Kommentarer: Två molekylära omkopplare spelar framträdande roller i alla missbruk, inklusive beteendeberoende. En jag betonar, kallad DeltaFosB, den andra är CREB, ämnet i denna artikel.
20 år sedan blev forskare kopplade till en enda transkriptionsfaktor som svarar mot ett antal missbrukande droger. Kommer deras arbete att leda till behandlingar?
Av Kerry Grens
Stephen Mague, doktorand vid University of Pennsylvania, rullar en vagn laddad med musburar in i ett rum som är lika stort som en stor klädkammare. Rummet liknar ett fotografiutvecklingslaboratorium, endast upplyst av rött ljus och trångt med små arbetsbänkar och svarta gardiner. I hallen visar en TV-skärm en videokameras vy inifrån rummet och ser ner på en rad plexiglaslådor.
En efter en kommer en latexhandskad hand i sikte på skärmen och plundrar en brun mus i varje låda. Djuren rusar runt och utforskar hörnen; några pauser i mitten av kammaren och tränar sig energiskt. Mague konditionerar djuren för att associera ett läkemedel med ena sidan av kammaren över en annan, till exempel den med randiga väggar istället för solida väggar. Att lägga till ett läkemedel som kokain i kamrarna gör jobbet otroligt enkelt. Bara en exponering för drogen kommer att göra det, säger doktorand Jess Cleck: "En gång hade jag en mus sitta i 13 minuter och 30 sekunder på den sida där han tidigare fått kokain."
Med tiden leder exponering för läkemedlet till både djur och människor till beroende, begär och tillbakadragande när läkemedlet tas bort. Ångest och depression blir vanligare, och alla andra belöningskällor tappar sitt tilltal när läkemedlet blir en primär källa till motivation. De fysiologiska förändringarna hos personer med missbruk är slående. "Det är inte så att de är mer eller mindre känsliga för ett läkemedel, de är olika människor", säger Eric Nestler vid University of Texas Southwestern Medical Center i Dallas. "Du förändrar djupt nervcellernas natur."
Den nedåtgående spiralen från första hast till varaktig beroende bidrar till många neurobiologiska anpassningar: långsiktig depression vid synapser, neurodegeneration och permanenta modifieringar i genuttryck. Inga två droger är likadant, eftersom varje har sina egna idiosynkraser. Till exempel ökar stimulanter som amfetamin och kokain neuronal förgrening i nukleär accumbens, medan morfin har motsatt effekt.
Den klassiska beskrivningen av läkemedlets effekt på hjärnan är inriktad på belöningssystemet, i synnerhet neuroner som projicerar ventralt från det ventrala tegmentala området (VTA) till kärnan. Dessa neuroner frisätter dopamin, och alkohol och missbruksdroger upphetsar dem direkt eller indirekt. När dopamin levereras till nucleus accumbens stimulerar det njutning.
Problemet börjar när detta system över tid börjar urholka och utveckla tolerans. Samma mängd läkemedel inducerar mindre dopaminsvar, VTA-nervceller kan krympa, synaptiska anslutningar sönderfaller, receptordensiteter förändras och uttrycket av vissa gener ökar, särskilt de som är relaterade till ångest och depression. Detta, enligt George Koob vid Salk Institute i La Jolla, Kalifornien, är den ”mörka sidan av missbruk”, när en missbrukare fortsätter att använda ett läkemedel bara för att mildra de dåliga känslorna av att vara beroende.
Julie Blendy, Magues huvudutredare vid University of Pennsylvania, Nestler och andra, siktar igenom de otaliga molekylära förändringarna som följer med läkemedelsexponering och missbruk för att spika ner exakt vad som händer transkriptionellt i hjärnan. I nästan två decennier har missbrukare undersökt aktiviteten hos en transkriptionsfaktor: cAMP-respons-elementbindande protein (CREB). Detta protein svarar på en mängd olika missbruksdroger, inklusive kokain, morfin, alkohol, amfetamin och nikotin. Trots hela den tiden säger Nestler emellertid: "Vi är precis vid toppen av isberget nu när vi identifierar CREB-mål" -gener. Ändå hoppas de hitta ledningar för att förhindra eller reparera dessa förändringar.
