Sytokiinit ovat peptidirakenteisia välittäjäaineita, jotka tunnetaan parhaiten niiden tulehdusreaktiota säätelevistä vaikutuksista. Sytokiineillä on myös merkitystä hermoston normaalissa toiminnassa kuten esimerkiksi oppimisessa. Sytokiinejä vapautuu hermostossa myöskin useisiin sairaustiloihin liittyen: aivohalvauksessa, aivovammassa, sekä erilaisten tulehduksellisten sairauksien yhteydessä. Sytokiinejä on tunnistettu useita satoja.

Myös epileptiseen sarjakohtaukseen on osoitettu koe-eläinmalleissa liittyvän sytokiinien ilmentymisen lisääntyminen ja vapautuminen lähinnä hermoston tukisoluista. Ilmentymisen ja vapautumisen on katsottu liittyvän toisaalta hermoston sähköiseen purkaukseen ja toisaalta sen seurauksena syntyvään hermokudostuhoon.

Tässä väitöskirjassa on tutkittu erityisesti Interleukiini-6 (IL-6) perheen sytokiinien ja sytokiinireseptorien ilmentymistä tai vapautumista selkäydinnesteeseen tai verenkiertoon erilaisten kohtausten jälkeen potilailla ja toisaalta koe-eläinmalleissa. Osoitimme, että IL-6:n ja leukemiaa estävän tekijän (LIF) ilmentyminen lisääntyi aivojen limbisen järjestelmän alueella epileptisen sarjakohtauksen jälkeen kainihappo-mallissa rotalla, samoin IL-6 sytokiinien reseptorien ilmentyminen lisääntyi erityisesti hippokampuksen alueella. Selvitimme lisäksi IL-6:n merkitystä kohtausalttiuteen pentyleenitetrazoli-mallissa (PTZ) rotalla, ja totesimme että intranasaalisesti annosteltu IL-6 lisäsi kohtausherkkyyttä ja kohtauksen kestoa merkittävästi.

Tutkimuksen toisena tavoitteena oli selvittää, tapahtuuko kokeellisesti todennettua sytokiinien vapautumista epileptisen kohtauksen saaneilla potilailla. Tutkimuksessa todettiin että erityisesti IL-6 pitoisuudet kohosivat merkittävästi sekä aivo-selkäydinnesteessä sekä veressä äkillisen epileptisen kohtauksen jälkeen. Lisäksi havaittiin, että IL-6 pitoisuudet olivat korkeammat erityisesti pitkittyneisiin kohtauksiin liittyen. Lisäksi havaitsimme video-eeg tutkimuksen perusteella, että sytokiinien IL-6 ja interleukiini-1 reseptoriantagonisti (IL-1ra) pitoisuudet ovat kohonneet muutaman tunnin kuluttua kohtauksessa palaten normaalitasolle vuorokauden kuluessa. IL-6 pitoisuudet olivat korkeammat yleistyneen kohtauksen jälkeen verrattuna paikallisalkuiseen kohtaukseen. Viimeisessä osatyössä tutkimme sytokiinien pitoisuuksia vaikeaa masennusta sairastavilla potilailla sähköhoidon jälkeen. Sähköhoidon jälkeen IL-6 ja interleukiini-1beta (IL-1beta) pitoisuudet olivat kohonneet veressä ensimmäisten tuntien aikana sähköhoidon jälkeen palaten lähtötasolle vuorokauden kuluessa, muistuttaen spontaania yleistynyttä epileptistä kohtausta. Lisäksi havaitsimme, että IL-6 pitoisuudet olivat verrannollisia sähköhoidossa käytetyn virran annoksen suuruuteen.

Tämä väitöskirja osoittaa, että kohtauksiin liittyy sytokiinijärjestelmän aktivoituminen sekä koe-eläinolosuhteissa että ihmisillä. IL-6 ja mahdollisesti muutkin sytokiinit säätelevät lisäksi hermoston kohtausalttiutta. Lisäksi havaitsimme, että yksittäisten kohtausten jälkeen IL-6 pitoisuudet olivat verrannollisia kohtauksen voimakkuuteen tai sähköhoidossa käytettyyn virran annokseen viitaten siihen, että IL-6 ja mahdollisesti muutkin sytokiinit vapautuvat hermoston sähköisen purkauksen seurauksena.

Earlier experimental and clinical studies have suggested that inflammatory cytokines are released in the brain after seizures, which may have functional significance in epilepsy. The mechanisms as well as detailed information about the release of cytokines especially in human patients are not well understood. In this dissertation, we studied the production of pro-inflammatory cytokines after seizures using both experimental and clinical approaches. We concentrated on the time course of cytokine production as well as the mechanisms of cytokine release. We have also assessed the effect of IL-6 on seizure threshold in rats.

