Genetik und genetische Diagnostik fokaler Epilepsien des Kindesalters – Was? Wann? Warum?

Schon seit den 1960er-Jahren wurden familiäre Häufungen fokaler Epilepsien des Kindesalters beschrieben und sind aus der Praxis sicher auch jedem pädiatrisch tätigen Epileptologen bekannt [4]. Dabei fällt auf, dass die Ausprägung der Epilepsie durchaus unterschiedlich sein und von zufällig entdeckten, asymptomatisch verlaufenden EEG-Veränderungen (Elektroenzephalogramm) mit Auftreten der typischen, schlafaktivierten, oft zentrotemporal betonten und eher gut strukturierten „spike waves“ und „sharp slow waves“ („centrotemporal spikes“, CTS) über Rolando-Epilepsien mit wenigen Anfallsereignissen (neue Nomenklatur: selbstlimitierende Epilepsie mit CTS, SeLECTS) bis hin zu schwerer verlaufenden Epilepsien mit multiplen Anfallsformen und/oder bioelektrischem Status im Schlaf (bisher: Pseudo-Lennox-Syndrom oder atypisch benigne Partialepilepsie und ESES [„electrical status epilepticus during slow-wave sleep“]/CSWS [„continuous spikes and waves during sleep“], in der neuen Klassifikation der Syndrome zusammengefasst als epileptische Enzephalopathie mit Spike-wave-Aktivierung im Schlaf) reichen kann. Erschwerend für genetische Untersuchungen in Familien ist die altersabhängige Ausprägung der Symptomatik, verbunden mit dem „Verschwinden“ von typischen EEG-Befunden und Anfällen in der Pubertät, so dass diese bei späterer Diagnostik, etwa für Segregationsanalysen in Familien, evtl. nicht mehr nachweisbar sind.

Eine aktuelle Metaanalyse verschiedener (älterer) Studien zum Auftreten isolierter EEG-Veränderungen bei asymptomatischen Verwandten/Geschwistern von Proband*innen mit selbstlimitierenden fokalen Epilepsien zeigt EEG-Auffälligkeiten (nicht ausschließlich „centrotemporal spikes“) bei etwa 30 % der untersuchten Geschwisterkinder [30]. Familienstudien für verschiedene Formen der selbstlimitierenden fokalen Epilepsien zeigen in bis zu 60 % eine positive Familienanamnese für Epilepsien, jedoch zeigen die Epilepsien in der Familie eine große phänotypische Breite und beschränken sich nicht auf Epilepsien mit CTS [8, 31, 33]. Diese Ergebnisse sowie Zwillingsstudien, die eine höhere Konkordanz für das EEG-Merkmal der „centrotemporal spikes/sharp-slow-waves“ (CTS) als für die Epilepsieform zeigen [32] sowie Familienstudien, die eine autosomal-dominante Vererbung für die typischen EEG-Auffälligkeiten zeigen [1], deuten damit auf eine komplexe Vererbung hin.

Neben den im Rahmen der tuberösen Sklerose gut bekannten Genen TSC1 und TSC2, deren Produkte als Regulatoren des mTOR-Signalwegs („mammalian target of rapamycine“) wirksam sind, wurden in den letzten Jahren weitere Gene/Proteine dieses Signalwegs identifiziert, die relevant für Entwicklungsstörungen, Hirnfehlbildungen und Epilepsien sind [34]. So wurden u. a. pathogene Varianten in DEPDC5 bei Proband*innen mit verschiedenen Formen fokaler Epilepsien gefunden, insbesondere in Familien mit fokalen Epilepsien mit variablen Foci.

Lal et al. [16] untersuchten eine Kohorte von 207 Patient*innen mit Rolando-Epilepsie und identifizierten 3 pathogene Varianten (1,4 %); zusätzlich fanden sie in 3 von 82 Familien (3,7 %) mit nicht klassifizierten, nicht läsionellen fokalen Epilepsien des Kindesalters bei allen betroffenen Personen Varianten in DEPDC5. Weitere, bestätigende Untersuchungen wurden bisher nicht publiziert, ebenso wurden keine Veränderungen in den weiteren Genen des GATOR1-Komplexes identifiziert. Vielfach diskutiert, aber mit Ausnahme der Epilepsien bei tuberöser Sklerose bisher nicht in Studien überprüft, könnten Epilepsien, die durch genetisch bedingte Überaktivität des mTOR-Signalwegs gekennzeichnet sind, einer Medikation mit mTOR-Inhibitoren wie Rapamycin oder Everolimus zugänglich sein.

