz
  • Dr. med. Mirja Steinbrenner
  • Dr. med. Bernd Vorderwülbecke
  • Dr. med. Matthias Wawra

Technische Mitarbeiterin (experimentelle Epilepsieforschung) Mandy Marbler-Pötter

Doktorandinnen und Doktoranden

  • Matthias von Bornstädt
  • Ramazan Dag
  • Roman Davids
  • Hanno Heuzeroth
  • Larissa Kraus (PhD)
  • Christian Kroneberger
  • Hannah Merkle
  • Alienor Ragot (PhD)
  • Lena Scheuren
  • David Steinbart
  • Moritz Thinius
  • Tabea Tito