Synapse. 2008 May;62(5):358-69.
Perrotti LI, Weaver RR, Robison B, Renthal W, Maze I, Yazdani S, Elmore RG, Knapp DJ, Selley DE, Martin BR, Sim-Selley L, Bachtell RK, Self DW, Nestler EJ.
Kilde
Institutt for psykiatri, Universitetet i Texas Southwestern Medical Center, Dallas, Texas 75390-9070, USA.
Abstrakt
Transkripsjonsfaktoren DeltaFosB akkumuleres og vedvarer i hjernen som respons på kronisk stimulering. Denne akkumuleringen etter kronisk eksponering for rusmidler har tidligere blitt demonstrert ved Western blot, mest dramatisk i striatale regioner, inkludert dorsal striatum (caudatus/putamen) og nucleus accumbens. I denne studien brukte vi immunhistokjemi for å definere induksjonen av DeltaFosB i hele gnagerhjernen etter kronisk rusmiddelbehandling med større anatomisk presisjon. Vi utvidet også tidligere forskning som involverte kokain, morfin og nikotin til to ytterligere rusmidler, etanol og Delta(9)-tetrahydrocannabinol (Delta(9)-THC, den aktive ingrediensen i marihuana). Vi viser her at kronisk, men ikke akutt, administrering av hvert av fire rusmidler, kokain, morfin, etanol og Delta(9)-THC, robust induserer DeltaFosB i nucleus accumbens, selv om forskjellige mønstre i kjerne- vs. skall-subregionene av denne kjernen var tydelige for de forskjellige rusmidlene. Legemidlene varierte også i graden av DeltaFosB-induksjon i dorsal striatum. I tillegg induserte alle fire legemidlene DeltaFosB i prefrontal cortex, med de største effektene observert med kokain og etanol, og alle legemidlene induserte DeltaFosB i liten grad i amygdala. Videre induserte alle legemidlene DeltaFosB i hippocampus, og med unntak av etanol ble mesteparten av denne induksjonen sett i dentatus. Lavere nivåer av DeltaFosB-induksjon ble sett i andre hjerneområder som respons på en bestemt medikamentell behandling. Disse funnene gir ytterligere bevis på at induksjon av DeltaFosB i nucleus accumbens er en vanlig virkning av praktisk talt alle misbruksrusmidler, og at, utover nucleus accumbens, induserer hvert legemiddel DeltaFosB på en regionspesifikk måte i hjernen.
INNLEDNING
Akutt eksponering for kokain forårsaker forbigående induksjon av transkripsjonsfaktorene c-Fos og FosB i striatale regioner (Graybiel et al., 1990; Hope et al., 1992; Young et al., 1991), mens kronisk eksponering for stoffet resulterer i akkumulering av stabiliserte isoformer av ΔFosB, en avkortet skjøtevariant av fosB-genet (Hiroi et al., 1997; Hope et al., 1994; Moratalla et al., 1996; Nye et al., 1995). Når ΔFosB er indusert, vedvarer det i disse regionene i flere uker på grunn av proteinets uvanlige stabilitet. Nyere forskning har vist at ΔFosBs stabilitet medieres av fraværet av degron-domener som finnes i C-terminalene til fullengdes FosB og alle andre Fos-familieproteiner (Carle et al., 2007) og av fosforylering av ΔFosB ved N-terminalen (Ulery et al., 2006). I motsetning til dette endrer ikke kronisk medikamentadministrasjon spleising av fosB premRNA inn i ΔfosB mRNA eller stabiliteten til mRNA (Alibhai et al., 2007), noe som videre indikerer at akkumulering av ΔFosB-protein er den dominerende mekanismen som er involvert.
Voksende bevis indikerer at ΔFosB-induksjon i striatalregioner, spesielt ventralstriatumet eller kjernen accumbens, er viktig i formidlingsaspekter av avhengighet. Overekspresjon av ΔFosB i disse områdene av inducerbare bitransgene mus eller via viral-mediert genoverføring øker dyrets følsomhet overfor lokomotoriske aktiverende og givende effekter av kokain og morfin, mens ekspresjon av en dominant negativ antagonist av ΔFosB (betegnet Δc- Jun) har motsatte effekter (Kelz et al., 1999; McClung og Nestler, 2003; Peakman et al., 2003; Zachariou et al., 2006). ΔFosB overekspresjon har også vist seg å øke incitament motivasjon for kokain (Colby et al., 2003). Videre induseres ΔFosB fortrinnsvis av kokain hos ungdommer, noe som kan bidra til økt sårbarhet mot avhengighet (Ehrlich et al., 2002).
Til tross for dette beviset forblir viktige spørsmål. Selv om kronisk administrering av flere andre misbruksmidler, inkludert amfetamin, metamfetamin, morfin, nikotin og phencyklidin, har blitt rapportert å indusere ΔFosB i striatale regioner (Atkins et al., 1999; Ehrlich et al., 2002; McDaid et al. 2006b, Muller og Unterwald, 2005, Nye et al., 1995, Nye og Nestler, 1996, Pich et al., 1997, Zachariou et al., 2006), lite eller ingen informasjon er tilgjengelig angående virkningen av etanol og Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ9-THC, den aktive ingrediensen i marihuana). To tidligere studier viste at FosB-lignende immunoreaktivitet induseres i hippocampus og visse andre hjerneområder under etanoluttak, men det er fortsatt usikkert om denne immunoreaktiviteten representerer ΔFosB eller full lengde FosB (Bachtell et al., 1999; Beckmann et al., 1997 ). Studier av etanol og (Δ9-THC er spesielt viktige, fordi disse er to av de mest brukte stoffene av misbruk i USA i dag (SAMHSA, 2005). Dessuten, selv om stimulerende eller opiatiske stoffer med misbruk har vist seg å indusere ΔFosB i visse andre isolerte hjernegrupper, som i tillegg til nukleus accumbens og dorsalstriatum inkluderer prefrontal cortex, amygdala, ventral pallidum, ventral tegmental område og hippocampus (Liu et al., 2007; McDaid et al., 2006a, 2006b; Nye et al., 1995; Perrotti et al., 2005), det har ikke vært en systematisk kartlegging av ΔFosB-induksjon i hjernen som respons på kronisk legemiddeleksponering.
