Die Funktion von Laktat bei synaptischer Übertragung, die Regenerierung von
Ionen Gradienten und der Erhalt von epilepsieartigen Aktivitäten im
Hippocampus der Ratte und humanen neokortikalen Schnitten
Under normal conditions brain energy metabolism relies almost exclusively on
the oxidative metabolism of glucose. Lactate, derived from glycolytic
metabolism of glial cells, has been speculated to serve as an alternative
substrate under specific circumstances. Indeed, lactate was shown to support
synaptic transmission, neuronal plasticity and memory consolidation even in
the presence of ample glucose. In addition, lactate may also modulate neuronal
activity through its own hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCA1). Even though
activity dependent extracellular lactate increases are long known, their
contribution to neuronal excitability and maintenance of transmembrane ion
gradients has barely been studied. Lactate exchange between brain cells and
across the blood-brain-barrier is mediated via hemichannels, ion channels and
monocarboxylate transporters (MCT 1-4). In chronic epileptic tissue, the
expression of MCT1 is reduced on endothelial cells and upregulated on
astrocytes, which is in favor of increased extracellular lactate accumulation
and impaired clearance to the circulation. Whether this process is pro or
anti-ictogenic (due to metabolic support or lactic acidosis, respectively) is
currently not known. Here, I determined the contribution of lactate derived
ATP to synaptic signaling, ion recovery kinetics and maintenance of
pathological network activity in rat hippocampal slices as well as in chronic
epileptic tissue resected from patients with temporal lobe epilepsy (TLE).
Stimulus induced changes in field potential, extracellular K+, Na+, Ca2+, H+
concentration as well as tissue oxygen level (pO2) were determined in layer
V/VI of human neocortex, and rat medial entorhinal cortex (MEC) and
hippocampus slices in the presence or absence of the MCT blockers alpha-
cyano-4-hydroxycinnamic acid (4-CIN) or D-lactate. Application of 4-CIN
reduced stimulus induced oxygen consumption and synaptic transmission and
prolonged ion transient recovery time. The effect on synaptic transmission was
partly mediated by activation of KATP channels which hyperpolarize neurons
during state of ATP depletion, whereas the contribution of HCA1 receptors
could be excluded. On the contrary, despite supporting oxidative energy
metabolism, lactate uptake inhibitors did not affect field potential responses
or decay kinetics of extracellular K+ in chronic epileptic tissue. MCT
inhibitors reduced the incidence and duration/amplitude of seizure-like events
(SLEs) in rat MEC and in human neocortical slices. The anti-seizure effect of
lactate uptake inhibitors was mediated by adenosine A1 receptor and not by
changes in pH. In conclusion, lactate contributes to oxidative metabolism and
supports synaptic transmission and recovery of ion gradients changes in
healthy tissue while it maintains SLEs in pathologic states.Die Energieversorgung des Gehirns beruht unter physiologischen Bedingungen
beinahe ausschließlich auf oxidativem Metabolismus von Glukose. Laktat, aus
dem anaeroben Metabolismus der Gliazellen, kann unter speziellen Umständen als
alternatives Substrat dienen. Tatsächlich wurde nachgewiesen, dass Laktat als
Substrat des Energiemetabolismus, die synaptische Übertragung stützen kann,
und zudem an neuronaler Plastizität beteiligt und für die Konsolidierung von
Gedächtnisinhalten notwendig ist. Zusätzlich kann Laktat durch Aktivierung
eines G-Protein gekoppelten Hydroxykarbonsäure-Rezeptors (HCA1) direkt Wirkung
auf die neuronale Funktion ausüben. Obwohl der aktivitätsbedingte Anstieg der
parenchymalen Laktatkonzentration schon sehr lange bekannt ist, ist die Rolle
von Laktat für neuronale Erregbarkeit, sowie für die Wiederherstellung der
transmembranären Ionengradienten weitestgehend unerforscht geblieben. Der
Laktataustausch zwischen Gehirnzellen und der Blut-Hirn Schranke wird durch
Ionenkanäle, Hemikanäle und Monokarboxysäuretransporters (MCT1-4) getragen. In
chronisch epileptischem Gewebe wird MCT1 an Endothelzellen vermindert und an
Astrozyten vermehrt exprimiert, was wiederum eine Laktatakkumulation im
Gehirngewebe mit verringerter Abgabe in die Blutzirkulation zufolge hat. Ob
diese Prozesse pro oder antiiktogen wirken (jeweils durch metabolische
Unterstützung oder Laktacidose), ist zur Zeit noch nicht bekannt. In dieser
Studie habe ich den Beitrag des Laktat-abhängigen Anteils der ATP Synthese zum
Energiebedarf der synaptischer Übertragung, zur Aufrechterhaltung von
transmembranären Ionengradienten und an pathologischer Netzwerkaktivität in
hippokampalen Gehirnschnitten der Ratte und in chronisch epileptischen,
kortikalen Gehirnschnitten von Temporallapenepilepsiepatienten untersucht.
Stimulus induzierte Änderungen des Feldpotentials, der extrazellulären K+,
Na+, Ca2+, H+ Konzentrationen und des Sauerstoffpartialdrucks wurden mit oder
ohne Blockade des MCTs durch alpha-Cyano-4-hydroxyzimtsäure (4-CIN) oder
D-Laktat gemessen. Die Gabe von 4-CIN führte zur Reduktion des
Sauerstoffverbrauchs, zur Verringerung synaptischer Übertragung und
Verlangsamung von extrazellulären Ionenänderungen. Der Effekt auf die
synaptische Übertragung wurde zum Teil durch die Aktivierung der KATP Kanäle
getragen, welche im Falle eines ATP-Mangels die Nervenzellen
hyperpolarisieren, während der Beitrag von HCA1 Rezeptoren ausgeschlossen
werden konnte. Im Gegensatz dazu, hat die Blockade der Laktat- aufnahme in
chronisch epileptischem Gewebe weder die synaptische Übertragung noch die
Wiederherstellung transmembranärer Ionengradienten beeinflusst, obwohl die
Zellatmung eindeutig durch 4-CIN gehemmt wurde. Gleichzeitig haben die MCT
Inhibitoren 4-CIN und D-Laktat jedoch die Inzidenz, Dauer und Amplitude der
evozierten anfallsartigen Ereignisse in den kortikalen Gehirnschnitten der
Ratte und der Epilepsiepatienten verringert. Diese antiiktogene Wirkung wurde
durch die Aktivierung von Adenosinrezeptoren (A1) in Folge der verminderten
ATP-Verfügbarkeit und nicht durch Laktazidose ausgelöst. Zusammenfassend
konnte ich feststellen, dass Laktat einen wichtigen Beitrag zum Energiebedarf
der synaptischen Übertragung und zur Wiederherstellung der Ionengradienten und
zum Aufrechterhalten pathologischer anfallsartiger Aktivität leistet
