ANTICONVULSANT EFFICACY OF INHIBITION OF SYNAPTIC AND EXTRASYNAPTIC GABA-TRANSPORTERS IN PREVENTION OF HYPERBARIC OXYGEN SEIZURES

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Hyperbaric oxygen (HBO2) inhibits GABAergic neurotransmission in the brain, which can lead to the development of a seizure disorders known as “oxygen epilepsy”. Deficiency in GABAergic transmission in HBO2, resulting from a decrease in the level of synaptic GABA, can be compensated by inhibition of neuronal and glial GABA transporters (GAT). The present study compared the anticonvulsant efficacy of two types of GABA transporters with tiagabine, a GAT-1 inhibitor, and SNAP 5114, a GAT-3 inhibitor. Anticonvulsant effects were assessed after administration of drugs into the lateral cerebral ventricle of rats 30 min before the start of hyperbaric oxygen exposure at 5 ATA. In separate experiments, the concentration of GABA in the striatum of rats was measured when breathing oxygen at a pressure of 5 ATA after GAT inhibition with tiagabine or SNAP 5114. New results obtained in the study were: (1) inhibition of GAT-1 or GAT-3 prevented the development of “oxygen epilepsy” in rats; (2) among the two inhibitors used, TGB was found to be more effective in preventing oxygen convulsions compared to SNAP 5114; (3) the combined use of TGB + SNAP 5114 caused an additive anticonvulsant effect; (4) oxygen convulsions appeared when GABA in the brain decreased by 30–40% of the initial level; (5) GAT-1 inhibition with tiagabine increased extracellular GABA 2.9-fold and 1.7-fold with SNAP 5114. GAT-1 and GAT-3 inhibition increased GABA to a level sufficient to restore impaired inhibitory neurotransmission in HBO2, and prevented the development of hyperbaric oxygen convulsions.

About the authors

O. S. Alekseeva

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: osa72@inbox.ru
Russia, St. Petersburg

B. A. Gerda

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russia, St. Petersburg

A. S. Zhilyaeva

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russia, St. Petersburg

I. T. Demchenko

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: osa72@inbox.ru
Russia, St. Petersburg