Målet med den foreliggende studien var å anvende immunohistokemiske prosedyrer for å kartlegge induksjonen av FosB gjennom hele hjernen etter kronisk administrering av fire prototypiske misbruksmidler: kokain, morfin, etanol og Δ9-THC.
MATERIALER OG METODER
dyr
Alle eksperimenter ble utført ved hjelp av mannlige Sprague Dawley-rotter (Charles River, Kingston, 250-275 g). Dyrene ble plassert to per bur og habituated til dyrene rom forholdene i en uke før eksperimenter startet. De hadde fri tilgang til mat og vann. Eksperimenter ble utført i henhold til protokoller gjennomgått av Institutt for dyrepleie og bruk ved Universitetet i Texas Southwestern Medical Center i Dallas.
Narkotika behandlinger
Kronisk kokain
Rotter (n = 6 per gruppe) mottok to ganger daglig injeksjoner av kokainhydroklorid (15 mg / kg ip; Nasjonalt institutt for narkotikamisbruk, Bethesda, MD) oppløst i 0.9% saltløsning i 14-dager. Kontrollrotter (n = 6 per gruppe) mottok ip injeksjoner av 0.9% saltløsning under den samme kroniske prosedyren. Alle injeksjoner ble gitt i dyrets hjemmebure. Dette behandlingsregimet har vist seg å produsere robuste adferdsmessige og biokjemiske tilpasninger (se Hope et al., 1994).
Kokain selvadministrasjon
Dyr (n = 6 per gruppe) ble trent til å trykke på en spak for en 45 mg sukrose pellet. Etter denne treningen ble dyrene matet ad libitum og implantert kirurgisk under pentobarbitalbedøvelse med et kronisk jugulært kateter (Silastisk rør, Grønn gummi, Woburn, MA) som beskrevet tidligere (Sutton et al., 2000). Kateteret gikk subkutant for å gå ut gjennom en 22-målekanyl (Plastics One, Roanoke, VA), innebygd i kranioplastisk sement og sikret med Marlex kirurgisk nett (Bard, Cranston, RI). Selvadministrasjon ble utført i operante testkamre (Med Associates, St. Alban, VT) som var kontekstmessig forskjellig fra dyrets hjemmekage og plassert i et annet rom. Hvert kammer var innelukket i en lyddempende skap utstyrt med en infusjonspumpesamling bestående av en Razel Model A-pumpe (Stamford, CT) og en 10 ml-sprøyte koblet til en fluid svivel (Instech, Plymouth Meeting, PA) ved Teflon-rør . Tygon-slanger koblet svivelen til dyrets kateteraggregat og ble omsluttet av en metallfjær. Hvert operantkammer inneholdt to spaker (4 × 2 cm2, plassert 2 cm fra gulvet). Under egenadministrasjonsopplæring leverte en enkelt 20 g-trykk på den aktive armen en iv-infusjon av kokain (0.5 mg / kg per 0.1 ml infusjon) over et 5s infusjonsintervall. Infusjonen ble fulgt av en 10s tidsavbruddstid, hvor huslyset ble slukket og reagerte, ga ingen programmerte konsekvenser. Belysning av huslyset signaliserte slutten av tidsavbruddsperioden. Spak-trykk på den inaktive spaken ga ingen konsekvens. Dyr selvadministrasjon kokain under 14 daglige 4-h test økter (6 dager / uke) i løpet av deres mørke syklus; gjennomsnittlig daglig inntak var ~ 50 mg / kg. En gruppe av yoked dyr ble håndtert identisk bare de fikk kokaininfusjoner når deres selvadministrerende kolleger mottok stoff. En gruppe saltvannsbehandlingsdyr fikk lov til å trykke på trykk for saltinjeseinfusjoner. Dette behandlingsregimet har vist seg å produsere robuste adferdsmessige og biokjemiske tilpasninger (se Sutton et al., 2000).
Kronisk morfin
Morfinpellets (hver inneholdende 75 mg morfinbase; Nasjonalt institutt for narkotikamisbruk) ble implantert sc en gang daglig for 5-dager (n = 6). Kontrollrotter gjennomgikk sham kirurgi for 5 sammenhengende dager (n = 6). Dette behandlingsregime har vist seg å produsere robuste adferds- og biokjemiske tilpasninger (se Nye og Nestler, 1996).