In the first experiment, we studied the expression of cytokines (IL-1β, TNF-α, IL-6 and LIF) as well as IL-6 cytokine receptors (IL-6R, LIFR and Gp130) in the rat brain using Northern blot analysis and in situ hybridization histochemistry after SE induced by chemoconvulsant kainic acid. We found that all cytokines were up-regulated within hours after SE, returning to basal levels within 24 hours. We also found that IL-6R and LIFR were up-regulated in the hippocampus in structures representing most likely pyramidal cell neurons. Gp130 was expressed constitutively in the brain, however, delayed scattered up-regulation was found throughout the limbic system at 3 ­ 7 days after SE.

In the second part of the study, we studied the levels of IL-6 and its soluble receptors (sIL-6R and sGp130) in CSF and serum using ELISA in patients with different types of acute seizures and in control subjects. We found that IL-6 levels were increased after seizures both in CSF and serum, with higher levels in CSF. The levels of IL-6 were higher in patients with more severe seizures. We also found some indications that sIL-6R levels may be lower in CSF and serum and that sGp130 levels are higher in serum after seizures, however, the results were not consistent.

The levels of cytokines IL-1β, IL-1ra, IL-6 and sIL-6R and sGp130 were also studied in plasma in patients with chronic localization-related epilepsy undergoing video-EEG study. In this experiment, post-ictal cytokine levels were compared to patient s basal (inter-ictal) levels. We found that IL-6 and IL-1ra were increased post-ictally within hours after the seizure, returning to basal levels by 24 hours. IL-6 was increased in a manner reflecting seizure severity: secondarily generalized seizures were followed by clear increase in IL-6 levels whereas complex partial seizures caused only minor increase. During the inter-ictal period there was some indication of increased IL-6 levels and decreased sIL-6 levels in plasma when levels were compared with those of control subjects.

Earlier experiments strongly suggested that cytokines and especially IL-6 is released from the CNS after seizures via a mechanism involving increased neuronal activity and seizure spread. Hypothesis was further tested in patients with severe depression undergoing electroconvulsive therapy. The levels of IL-1β, IL-1ra and IL-6 were measured using ELISA in plasma after electrographic seizures under general anaesthesia. We found that IL-1β and IL-6 are strongly increased within the first hours after induced seizure, returning to basal levels within 24 hours. The levels of IL-6 correlated with the charge used in seizure induction, which represents the volume of seizure focus.

An earlier series of experiments suggested a crucial role for IL-6 after seizures as a seizure related multifunctional cytokine. We therefore tested the effect of IL-6 on seizures using the PTZ model of seizures. Human recombinant IL-6 was administered intranasally, which has been shown to be a possible route for drug delivery into CNS. We found that IL-6 strongly exacerbated the severity of PTZ induced seizures when applied prior to seizure induction. We were also able to control delivery of hrIL-6 into the brain: high levels of human IL-6 were measured in frontal lobe block using ELISA only in rats receiving hrIL-6 supporting successful delivery of hrIL-6 into CNS.

As a conclusion, we have here demonstrated that cytokine cascade is activated in the CNS after seizures. Very consistent results were obtained in experimental and different clinical settings, suggesting that the cytokine network is activated during the first 24 hours after the seizure. It may also be concluded that IL-6 has a special role as a seizure-induced cytokine: the levels of IL-6 were strongly associated with severity of seizures in different experiments. We also found that IL-6 may, in fact, act as a pro-convulsant cytokine. Together with earlier studies, our results suggest that cytokine cascade has clinically relevant effects in the context of seizures and epilepsy. Cytokines are able to modulate neuronal excitability and may therefore be potential targets for future drug therapy.

In addition to spontaneous epileptic seizures, the present studies explore the release of cytokines related to seizures associated not only with epilepsy but also conditions like status epilepticus, various types of symptomatic seizures as well as electroconvulsive therapy. Therefore, activation of cytokine cascade by seizures may also have relevance for other diseases, especially in depression. Our results concerning pro-convulsant effects of IL-6 also suggest that in various inflammatory diseases like infections or autoimmune diseases, activation of cytokines may be associated with decreased seizure threshold resulting in symptomatic seizures. In the context of epilepsy, our results indicate that cytokine cascade activation after recurrent seizures may be of significance in neuropathological changes (like gliosis, neuronal damage, structural plasticity), which are important determinants of prognosis in epilepsy.