Blendy minns exakt när hennes första CREB-bristande möss föddes. "De är 15 år gamla", säger hon skrattande, "jag födde min dotter [i juni] och två veckor senare föddes den första mutanten." Vid den tiden var Blendy postdoktor i Gunther Schutzs laboratorium vid tyska cancerforskningscentret i Heidelberg, och det fanns mycket entusiasm över knockout-tekniken. Andra grupper krävde att mössen skulle användas.
Men allt stannade när Schutz-gruppen började karakterisera mössen. "Vi insåg att vi inte hade gjort en fullständig knockout", säger Blendy. De mutanta djuren hade alternativa skarvformer av CREB-genen, men det visade sig vara en olyckshändelse. CREB knockout-djur överlever inte den perinatala perioden. Att ha bara en liten mängd CREB tillät dessa mutanter att överleva till vuxen ålder, med funktionella förändringar som skulle göra det möjligt för forskare att undersöka CREB: s roll i ett antal neurologiska aspekter, inklusive lärande, minne, humörsjukdomar och missbruk.
Vid den här tiden, i mitten av 90-talet, var transkriptionsfaktorn redan ett mål för missbruksforskning. Det började på 1970-talet med enzymet adenylylcyklas i locus ceruleus, ett blåaktigt område av hjärnstammen som levererar noradrenalin till många delar av hjärnan. Adenylylcyklas syntetiserar cAMP, vilket i sin tur aktiverar CREB. Nobelpristagaren Marshall Nirenberg och hans kollegor gav bevis i locus ceruleus-neuroner på en "cellulär tolerans" mot morfin. De visade att medan aktiviteten av adenylylcyklas sjunker efter exponering för morfin, när läkemedlet lämnas att inkubera i cellerna i mer än en dag, studsar adenylylcyklasaktivitet tillbaka.1 När läkemedlet avlägsnades, steg enzymets aktivitet, vilket författarna tolkar som ett cellulärt tillbakadragande från beroende: "Detta fenomen kan liknas med abstinenssyndromet hos djur."
"Du ändrar djupt nervcellernas natur." -Eric Nestler
Det var först mer än ett decennium senare, i början av 1990-talet, när Nestler, sedan vid Yale University, och hans grupp replikerade resultaten in vivo och flyttade två steg nedströms från adenylylcyklas till aktivering av CREB. De visade att en dos morfin försämrar fosforyleringen av CREB (en markör för CREB-aktivering), men att aktiviteten återgår till normal efter en längre exponering för läkemedlet.2 "Ungefär samma tid", påminner Nestler, "frågade vi: Locus ceruleus är bara ett modellsystem för opiatsystemet, men svarar andra nervceller? ” Han vände sig till nucleus accumbens, en grupp neuroner som får dopaminerga ingångar från det ventrala tegmentala området och som är involverade i hjärnans belöningssystem. Där hittade Nestler liknande resultat: Kronisk användning av morfin ökar aktiviteten för CREB.
De CREB-bristande mössen i Schtzs lab presenterade en möjlighet att mäta om CREB var nödvändig i missbruksprocessen. Med Rafael Maldonado, som då var vid universitetet i Paris, visade Blendy 1996 att hennes mutanta möss saknade de symtom på morfinuttag som vanliga djur uppvisar.3 ”Beroende betyder per definition närvaron av ett abstinenssyndrom när läkemedlet avlägsnas , Säger Blendy. "Frågan är, var djuren i första hand aldrig beroende av drogen?" Blendy drog slutsatsen att CREB var viktigt för att initiera missbruk. Men en sådan enkel förklaring var för bra för att vara sant.