Δ9-THC
Δ9-THC ble oppløst i en 1: 1: 18-løsning av etanol, emulfor og saltoppløsning. Mus ble injisert subkutant to ganger daglig med Δ9-THC, eller kjøretøy for 15 dager. Første dose av Δ9-THC var 10 mg / kg og dosen ble fordoblet hver tredje dag til sluttdose 160 mg / kg. Vi brukte mus for Δ9-THC fordi dette behandlingsregimet har vist seg å produsere robust adferdsmessig og biokjemisk tilpasning i denne arten (Sim-Selley og Martin, 2002).
etanol
Etanol (fra 95% lager, Aaper, Shelbyville, KY) ble administrert ved hjelp av et ernæringsmessig komplett flytende diett. Denne standard diett-etanolprosedyren involverer administrering av 7% [vekt / volum (volum / volum)] etanol i et laktalbumin / dextrosebasert diett for 17-dager, i hvilken tid rotter generelt forbruker etanol ved 8-12 g / kg / dag og oppnå blodetanolnivåer opp til 200 mg / dl (Criswell og Breese, 1993; Frye et al., 1981; Knapp et al., 1998). Kostholdet var næringsmessig komplett (med konsentrasjoner av vitaminer, mineraler og andre næringsstoffer avledet fra ICN-forskningsdiettene og kaloribasert (med dextrose) på tvers av etanolbehandlede rotter og kontrollrotter. Inntaksmatch ble oppnådd ved å gi kontrolldiet behandlede rotter en volum diett som tilsvarer gjennomsnittlig inntak av etanol-diettbehandlede rotter dagen før. Begge gruppene fikk lett vekt under etanolens eksponeringsperiode (ikke vist). Dette behandlingsregime har vist seg å gi robust adferdsmessig og biokjemisk tilpasning (se Knapp et al., 1998).
immunhistokjemi
Atten til 24 h etter den siste behandlingen ble dyrene bedøvet sterkt med klorhydrat (Sigma, St. Louis, MO) og intrakardialt perfusert med 200 ml 10 mM fosfatbuffert saltvann (PBS) etterfulgt av 400 ml 4% paraformaldehyd i PBS. Hjerner ble fjernet og lagret over natten i 4% paraformaldehyd ved 4 ° C. Neste morgen ble hjernene overført til en 20% glyserol i 0.1 M PBS-løsning for kryobeskyttelse. Koronale seksjoner (40 μm) ble kuttet på et frysende mikrotom (Leica, Bannockburn, IL) og deretter behandlet for immunhistokjemi. ΔFosB og FosB immunoreaktiviteter ble påvist ved bruk av to forskjellige polyklonale kanin-kaniner. En antiserum, oppvokst mot FosB C-terminalen som er fraværende i ΔFosB (aa 317-334), gjenkjenner full lengde FosB, men ikke ΔFosB (Perrotti et al., 2004). Det andre antiserumet, et "pan-FosB" -antistoff, ble hevet mot en intern region av FosB og gjenkjenner både FosB ogFosB (sc-48; Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA).
FosB-lignende farging ble avslørt ved bruk av avidin-biotinperoxidase-kompleksmetoden. For denne prosedyren ble hjerneseksjoner først behandlet med 0.3% H2O2 for å ødelegge endogene peroksidaser og deretter inkubert for 1 h i 0.3% Triton X-100 og 3% normal geatserum for å minimere ikke-spesifikk merking. Vevseksjoner ble deretter inkubert natten over ved romtemperatur i 1% normalt geitserum, 0.3% Triton X-100 og pan-FosB antistoff (1: 5000). Seksjoner ble vasket, plassert for 1.5 h i 1: 200 fortynning av avidin-biotinkompleks fra Elite-settet (Vector), 1.5-fortynning av biotinylert geit-antirabbitimmunoglobulin (DakoCytomation, Carpinteria, CA) Laboratories, Burlingame, CA). Peroksidaseaktivitet ble visualisert ved reaksjon med diaminobenzidin (Vector Laboratories). Kodede lysbilder ble brukt til å telle antall FosB-immunoreaktive celler. Koden ble ikke brutt før analyse av et enkelt eksperiment var fullført.
Når FosB-lignende immunoreaktivitet ble påvist, ble dobbelt fluorescerende merking med det FosB-spesifikke (C-terminus; 1: 500) antistoff og pan-FosB antistoff (sc-48; 1: 200) utført for å bestemme om det induserte protein var faktisk ΔFosB. En publisert protokoll ble brukt (Perrotti et al., 2005). Proteinene ble visualisert ved bruk av CY2- og CY3-fluorofore-merkede sekundære antistoffer (Jackson ImmunoResearch Laboratories, West Grove, PA). Lokalisering av proteinuttrykk ble utført på et konfokalt mikroskop (Axiovert 100; LSM 510 med META-utslippsbølgelengder av 488, 543 og 633; Zeiss, Thornwood, NY). Bilder presentert her ble fanget på dette systemet og representerer en 1 μm-tykk del gjennom et Z-plan.
Statistisk analyse
Betydelig induksjon av ΔFosB + -celler ble vurdert ved hjelp av t-tester eller enveis ANOVAer etterfulgt av Newman-Keuls-test som post hoc-analyse. Alle analyser ble korrigert for flere sammenligninger. Data uttrykkes som gjennomsnitt ± SEM. Statistisk signifikans ble definert som P <0.05.
