Summary Objective The kainic acid (KA)-induced status epilepticus (SE) model in rats is an etiologically-relevant animal model of epileptogenesis. Just as in patients, who develop temporal lobe epilepsy (TLE) following SE, this rat model of KA-induced SE very closely recapitulates many of the clinical and pathological characteristics of human TLE that arise following SE or another neurological insult. Spontaneous recurrent seizures (SRS) in TLE can present after a latent period following a neurological insult (TBI, SE event, viral infection, etc.). Moreover, this rat model of TLE is ideally suited for preclinical studies to evaluate the long-term process of epileptogenesis and screen putative disease-modifying/antiepileptogenic agents. This report details the pharmacological characterization and methodological refinement of a moderate-throughput drug screening program using the post KA-induced SE model of epileptogenesis in male Sprague Dawley rats to identify potential agents that may prevent or modify the onset or severity of SRS. Specifically, we sought to demonstrate whether our protocol could prevent the development of SRS, or lead to a reduced frequency/severity of SRS. Methods Rats were administered everolimus (2-3 mg/kg, P.O. commencing at 1, 2, or 24-hrs after SE onset) or phenobarbital (60 mg/kg, beginning 1 hr after SE onset). The rats in all studies (n=12/treatment dose/study) were then followed intermittently by video-EEG monitoring; i.e., 2-weeks on/2-weeks off, 2-weeks on epochs to determine latency to onset of SRS, and disease burden following SRS onset. Results While there were no adverse side effects observed in any of our studies, no treatment conferred a significant disease modifying effect, nor did any agent prevent the presentation of SRS by 6 weeks post-SE onset. Conclusions While neither phenobarbital nor everolimus administered at several time points post-SE onset prevented the development of SRS, we herein demonstrate a moderate-throughput screen for potential antiepileptogenic agents in an etiologically-relevant rodent model of TLE. Key Points Disease-modifying therapies are needed to prevent or attenuate the burden of epilepsy in at-risk individuals. We report a moderate-throughput screening protocol to identify disease-modifying agents in a rat post-kainic acid status epilepticus model. Everolimus was administered at multiple time points post-status epilepticus with no effect on spontaneous seizures up to 6 weeks later. Repeated administration of phenobarbital also did not prevent the development of spontaneous recurrent seizures up to 6 weeks post SE. While we did not identify any effect of either agent, our approach provides a moderate-throughput screen for antiepileptogenesis.

Summary Objectives Benzodiazepines are the standard of care for the management of sustained seizure emergencies, including status epilepticus (SE) and seizure clusters. Seizure clusters are a variably defined seizure emergency wherein a patient has multiple seizures above a baseline rate, with intervening periods of recovery, distinguishing clusters from SE. While phenotypically distinct, the precise pathophysiological and mechanistic differences between SE and seizure clusters are under studied. Preclinical interrogation is needed to help uncover the behavioral, physiological, and pathological mechanisms associated with seizure emergencies in order to better manage these events in the susceptible individual. Methods Herein, we characterize a novel model of sustained seizure emergency induced in CF-1 mice through the combined administration of high-dose phenytoin (PHT; 50 mg/kg, i.p.) and pentylenetetrazol (PTZ; 100 mg/kg, s.c.). Results In the present manuscript we describe a mouse model of sustained seizure emergency that is physiologically, pharmacologically, and histologically distinct from SE. Acute administration of PHT 1 hour prior to s.c.PTZ led to significantly more mice with continuous seizure activity (CSA; 73.4%) versus vehicle-pretreated mice (13.8%; p<0.0001). CSA was sensitive to lorazepam and valproic acid when administered at seizure onset, as well as 30-minutes post-seizure onset. Carbamazepine worsened seizure control and post-CSA survival. Mice in CSA exhibited EEG patterns distinct from kainic acid-induced SE and s.c.PTZ alone, clearly differentiating CSA from SE and s.c.PTZ-induced myoclonic seizures. Neuropathological assessment by FluoroJade-C staining of brains collected 24-hours later revealed no neurodegeneration in any mice with CSA, whereas there was widespread neuronal death in brains from KA-SE mice. Significance This study defines a novel mouse model on which to elucidate the mechanistic differences between sustained seizure emergencies (i.e. SE and seizure clusters) to improve discovery of effective clinical interventions and define mechanisms of seizure termination. Key Points Box Seizure clusters are a variably defined seizure emergency that is sensitive to benzodiazepines, distinct from status epilepticus. The mechanistic differences between seizure clusters and status epilepticus are not well defined. We report a mouse seizure emergency model that is phenotypically, pathologically, and pharmacologically distinct from status epilepticus. This mouse model provides a novel platform on which to further interrogate the mechanisms underlying seizure emergencies.

