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Hintergrund der Erfindung
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Das technische Gebiet dieser Erfindung
ist die Veränderung
der neuronalen Aktivität
durch Implantieren von Vorrichtungen in vorgewählte Gehirnstellen, welche
fokal neuroinhibitorische Verbindungen freisetzen. Für diese
Behandlung vorgesehene Bewegungsstörungen schließen die
Parkinson-Krankheit,
Chorea Huntington, Epilepsie und Schmerzlinderung ein.
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Neuroinhibitorische Verbindungen
schließen die
inhibitorischen Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure (GABA)
und in manchen Fällen
Dopamin ein. Neurotransmitter sind kleine Moleküle (normalerweise weniger als
1 Kilodalton (kD) Molekulargewicht), welche als chemische Kommunikationsmittel
zwischen Neuronen agieren. Sie werden vom präsynaptischen Neuron synthetisiert
und in den synaptischen Spalt freigesetzt, wo sie auf Rezeptoren
an postsynaptischen Neuronen wirken, die für den bestimmten Neurotransmitter
spezifisch sind. GABA wird als ein allgemeiner inhibitorischer Neurotransmitter
betrachtet, da Rezeptoren für
GABA in jeder bislang untersuchten Gehirnregion identifiziert worden
sind (Krnjevic, K., 1991, in: GABA Mechanisms in Epilepsy, Wiley-Liss,
S.47–87).
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Paralysis agitans, häufiger als
Parkinson-Krankheit bekannt, wird durch einen Mangel des Neurotransmitters
Dopamin innerhalb des Striatums des Gehirns charakterisiert, sekundär gegenüber der Zerstörung von
Dopamin sekretierenden Zellen der Substantia nigra. Der Verlust
dieser Dopamin sekretierenden Zellen unterbricht das normale Aktivitätsmuster
von bestimmten Nervenleitungen durch die Basalganglien zum Thalamus.
Es wird postuliert, dass ein Ergebnis dieser Veränderungen in der Aktivität der Basalganglien
ein Anstieg der Aktivität
von bestimmten, den Thalamus hemmenden Neuronen ist, wobei sich
der exzitatorische Stimulus vom Thalamus zum motorischen Cortex
verringert. Für
eine normale Bewegung werden exzitatorische Thalamussignale benötigt, um
Signale vom motorischen Cortex zu den Muskeln des Körpers regulieren.
Patienten mit Parkinson-Symptomen
zeigen Bewegungsstörungen,
die Steifheit und eine Langsamkeit der Bewegung und einen rhythmischen
Tremor der Gliedmaßen
umfassen.
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Diese klinischen Symptome können durch die
systemische Verabreichung von Dopamin-Vorläufern wie etwa Levodopa (L-Dopa)
(Calne et al. (1969) Lancet ii: 973–976) oder Dopamin-Antagonisten
wie etwa Bromocriptin (Caine et al. (1974) Bri. Med. 3. 9: 442–444) und
(+)-4-Propyl-9-hydroxynapthoxacin (de Yebenes et al. (1987) Movement
Disorders 2: 291–299)
verbessert werden, wobei alle dieser Substanzen die Blut-Hirn-Schranke
durchqueren können.
Dopamin selbst kann wegen dem Unvermögen, die Blut-Hirn-Schranke
zu überqueren,
nicht systemisch verabreicht werden. Es ist herausgefunden und im
US-Patent 4,892,538 offenbart worden, dass eine lokalisierte Lieferung
von Dopamin an das Striatum bestimmte Parkinson-Bewegungsstörungen lindern
kann.
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Als eine Ergänzung oder Alternative zu einer Dopamin-Therapie
ist eine Behandlung mit dem inhibitorischen Neurotransmitter GABA
in Betracht gezogen worden. Postmortale Gehirnstudien haben gezeigt,
dass Patienten mit der Parkinson-Krankheit zusätzlich zu Dopamin-Mängeln eine
verringerte GABA-Funktion der Basalganglien besitzen (Bennet, J.P.,
et al. 1987, Ann. Neurol. 21: 41–45). Unter Verwendung experimenteller
Tiermodelle für
Parkinson sind GABA und seine Antagonisten durch systemische oder
intraventrikuläre
Wege oder durch eine scharf lokalisierte Infusion zu den Basalganglien (Bennet,
J.P. et al. siehe oben; Saji, M., et al. 1987, Science 235; 66–69; Carvey,
P.M. et al. 1991, Movement Disorders 6: 272) verabreicht worden.
Ebenso wie mit ähnlichen
Arten der Dopamin-Therapie wird die systemische oder intraventrikuläre Verabreichung von
GABA bei menschlichen Patienten wahrscheinlich zu unerwünschten
Nebenwirkungen führen,
weil der inhibitorische Neutrotransmitter ebenso auf GABA-Rezeptoren
in Gehirnregionen wirkt, die nicht mit der pathologischen Bedingung
zusammenhängen. Eine
lokalisierte Infusion von GABA-mimetischen Arzneimitteln durch Kanülen wäre nicht
zweckmäßig und
würde wahrscheinlich
mit Problemen wie etwa einer Infektion und mechanischem Versagen
von Pumpenvorrichtungen verbunden sein.
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Bei einigen Patienten ist eine stereotaktische Chirurgie
oder die Platzierung von präzise
lokalisierten Läsionen
im Gehirn praktiziert worden, und es scheint, dass diese Prozedur
in bestimmten Fällen eine
gewisse Erleichterung der Parkinson-Symptome bereitstellt. Die Prozedur
ist aber riskant und Meinungen unter Neurochirurgen im Hinblick
auf den besten Weg der Herstellung der Läsion und darüber, welches
die ideale Lokalisierung sein sollte, gehen auseinander. Läsionen in
verschiedenen Regionen der Basalganglien, beispielsweise im Nucleus
subthalamicus (STN) und im Globus pallidus internus (GPi) sind bei
der Linderung von Parkinson-Bewegungsstörungen mit unterschiedlichem
Erfolg versucht worden. Diese Stellen (STN und GPi) wurden für eine Zerstörung ausgesucht
basierend auf der Hypothese, dass bei Parkinson-Erkrankungen eine übermäßige Aktivität (Enthemmung)
von Neuronen mit Zellkörpern,
die im STN und/oder dem GPi lokalisiert sind (siehe 1), zu einer anormalen Hemmung von Thalamus-Neuronen
führt.
Für eine
normale Bewegung ist die exzitatorische Aktivität von Thalamus-Fortsätzen zum
motorischen Cortex ist erforderlich. Folglich wurde postuliert,
dass der Erfolg von Läsionen
des STN und des GPi von der Unterbrechung von Leitungen herrührt, welche
zu einer übermäßigen Hemmung
von Thalamus-Neuronen
führen
(für einen Überblick über diese
Hypothese siehe Aebischer, P., et al., 1991, Science 252: 133).
Eine Läsion von
bestimmten Gehirnregionen ist aber als Therapie problematisch, weil
die Läsion
notwendigerweise alle Neuronen in der ausgewählten Region zerstört, einschließlich derjenigen,
welche normal funktionieren.
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Chorea Huntington ist eine genetisch übertragene
Krankheit, die durch den Beginn von choreaähnlichen Bewegungsstörungen im
mittleren Alter charakterisiert ist. Eine betroffene Gehirnregion
bei Chorea Huntington sind wie bei der Parkinson-Krankheit wahrscheinlich
die Basalganglien. Im Gegensatz zu Parkinson sind aber wahrscheinlich
die dopaminergen Neuronen der Substantia nigra bei Chorea Huntington
intakt. Bei Chorea Huntington gibt es eine allgemeine Zerstörung von
Neuronen mit Zellkörpern im
Striatum. Diese Degeneration betrifft unter anderem den Output des
Striatums zum GPe, zum GPi und zur SNpr. Ähnlich wie bei der Parkinson-Krankheit
resultiert ein Verlust der efferenten Striatum-Verbindungen zu diesen
Nuclei in einer allgemeinen Enthemmung des GPi- und SNpr-Thalamus-Outputs. Eine
Behandlung ist im Allgemeinen auf Beruhigungsmittel, Phenothiazine
und andere Arzneimittel beschränkt
gewesen, welche systemisch und unspezifisch wirken, um das zentrale
Nervensystem zu dämpfen.
Es ist nun in einer Anzahl von Tiermodellen gezeigt worden, dass
die Behandlung mit GABA zu einer Verbesserung der Dyskinesie führen kann.