RESULTATER
Induksjon av ΔFosB i hjernen
For å direkte sammenligne mønstrene av ΔFosB-induksjon i hjernen som svar på ulike typer misbruk, administrerte vi fire prototypiske stoffer, kokain, morfin, etanol og Δ9-THC, og undersøkte ΔFosB-ekspresjon 18-24 h etter siste legemiddeleksponering . Vi brukte standardbehandlinger for behandling av legemidler, som har blitt vist i litteraturen for å produsere atferdsmessige og biokjemiske følger av kronisk legemiddeleksponering (se avsnittet Materialer og metoder). Nivåer av ΔFosB ble kvantifisert ved immunhistokjemi, med fokus på midbrain og for-hjerne-regioner involvert i narkotikabelønning og avhengighet. Denne fine kartlegging av ΔFosB-induksjon ble utført med et pan-FosB-antistoff, som gjenkjenner både FosB og full lengde FosB. Imidlertid vet vi at all immunoreaktivitet som observeres for hver av legemidlene, skyldes utelukkende av ΔFosB, siden et antistoff selektivt for FosB i full lengde (se avsnittet Material og metoder) ikke oppdaget positive celler. Videre ble all immunoreaktivitet detektert av Pan-FosB-antistoffet tapt i fosB-knockout-mus, som bekrefter spesifisiteten av dette antistoffet for fosB-genprodukter i motsetning til andre Fos-familieproteiner. Disse kontrollene vises for kokain i figur 1, men ble observert for alle andre legemidler i tillegg (ikke vist). Disse funnene er ikke overraskende, fordi på 18-24 h-tidspunktet som ble anvendt i denne studien, ville hele FosB i full lengde, indusert av den siste legemiddeladministrasjonen, forventes å nedbrytes, idet den mer stabile FFosB ble den eneste fosB-genet gjenværende produkt (se Chen et al., 1995; Hope et al., 1994).
Fig. 1
Dobbel merking av fluorescensimmunhistokjemi ved bruk av anti-FosB (pan-FosB, Santa-Cruz) eller anti-FosB (C-terminus) antistoff gjennom kjernen av dyr behandlet med akutt eller kronisk kokain og en kontrollrotte. Pan-FosB antistoff flekker (mer ...)
En oppsummering av de samlede funnene av denne studien er gitt i tabell I. Hvert av de fire legemidlene ble funnet å signifikere indusere ΔFosB i hjernen, selv om det med delvis forskjellige induksjonsmønstre settes for hvert legemiddel.
Tabell I
Induksjon av ΔFosB i hjernen av misbruk
Induksjon av ΔFosB i striatale regioner
Den mest dramatiske induksjon av ΔFosB ble observert i nucleus accumbens og dorsal striatum (caudate / putamen), hvor alle fire legemidler induserte proteinet (Fig. 2-Fig. 4). Dette vises kvantitativt i figur 5. ΔFosB induksjon ble observert i både kjerne- og shell-subregionene av nukleotilførselen, med marginalt mer induksjon sett i kjernen for de fleste av legemidlene. Robust induksjon av ΔFosB ble også observert i dorsalstriatum for de fleste av legemidlene. Et unntak var Δ9-THC, som ikke signifikant induserte ΔFosB i nucleus accumbens skallet eller dorsalstriatum til tross for sterke trender (se figur 4, tabell I). Interessant nok produserte etanol størst induksjon av ΔFosB i kjernen accumbens kjerne sammenlignet med de andre behandlinger.
Fig. 2
Induksjon av ΔFosB i rottekjernen tilkommer i en kontrollrotte (A) eller etter kronisk behandling med etanol (B), morfin (C) eller kokain (D). Nivåer av FosB-lignende immunreaktivitet ble analysert ved immunhistokjemi ved bruk av et pan-FosB-antistoff. (mer …)
Fig. 4
Induksjon av ΔFosB i musens hjerne etter kronisk Δ9-THC-behandling. Nivåer av FosB-lignende immunreaktivitet ble analysert ved immunhistokjemi ved bruk av et pan-FosB-antistoff i kontroll (A, C, E) og kroniske Δ9-THC (B, D, F) dyr. Merk (mer ...)
Fig. 5
Kvantifisering av ΔFosB induksjon i striatale regioner etter kronisk morfin, Δ9-THC, etanol og kokainbehandlinger. Søylediagrammer viser gjennomsnittlig antall ΔFosB + celler i kontrolldyr og hos dyr utsatt for kronisk morfin, (mer ...)
Induksjon av ΔFosB ved voluntisk versus tvungen legemiddeleksponering
Gitt den dramatiske induksjonen av ΔFosB i striatale regioner, var vi interessert i å avgjøre hvorvidt et stoffs evne til å indusere proteinet i disse regionene varierte som en funksjon av volatil versus tvungen legemiddeleksponering. For å løse dette spørsmålet studerte vi en gruppe rotter som selvadministrert kokain for 14-dager, og sammenlignet ΔFosB-induksjon i disse dyrene til de som mottok yoked infusjoner av kokain og de som bare mottok saltoppløsning. Som vist i figur 6, induserte selvadministrert kokain ΔFosB i nucleus accumbens (både kjerne- og shell-subregioner) og dorsalstriatum, med ekvivalente induksjonsgrader sett for selvadministrert mot yoked administrert medikament. Omfanget av ΔFosB-induksjon sett i disse to gruppene av dyr var større enn det som ble sett med ip-injeksjoner av kokain (se fig. 5), antagelig på grunn av den mye større mengden kokain i selvadministrasjonseksperimentet (daglige doser: 50 mg / kg iv vs 30 mg / kg ip).
Fig. 6
Kvantifisering av ΔFosB induksjon i striatale regioner etter kronisk kokain selvadministrasjon. Søylediagrammene viser gjennomsnittlig antall ΔFosB + celler i kontrolldyr og hos dyr som er utsatt for kokainbehandlinger, i kjernen og (mer ...)
Induksjon av ΔFosB i andre hjerneområder
Utover det striatale komplekset induserte kronisk administrering av misbruksmedisiner ΔFosB i flere andre hjerneområder (se tabell I). Vi bør understreke at dataene som er presentert i tabell I er semikvantitative, og ikke representerer presis kvantifisering av ΔFosB-induksjon, som utført for striatale regioner (figur 5 og figur 6). Ikke desto mindre er vi sikre på ΔFosB-induksjon i disse ikke-striatale regionene: ΔFosB er praktisk talt ikke påvisbar i disse regionene under basale forhold, slik at den konsekvente påvisningen av ΔFosB etter kronisk legemiddeleksponering er statistisk signifikant (P <0.05 av ~ 2).