Bill Carlezon, nu docent i psykiatri vid Harvards McLean Hospital i Belmont, Massachusetts, var postdoktor i Nestlers laboratorium i mitten av 1990-talet och studerade kokain i kärnan. Vid den tiden fanns det inget bra sätt att rikta CREB direkt, så Nestlers grupp utvecklade en virusvektor med en mutant form av CREB som konkurrerar med endogen CREB och blockerar dess aktivitet. När mutanta djur fick kokain visade de en ökad preferens för läkemedlet, medan när CREB överuttrycktes hos djur visade de en motvilja mot det.4
Blendy hittade liknande resultat efter att hon flyttade till University of Pennsylvania 1997 med den CREB-bristfälliga muslinjen. När dessa djur fick låga doser kokain (doser som var tillräckligt små för att göra dem omöjliga att skilja från saltlösning till vildtypsdjur) visade djuren en stark plats-preferens för den sida av rutan där de fick kokain.5 ”CREB-bristande djur visa en förbättring av kokainbelöningen, säger Blendy.
Även om Blendys data överensstämde med Nestler och Carlezons resultat, var de fynd som verkade överensstämma med hennes resultat för morfin. Medan CREB-brist tycktes få djur mer intresserade av kokain, agerade det motsatt med morfin. Blendy misstänker att skillnaden är relaterad till de olika hjärnregionerna som varje läkemedel arbetar med. Även om alla missbruksdroger slutar öka dopamin i nucleus accumbens, agerar de genom olika mekanismer: Kokain blockerar dopamintransportörer i nucleus accumbens, medan morfin inhiberar dopaminceller i det ventrala tegmentala området.
Komplexiteten hos molekylära förändringar som är involverade i narkotikamissbruk stoppar inte där. Alkohol och nikotin verkar annorlunda på CREB än kokain och morfin. Dessutom regleras en annan transkriptionsfaktor, DFosB, på liknande sätt som CREB, men med motsatta effekter på beteende.6
DFosB-svaret på droger kan vara lika viktigt för missbruk som CREB, särskilt när det gäller långsiktiga förändringar. Enligt Nestler levererar CREB i huvudsak negativ feedback från droger, ochDFosB främjar läkemedlets givande effekter.
"DFosB kan ses på många sätt som motsatsen till CREB", säger Nestler. Men med förvirrande komplexitet kan båda transkriptionsfaktorerna uppregleras i samma cell. "Vissa celler visar CREB-aktivering, andra inducerar DFosB och vissa överlappar varandra", förklarar Nestler. "Det är en mycket komplex process som måste utarbetas."
Trots dessa kunskapsbrister, på 1990-talet, ansåg forskare att CREB var viktigt för att reglera effekterna av missbruksdroger. De hade dock också insett att det uppenbarligen inte var en markör för alla läkemedel i alla hjärnregioner, än mindre en behandling. ”CREB kommer aldrig att vara ett terapeutiskt mål. Det är för viktigt, det är för allestädes närvarande, säger Blendy.
Hon bestämde sig för att vända nedströms. Hennes grupp spårar uttrycket av ett antal CREB-målgener under drogberoende, från initial exponering till beroende till tillbakadragande. "Förhoppningen är att några av de mål [gener] som det ansvarar för kommer att vara idealiska."
En nedströms målgen som har visat de mest dramatiska resultaten i differentiellt uttryck genom dessa faser är kortikotropinfrisättande faktor (CRF, även kallad kortikotrofinfrisättande hormon, CRH). CRF är viktigt för att förmedla stresssvar, men det är också involverat i Koobs mörka sida av missbruk. ”Vad vi hittar”, säger Koob, “och detta gäller särskilt alkohol och opiater och nikotin och kanske lite mindre för kokain - när djur tar mycket droger blir CRF-systemet engagerat och bidrar till överdriven drog -tar."