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Es gibt einen Bedarf an Verfahren,
um nicht funktionierende Leitungen der Basalganglien zu korrigieren,
ohne ein übermäßiges Trauma
zu verursachen. Insbesondere existiert ein Bedarf an Verfahren zur
spezifischen Hemmung der Aktivität
von Neuronen innerhalb vorgewählter
Gehirn-Nuclei der Basalganglien, um Bewegungsstörungen zu lindern, die mit
der Parkinson-Krankheit und Chorea Huntington verbunden sind.
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Epileptische Anfälle stellen eine andere Erkrankung
dar, die mit neuronaler Hyperaktivität verbunden ist. Im Gegensatz
zur Parkinson-Erkrankung und Chorea Huntington kann allerdings die
Region der epileptischen neuronalen Hyperaktivität bei jedem einzelnen Betroffenen
einzigartig sein.
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Anfälle können von einem Lobus temporalis ausgehen,
von anderen limbischen Strukturen oder von Rindenfeldern, welche
sich auf limbische Regionen erstrecken, einschließlich dem
frontalen und okzipitalen Cortex. Eine Hyperaktivität in Basalganglien,
Thalamus und Hirnstamm-Nuclei begleitet einige klinische Signale
einer fokalen Krampfaktivität.
Eine Ausbreitung der Hyperaktivität betrifft oft bestimmte allgemeine
Strukturen wie etwa die Parahippocampusrinde, den Hippokampus und
den Mandelkörper (Meldrum,
B.S., 1990, The Lancet 336: 231–2341.
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Eine Standardbehandlung der Epilepsie schließt momentan
die andauernde . systemische Verabreichung von Arzneimitteln ein,
welche als allgemeine Beruhigungsmittel für das zentrale Nervensystem
wirken, oft mit begleitenden Nebenwirkungen wie etwa Sedierung und
allergischer Reaktion (Brodie, M.J., et al., 1990, The Lancet 336:
425–426;
Porter, R.J., 1990, The Lancet 336: 423–424). Eine Arzneimittelbehandlung
bei Epilepsie während
einer Schwangerschaft und Stillzeit bereitet besondere Probleme
wie etwa eine Tetratogenese (das Dreifache der Hintergrundrate)
und einer neonatalen Sedierung (Brodie, M.J., 1990, The Lancet 336: 426–427).
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Ein elektrisches Implantat ("Neurokybernetik-Prothese") ist als ein Verfahren
vorgeschlagen worden, um Krämpfe
durch elektrisches Stören
der neuronalen Signale zu verhindern (Lehrer, N.E., WO 98/01213,
28. März
1985).
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In schweren Fällen, wenn die Krämpfe nicht durch
Arzneimittel kontrolliert werden können, kann manchmal eine chirurgische
Entfernung von Teilen des limbischen Systems den Nervenkreislauf,
in dem sich eine Krampfaktivität
etabliert, durchbrechen, wodurch die Krampfaktivität verringert
wird (Meldrum, B.S., siehe oben). Es ist klar, dass eine Entfernung von
Teilen des Gehirns die letztmögliche
Behandlung darstellt. Was gebraucht wird, ist ein Verfahren zur Hemmung
der neuronalen Hyperaktivität
in einer speziellen epileptogenen Region, welche es erlaubt, dass
ein neuroinhibitorisches Arzneimittel die gewünschte Region in einer wirksamen
Konzentration erreicht, ohne unerwünschte Nebeneffekte zu verursachen.
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Zusammenfassung der Erfindung
und Gegenstände
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Es wird die Verwendung einer stationären Vorrichtung
bei der Herstellung eines Medikaments zur Verringerung der Aktivität eines
anormal hyperaktiven Output-Neurons offenbart, wobei die Vorrichtung
eine wiedergewinnbare semipermeable Makrokapsel umfasst, die mindestens
eine Verbindung enthält,
welche die neurale Aktivität
eines Zielneurons inhibiert, worin das Output-Neuron postsynaptisch an das Zielneuron
angeordnet ist. Durch Implantieren einer stationären Vorrichtung, welche fokal
eine neuroinhibitorische Verbindung für Zielneuronen freisetzt, inhibiert
die Verbindung somit vorteilhafterweise eine Hyperaktivität in den
Zielneuronen und verringert dabei die Hyperaktivität in der
Nervenleitung, in der das Zielneuron synaptisch gebunden ist.
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In einer Ausführungsform kann die Erfindung für die Linderung
von Bewegungsstörungen
verwendet werden, die mit Parkinson- und Huntington-Erkrankungen verbunden
sind, wegen der Verbindung, welche die neurale Aktivität eines
Zielneurons in einer Nervenleitung wie hierin zuvor beschrieben
inhibiert, wenn sie in die semipermeable wiedergewinnbare Makrokapsel
innerhalb der Gehirn-Nuclei der Basalganglien implantiert wird.
Solche Gehirn-Nuclei schließen beispielweise
den Nucleus subthalamicus (STN), den Globus pallidus internus (GPi),
die Substantia nigra pars reticulata (SNpr), die Substantia nigra
pars compacta (SNpc), den ventrolateralen Nucleus thalami (VLTN)
und das Striatum ein.
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Alternativ kann die Erfindung auch
verwendet werden bei der Linderung von epilepsieartigen Anfällen durch
Implantation der Verbindung, welche die neurale Aktivität eines
Zielneurons inhibiert, in einer Vorrichtung, welche die Verbindung
an Stellen der epileptogenen neuralen Hyperaktivität freisetzt.
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Die neuroinhibitorischen Verbindungen,
welche von der semipermeablen wiedergewinnbaren Vorrichtung freigesetzt
werden können,
die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet wird, können jedes
von GABA, GABA-Antagonisten, GABA-Verstärkere, Aktionspotential-Blocker,
spannungsabhängige Calciumkanal-Blocker,
Glutamat-Antagonisten, Phenytoin, Carbamezepin, Valproat, Barbiturate,
Benzodiazapine, Ethosuximid, Tetrodotoxin, Saxitoxin und Conotoxine
umfassen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
bestimmte Nervenleitungen durch die Basalganglien zum Thalamus und
Cortex. Diese Nervenleitungen sind die Hauptleitungen, die bei Parkinson-Bewegungsstörungen und
Chorea Huntington betroffen sind. 1 Substantia nigra pars compacta
(SNpc), 2 Substantia nigra pars reticulata (SNpr), 3 Striatum, 4
Globus pallidus externus (GPe), 5 Nucleus subthalamicus (STN), 6
Globus pallidus internus (GPi), 7 Thalamus, 8 motorischer Cortex.
Die schwarzen Pfeilspitzen stellen Neuronenenden von Axonen dar,
welche von den Gehirn-Nuclei ausgehen, aus dem sich die Pfeile erstrecken.
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Ein neuronaler Zusammenhang ist angezeigt durch
verbindende Pfeile. Die Pfeile zeigen neuronale Projektionen, die
von dem Nukleus ausgehen, aus dem sich der Pfeil erstreckt, und
die schwarzen Pfeilspitzen zeigen die Stelle der synaptischen Enden
von neuronalen Leitungen an.
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Die Nervenenden der Axone "a" setzen in einem normalen Individuum
Dopamin frei. Dieses Dopamin bindet entweder an die D1- (inhibitorischen) oder
D2- (exzitatorischen) Dopaminrezeptoren, die im Striatum vorhanden
sind. Für
alle schematisch aufgezeichneten Synapsen zeigt "+" oder "-" an, ob die Transmitter-Wechselwirkung
mit dem postsynaptischen Rezeptor einen inhibitorischen oder aktivierenden
Effekt auf das postsynaptische Neuron der Synapse besitzt. Außer bei
den dopaminergen Synapsen des Striatum wird der an einer bestimmten
Synapse freigesetzte Neurotransmitter ebenso auf dem Diagramm angegeben. "GABA" bezieht auf γ-Aminobuttersäure und "GLUT" auf Glutamat.
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2 ist
eine graphische Darstellung der Veränderungen des Drehungsverhaltens
von Ratten, welche 6-OHDA-Läsionen
tragen, einem experimentellen Modell für Parkinson-Bewegungsstörungen. Den
Ratten wurden Vorrichtungen, welche "GABA" freisetzen
(leere Quadrate) oder Kontrollvorrichtungen (ausgefüllte Kreise)
implantiert.