Robust induksjon av alle legemidler ble sett i prefrontal cortex, med morfin og etanol som synes å produsere de sterkeste effektene i de fleste lagene (Fig. 4 og Fig. 7). Alle fire medikamenter forårsaket også lave nivåer av ΔFosB-induksjon i bed-kjernen til stria-terminalen (BNST), interstitialkjernen til den bakre delen av den fremre kommisjonen (IPAC) og gjennom amygdala-komplekset (Fig. 8). Ytterligere effekter, spesifikt for bestemte stoffer, ble også observert. Kokain og etanol, men ikke morfin eller Δ9-THC, syntes å indusere lave nivåer av FosB i lateral septum, uten induksjon sett i medial septum. Alle stoffer induserte ΔFosB i hippocampus og, med unntak av etanol, ble det meste av denne induksjonen sett i dentate gyrus (Tabell I og Fig. 9). I motsetning induserte etanol svært lite ΔFosB i dentat gyrus og i stedet induserte høye nivåer av proteinet i CA3-CA1-underfeltene. Kokain, morfin og etanol, men ikke Δ9-THC, forårsaket lave nivåer av induksjon av FosB i periaqueductalgrået, mens bare kokain indusert ΔFosB i det ventrale tegmentale området uten induksjon sett i substantia nigra (se tabell I ).
Fig. 7
Induksjon av ΔFosB i prefrontal cortex i en kontrollrotte (A) eller etter kronisk behandling med etanol (B), morfin (C) eller kokain (D). Nivåer av FosB-lignende immunreaktivitet ble analysert ved immunhistokjemi ved bruk av et pan-FosB-antistoff. Merking (mer ...)
Fig. 8
Induksjon av ΔFosB i basale laterale og sentrale mediale kjerner i amygdala av en kontrollrotte (A) eller hos rotter gitt kronisk etanol (B), morfin (C) eller kokain (D) behandling. Nivåer av FosB-lignende immunreaktivitet ble analysert ved immunhistokjemi (mer ...)
Fig. 9
Induksjon av ΔFosB i hippocampus av en kontrollrotte (A) eller hos rotter gitt kronisk etanol (B), morfin (C) eller kokain (D) behandling. Nivåer av FosB-lignende immunreaktivitet ble analysert ved immunhistokjemi ved bruk av et pan-FosB-antistoff. Merking (mer ...)
DISKUSJON
Tallrike studier har vist at kronisk administrering av flere typer rusmidler, inkludert kokain, amfetamin, metamfetamin, morfin, nikotin og fencyklidin, induserer transkripsjonsfaktoren ΔFosB i nucleus accumbens og dorsal striatum (se introduksjonsdelen for referanser; gjennomgått i McClung et al., 2004; Nestler et al., 2001). Induksjon av ΔFosB i striatale regioner har også blitt observert etter kronisk inntak av naturlige belønninger, som hjulkjøring (Werme et al., 2002). I tillegg har det vært flere rapporter om lavere nivåer av ΔFosB-induksjon i visse andre hjerneområder, inkludert prefrontal cortex, amygdala, ventral pallidum, ventral tegmental area og hippocampus (Liu et al., 2007; McDaid et al., 2006a, 2006b; Nye et al., 1996; Perrotti et al., 2005), som respons på noen av disse misbruksstoffene. Det har imidlertid aldri vært en systematisk kartlegging av medikamentinduksjon av ΔFosB i hjernen. Til tross for undersøkelser av de fleste misbruksstoffer, har to av de mest misbrukte stoffene, etanol og Δ9-THC, til dags dato ikke blitt undersøkt for deres evne til å indusere ΔFosB. Målet med denne studien var å utføre en innledende kartlegging av ΔFosB i hjernen som respons på kronisk administrering av fire prototypiske misbruksstoffer: kokain, morfin, etanol og Δ9-THC.
De viktigste funnene i studien vår er at etanol og Δ9-THC, som alle andre rusmidler, induserer høye nivåer av ΔFosB bredt innenfor striatalkomplekset. Disse resultatene etablerer ytterligere ΔFosB-induksjon i disse regionene som en vanlig, kronisk tilpasning til praktisk talt alle rusmidler (McClung et al., 2004). Induksjonsmønsteret innenfor striatalkomplekset varierte noe for de forskjellige rusmidlene. Alle induserte robust ΔFosB i nucleus accumbens-kjernen, mens alle rusmidlene – med unntak av Δ9-THC – signifikant induserte ΔFosB i nucleus accumbens-skallet og dorsale striatum også, og det var sterke trender for at Δ9-THC produserte lignende effekter i disse sistnevnte regionene. Nucleus accumbens-kjernen og -skallet er viktige belønningsregioner i hjernen, som har vist seg å være kritiske mediatorer av de givende handlingene til rusmidler. På samme måte har dorsale striatum blitt relatert til den tvangsmessige eller vanelignende naturen til rusmiddelforbruk (Vanderschuren et al., 2005). Faktisk har induksjon av ΔFosB i disse regionene vist seg å øke de givende responsene på kokain og morfin, og å øke responsene på naturlige belønninger som hjulkjøringsatferd og matinntak (Colby et al., 2003; Kelz et al., 1999; Olausson et al., 2006; Peakman et al., 2003; Werme et al., 2003; Zachariou et al., 2006). Ytterligere arbeid er nødvendig for å avgjøre om ΔFosB-induksjon i disse regionene medierer lignende funksjonelle tilpasninger i et individs følsomhet for de givende effektene av andre rusmidler.