Markus Heilig, klinisk chef för National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism, säger att uppreglering av CRF-systemet verkar vara permanent. "Under det senaste året spikade en serie papper i gnagare att om du har en lång historia av beroende av alkohol och cykler av berusning och tillbakadragande kommer det att framkalla anmärkningsvärt långvariga förändringar i det endogena [CRF] -systemet," Heilig säger.
Koob har nyligen visat att djur som är beroende av alkohol dricker mindre under uttag när de har fått en antagonist mot CRF1-receptorn.7 "Man skulle förutse [en CRF1-receptorantagonist] kan vara ett utmärkt läkemedel för abstinens", säger Nestler. Att hitta en antagonist säker för användning hos människor har dock varit svårt. Kliniska prövningar på ett läkemedel, NBI 30775, avbröts för flera år sedan efter att två patienter utvecklade förhöjda leverenzymnivåer. 8 Koob och Heilig arbetar bland annat för att hitta en CRF1-receptorantagonist som kan användas säkert för att behandla missbruk.
I mars i år publicerade Heilig lovande resultat i alkoholberoende råttor och visade att läkemedlet stoppade beroende djur från att söka alkohol när de utsattes för en stressor. 9 Om en CRF1-receptorantagonist skulle kunna utvecklas till ett läkemedel, säger Koob, Den mest troliga ansökan skulle vara under akut uttag.
”CREB kommer aldrig att vara ett terapeutiskt mål. Det är för viktigt, det är för allestädes närvarande. ”- Julie Blendy
Cirka 300 miles norr om Blendy's Penn lab, en liknande kappad, handskad och bootied forskare vid Harvards McLean Hospital rullar en vagn med djur nerför en korridor. Dessa är Carlezons experimentella råttor, var och en utrustad med en antennliknande elektrod kirurgiskt monterad på toppen av huvudet. Elektroden matar angenäm stimulering, i form av fyrkantvågspulser av elektrisk ström, till hjärnans belöningscenter. På Carlezons kontor spelar han en video av en mus som oavbrutet snurrar ett hjul för att ta emot den glädjande strömmen. ”Det känns nog som det bästa någonsin. Djur väljer det framför droger, mat, sex - vad som helst, säger han.
Vid en viss punkt slutar musen att snurra på hjulet när strömmen sjunker under en frekvens där belöningen minskar, säger Carlezon. När djur går igenom tillbakadragande från kokain ökar den minsta mängd ström de är villiga att arbeta för - deras "belöningströskel" - 10 "Eftersom stimuleringen inte är lika givande under tillbakadragandet kräver mössen högre frekvenser för att få dem att arbeta [för stimuleringen]. ” Carlezons slutsats: "Vi tror att de gör mer dynorfin."
Dynorphin är en endogen opioid som verkar vid k-opioidreceptorer och är en nedströms målgen för CREB. Carlezon visade att när CREB eller dynorfinfunktionen är förhöjd i kärnan accumbens, är kokain mindre givande och ibland till och med aversiv. Men när k-receptorer blockeras, går effekten bort. 4 Carlezon experimenterar nu med att ge k-opioidreceptorantagonister till råttor som upplever kokainavbrott och mäter om dessa läkemedel kan hålla belöningsgränserna stabila. Om antagonisterna arbetar, säger Carlezon att de kan vara kandidater för att behandla symptomen på drogmissbruk.
Koob och Brendan Walker, även vid Scripps, har använt en k-opioidreceptorantagonist, nor-binaltorfimin, i etanolberoende råttor och fann att de drack mindre. Hos djur som inte var beroende, de dricker inte beteenden. Walker säger att det stöder tanken att dynorfin-k-opioid-systemet är inblandat i den ”mörka sidan” av missbruk11. "I allmänhet," säger Walker, "det är hypotesen - när djur är beroende och man tar bort alkohol, gör den ökade negativa påverkan att de vill få mer alkohol. Det ser ut som om vi kan blockera det systemet så kan vi på sätt och vis blockera aninalens motivation att konsumera alkohol för mycket. ”
Charles O'Brien, vice ordförande för psykiatri vid University of Pennsylvania och chef för Center for Studies in Addiction, säger att forskning om dynorfin och CRF1-receptorantagonister verkar lovande, men för att verkligen behandla missbruk måste målet vara hjärnans minnescentrum , som kanske eller inte involverar CREB.