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3 ist
eine graphische Darstellung der anhaltenden Freisetzung von GABA
aus Polymerstächen
in vitro. Die kumulative Freisetzung von GABA aus einem EVAc-Polymerstab
in PBS mit einer 30%-igen GABA-Beladung ist aufgetragen.
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4 zeigt
die Wirkung eines GABA freisetzenden Implantats, platziert im Nucleus
subthalamicus eines Affen mit experimentellen Parkinson-Bewegungsstörungen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die erfindungsgemäß verwendete semipermeable
Makrokapsel (geeignet für
den Typ, der im US-Patent Nr. 4,892,538 offenbart ist) enthält und setzt
neuroinhibitorische Verbindungen frei, wenn sie in ausgewählte Gehirnregionen
für eine
chronische Lieferung während
einer Langzeitimplantation implantiert wird. Der Begriff schließt die Verwendung
von internen Pumpen aus, um die Verbindungen aus einem Reservoir
in die ausgewählten
Gehirnregionen zu leiten. Somit schließt die Makrokapsel eine semipermeable
Wand zur Freisetzung solcher Verbindung aus sekretorischen Zellen
oder anderen implantierbaren Behältern
für solche
Verbindungen ein.
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Wenn die Makrokapsel in ausgewählte Gehirnregionen
implantiert wird, setzt sie neuroinhibitorische Verbindungen frei,
um schließlich
die Normalisierung von neuralen Signalen zu bewirken, was in einer
Beendigung von Schmerzen oder Krämpfen oder
der Normalisierung der Signale von dem motorischen Cortex zu den
Körpermuskeln
resultieren kann. Es wird im Allgemeinen angenommen, dass für eine normale
Bewegung der Muskeln Signale des motorischen Cortex durch exzitatorische
Signale vom Thalamus reguliert werden (Filion, M., et al., 1991,
Brain Research 547: 142–151).
Es wird angenommen, dass die Thalamus-Signale zum motorischen Cortex
bei der Parkinson-Krankheit und bei Chorea Huntington, anormal inhibiert
sind.
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Der Begriff "Parkinson-Bewegungsstörungen" bezieht sich auf
eine Sammlung von Symptomen wie etwa Steifigkeit und Langsamkeit
der Bewegung. Die Parkinson-Bewegungsstörungen können durch die Parkinson-Krankheit
verursacht sein, sekundär
zu der Zerstörung
von Dopamin sekretierenden Zellen der Substantia nigra. Parkinson-Bewegungsstörungen können auch
durch eine wiederholte Kopfverletzung verursacht werden, wie es
bei bestimmten Athleten gesehen wird, am auffälligsten bei Boxern. Parkinson-Bewegungsstörungen werden auch
bei Drogenkonsumenten festgestellt, welche eine Form von synthetischem
Heroin verwendet haben, welches Zellen der Substantia nigra zerstörte (Burns,
R.S., et al., PNAS 80: 4546–4550,
1983). Parkinson-Bewegungsstörungen
können
experimentell in Labortieren durch Injektion von 6-Hydroxydopamin
in die Substantia nigra (Winn, S.R., et al. Experimental Neurology
105: 244–250,
1989) oder durch die intravenöse
Injektion von N-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP)
(Burns, R.S. et al., siehe oben; Robertson, R.G., et al., Brain
Research 563: 278–280,
1991; Filion, M., et al., siehe oben) induziert werden.
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1 zeigt
Hauptnervenleitungen durch die Basalganglien zum Thalamus und zum
Cortex cerebralis. In 1 bezeichnen
die Zahlen (1–8)
Hauptgehirnregionen, bekannt als "Nuclei", welche neuronale Zellkörper enthalten.
Von diesen Zellkörpern
gehen neuronale Axone zu anderen Nuclei aus. Neuronale Axone werden
mit Buchstaben bezeichnet ("a" bis "g"). Es wird angenommen, dass in dem Gehirn eines
Individuums ohne Bewegungsstörungen
die neurale Übermittlung
wie folgt ist. Neuronen mit Zellkörpern in der Substantia nigra
pars compacta (SNpc, 1) besitzen Axone (a), welche sich zum Striatum (3)
erstrecken, wo sie an Synapsen mit bestimmten Zellkörpern, die
im Striatum (3) lokalisiert sind, tonisch Dopamin freisetzen. Dopamin
hemmt das Feuern der Striatum-Neuronen, welche inhibitorische D2-Dopamin-Rezeptoren
(Axone "b") besitzen. Dopamin
erregt Striatum-Neuronen mit exzitatorischen D1-Dopamin-Rezeptoren
(Axone "h"). Striatum-Neuronen,
die einen D1-Rezeptor enthalten, besitzen die Axone "h", welche sich zum Globus pallidus internus (GPi,
6) und der Substantia nigra pars reticulata (SNpr, 2) erstrecken.
Die Axone "h" setzen GABA von den
Synapsen mit Zellen in diesen Nuclei frei. Neuronen in beiden dieser
Nuclei empfangen auch einen stimulatorischen Input vom Nucleus subthalamicus (STN,
5). Im normalen Zustand empfängt
der STN aber einen tonischen inhibitorischen Input und die Aktivität der exzitatorischen
Projektionen zum GPi und der SNpr ist verringert. Somit sind die
Thalamus-Outputs vom GPi und der SNpr unter normalen Bedingungen
weitgehend inhibiert. Striatum-Neuronen, welche einen D2-Rezeptor
besitzen, besitzen Axone ("b"), welche sich zum
Globus pallidus externus (GPe, 4) erstrecken. Die Axone "b" setzen GABA an Synapsen mit Neuronen
des GPe (4) frei. Aber da normalerweise das Feuern von "b" durch Dopamin tonisch inhibiert wird,
ist die Netzwirkung des Feuerns der Neuronen im GPe (4) positiv,
d.h. Neuronen im GPe können
normal aktiv sein. Neuronen im GPe besitzen Axone "c", welche sich zum Nucleus subthalamicus
(5) erstrecken, wo sie an Synapsen mit Neuronen des Nucleus subthalamicus
(5) tonisch GABA freisetzen. Da GABA ein inhibitorischer Neurotransmitter
ist, ist die Netzwirkung des Feuerns von Neuronen auf den Nucleus
subthalamicus (5) negativ, d.h. Neuronen des Nucleus subthalamicus
werden in ihrem Feuern inhibiert. Neuronen des Nucleus subthalamicus
(5) besitzen die Axone "d1 ", welche sich zum
Globus pallidus internus (GPi, 6) erstrecken, wo sie Glutamat an
Synapsen mit Neuronen des GPi (6) freisetzen. Glutamat ist ein exzitatorischer
Neurotransmitter, aber da die Axone "d1 " normalerweise
in ihrem Feuern inhibiert sind, gibt es eine geringe oder keine
exzitatorische Netzwirkung auf Neuronen des GPi (6). Neuronen des
GPi (6) besitzen die Axone "e2", welche sich zum
Thalamus (7) erstrecken und den inhibitorischen Neurotransmitter GABA
an Synapsen mit Neuronen im Thalamus freisetzen. Aber da das Feuern
der Axone "e2" nicht durch die
Aktion von "d1 " stimuliert wird,
und die Axone "e2" inhibitorischen
Input vom Striatum über die
Axone "f" erhalten, gibt es
wenig oder keine Netzwirkung auf das Feuern der Neuronen des Thalamus (7).
Angeregte Neuronen des Thalamus (7) projizieren dann die Axone "g" zum Cortex, wo sie den exzitatorischen
Neurotransmitter Glutamat freisetzen. Normalerweise ist dann die
Netzwirkung der axonalen Thalamus-Projektionen "e2" über "g" zum Cortex exzitatorisch. Eine andere
letzten Endes exzitative Schleife zum Cortex, ähnlich wie die "d1" – "e2" – "g"-Schleife läuft wahrscheinlich vom Nucleus subthalamicus
(5) über
die Axone "d2" zur Substantia nigra
pars reticulata (SNpr, 2). In der SNpr wird der verringerte exzitatorische
Input von den Axonen "d2" weiterhin ergänzt durch
einen verringerten inhibitorischen Input vom Axon "h", das vom Striatum ausgeht. Der SNpr-Output
geht dann über
die Axone "e1" zum Thalamus (7)
und über
die Axone "g" zum Cortex weiter.