Induksjon av ΔFosB i striatale regioner er ikke en funksjon av det viljestyrte inntaket av stoffet . Dermed viste vi at selvadministrasjon av kokain induserte samme grad av ΔFosB i nucleus accumbens og dorsal striatum som sett hos dyr som fikk tilsvarende, åk-injeksjoner av stoffet. Disse resultatene viser at ΔFosB-induksjon i striatum representerer en farmakologisk virkning av misbruksmidler, uavhengig av et dyrs kontroll over stoffeksponering. I slående kontrast viste vi nylig at selvadministrasjon av kokain induserer flere ganger høyere nivåer av ΔFosB i orbitofrontal cortex sammenlignet med åk-kokainadministrasjon (Winstanley et al., 2007). Denne effekten var spesifikk for orbitofrontal cortex, fordi tilsvarende nivåer av ΔFosB-induksjon ble sett i prefrontal cortex under disse to behandlingsbetingelsene. Selv om ΔFosB-induksjon ikke er relatert til viljestyrt kontroll over stoffinntak i striatale regioner, ser det ut til å være påvirket av slike motivasjonsfaktorer i visse høyere kortikale sentre.
Vi presenterer også semikvantitative data som viser at alle fire misbruksstoffene induserer ΔFosB i flere hjerneområder utenfor striatalkomplekset, men generelt i mindre grad. Disse andre hjerneområdene inkluderte prefrontal cortex, amygdala, IPAC, BNST og hippocampus . Legemiddelinduksjon av ΔFosB i prefrontal cortex og hippocampus kan være relatert til noen av effektene av misbruksstoffer på kognitiv ytelse, selv om dette ennå ikke har blitt undersøkt direkte. Amygdala, IPAC og BNST har alle vært implisert i å regulere et individs responser på aversive stimuli. Dette reiser muligheten for at ΔFosB-induksjon i disse regionene etter kronisk administrering av et misbruksstoff medierer legemiddelregulering av emosjonell atferd langt utover belønning. Det vil være interessant å undersøke disse mulighetene i fremtidige undersøkelser.
De fire stoffene av misbruk som studeres her, har også produsert noen narkotikaspesifikke effekter. Kokain indusert ΔFosB i det ventrale tegmentale området, som tidligere rapportert (Perrotti et al., 2005). På samme måte induserte kokain og etanol unikt lavt nivå av ΔFosB i lateral septum. Δ9-THC var unikt for mindre dramatiske effekter på ΔFosB-induksjon, sammenlignet med andre misbruksmedisiner, i nukleobatteriet og dorsalstriatum, som tidligere nevnt. Δ9-THC var også unikt ved at kronisk eksponering for dette legemidlet, i motsetning til alle de andre, ikke induserte lave nivåer av ΔFosB i periaqueductalgrået. Gitt rollen av hippocampus og septum i kognitiv funksjon, og rollen i disse regionene samt den periaqueduktale grå for å regulere et dyrs respons på stressende situasjoner, kunne region- og narkotikaspesifikk induksjon av ΔFosB i disse regionene formidle viktige aspekter ved narkotikahandling på hjernen.
Oppsummert har ΔFosB-induksjon i striatale belønningsregioner i hjernen blitt demonstrert i stor grad som en delt kronisk tilpasning til rusmidler. Vi har utvidet denne oppfatningen ved å vise her at to ytterligere og mye misbrukte rusmidler, etanol og Δ9-THC, også induserer ΔFosB i disse hjerneområdene . Vi identifiserer også flere andre områder av hjernen, involvert i kognitiv funksjon og stressresponser, som viser varierende grad av ΔFosB-induksjon som respons på kronisk rusmiddeleksponering. Noen av disse responsene, som induksjonen av ΔFosB i striatale regioner, er vanlige på tvers av alle rusmidler som studeres her, mens responser i andre hjerneområder er mer rusmiddelspesifikke. Disse funnene vil nå styre fremtidige undersøkelser for å karakterisere rollen til ΔFosB-induksjon i disse andre hjerneområdene. De bidrar også til å definere den potensielle nytten av antagonister av ΔFosB som en vanlig behandling for rusmiddelavhengighetssyndromer.
Fig. 3
Induksjon av ΔFosB i rotte-caudat-putamen i en kontrollrotte (A) eller etter kronisk behandling med etanol (B), morfin (C) eller kokain (D). Nivåer av FosB-lignende immunreaktivitet ble analysert ved immunhistokjemi ved bruk av et pan-FosB-antistoff. (mer …)
Erkjennelsene
Kontraktstilskuddsponsor: Nasjonalt institutt for narkotikamisbruk.
REFERANSER
1. Alibhai IN, Green TA, Nestler EJ. Regulering av fosB og FosB mRNA ekspresjon: In vivo og in vitro studier. Brain Res. 2007, 11: 4322-4333.