References

  1. Зальцман ГЛ (1968) Стадии развития кислородной эпилепсии и функциональное состояние нервной системы. В кн. Гипербарические эпилепсия и наркоз. Л. Наука. [Zaltsman GL (1968) Stages of formation of oxygen epilepsy and the functional state of the centres of the nervous system. In book: Hyperbaric epilepsy and narcosis. Ed. Zaltsman G.L. Leningrad. Nauka. (In Russ)].
  2. Demchenko IT, Zhilyaev SY, Moskvin AN, Krivchenko AI, Piantadosi CA, Allen BW (2017) Antiepileptic drugs prevent seizures in hyperbaric oxygen: A novel model of epileptiform activity. Brain Res 1657: 347–354. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2016.12.032
  3. Demchenko IT, Zhilyaev SY, Alekseeva OS, Krivchenko AI, Piantadosi CA, Gasier HG (2019) Increased Antiseizure Effectiveness with Tiagabine Combined with Sodium Channel Antagonists in Mice Exposed to Hyperbaric Oxygen. Neurotox Res 36 (4): 788–795. https://doi.org/10.1007/s12640-019-00063-5
  4. Ciarlone GE, Hinojo CM, Stavitzski NM, Dean JB (2019) CNS function and dysfunction during exposure to hyperbaric oxygen in operational and clinical settings. Redox Biol 27: 101–159. https://doi.org/10.1016/j.redox.2019.101159
  5. Demchenko IT, Zhilyaev SY, Platonova TF, Alekseeva OS, Nikitina ER (2021) Inhibition of GABA-Transaminase and GABA-Transporters in the Brain with Vigabatrin and Tiagabin Prevents Seizure Development in Rats Breathing Hyperbaric Oxygen. J Evol Biochem Physiol 57 (5): 1101–1109. https://doi.org/10.1134/S0022093021050112
  6. Щербакова ГВ (1962) Активность глютаматдекарбоксилазы и содержание γ-аминомасляной кислоты в мозге крыс при разных функциональных состояниях, вызванных повышенным давлением кислорода. ДАН СССР 146(5): 1213–1215. [Shcherbakova GV Glutamate decarboxylase activity and γ-aminobutyric acid content in rat brain at different functional states caused by high oxygen pressure. DAN USSR 146 (5): 1213–1215. (In Russ)].
  7. Wood JD, Watson WJ (1964) The effect of oxygen on glutamic acid decarboxylase and gamma-aminobutyric acid-alpha-ketoglutaric acid transaminase activities in rat brain homogenates. Can J Physiol Pharmacol 42: 277–279. https://doi.org/10.1139/y64-032
  8. Mialon P, Gibey R, Bigot JC, Barthelemy L (1992) Changes in striatal and cortical amino acid and ammonia levels of rat brain after one hyperbaric oxygen-induced seizure. Aviat Space Environ Med 63 (4): 287–291.
  9. Gasier HG, Demchenko IT, Tatro LG, Piantadosi CA (2017) S-nitrosylation of GAD65 is implicated in decreased GAD activity and oxygen-induced seizures. Neurosci Lett 653: 283–287. https://doi.org/10.1016/j.neulet.2017.05.067
  10. Borden LA, Dhar TG, Smith KE, Branchek TA, Gluchowski C, Weinshank RL (1994) Cloning of the human homologue of the GABA transporter GAT-3 and identification of a novel inhibitor with selectivity for this site. Recept Channels 2 (3): 207–213.
  11. Richerson GB, Wu Y (2003) Dynamic equilibrium of neurotransmitter transporters: not just for reuptake any more. J Neurophysiol 90 (3): 1363–1374. https://doi.org/10.1152/jn.00317.2003
  12. Overstreet LS, Westbrook GL (2003) Synapse density regulates independence at unitary inhibitory synapses. J Neurosci 23 (7): 2618–2626. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.23-07-02618.2003
  13. Semyanov A, Walker MC, Kullmann DM, Silver RA (2004) Tonically active GABA A receptors: modulating gain and maintaining the tone. Trends Neurosci 27 (5): 262–269. https://doi.org/10.1016/j.tins.2004.03.005
  14. Böck MC, Höfner G, Wanner KT (2020) N-Substituted Nipecotic Acids as (S)-SNAP-5114 Analogues with Modified Lipophilic Domains. Chem Med Chem 15 (9): 756–771. https://doi.org/10.1002/cmdc.201900719
  15. Guastella J, Nelson N, Nelson H, Czyzyk L, Keynan S, Miedel MC, Davidson N, Lester HA, Kanner BI (1990) Cloning and expression of a rat brain GABA transporter. Science 249 (4974): 1303–1306. https://doi.org/10.1126/science.1975955
  16. Liu QR, López-Corcuera B, Mandiyan S, Nelson H, Nelson N (1993) Molecular characterization of four pharmacologically distinct gamma-aminobutyric acid transporters in mouse brain. J Biol Chem 268 (3): 2106–2112.
  17. Nelson H, Mandiyan S, Nelson N (1990) Cloning of the human brain GABA transporter. FEBS Lett 269 (1): 181–184. https://doi.org/10.1016/0014-5793(90)81149-i
  18. Jin XT, Galvan A, Wichmann T, Smith Y (2011) Localization and Function of GABA Transporters GAT-1 and GAT-3 in the Basal Ganglia. Front Syst Neurosci 5: 63. https://doi.org/10.3389/fnsys.2011.00063
  19. Schousboe A (1981) Transport and metabolism of glutamate and GABA in neurons are glial cells. Int Rev Neurobiol 22: 1–45. https://doi.org/10.1016/s0074-7742(08)60289-5
  20. Kersanté F, Rowley SC, Pavlov I, Gutièrrez-Mecinas M, Semyanov A, Reul JM, Walker MC, Linthorst AC (2013) A functional role for both-aminobutyric acid (GABA) transporter-1 and GABA transporter-3 in the modulation of extracellular GABA and GABAergic tonic conduc tances in the rat hippocampus. J Physiol 591 (10): 2429–2441. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2012.246298