Es wird angenommen, dass diese exzitatorischen Projektionen vom
Thalamus zum Cortex für
eine normale Bewegung notwendig sind.
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Es wird im Allgmeinen angenommen,
dass die Ursache bestimmter Parkinson-Bewegungsstörungen ebenso
wie Chorea Huntington die anormale Inhibition der oben beschriebenen
Thalamus-Neuronen sein kann, welche sich Cortex erstrecken (1, "g").
Bei der Parkinson-Krankheit entsteht diese Thalamus-Neuroneninhibition
durch die Zerstörung
des dopaminergischen Input zum Striatum (1 "a"). Die Zerstörung von
inhibitorischen Dopamin freisetzenden Neuronen führt zu fortgesetzten Veränderungen
der neuralen Signale entlang der oben beschriebenen Leitungen in
den Basalganglien, die zum Thalamus und schließlich zum Cortex führen. Es
wird angenommen, dass wenn Dopamin freisetzende Synapsen im Striatum
(3) degenerieren, die neuronale Netzwirkung innerhalb der oben beschriebenen Schleifen
umgekehrt wie normal ist. An bestimmten Punkten in diesen Leitungen
können
hyperaktive inhibitorische Signale oder hyperaktive exzitatorische Signale
vorliegen. Bei der Parkinson-Krankheit sind beispielsweise die relativen
Feuerungsmuster der Axonprojektion vom Striatum umgekehrt. Somit
sind diejenigen Neuronen, die D2-Rezeptoren enthalten, nicht länger tonisch
inhibiert, während
diejenigen, die D1-Rezeptoren enthalten und sich zum GPi und zur SNpr
erstrecken, nicht länger
im normalen Muster aktiviert sind. (Es ist zu bemerken, dass die
Aktivität
des Axons "f" aufgrund des Mangels
an einer Striatum-Exzitation zu einer Verringerung tendieren würde. Der
normale inhibitorische Input, der durch die Axone "f" bereitgestellt wird, würde dann
fehlen, was weiterhin das Feuern der inhibitorischen e2-Axone steigert.
Eine ähnlich
Situation existiert für
die SNpr.) Somit ist die Netzwirkung am GPi (4) inhibitorisch, an dem
Nucleus subthalamicus (S) exzitatorisch, am GPi (6) exzitatorisch,
an der SNpr (2) exzitatorisch, am Thalamus (7) inhibitorisch. Somit
ist die normale Exzitation der Thalamus-Neuronen "g", welche sich zum Cortex (8) erstrecken,
anormal inhibiert und trägt zu
den anormalen Bewegungsstörungen
der Parkinson-Krankheit bei (Filion, M. et al., siehe oben; Aebischer,
P., et al., siehe oben.)
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Im Fall von Chorea Huntington liegt
eine Zerstörung
einer Anzahl von neuronalen Typen innerhalb des Striatum vor, einschließlich Neuronen,
welche sich zum GPi, GPe und zur SNpr erstrecken. Dies tendiert
dazu, diese Nuclei relativ "unter-inhibiert" zu lassen und deswegen
können ähnlich Wirkungen
auf den Thalamus-Output wie bei der Parkinson-Krankheit auftreten.
Somit sind die bevorzugten Ziele für eine Inhibition der anormalen
neuronalen Aktivität,
die bei Chorea Huntington auftritt, das GPe, das GPi und die SNpr.
Die Inhibition von Kombinationen der drei Ziele würde wahrscheinlich
optimale Wirkungen besitzen.
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Um anormal aktive Leitungen der Basalganglien
zu unterbrechen, kann eine semipermeable Makrokapsel, welche Neuroinhibitor-Verbindungen
freisetzt, benachbart zu einem oder mehreren der oben genannten
Ziel-Nuclei implantiert werden, um eine fokale Freisetzung der Verbindung
zu den Nuclei bereitzustellen. (Der Begriff "benachbart" bedeutet, dass die Vorrichtung nahe
genug an dem Ziel-Nuclei ist, sodass die freigesetzten Verbindungen
die Ziel-Nuclei
kontaktieren.) Die Inhibition der Aktivität von Zielneuronen innerhalb
dieser Nuclei durch neuroinhibitorische Verbindungen verursacht
Veränderungen
in der Aktivität
durch die Nervenleitungen, die zum Thalamus führen (siehe 1). Diese Veränderungen stellen wiederum
den exzitatorischen Thalamus-Output zum motorischen Cortex (1 "g")
wieder her. Diese erfindungsgemäße Verwendung
ermöglicht
es, dass die neuroinhibitorische Verbindung für längere Zeitspannen in eine begrenzte,
vorgewählte
Region des Gehirns freigesetzt wird, welche einer externen Verbindung
bedarf, was die Risiken einer Nebenwirkung und Infektion verringert.
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Bei der Parkinson-Krankheit enthalten
der STN, das GPi und die SNpr hyperaktive Neuronen, welche durch
neuroinhibitorische Verbindungen, die von einer implantierten Vorrichtung
freigesetzt werden, inhibiert werden können.
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Hierin bezieht sich der Begriff "Aktivität" auf die neurale
Aktivität,
gekennzeichnet durch eine Reihe von Aktionspotentialen, die sich
entlang des neuronalen Axons zum synaptischen Ende hin fortpflanzen,
was in der Freisetzung eines Neurotransmitters an der Synapse resultiert.
Wenn der freigesetzte Neurotransmitter in seiner Art inhibitorisch
ist (z.B. GABA), wirkt er auf das nächste Neuron in der Leitung
und hemmt die Verbreitung von Aktionspotentialen entlang seines
Axons, und inhibiert schließlich die
Freisetzung des Neurotransmitters aus diesem Axon an der nächsten Synapse
in der Leitung. Wenn der freigesetzte Neurotransmitter stimulatorisch
in seiner Art ist (z.B. Glutamat), agiert er umgekehrt auf das nächste Neuron
in der Leitung unter Stimulierung der Ausbreitung von Aktionspotentialen
und der Stimulierung der Freisetzung von Neurotransmitter aus diesem
Neuron an der nächsten
Synapse in der Leitung.
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Hierin bezieht sich der Begriff "hyperaktiv" auf eine Aktionspotential-Feuerrate, die höher ist
als normal und/oder auf die Freisetzung von anormal großen Mengen
an Neurotransmitter pro Zeit am synaptischen Ende des fraglichen
Neurons. Der Transmitter kann entweder inhibitorisch oder exzitatorisch in
seiner Wirkung sein, in Abhängigkeit
von der Art des hyperaktiven Neurons.
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Bei der Parkinson-Krankheit enthält der Nucleus
subthalamicus (1, 5) beispielsweise Projektionen von anormal
inhibierten Neuronen (1, "c"), welche normalerweise ausreichende
Mengen des inhibitorischen Neurotransmitters GABA freisetzen würden, um
die Aktivität
der Axone "d2" zu inhibieren. Da
die Axone "d2" nun von der GABA-Inhibition
freigestellt sind, sind sie hyperaktiv; sie setzen eine anormal
große
Menge des exzitatorischen Neurotransmitters Glutamat frei, welcher
wiederum verursacht, dass die Axone "e1 " hyperaktiv
sind und anormal große
Mengen des inhibitorischen Neurotransmitters GABA für den Thalamus
freisetzen. Diese Wirkungen werden durch den Mangel an Exzitation der
GABA freisetzenden Neuronen "f" ergänzt. Um die
anormale Hyperaktivität
der Axone "e1 " zu verringern, kann
eine Vorrichtung, welche eine neuroinhibitorische Verbindung freisetzt,
bei oder nahe des Nucleus subthalamicus implantiert werden, um die
Hyperaktivität
des Axons "d2" zu verringern.
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Der Begriff "Zielneuron" bezieht sich hierin auf jedes Neuron,
wie etwa diejenigen innerhalb der Schleifen, die in 1 beschrieben werden, jeden Teil oder
jedes Ganze davon, auf das die neuroinhibitorische Verbindung gerichtet
ist.
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Im obigen Beispiel sind die Zielneuronen "d2", welche in direkter
synaptischer Verbindung mit den "Output-Neuronen" "e1 " sein
können.
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Der Begriff "Output-Neuron" bezieht sich hierin auf jedes Neuron
innerhalb der Schleifen, wie etwa die in 1 beschriebenen, welches eine Innervation
erhält,
entweder direkt oder indirekt von einem Zielneuron, wobei das Zielneuron
hyperaktiv ist.