2. Atkins JB, Atkins J, Carlezon WA, Chlan J, Nye HE, Nestler EJ. Region-spesifikk induksjon av ΔFosB ved gjentatt administrering av typiske versus atypiske antipsykotiske legemidler. Synapse. 1999; 33:. 118-128 [PubMed]
3. Bachtell RK, Wang YM, Freeman P, Risinger FO, Ryabinin AE. Alkoholdrikk produserer hjernegruppe-selektive endringer i ekspresjon av inducerbare transkripsjonsfaktorer. Brain Res. 1999; 847:. 157-165 [PubMed]
4. Beckmann AM, Matsumoto I, Wilce PA. AP-1- og Egr-DNA-bindingsaktivitetene økes i rottehjerne under tilbaketrekning av etanol. J Neurochem. 1997; 69:. 306-314 [PubMed]
5. Carle TL, Alibhai IN, Wilkinson MB, Kumar A, Nestler EJ. Proteasomavhengige og uavhengige mekanismer for FosB destabilisering: Identifisering av FosB degron-domener og implikasjoner for FosB-stabilitet. Eur J Neurosci. 2007; 25:. 3009-3019 [PubMed]
6. Chen JS, Nye HE, Kelz MB, Hiroi N, Nakabeppu Y, Håper BT, Nestler EJ. Regulering av ΔFosB- og FosB-lignende proteiner ved elektrokonvulsiv anfall (ECS) og kokainbehandling. Mol Pharmacol. 1995; 48:. 880-889 [PubMed]
7. Colby CR, Whisler K, Steffen C, Nestler EJ, Self DW. ΔFosB øker incitamentet til kokain. J Neurosci. 2003; 23:. 2488-2493 [PubMed]
8. Criswell HE, Breese GR. Lignende effekter av etanol og flumazenil ved oppkjøp av en transportboks unngåsrespons under tilbaketrekking fra kronisk etanolbehandling. Br J Pharmacol. 1993, 110: 753-760. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
9. Ehrlich ME, Sommer J, Canas E, Unterwald EM. Periadolescentmus viser økt ΔFosB oppregulering som respons på kokain og amfetamin. J Neurosci. 2002; 22:. 9155-9159 [PubMed]
10. Frye GD, Chapin RE, Vogel RA, Mailman RB, Kilts CD, Mueller RA, Breese GR. Effekter av akutt og kronisk behandling med 1,3-butandiol på funksjonen i sentralnervesystemet: en sammenligning med etanol. J Pharmacol Exp Ther. 1981; 216:. 306-314 [PubMed]
11. Graybiel AM, Moratalla R, Robertson HA. Amfetamin og kokain induserer narkotikaspesifikk aktivering av c-fos-genet i strip-some-matriksrom og limbiske underdelinger av striatumet. Proc Natl Acad Sci USA. 1990, 87: 6912-6916. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
12. Hiroi N, Brown J, Haile C, Ye H, Greenberg ME, Nestler EJ. FosB-mutantmus: Tap av kronisk kokaininduksjon av Fos-relaterte proteiner og økt sensitivitet for kokainens psykomotoriske og givende effekter. Proc Natl Acad Sci USA. 1997, 94: 10397-10402. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
13. Håper BT, Kosofsky B, Hyman SE, Nestler EJ. Regulering av umiddelbar tidlig genuttrykk og AP-1 binding i rottekjernen accumbens av kronisk kokain. Proc Natl Acad Sci USA A. 1992; 89: 5764-5768. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
14. Håper BT, Nye HE, Kelz MB, Self DW, Iadarola MJ, Nakabeppu Y, Duman RS, Nestler EJ. Induksjon av et langvarig AP-1-kompleks bestående av endrede Fos-lignende proteiner i hjernen ved kronisk kokain og andre kroniske behandlinger. Neuron. 1994; 13:. 1235-1244 [PubMed]
15. Kelz MB, Chen JS, Carlezon WA, Whisler K, Gilden L, Beckmann AM, Steffen C, Zhang YJ, Marotti L, Self DW, Tkatch R, Baranauskas G, Surmeier DJ, Neve RL, Duman RS, Picciotto MR, Nestler EJ . Ekspresjon av transkripsjonsfaktoren ΔFosB i hjernen styrer følsomheten for kokain. Natur. 1999; 401:. 272-276 [PubMed]
16. Knapp DJ, Duncan GE, Crews FT, Breese GR. Induksjon av Fos-lignende proteiner og ultrasoniske vokalizations under etanol-tilbaketrekning: Ytterligere bevis for tilbaketreknings-indusert angst. Alkohol Clin Exp Res. 1998; 22:. 481-493 [PubMed]
17. Liu HF, Zhou WH, Zhu HQ, Lai MJ, Chen WS. Mikroinjeksjon av M (5) muskarinreseptor-antisense-oligonukleotid i VTA hemmer FosB-ekspresjon i NAc og hippocampus av heroin-sensibiliserte rotter. Neurosci Bull. 2007; 23:. 1-8 [PubMed]
18. McClung CA, Nestler EJ. Regulering av genuttrykk og kokainbelønning av CREB og ΔFosB. Nat Neurosci. 2003; 6:. 1208-1215 [PubMed]
19. McClung CA, Ulery PG, Perrotti LI, Zachariou V, Berton O, Nestler EJ. ΔFosB: En molekylær bryter for langsiktig tilpasning i hjernen. Mol Brain Res. 2004; 132:. 146-154 [PubMed]
20. McDaid J, Dallimore JE, Mackie AR, Napier TC. Endringer i accumbal og pallidal pCREB og ΔFosB i morfin-sensibiliserte rotter: Korrelasjoner med reseptor-fremkalt elektrofysiologiske tiltak i ventral pallidum. Neuropsychopharmacology. 2006a, 31: 1212-1226. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