  21. Dalby NO (2000) GABA-level increasing and anticonvulsant effects of three different GABA uptake inhibitors. Neuropharmacology 39 (12): 2399–2407. https://doi.org/10.1016/s0028-3908(00)00075-7
  22. Paxinos G, Watson C (2005) The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. Boston, MA: Elsevier.
  23. Racine RJ (1972) Modification of seizure activity by electrical stimulation. II. Motor seizure. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 32 (3): 281–294. https://doi.org/10.1016/0013-4694(72)90177-0
  24. Demchenko IT, Piantadosi CA (2006) Nitric oxide amplifies the excitatory to inhibitory neurotransmitter imbalance accelerating oxygen seizures. Undersea Hyperb Med 33(3): 169–174.
  25. Faiman MD, Nolan RJ, Baxter CF, Dodd DE (1977) Brain gamma-aminobutyric acid, glutamic acid decarboxylase, glutamate, and ammonia in mice during hyperbaric oxygenation. J Neurochem 28 (4): 861–865. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1977.tb10640.x
  26. Zhang S, Takeda Y, Hagioka S, Takata K, Aoe H, Naka-tsuka H, Yokoyama M, Morita K (2005) Measurement of GABA and glutamate in vivo levels with high sensitivity and frequency. Brain Res Brain Res Protoc 14 (2): 61–66. https://doi.org/10.1016/j.brainresprot.2004.03.005
  27. Demchenko IT, Boso AE, O’Neill TJ, Bennett PB, Piantadosi CA (2000) Nitric oxide and cerebral blood flow responses to hyperbaric oxygen. J Appl Physiol (1985) 88 (4): 1381–1389. https://doi.org/10.1152/jappl.2000.88.4.1381
  28. Dean JB, Mulkey DK, Garcia AJ 3rd, Putnam RW, Henderson RA 3rd (2003) Neuronal sensitivity to hyperoxia, hypercapnia, and inert gases at hyperbaric pressures. J Appl Physiol (1985) 95 (3): 883–909. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00920.2002
  29. Alsip NL, DiMicco JA (1992) Time course of effects of 3-mercaptopropionic acid on GABA levels in different brain regions in guinea pigs: possible relationship with associated cardiovascular changes. Neurochem Res 17 (5): 443–448. https://doi.org/10.1007/BF00969890
  30. Dickinson BC, Chang CJ (2011) Chemistry and biology of reactive oxygen species in signaling or stress responses. Nat Chem Biol 7 (8): 504–511. https://doi.org/10.1038/nchembio.607
  31. Corcoran A, Cotter TG (2013) Redox regulation of protein kinases. FEBS J 280 (9): 1944–1965. https://doi.org/10.1111/febs.12224
  32. Go YM, Jones DP (2013) The redox proteome. J Biol Chem 288 (37): 26512–26520. https://doi.org/10.1074/jbc.R113.464131
  33. Stamler JS, Simon DI, Osborne JA, Mullins ME, Jaraki O, Michel T, Singel DJ, Loscalzo J (1992) S-nitrosylation of proteins with nitric oxide: synthesis and characterization of biologically active compounds. Proc Natl Acad Sci U S A 89 (1): 444–448. https://doi.org/10.1073/pnas.89.1.444
  34. Chung HS, Wang SB, Venkatraman V, Murray CI, Van Eyk JE (2013) Cysteine oxidative posttranslational modifications: emerging regulation in the cardiovascular system. Circ Res 112 (2): 382–392. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.112.268680
  35. Gould N, Doulias PT, Tenopoulou M, Raju K, Ischiropoulos H (2013) Regulation of protein function and signaling by reversible cysteine S-nitrosylation. J Biol Chem 288 (37): 26473–26479. https://doi.org/10.1074/jbc.R113.460261
  36. Kovacs I, Lindermayr C (2013) Nitric oxide-based protein modification: formation and site-specificity of protein S-nitrosylation. Front Plant Sci 4: 137.https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00137
  37. Atochin DN, Demchenko IT, Astern J, Boso AE, Piantadosi CA, Huang PL (2003) Contributions of endothelial and neuronal nitric oxide synthases to cerebrovascular responses to hyperoxia. J Cereb Blood Flow Metab 23 (10): 1219–1226. https://doi.org/10.1097/01.WCB.0000089601.87125.E4
  38. Fink-Jensen A, Suzdak PD, Swedberg MDB, Judge ME, Hansen L, Nielsen PG (1992) The γ-aminobutyric acid (GABA) uptake inhibitor, tiagabine, increases extracellular brain levels of GABA in awake rats. Eur J Pharmacol 220 (2–3): 197–201. https://doi.org/10.1016/0014-2999(92)90748-s
  39. Van der Zeyden M, Oldenziel WH, Rea K, Cremers TI, Westerink BH (2008) Microdialysis of GABA and glutamate: analysis, interpretation and comparison with microsensors. Pharmacol Biochem Behav 90 (2): 135–147. https://doi.org/10.1016/j.pbb.2007.09.004
  40. Del Arco A, Segovia G, Fuxe R, Mora F (2003) Changes in dialysate concentrations of glutamate and GABA in the brain: An index of volume transmission mediated actions? J Neurochem 85: 23–33. https://doi.org/10.1046/j.1471-4159.2003.01692
  41. Keros S, Hablitz JJ (2005) Subtype-specific GABA transporter antagonists synergistically modulate phasic and tonic GABAA conductances in rat neocortex. J Neurophysiol 94 (3): 2073–2085. https://doi.org/10.1152/jn.00520.2005

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (66KB)
Indexing metadata
3.

Download (27KB)
Indexing metadata
4.

Download (123KB)
Indexing metadata
5.

Download (137KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 О.С. Алексеева, Б.А. Герда, А.С. Жиляева, И.Т. Демченко

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».