"Missbruk är tvångssökande beteende", säger O'Brien. ”Det är inte de förändringar som produceras av alkohol, kokain eller heroin i sig. Det är det faktum att efter att läkemedlet är borta finns det ett lärande, ett minnesspår, som producerar begär, som producerar drogsökning och återfall. ” Nestler säger att dessa minnen är livslånga. ”Som barn rörde vi vid en varm spis och kom ihåg att det aldrig är värt att experimentera med en varm spis .... Drogminnen kan vara lika kraftfulla som dessa minnen. ”
Huruvida inlärning av missbruk involverar CREB är osäkert. Ändå säger Nestler att manipulering av CREBs målgener för att underlätta abstinenssymptom kan hjälpa andra missbruksbehandlingar, såsom kognitiv beteendeterapi, som kan påverka minnen. "Enligt min mening, ju tidigare du får dessa [potentiella droger] till människor, desto bättre", säger O'Brien. "Djurmodellerna kan peka vägen, men förr eller senare måste du få dem till människor."
Referensprojekt
1. SK Sharma et al., "Dubbel reglering av adenylatcyklas står för narkotiskt beroende och tolerans", Proc Nat Acad Sci, 72: 3092-6, 1975. [PUBMED]
2. X. Guitart et al., "Reglering av cykliskt AMP-responselementbindande protein (CREB) fosforylering genom akut och kronisk morfin i råtta locus ceruleus," J Neurochem, 58: 1168-71, 1992. [PUBMED]
3. R. Maldonado et al., "Reduktion av morfinavhållsamhet hos möss med en mutation i genen som kodar för CREB," Science, 273: 657-9, 1996. [PUBMED]
4. WA Carlezon, Jr. et al., "Reglering av kokainbelöning av CREB," Science, 282: 2272-5, 1998. [PUBMED]
5. CL Walters, JA Blendy, "Olika krav för cAMP-svarselementbindande protein i positiva och negativa förstärkande egenskaper hos missbruksdroger," J Neurosci, 21: 9438-44, 2001. [PUBMED]
6. EJ Nestler, "Finns det en gemensam molekylär väg för missbruk?" Nat Neurosci, 8: 1445-9, 2005. [PUBMED]
7. CK Funk et al., ”Corticotropin-releasing factor 1 antagonists selectively select etanol self-administration in etanol -afhankliga råttor,” Biol Psych, 61: 78-86, 2007. [PUBMED]
8. C. Chen, DE Grigoriadis, "NBI 30775 (R121919), en oralt aktiv antagonist av kortikotropinfrisättande faktor (CRF) typ 1-receptorn för behandling av ångest och depression," Drug Dev Res, 65: 216- 26, 2005. [PUBMED]
9. DR Gehlert et al., "3- (4-klor-2-morfolin-4-yl-tiazol-5-yl) -8- (1-etylpropyl) -2,6-dimetyl-imidazo [1,2 -b] pyridazin: en ny hjärnpenetrerande, oralt tillgänglig kortikotropinfrisättande faktorreceptor 1-antagonist med effekt i djurmodeller av alkoholism, ”J Neurosci, 27: 2718-26, 2007. [PUBMED]
10. I. Goussakov et al., "LTP i lateral amygdala under kokainuttag," Eur J Neurosci, 23: 239-50, 2006. [PUBMED]
11. Walker BM och Koob GF, ”Pharmacological evidence for a motivational role of ?? - opioid systems in etanol dependence,” Neuropsykofarmakologi, online-publikation 2 maj 2007. [PUBMED]
Läs mer: Beroendeframkallande forskning - Vetenskapsmannen - Life of Science http://www.the-scientist.com/article/display/53236/#ixzz17vJl152n
;