21. McDaid J, Graham MP, Napier TC. Metamfetamininducert sensibilisering endrer differensielt pCREB og A-FosB gjennom hele limbisk kretsen av pattedyrhjernen. Mol Pharmacol. 2006b; 70:. 2064-2074 [PubMed]
22. Moratalla R, Elibol R, Vallejo M, Graybiel AM. Nettverksnivåendringer i uttrykk for inducerbare Fos-Jun proteiner i striatum under kronisk kokainbehandling og uttak. Neuron. 1996; 17:. 147-156 [PubMed]
23. Muller DL, Unterwald EM. D1 dopaminreseptorer modulerer ΔFosB-induksjon i rottestriatum etter intermittent morfinadministrasjon. J Pharmacol Exp Ther. 2005; 314:. 148-154 [PubMed]
24. Nestler EJ, Barrot M, Self DW. ΔFosB: En vedvarende molekylær bryter for avhengighet. Proc Natl Acad Sci USA. 2001, 98: 11042-11046. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
25. Nye HE, Nestler EJ. Induksjon av kroniske Fos-relaterte antigener i rottehjerne ved kronisk morfinadministrasjon. Mol Pharmacol. 1996; 49:. 636-645 [PubMed]
26. Nye HE, Håper BT, Kelz MB, Iadarola M, Nestler EJ. Farmakologiske studier av reguleringen av kokain av kronisk Fra (Fos-relatert antigen) induksjon i striatum og nucleus accumbens. J Pharmacol Exp Ther. 1995; 275:. 1671-1680 [PubMed]
27. Olausson P, Jentsch JD, Tronson N, Neve R, Nestler EJ, Taylor FR. ΔFosB i kjernen accumbens regulerer matforsterket instrumentell oppførsel og motivasjon. J Neurosci. 2006; 26:. 9196-9204 [PubMed]
28. Peakman MC, Colby C, Perrotti LI, Tekumalla P, Carle T, Ulery P, Chao J, Duman C, Steffen C, Monteggia L, Allen MR, Stock JL, Duman RS, McNeish JD, Barrot M, Self DW, Nestler EJ , Schaeffer E. Inducible, hjernegionspesifikke uttrykk for en dominant negativ mutant av c-Jun i transgene mus reduserer følsomheten for kokain. Brain Res. 2003; 970:. 73-86 [PubMed]
29. Perrotti LI, Hadeishi Y, Barrot M, Duman RS, Nestler EJ. Induksjon av ΔFosB i belønningsrelaterte hjernestrukturer etter kronisk stress. J Neurosci. 2004; 24:. 10594-10602 [PubMed]
30. Perrotti LI, Bolanos CA, Choi KH, Russo SJ, Edwards S, Ulery PG, Wallace D, Self DW, Nestler EJ, Barrot M. ΔFosB akkumulerer i en GABAergic cellepopulasjon i den bakre halen av det ventrale tegmentale området etter psykostimulerende behandling. Eur J Neurosci. 2005; 21:. 2817-2824 [PubMed]
31. Pich EM, Pagliusi SR, Tessari M, Talabot-Ayer D, Hooft van Huijsduijnen R, Chiamulera C. Vanlige nevrale substrat for vanedannende egenskaper av nikotin og kokain. Vitenskap. 1997; 275:. 83-86 [PubMed]
32. SAMHSA. O. o. A. Studier, Nasjonalt Clearinghouse for informasjon om alkohol og narkotika. Rockville, MD: NSDUH-serien H-28; 2005. Resultater fra 2004 Nasjonale undersøkelsen om narkotikabruk og helse: Nasjonale funn.
33. Sim-Selley LJ, Martin BR. Effekt av kronisk administrering av R - (+) - [2,3-dihydro-5-metyl-3 - [(morfolinyl) metyl] pyrrolo [1,2, 3-de] -1,4-b enzoxazinyl] - (1-naftalenyl) metanon mesylat (WIN55,212-2) eller delta (9) -tetrahydrocannabinol på cannabinoidreseptoradaptasjon hos mus. J Pharmacol Exp Ther. 2002, 303: 36-44. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
34. Sutton MA, Karanian DA, Self DW. Faktorer som bestemmer en tendens til kokain-søkende adferd under avholdenhet hos rotter. Neuropsychopharmacology. 2000; 22:. 626-641 [PubMed]
35. Ulery PG, Rudenko G, Nestler EJ. Regulering av ΔFosB stabilitet ved fosforylering. J Neurosci. 2006; 26:. 5131-5142 [PubMed]
36. Vanderschuren LJ, Di Ciano P, Everitt BJ. Engasjement av dorsalstriatum i cue-kontrollert kokain-søk. J Neurosci. 2005; 25:. 8665-8670 [PubMed]
37. Werme M, Messer C, Olson L, Gilden L, Thorén P, Nestler EJ, Brené S. ΔFosB regulerer hjulkjøring. J Neurosci. 2002; 22:. 8133-8138 [PubMed]
38. Winstanley CA, LaPlant Q, Theobald DEH, Green TA, Bachtell RK, Perrotti LI, DiLeone FJ, Russo SJ, Garth WJ, Self DW, Nestler EJ. ΔFosB induksjon i orbitofrontal cortex medierer toleranse mot kokain-indusert kognitiv dysfunksjon. J Neurosci. 2007; 27:. 10497-10507 [PubMed]
39. Young ST, Porrino LJ, Iadarola MJ. Kokain induserer striatal c-fosimmunoreaktive proteiner via dopaminerge D1-reseptorer. Proc Natl Acad Sci USA. 1991, 88: 1291-1295. [PMC gratis artikkel] [PubMed]
40. Zachariou V, Bolanos CA, Selley DE, Theobald D, Cassidy MP, Kelz MB, Shaw-Lutchman T, Berton O, Sim-Selley LJ, DiLeone RJ, Kumar A, Nestler EJ. ΔFosB: En viktig rolle for ΔFosB i nucleus accumbens i morfinvirkning. Nat Neurosci. 2006; 9:. 205-211 [PubMed]