Reutlinger et al. [25] beschrieben 2010 3 Patienten mit überlappenden Mikrodeletionen der chromosomalen Region 16p13. Der Indexpatient hatte eine Epilepsie, die als Pseudo-Lennox-Syndrom klassifiziert wurde, ein weiterer Patient hatte eine nicht klassifizierte Epilepsie mit ESES-ähnlichem EEG-Muster, der dritte Patient eine Epilepsie mit Ähnlichkeiten zur Rolando-Epilepsie. Alle 3 zeigten zudem Entwicklungsstörungen und teilweise faziale Dysmorphien. Als gemeinsames Kandidatengen für die Epilepsie wurde GRIN2A, kodierend für die α2-Untereinheit (Glu2A) des NMDA-Rezeptors (N-Methyl-D-Aspartat) gewertet.

Es sind keine weiteren rekurrenten Mikrodeletionssyndrome bekannt, die das typische Bild einer selbstlimitierenden Epilepsie mit „centrotemporal spikes“ als wegweisendes Symptom zeigen. Seltene CNV wurden in verschiedenen Studien auch bei Proband*innen mit Rolando-Epilepsie identifiziert, scheinen in dieser Patientengruppe aber seltener zu sein als z. B. bei genetisch generalisierten Epilepsieformen [7, 11].

Fokale Epilepsien des Kindesalters zeigen oft einen milden Epilepsieverlauf, können aber von Sprachentwicklungsstörungen unterschiedlichen Ausmaßes begleitet sein. Scheffer et al. [31] prägten dafür den Begriff der „epilepsy-aphasia spectrum disorder“ mit der maximalen Ausprägung einer Epilepsie mit begleitender akustischer Agnosie und nachfolgender Aphasie im Sinne eines Landau-Kleffner-Syndroms.

Nach Identifikation von Patienten mit Mikrodeletion 16p13.2 (s. oben, [25]) und wenigen Patienten mit Entwicklungsstörungen, Epilepsien und Mutationen in den Genen GRIN2A und GRIN2B [9] wurde das für die Ausprägung der Epilepsie wahrscheinlichste Kandidatengen GRIN2A in größeren Kohorten von Patient*innen mit fokalen Epilepsien des Kindesalters untersucht. NMDA-Glutamat-Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die aus 2 Glycin-bindenden GluN1-Untereinheiten (kodiert durch GRIN1) und 2 Glutamat-bindenden GluN2-Untereinheiten (kodiert durch GRIN2A‑D) gebildet werden. Die Zusammensetzung der GluN2-Untereinheiten ist abhängig von Lokalisation und Alter unterschiedlich, GluN2A (kodiert durch GRIN2A) gewinnt nach der Geburt und in den ersten Lebensjahren zunehmend an Bedeutung [28].

Parallel konnten 3 verschiedene Forschergruppen die Bedeutung dieses Gens für fokale Epilepsien, insbesondere auch solche mit Sprachstörungen und Aphasie, klären und publizieren [5, 17, 18]. Weitere Studien haben diese Ergebnisse bestätigt mit ähnlichen Häufigkeiten von pathogenen Varianten auch in kleineren Kohorten [6, 7, 19, 21]. Diese wurden bei Patient*innen mit allen bekannten Varianten der selbstlimitierenden fokalen Epilepsien gefunden und auch bei Familienmitgliedern identifiziert, die ausschließlich das EEG-Merkmal der „centrotemporal spikes“ zeigten, jedoch beschreiben alle Arbeiten eine klare Tendenz zu häufigeren Mutationsfunden in den schwerer verlaufenden Krankheitsbildern („atypische Rolando-Epilepsie“, Landau-Kleffner-Syndrom und ESES/epileptische Enzephalopathie mit Spike-wave-Aktivierung im Schlaf). Beispielhaft dargestellt für die Arbeit von Lemke et al. [17] wurden Varianten bei 27 von 359 Patient*innen (7,5 %) mit selbstlimitierenden fokalen Epilepsien gefunden, dabei zeigten 12/245 (4,9 %) Proband*innen mit SeLECTS (Rolando-Epilepsie/BECTS) und 9/51 (17,6 %) Proband*innen mit epileptischer Enzephalopathie mit Spike-wave-Aktivierung im Schlaf (CSWS) pathogene Varianten in GRIN2A.