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Hierin bezieht sich der Begriff "direkte synaptische
Verbindung" auf
die Übermittlung
von Nervensignalen von einem neuronalen Ende über die synaptische Verbindung
zu dem Zellkörper
oder den Dendriten des nächsten
Neurons in der Leitung.
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Zwischen dem Zielneuron und dem postsynaptischen
Output-Neuron können "Interneuronen" existieren. Hierin
ist der Begriff "Interneuron" als ein Neuron definiert,
welches ein neurales Signal vom Zielneuron empfängt und das neurale Signal
an ein postsynaptisches Neuron überträgt. Die
Signalübermittlung
eines Interneurons kann durch seine direkte synaptische Verbindung
mit dem Output-Neuron stattfinden oder sie kann durch eine Übermittlung über ein
oder mehrere Interneuronen stattfinden.
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Hierin bezieht sich der Begriff "präsynaptisch angeordnet" auf die Position
eines Zielneurons "stromaufwärts" innerhalb einer
Leitung, so dass eine Wirkung auf das Zielneuron schließlich über eine oder
mehrere Synapsen zum Output-Neuron übertragen wird.
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Die vorliegende Erfindung ist auf
eine Aktion auf ein Zielneuron gerichtet, welches einen funktionellen
synaptischen Input empfängt.
Hierin bezieht sich der Begriff "funktioneller
synaptischen Input" auf den
normalen Kontakt eines Axonendes mit einer Synapse an dem Axon,
Zellkörper
oder Dendriten des Zielneurons, und der Freisetzung des normalen
Typs an Neurotransmitter an dieser Synapse. Wenn somit beispielsweise
den Neuronen "b" der Input der dopaminergen
Neuronen "a" entzogen wird, wie
es im US-Patent 4,892,538 beschrieben ist, wird den Neuronen "b" wahrscheinlich der "funktionell synaptische Input" entzogen und sie
werden nicht als Zielneuronen in dieser Erfindung betrachtet. Im
Gegensatz dazu, wenn Neuronen des Striatum oder ein beliebiger Teil
der Basalganglien Signale über
einen Neurotransmitter empfangen, der durch ein neuronales Ende
an einer Synapse freigesetzt wird, können diese Neuronen als Zielneuronen
in der vorliegenden Erfindung betrachtet werden für die Behandlung
von Bewegungsstörungen
aufgrund der Parkinson-Krankheit oder Chorea Huntington.
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Im Fall von Chorea Huntington liegt
eine Zerstörung
einer Anzahl von neuronalen Typen innerhalb des Striatum vor, einschließlich Neuronen,
welche sich zum GPi, GPe und der SNpr erstrecken. Somit sind die
bevorzugten Ziele zur Inhibition einer anormalen neuronalen Aktivität, die bei
Chorea Huntington auftritt, das GPe, GPi und die SNpr. Eine Inhibition
von Kombinationen der drei Ziele wird dazu tendieren, optimale Wirkungen
zu besitzen.
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Beim Praktizieren dieser Erfindung
zur Behandlung der Parkinson-Krankheit
ist eine andere bevorzugte Stelle für eine Implantation in oder
nahe des GPi (1, 6), welches im Gehirn für eine stereotaktische Platzierung
der Vorrichtung relativ günstig lokalisiert
ist. Die neuroinhibitorische Verbindung, die freigesetzt wird durch
die Vorrichtung, die im GPi lokalisiert ist, verringert eine anormale
Hyperaktivität der
inhibitorischen Neuronen (e2) des GPi, welche sich direkt zum Thalamus
erstrecken. Wenn die Aktivität
dieser inhibitorischen Neuronen verringert wird, werden die normalen
exzitatorischen Signale vom Thalamus zum motorischen Cortex wiederhergestellt,
was zu einer Linderung der Bewegungsstörungen führt.
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Wie in 1 veranschaulicht,
ist eine andere bevorzugte Implantationsstelle die SNpr (1, 2). Wie oben beschrieben, wird angenommen,
dass Neuronen, welche sich von der SNpr zum Thalamus erstrecken
(e1), bei der Parkinson-Krankheit anormal aktiv sind (d.h. inhibitorisch
für den
Thalamus). Eine neuroinhibitorische Verbindung, die aus einer Vorrichtung
freigesetzt wird, die in der SNpr lokalisiert ist, hemmt die inhibitorischen
Signale von der SNpr zum Thalamus, was die exzitatorischen Signale
vom Thalamus zum motorischen Cortex wiederherstellt.
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Andere wirksame Stellen für eine Implantation
von Vorrichtungen, welche neuroinhibitorische Verbindungen freisetzen,
um Bewegungsstörungen zu
lindern, die sich aus einer Hyperaktivität innerhalb der Basalganglien
ergeben, sind für
Fachleute auf dem Gebiet der Neurologie und Neurochirurgie offensichtlich.
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Die vorliegende Erfindung kann auch
gerichtet sein auf die Linderung der Krampfaktivität aufgrund
von Epilepsie. Im Gegensatz zu Bewegungsstörungen aufgrund der Parkinson-Krankheit
oder Chorea Huntington, bei denen die hyperaktiven Leitungen wahrscheinlich
in den Basalganglien sind, kann ein epileptischer Krampf durch eine
neurale Hyperaktivität
in verschiedenen Gehirnregionen entstehen, in Abhängigkeit
vom einzelnen Patienten. Für
einen bestimmten Patienten bleibt der epileptogene Fokus der neuralen
Hyperaktivität
konstant. Hierin bezieht sich der Begriff "Fokus" auf die ursprüngliche Region der neuralen
Hyperaktivität,
welche sich dann über
verschiedene Leitungen ausdehnt, um eine Hyperaktivität innerhalb
des motorischen Cortex zu ergeben. Hierin bezieht sich der Begriff "epileptogene Region" auf jede Region
einer neuralen Hyperaktivität,
einschließlich
sowohl der ursprünglichen
Fokusregion als auch Regionen, auf die sich die Hyperaktivität ausgebreitet
hat (Meldrum, B.S., siehe oben).
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Beim Praktizieren der vorliegenden
Erfindung wird eine epileptogene Region oder die Fokusgegend bei
jedem einzelnen Patienten identifiziert. Diese Region kann dann
als eine Zielregion für
die Implantation einer Vorrichtung ausgewählt werden, welche eine neuroinhibitorische
Verbindung freisetzt. Epileptogene Regionen können mittels verschiedener
diagnostischer Verfahren identifiziert werden, einschließlich EEG
(Elektroenzephalographie), CT (Computertomographie), NMR (Kernspinresonanz), SPECT
(Einzelphotonenemissionscomputertomographie) oder PET (Positronenemissionstomographie).
Eine geeignete semipermeable Makrokapsel kann dann an oder nahe
der geeigneten epileptogenen Region implantiert werden, mittels
einer Bildgebung, kombiniert mit einer stereotaktischen Chirurgie.
Die Makrokapsel wird so gestaltet, dass eine minimale Dosis der
neuroinhibitorischen Verbindung freigesetzt wird, welche ausreicht,
um die Krampfaktivität
ohne nennenswerte Nebeneffekte zu lindern.
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Tiermodelle für Epilepsie sind verfügbar für präklinische
Versuche von Behandlungen für
Epilepsie (Sperber, E.F., et al. 1987, Developmental Brain Research
37: 243–250).
GEPr-Mäuse
reagieren auf Geräusch-
und Lichtstimuli mit Krampfaktivität. Die geeignete Implantation
einer semipermeablen Makrokapsel, welche eine neuroinhibitorische
Verbindung freisetzt, verzögert
den Beginn und verringert die Schwere dieser Krampfaktivität.
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Wir wenden uns nun den Arten von
Verbindungen zu, welche beim Praktizieren der Erfindung nützlich sind.
Hierin bezieht sich der Begriff "neuroinhibitorische
Verbindung" auf
jede Substanz, welche bei Applikation auf den neuronalen Zielzellkörper, auf die
Dendriten oder direkt auf das Axon die Aktivität von einem oder mehreren Neuronen
direkt postsynaptisch zum Zielneuron verringern kann. Der Mechanismus,
durch den die Verbindung eine postsynaptische Rezeptoraktivierung
verringert, wird meistens eine Verringerung der Transmitterfreisetzung
durch das Zielneuron betreffen. In den meisten Fällen wird dies eine Verringerung
der Erzeugung eines Aktionspotentials in Spiking-Zielneuronen, oder
eine Netzhyperpolarisation oder Verringerung des Membranwiderstands
in Nicht-Spiking-Interneuronen. Aber andere Mittel zur Verringerung
der Transmitterfreisetzung wie etwa eine Reduktion der Quantengröße oder
Frequenz können
auch nützlich
sein. Somit sind Arzneimittel wie etwa Verapamil, welche einen synaptischen
Calciumeinfluss verringern, potentiell verwendbar.