Abstract Objective People with early-onset Alzheimer’s disease (AD) are at elevated seizure risk. Further, chronic seizures in pre-symptomatic stages may disrupt serotonin pathway-related protein expression, precipitating the onset of AD-related pathology and burden of neuropsychiatric comorbidities. Methods 2-3-month-old APP/PS1, PSEN2-N141I, and transgenic control mice were sham or corneal kindled for 2 weeks to model chronic seizures. Seizure-induced changes in glia, serotonin pathway proteins, and amyloid β levels in hippocampus and prefrontal cortex were quantified. Results APP/PS1 mice experienced worsened mortality versus kindled Tg-controls. APP/PS1 females were also more susceptible to chronic kindled seizures. These changes correlated with a marked downregulation of hippocampal tryptophan hydroxylase 2 and monoamine oxidase A protein expression compared to controls; these changes were not detected in PSEN2-N141I mice. Kindled APP/PS1 mice exhibited amyloid β overexpression and glial overactivity without plaque deposition. PSEN2 protein expression was AD model-dependent. Significance Seizures evoked in pre-symptomatic APP/PS1 mice promotes premature mortality in the absence of pathological Aβ deposition. Disruptions in serotonin pathway metabolism are associated with increased glial reactivity and PSEN2 downregulation without amyloid β deposition. This study provides the first direct evidence that seizures occurring prior to amyloid β plaque accumulation worsen disease burden in an AD genotype-specific manner. Highlights: Seizures are a comorbidity in Alzheimer’s disease that may worsen disease burden. Pathological overlap between both neurological disorders is understudied. Young APP/PS1, but not PSEN2-N141I mice, have increased seizure-induced mortality. Seizures reduce hippocampal serotonin pathway proteins only in young APP/PS1 mice. Kindled young APP/PS1 mice have glial hyperactivity before amyloid β accumulation.

Abstract Patients with early-onset Alzheimer’s disease (EOAD) are at elevated risk for seizures, including patients with presenilin 2 (PSEN2) variants. Like people with epilepsy, uncontrolled seizures may worsen cognitive function in AD. While the relationship between seizures and amyloid beta accumulation has been more thoroughly investigated, the role of other drivers of seizure susceptibility in EOAD remain relatively understudied. We therefore sought to define the impact of loss of normal PSEN2 function and chronic seizures on cognitive function in the aged brain. Male and female PSEN2 KO and age- and sex-matched wild-type (WT) mice were sham or corneal kindled beginning at 6-months-old. Kindled and sham-kindled mice were then challenged up to 6 weeks later in a battery of cognitive tests: non-habituated open field (OF), T-maze spontaneous alternation (TM), and Barnes maze (BM), followed by immunohistochemistry for markers of neuroinflammation and neuroplasticity. PSEN2 KO mice required significantly more stimulations to kindle (males: p<0.02; females: p<0.02) versus WT. Across a range of behavioral tests, the cognitive performance of kindled female PSEN2 KO mice was most significantly impaired versus age-matched WT females. Male BM performance was generally worsened by seizures (p=0.038), but loss of PSEN2 function did not itself worsen cognitive performance. Conversely, kindled PSEN2 KO females made the most BM errors (p=0.007). Chronic seizures also significantly altered expression of hippocampal neuroinflammation and neuroplasticity markers in a sex-specific manner. Chronic seizures may thus significantly worsen hippocampus-dependent cognitive deficits in aged female, but not male, PSEN2 KO mice. Our work suggests that untreated focal seizures may worsen cognitive burden with loss of normal PSEN2 function in a sex-related manner.