Funktionelle Untersuchungen verschiedener Varianten zeigen sowohl Gain-of-function (GOF)-Effekte als auch den Verlust der Kanalfunktion („loss of function“, LOF). Die umfangreiche Arbeit von Strehlow et al. [28] beschreibt Genotyp-Phänotyp-Korrelationen zwischen Variantentyp und klinischem Bild (Missense-Varianten in Transmembran- und Linker-Domänen des Proteins sind assoziiert mit schwer verlaufenden Phänotypen bezogen auf Epilepsie, Entwicklungsstörung und sonstige Auffälligkeiten, während Missense-Varianten des Aminoendes und der ligandenbindenden Domänen leichtere Krankheitsverläufe verursachen). Diese Korrelation spiegelt sich wider in funktionellen Daten elektrophysiologischer Untersuchungen: hier sind die Varianten bei schweren Krankheitsverläufen oft verantwortlich für einen GOF-Effekt, während die milderen Erkrankungen durch LOF-Effekte bedingt scheinen. Vielfach diskutiert wurde, dass die Varianten den in der Hirnentwicklung physiologischen Wechsel der Expression und Funktionalität von GluN2B (GRIN2B) zu GluN2A (GRIN2A) beeinflussen. Daten der oben genannten Arbeit von Strehlow et al. [28], die auch die Expression von GluN2B sowie GluN2B-abhängige Ströme in einem GRIN2A-knock-out-Rattenmodell untersuchte, widersprechen dieser Annahme, da weder in der Genexpression noch in der Elektrophysiologie eine Kompensation durch GluN2B detektiert wurde.

Das letztendliche Ziel jeder genetischen Forschung und Diagnostik ist die Identifikation von pathogenetisch relevanten Veränderungen, die eine verbesserte und zielgerichtete Therapie im Sinne einer Präzisionsmedizin erlauben. Für GRIN2A-assoziierte Epilepsien mit GOF-Mutationen lagen daher große Hoffnungen auf einer Therapie mit dem NMDA-Rezeptorantagonisten Memantin, nachdem ein erster Fallberichte deutlich positive Effekte der Substanz beschrieben hatte [22]. Leider fehlen bis heute bestätigende Studien, die Behandlungserfolge des Einzelfalls sind damit kaum aussagekräftig. Krankheitsbilder, die mit LOF-Varianten assoziiert sind, sind potenziell einer Therapie mit L‑Serin zugänglich: L‑Serin wirkt über sein Enantiomer D‑Serin agonistisch am NMDA-Rezeptor.

Nachdem initial durch Sotos et al. [27] positive Effekte bei einem Individuum mit pathogener GRIN2B-Variante und schwerer Enzephalopathie beschrieben wurden, konnte eine kürzlich publizierte Fallserie Verbesserungen (in unterschiedlichem Ausmaß) von Epilepsie, EEG, Kognition und Verhalten bei 9 weiteren Patient*innen berichten, bei 3 von 8 lag eine LOF-Variante in GRIN2A vor, 6 trugen Varianten in GRIN2B [13]. Interessanterweise zeigte ein Mädchen mit GOF-Variante eine unmittelbar einsetzende Verschlechterung ihrer Symptomatik nach dem fälschlichen Beginn der L‑Serin-Gabe [13]. Weitere Studien müssen die Effekte dieses Therapieansatzes im Hinblick auf Epilepsie und Kognition differenzieren und bestätigen, zudem müssen weitere Daten zur Dosisfindung und Verträglichkeit erhoben werden.