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Es ist bevorzugt aber nicht erforderlich,
dass die Wirkung der Verbindung reversibel ist und nicht im Zelltod
resultiert. In den meisten Fällen
wird die Verbindung im Allgemeinen die gesamte neuronale Aktivität in der
unmittelbaren Zielregion inhibieren oder verringern, aber wenn sie
wegdiffundiert, wird ihre Konzentration sinken, so dass Neuronen,
die weiter weg vom Ziel sind, nicht betroffen sein werden. Als eine
allgemeine Regel werden Vorrichtungen, welche Verbindungen freisetzen,
die über
einen spezifischen Rezeptor wirken, so entworfen, dass lokale Konzentrationen
der Verbindung von mindestens dem Zweifachen der Bindungsaffinität (kD) der
Verbindung für
ihren Rezeptor erzeugt werden. Die lokale Begrenzung dieser Konzentrationen
wird im Allgemeinen innerhalb etwa 2 oder 3 mm der Vorrichtung liegen.
Eine Information über
die Bindungsaffinitäten der
meisten Verbindungen ist leicht in der veröffentlichten Literatur verfügbar. Die
Vorrichtungen können vor
der Implantation in einen Patienten in vitro im Hinblick auf ihre
Freisetzungscharakteristika getestet werden.
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Besonders vorteilhafte neuroinhibitorische Verbindungen
sind die Neurotransmitter GABA und seine Antagonisten, da praktisch
alle Neuronen des zentralen Nervensystems Gegenstand der Inhibition durch
GABA sind. Eine Inhibition durch GABA tritt durch seine spezifische
Wirkung auf neuronale GABA-Rezeptoren auf, welchebei Kontakt mit
GABA ihre neuronale Exzitabilität
verändern.
Auch verwendbar sind Verstärker
der GABA-Freisetzung
und Inhibitoren der GABA-Wiederaufnahme, obgleich sie in solchen
Regionen wirksamer sind, in denen GABA bereits von Neuronen an oder
nahe der Zielregion freigesetzt worden sind.
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Beispiele für mimetische GABA-Arzneimittel schließen den
GABA-Antagonisten
Muscimol, bestimmte spezifische Pyridinderivate (
EP 338 , Datum = 790124) und Isonikotinsäurederivate
(US-Patent Nr. 4,301,281, Datum = 811117) ein. GABA-Prodrugs wie
etwa Progabid und γ-Vinyl-GABA-Neurosteroide können auch
nützlich
sein. Piperidinderivate mit inhibierender Wirkung auf die GABA-Aufnahme
können verwendet
werden (US-Patent Nr. 4,910,312, Datum = 900320) ebenso wie GABA-Transaminaseinhibitoren
wie etwa Gabaculin und 5-Amino-1,3-cyclohexadien-1-carbonsäure (US-Patent
Nr. 4,187,316, Datum = 800205).
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Beim Praktizieren dieser Erfindung
sind auch Verbindungen verwendbar, welche Signale auf andere Wege
unterbrechen. Solche Verbindungen können wirken durch 1) allgemeine
Verringerung der Transmitterfreisetzung von den Zielneuronen; 2)
allgemeine Verringerung der Exzitabilität der Zielneuronen; oder 3)
Blockierung der Antwort eines postsynaptischen Neurons auf einen
Neurotransmitter. Es ist wahrscheinlich, dass viele Verbindungen
ihre inhibitorischen Wirkungen durch mehr als einen der obigen Mechanismen
ausüben.
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Es können bestimmte Arzneimittel,
von denen bekannt ist, dass sie durch systemische Gabe für die Kontrolle
von Epilepsie verwendbar sind, für
eine fokale Lieferung in der vorliegenden Erfindung durch systemische
Gabe für
die Behandlung der Parkinson-Krankheit und Chorea Huntington als
auch Epilepsie verwendet werden. Diese Arzneimittel, welche Phenytoin,
Carbamezepin, Valproat, Barbiturate und Benzodiazapine einschließen, wirken
wahrscheinlich auf die Neuroinhibition über mehr als einen membranvermittelten
Mechanismus (Rogawski, M.A., et al., 1990, Pharmacological Review
42: 223–286;
Brodie, M.J., et al., siehe oben).
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Beispiele für Substanzen, welche im Allgemeinen
die Transmitterfreisetzung verringern, schließen Verbindungen ein, welche
intrazelluläre
Calciumspiegel verringern, insbesondere solche Verbindungen, die
als Calciumkanal-Blocker
bekannt sind.
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Es ist bekannt, dass Ethosuximid
spezifisch den Calciumfluss durch die T-Kanäle verringert, welche innerhalb
des zentralen Nervensystems nicht weit verteilt sind, von denen
aber bekannt ist, dass sie auf Neuronen innerhalb des Thalamus vorkommen.
Es wird gegenwärtig
angenommen, dass der Thalamus eine gängige epileptogene Region ist,
und es ist bekannt, dass Ethosuximid die allgemeine Krampfaktivität bei vielen
Epilepsie-Patienten lindert. Somit wird postuliert, dass Ethosuximid
seine Wirkung über
eine Aktion auf die T-Kanäle
innerhalb des Thalamus erreicht, und es ist deswegen eine bevorzugte
Verbindung für
eine fokale Freisetzung zum Thalamus bei der Praktizierung der vorliegenden
Erfindung bei der Linderung von allgemeinen epileptischen Krämpfen. Andere
allgemeine Calciumkanal-Blocker schließen Phenytoin, Barbiturate,
Verapamil, Benzodiazapine und die Peptide Dynorphin, Omega-Conotoxin und Omega-Agatoxin
ein. Diese Verbindungen können
vorteilhafterweise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
da eine fokale Freisetzung eine ausreichende Konzentration eines Arzneimittels
ermöglicht,
welche die Zielneuronen erreicht, ohne die Nebenwirkungen, die durch
eine systemische Verabreichung einer wirksamen Konzentration erwartet
werden. Eine fokale Freisetzung ermöglicht es, dass ein bestimmtes
Arzneimittel sein Zielneuron schnell erreicht, bevor es entweder
enzymatisch oder durch andere Abbaumittel abgebaut wird.
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Eine neuronale Hyperaktivität kann auch
inhibiert werden durch Aktionspotential-Blocker, welche auf den
Natriumkanal wirken. Beispiele für
solche Verbindungen schließen
Phenytoin, Valproat, Carbamazepin und andere wasserlösliche Verbindungen
ein, die im Fachgebiet bekannt sind.
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Eine andere Art einer neuroinhibitorischen Verbindung
ist eine Substanz, welche speziell einen Rezeptor für einen
exzitatorischen Neurotransmitter inhibiert. Glutamatantagonisten
sind innerhalb dieser Klasse einer neuroinhibitorischen Verbindung.
Somit ist ein Glutamatantagonist nützlich für die Inhibition eines Zielneurons,
welches aufgrund einer übermäßigen Stimulierung
durch Glutamat hyperaktiv ist (siehe z.B. 1, "e1 "). Außerdem sind
Glutamatantagonisten oft wirksam, sogar wenn ein Neuron nicht durch
Glutamat überstimuliert
ist.
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Die Quelle einer neuroinhibitorischen
Verbindung, wie etwa GABA, kann in ein Polymerinsert inkorporiert
werden, wie es im US-Patent Nr. 5,106,627 beschrieben ist und wie
es hierin in Beispiel 1 beschrieben ist. Das Einbettmaterial stellt
eine schützende
Umgebung für
das darin eingebettete Arzneimittel bereit, während eine anhaltende Freisetzung des
Arzneimittels mit einer kontrollierten Geschwindigkeit daraus gewährleistet
wird. Beispielsweise verringert die Verwendung eines Polymerinserts,
das aus hydrophoben Matrices zusammengesetzt ist, den chemischen
Abbau des darin eingekapselten Arzneimittels durch Hemmung der Oxidation
und Hydrolyse.