Wichtig für die Bewertung von Untersuchungsergebnissen ist, dass selbst auffällige Befunde im Sinne eines genetischen Risikofaktors vermutlich nur Teilaspekte der Krankheitsursache und Pathophysiologie erklären. Für Patient*innen mit LOF-Varianten liegen erste Hinweise vor, dass mit L‑Serin eine einfache, gut verträgliche und potenziell wirksame Therapie zur Verfügung stehen könnte.

Erste genetische Untersuchungen erfolgten in den 1990er-Jahren in Form von Kopplungsanalysen zur Eingrenzung der relevanten chromosomalen Regionen. Für SeLCTS (damals BECTS) zeigte sich eine Kopplung zur chomosomalen Region 15q14 [20]. Als Kandidatengen in dieser Region wurde das für die Untereinheit 4 des N‑Acetylcholin-Rezeptors kodierende Gen CHRNA7 gesehen. Es konnten allerdings bisher keine ursächlichen Veränderungen dieses Gens bei Patient*innen mit SeLCTS identifiziert werden. Eine Kopplungsanalyse für das EEG-Merkmal der „centrotemporal spikes“ fand eine Koppelung zur chromosomalen Region 11p13 mit dem Kandidatengen ELP4, kodierend für das Elongatorprotein Complex 4, welches als Teil des sog. Elongatorkomplexes involviert ist in die Transkription und tRNA-Modifikation [29]. Weiterführende Studien konnten einen Zusammenhang zwischen Veränderungen in ELP4 und CTS/Rolando-Epilepsien bisher nicht sichern [24].

Lal et al. [15] konnten 2013 intragenische Deletionen und Varianten im Gen RBFOX1, einem Regulator für alternatives mRNA-Splicing diverser neuronaler Gene, bei 5 von 289 Patienten mit Rolando-Epilepsie (1,7 %) identifizieren, die in den zugehörigen Familien mit dem Krankheitsbild segregierten. Die gleiche Arbeitsgruppe untersuchte auch das Vorliegen von exonumfassenden Deletionen in einer Kohorte von 807 Probanden mit sporadischen fokalen Epilepsien und identifizierten Veränderungen in 0,9 % der Patienten [14]. Diese litten sowohl an MRT-negativen fokalen Epilepsien (n = 5) als auch an strukturell bedingten fokalen Epilepsien bei Vorliegen einer Hippocampussklerose (n = 2). Selten wurden intragenische Deletionen auch bei Probanden mit generalisierten Epilepsien gefunden und als genetischer Risikofaktor interpretiert. Wie auch für andere Gene gezeigt, scheint das phänotypische Spektrum der RBFOX1-assoziierten Epilepsien entsprechend weit gefächert und nicht auf „idiopathische“ Epilepsieformen beschränkt.

Neuere Studien finden weitere Kandidatengene, deren Relevanz für das Krankheitsbilder der selbstlimitierenden fokalen Epilepsien noch zu zeigen ist [2, 10, 23]. Die Arbeitsgruppe von Lesca et al. [26] publizierte 2020 eine Studie, in der 57 Kind-Eltern-Trios mittels Exomsequenzierung untersucht wurden, die zunächst negativ für Veränderungen in GRIN2A (s. unten) getestet wurden. 20 Patient*innen, in der Mehrzahl mit seltenen und schwerer verlaufenden Formen fokaler Epilepsien, zeigten Veränderungen in potenziellen Kandidatengenen, als wahrscheinlich relevant wurden einzelne Varianten in GRIN2B und CAMK2A (Calcium/„calmodulin-dependent protein kinase II“) gewertet. CAMK2A war zuvor als relevantes Gen bei kognitiven Entwicklungsstörungen mit und ohne begleitende Epilepsie identifiziert worden (OMIM: MRD53, #617798), GRIN2B ist bekannt als verantwortliches Gen für epileptische Enzephalopathien mit variablen zusätzlichen Symptomen wie Hirnfehlbildungen, Entwicklungsstörungen, Autismus und Bewegungsstörungen (OMIM: DEE27, #616139).