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Die Konzentration des zu dem Matrixmaterial zugegebenen
Arzneimittels ist ein Faktor, der die Rate der Arzneimittelfreisetzung
kontrolliert; je mehr Arzneimittel incorporiert ist, umso schneller
ist die Freisetzungsrate. Die Teilchengröße des in das Matrixmaterial
inkorporierten Arzneimittels ist eine andere Variable; je größer die
Partikelgröße, umso
schneller ist die Rate der Freisetzung.
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Eine alternative Form einer Makrokapsel
ist eine Makrokapsel, die Zellen enthält, welche die neuroinhibitorische
Verbindung sekretieren. Für
eine ausführliche
Beschreibung von zellhaltigen Vorrichtungen siehe US-Patent Nr.
4,892,538. Solche implantierbaren Vorrichtungen können jede
Form annehmen, welche die einzukapselnden Zellen aufnimmt und welche
während
der chirurgischen Implantation kein unangemessenes Trauma verursacht.
Die Zellen können
in einer Röhre
enthalten sein, bestehend aus einer biokompatiblen, selektiv permeablen
Membran mit Poren im Bereich von 50 kD bis 1000 kD. Die Zellen können auch
in Alginat-Mikrokapseln enthalten sein, wie es im US-Patent Nr.
4,409,331, eingereicht am 28. April 1982 beschrieben wird.
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Zellen, von denen bekannt ist, dass
sie GABA enthalten oder GABA sekretieren, schließen chromaffine Nebennierenzellen
(Oset-Gasque, M.J., et al., 1990, J. Neurosci. Res. 26: 181–187); Oviduktzellen
(Fernanden, 1., et al., 1991, Brain Res. Bull. 26: 821–823); und
Pankreas-Betazellen (Reetz, A., et al., 1991 EMBO Journal Volume:
1275–1284)
ein. Weiterhin haben wir herausgefunden, dass die vom Pankreas stammenden
RIN- und NIT-Betazelllinien GABA sekretieren (Beispiel 3).
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Alternativ können Zellen genetisch verändert werden,
um ein neuroinhibitorisches Peptid zu exprimieren und freizusetzen.
Diese genetisch veränderten
Zellen können
dann in die Vorrichtung der Erfindung eingekapselt werden.
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Zellen, die genetisch verändert worden
sind, um GABA zu produzieren, können
beim Praktizieren dieser Erfindung nützlich sein. Somit wird in
einem solchen Ansatz das Gen, welches für Glutaminsäuredecarboxylase codiert (GAD:
das Enzym, Erlander, M.G., et al., 1991 Neurochemical Res. 16: 215– 226, welches
die Synthese von GABA fördert)
entweder aus einer Zelllinie isoliert oder durch DNA-Manipulation
konstruiert. Das Gen kann dann in ein Plasmid eingebaut werden,
welches wiederum zur Expression in eine Zelle, wie etwa eine Fibroblasten-
oder eine PC12-Zelle transfiziert wird. (Siehe z.B. Sambrook et
al., Molecular Cloning. A laboratory Manual. (1989), für eine weitere
Diskussion von Klonierungsvehikeln und Genmanipulationsverfahren.) Solche genetisch
veränderten,
GABA produzierenden Zellen können
in die Implantate eingekapselt werden, die für geeignete Gehirnregionen
bestimmt sind. Die Konstruktion von zellhaltigen Implantaten wird
im US-Patent Nr. 5,1106,622 beschrieben.
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Die Makrokapsel der vorliegenden
Erfindung kann auch Zellen enthalten, welche genetisch verändert worden
sind, um Peptidtoxine wie etwa Omega-Contotoxin (Yeager, R.E., et al., 1987
J. Neuroscience 7: 2390–2396;
Adams, M.E., et al., 1990, J. Biol. Chem. 265: 861–867; Takemura,
M., et al., 1989, Neuroscience 32: 405–416; Yanagawa, Y., et al., 1988,
Biochemistry 27: 6256–6262)
zu exprimieren und zu sekretieren.
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Andere Peptide wie etwa die Substanz
p, Dynorphin (Gross, R.A., 1990, PNAS 87: 7025–7029) und "hirnabgeleitete Polypeptide" (Shoyab, M., et
al., WO 86/04239, 31. Juli 1986), die bekanntermaßen neuroinhibitorisch
sind, können
auch von genetisch veränderten
Zellen exprimiert und sekretiert werden.
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Die Expression des neuroinhibitorischen Peptids
kann so gestaltet werden, dass sie konstitutiv ist, was eine tonische
Freisetzung des Peptids in der Zielregion ergibt. In anderen Fällen kann
es nützlich sein,
einen Promotor bereitzustellen, welcher durch geeignete Stimuli
induziert, herunterreguliert oder heraufreguliert werden kann, z.B.
können
der "MMTV" Hexamethasininduzierbare
Promotor oder der "MX" Interferon-induzierbare
Promotor verwendbar sein. Promotoren können auch im Hinblick auf ihre
Fähigkeit
ausgewählt
werden, durch neurale Aktivität
oder in Antwort auf spezielle Arzneimittel reguliert zu werden.
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Die folgenden, nicht beschränkenden
Beispiele veranschaulichen ausführliche
bevorzugte Merkmale der Erfindung.
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Beispiel 1
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GABA freisetzende Implantate
lindern Symptome in einem Parkinson-Modellsystem
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Polymerimplantate wurden auf eine ähnliche Art
und Weise hergestellt wie die Dopamin freisetzenden Implantate,
die in der gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung
mit der Seriennummer 07/369,296 (Winn et al., 1989, Exp. Neurol.
105: 244–250)
beschrieben werden. Ethylenvinylacetatcopolymer-(EVAc-) Harz (40 Gew.% Vinylacetat,
Elvax 40w, DuPont, Inc., Wilmington, DE) wurde 20-mal in destilliertem
Wasser und 20-mal in 95%-igem Ethanol gewaschen, um Verunreinigungen
zu entfernen. Gereinigtes EVAC wurde nachfolgend in Methylenchlorid
gelöst,
um eine 10%-ige Lösung
(W/V) herzustellen. GABA (Sigma) wurde mit einem Mörser und
Pistill gemahlen und dann auf eine durchschnittliche Größe von 60–70 um gesiebt.
Die Teilchen wurden dann zur der EVAc-Lösung bis zu einer Endkonzentration
von 10 oder 20% (W/W) zugegeben. Die GABA/EVAc-Lösung wurde für 5 min
beschallt, in einem Vortex-Mixer bewegt und schnell in flüssigem Stickstoff
gekühlt,
um eine feste Matrix mit fixierten GABA-Partikeln zu bilden. Das
Methylenchlorid wurde durch Lyophilisierung entfernt.
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Bei einer Temperatur von 55°C wurden Schnüre mit einem
Durchmesser von 0,5 mm druckextrudiert und in 8 mm lange Stäbe aufgeteilt.
Um die GABA-Freisetzung zu verlangsamen, wurden drei Schichten aus
reinem Polymer auf jeden Stab durch wiederholtes Eintauchen in eine
10%-ige EVAc-Lösung aufgetragen,
was einen Enddurchmesser von 0,7 mm ergab. Die Verteilung der GABA-Partikel
im EVAc wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (AMRay-1000A) analysiert.
Es wurde in vitro eine anhaltende GABA-Freisetzung über 4 Tage
bestimmt (3).
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10 Sprague-Dawley-CD-Ratten wurden
mit 6-Hydroxydopamin (6-OHDA) mittels direkter Injektionen (10 μg/5 μl) in eine
Seite der Substantia nigra gemäß dem Verfahren
von Winn et al., siehe oben, läsioniert.
Der Erfolg der Läsionen
in den injizierten Ratten wurde bestätigt durch eine Untersuchung
im Hinblick auf Apomorphin-induziertes (0,1 mg/kg) Rotationsverhalten
in wöchentlichen
Intervallen. (Ungerstedt, U., 1971 Acta Physiol. Scand. suppl. 367: 69–93). Apomorphin
induziert eine Parkinson-ähnliche
motorische Antwort des Wegdrehens von der Seite der 6-OHDA-induzierten
Läsion.
Das Ausmaß solch
eines Rotationsverhaltens nach einer Apomorphininjektion wird anfänglich verwendet,
um das Ausmaß der
Läsion
und dann den Grad der durch die Verabreichung von GABA bereitgestellten
Linderung zu überwachen.
6 Wochen nach der Induktion der Parkinson-ähnlichen Symptome wurden erfolgreich läsionierte
Tiere anästhesiert
und in einen stereotaktischen Apparat platziert. Die Tiere erhielten
Implantate entweder von EVAc-Stäben
ohne GABA (Kontrollen) oder GABA enthaltenden EVAc-Stäben in die Pars
reticulata. Die für
die Implantation verwendeten stereotaktischen Koordinaten waren:
Bregma –5,5, lateral
+2, Tiefe –8,5.
Nach der Implantation wurden die Tiere in wöchentlichen Intervallen im
Hinblick auf das Rotationsverhalten untersucht. Vor der Implantation
zeigten alle Tiere eine äquivalente
Anzahl von Rotationen nach einer Apomorphinverabreichung. Innerhalb
von 10 Tagen nach der Implantation wiesen die Tiere, welche GABA
enthaltende Implantate enthielten, ungefähr eine 80%-ige Verringerung
der Rotationen im Vergleich zu den ursprünglichen Rotationen auf (2). Im Gegensatz dazu wiesen
Tiere, welche Kontrollimplantate (ohne GABA) erhielten, 10 Tage
nach der Implantation nur ungefähr
eine 40%-ige Verringerung der Rotationen auf. Dies zeigte, dass
die GABA-Implantate die Verhaltenseffekte der 6-OHDA-induzierten Läsionen signifikant
umkehrten. Die Histologie zeigt, dass die Stäbchen gerade oberhalb der Pars
reticulata platziert waren und eine minimale histologische Reaktion
auf die Implantate enthielten.
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Beispiel 2
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Verwendung von GABA freisetzenden
Polymerimplantaten zur Linderung von experimentellen Parkinson-Symptomen
im Affen
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Ein einzelner Macaca fasicicularis-Affe
zeigte nach einer unilateralen rechtsseitigen Carotid-Injektion
von MPTP eine kontralaterale Parkinson ähnliche Bewegungsstörung einschließlich Bradykinesie, steifem
Tremor (Burns, et al., PNAS 80: 4546 (1983)). Das Subjekt wurde
gesetzt und trainiert, um Nahrungsbelohnungen aus Multiwell-Platten
aufzuheben. Die Bradykinesie wurde bestimmt durch die Messung der
Zeit, die für
jedes obere Gliedmaß erforderlich
war, um unabhängig
Gefäße zu leeren,
die mit Nahrungsmitteln beladen waren. Das Tier zeigte eine signifikant
geschädigte
Fähigkeit,
Nahrungsmittel aus dem Behälter
unter Verwendung des linken Gliedmaßes aufzuheben, welches die
Seite war, die durch die MPTP-Injektion betroffen war. Um eine spontane
Wiederherstellung auszuschließen,
betrug die Zeit zwischen der MPTP-Läsion und der Kapselimplantation
32 Wochen (4).
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Als eine Kontrolle erhielten die
Tiere beginnend 29 Wochen nach der Läsion zweimal am Tag für einen
Zeitraum von 10 Tagen oral L-DOPA (100-150 mg/Tag)/Carbidopa (50–75 mg/Tag)
(Sinemet @). Die Tiere zeigten während
der Dauer der Sinemet-Behandlung keine Verbesserung der Fähigkeit zum
Aufheben, die durch das linke Gliedmaß verrichtet wurde (4).
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34 Wochen nach der Läsion erhielt
das Tier ein einzelnes polymeres GABA freisetzendes Implantat, welches
wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt wurde, 500 μg Durchmesser,
3 Inch Länge.
Die Implantate wurden durch eine entfernbare Kanüle geliefert, stereotaktisch
positioniert, um innerhalb des Nucleus subthalamicus zu sein.
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Die Verbesserung der Fähigkeit
zum Aufheben, durchgeführt
durch das linke Gliedmaß,
wurde nach 14 Tagen beobachtet und dauerte für mehr als 1 1 Wochen an (4). Nach ungefähr 11 Wochen, konsistent
mit der Erschöpfung
von GABA aus dem implantierten Stab, verschlechterte sich die Fähigkeit zum
Aufheben wieder über
einen Zeitraum von 2 Wochen. Nach der Beendigung des Experiments
wurde das Tier getötet
und die Implantatseite histologisch untersucht. Es wurde gefunden,
dass das Implantat direkt benachbart und lateral zum STN platziert
war. Der STN selbst war nicht beschädigt, was zeigt, dass die therapeutische
Wirkung der GABA-Freisetzung vom Implantat herrührte und nicht von der Läsion des STN.
Das Tier wird getötet
mittels einer Überdosis Barbitursäure und
sein Gehirn wird für
eine Histologie präpariert.
Histologische Untersuchungen sollten zeigen, dass die Implantate
innerhalb des Nucleus subthalamicus positioniert sind, und dass
es eine minimale Gewebereaktion auf das Implantat gibt.
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Beispiel 3
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Therapeutische fokale
Applikation von GABA über eingekapselte
Zellimplantate zur Linderung von Parkinson-Symptomen
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Es wurde gezeigt, dass NIT-Zellen
bis zu 600 pg/Zelle/h GABA freisetzen, NIT- und RIN-Zelllinien sind
Zelllinien, die von pankreatischen Beta-Zellen stammen. Pankreatische
Beta-Zellen enthalten bekanntermaßen GABA. Diese zwei Zelllinien
wurden im Hinblick auf ihre basale GABA-Freisetzung untersucht.
Die Zellen wurden während
statischen Inkubationen in Hanks BSS im Hinblick auf die basale
GABA-Freisetzung untersucht. Das ins Medium freigesetzte GABA wurde
unter Verwendung von HPLC gemessen. In einem Experiment betrug die
basale GABA-Freisetzung aus NIT-Zellen ungefähr 12 fg/Zelle/min. In einem ähnlichen
Experiment setzten RIN-Zellen 18 fg/Zelle/min frei.
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Die GABA-Freisetzung wurde gemessen
unter Verwendung von statischen Inkubationsexperimenten von eingekapselten
NIT-Zellen in PAN/PVC-Fasern. 3 Fasern wurden mit 10000 bis 20000
NIT-Zellen handbeladen. Die eingekapselten Zellen wurden dann in
Wachstumsmedium für
2 Wochen vor den Untersuchungen zu basalen Freisetzung inkubiert. Über eine
60-minütige
Zeitdauer wurde gefunden, dass die basale Freisetzung ungefähr 60 pg/Kapsel/min
beträgt.
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Die Primaten werden in der Verhaltensaufnahmefähigkeit
trainiert, wie es in Beispiel 2 beschrieben ist. Die Ansprechempfindlichkeit
auf Sinemet wird vor der Implantation nach 6–8 Wochen bestimmt. Die Implantation
wird exakt wie in Beispiel 2 beschrieben durchgeführt, außer dass
eine zelluläre Verkapselungsvorrichtung
anstelle des Polymerimplantats verwendet wird.
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NIT-Zellen werden gemäß Hamaquichi,
K. et al., 1991 Diabetes 40: 842 angezogen. Es werden PAN/PVC-Einkapselungsvorrichtungen
hergestellt (0,5 cm Länge × 600 μm im Durchmesser),
beladen mit NIT-Zellen und an jedem Ende verschlossen, wie es im
US-Patent Nr. 4,892,538 (Aebischer) beschrieben wird. Das aus diesen
beladenen Kapseln freigesetzte GABA wird durch Derivatisierung von
GABA mit o-Pthaldehyd/2-Mercaptoethanol bestimmt und elektrochemisch
nach einer Elution von der HPLC nachgewiesen.
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Die Implantation der eingekapselten
NIT-Zellen führt
zur Wiederherstellung des Aufnahmeverhaltens ähnlich wie in Beispiel 2.
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Beispiel 4
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Linderung epileptogener
Symptome in der GEPr-Maus
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GEPr-Mäuse reagieren auf Geräusch- und Lichtstimuli
mit Krampfaktivität.
Die Grundverhaltensspiegel sind etabliert für einen Krampfbeginn als Antwort
auf Licht oder ein Geräusch.
Die Mäuse
werden dann stereotaktisch mit GABA freisetzenden Polymerstäbchen implantiert,
hergestellt wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Stäbchen werden
in den Colliculus inferior implantiert. Die Mäuse werden dann im Hinblick
auf eine Linderung der Krampfaktivität als Reaktion auf die Stimuli
untersucht.