Negative reinforcement in cocaine dependence: the integration of CRF and 5-HT stress and emotional systems

Projectomschrijving

Personen met een cocaïne verslaving vertonen verhoogde negatieve emotionaliteit, die wordt verondersteld de voortzetting van drugsgebruik en dwangmatigheid in drugsverslaving te bevorderen. Belangrijk is dat de korte (s) allelische variant van het signaalstof serotonine bij mensen wordt geassocieerd met negatieve emotionaliteit, en waarschijnlijk de mate van cocaïneverslaving beïnvloed. Omdat serotonine sterk reageert op het CRF stresssysteem in het bemiddelen emotionele gedragsreacties, veronderstellen wij dat de geërfde serotonine down-regulatie,  cocaïne geïnduceerde neuroadaptaties in het CRF stresssysteem activeert. Hierdoor vergroot het remmende effect op cocaïne afhankelijkheid. Het is ons doel om deze hypothese te testen met behulp van de unieke serotonine transporter knockout rat model.

Doel
Inzicht in de ontstaanswijze van een groot gedeelte van de motivatie tot het blijven gebruiken bij cocaïneafhankelijkheid. Er wordt een verdeling in subgroepen gemaakt, gecategoriseerd op basis van individuele verschillen en ernst. Vervolgens wordt dit gekoppeld aan succesvolle therapieën, gebaseerd op genetische profielen.

Producten

Titel: Deciphering the interaction of the CRF and serotonin brain systems in anxiety-related disorders
Auteur: Homberg JR, Contet C
Magazine: Journal of Neuroscience

Verslagen


Eindverslag

Achtergrond: mensen die verslaafd zijn aan cocaïne vertonen een verhoogde negatieve emotionele respons in stressvolle situaties. Deze emotionele staat draagt bij aan de inname van cocaïne en compulsief gedrag. Het werk van Dr. George Koob heeft aangetoond dat corticotrophin releasing factor (CRF) in de extended amygdala hierbij een centrale rol speelt. Dit CRF systeem werkt sterk samen met het serotonerge systeem in de regulatie van de emotionele reactie op stress. Omdat een veelvoorkomend serotonine transporter (5-HTT) polymorfisme bij mensen gepaard gaat met een verhoogd risico op cocaïne verslaving en een negatieve emotionele staat, en omdat de serotonine transporter knockout ratten van Dr. Judith Homberg (welke model staan voor dit polymorfisme) een verhoogde cocaïne zelftoediening en angst-gerelateerd gedrag vertonen, hebben wij de geïntegreerde hypothese gesteld dat overerfbare vermindering in de expressie van de serotonine transporter leidt tot cocaïne-geinduceerde neuroadaptaties in het CRF stress systeem van de amygdala, en daarmee de negatieve emotionele staat van het individu verhoogd. Methode en resultaten: onze aanpak is tweevoudig: in het lab van Dr. Homberg (Nijmegen, Nederland) hebben we serotonine transporter knockout ratten getest die gedurende 1 en 6 uur per dag toegang hadden tot cocaïne. Deze knockout ratten lieten een tweemaal verhoogde cocaïne zelftoediening zien onder beide condities en vertoonden bovendien meer angst op de elevated plus maze 24 uur na onthouding van cocaïne. Ook naïeve knockout ratten vertoonden meer angst op de elevated plus maze. In het lab van George Koob (San Diego, VS) hebben we de expressie van de serotonine transporter verlaagd m.b.v. short hairpin RNA virale vectoren die werden geïnjecteerd in de dorsale raphe van volwassen wild-type ratten. Het gebruik van deze twee verschillende technieken maakt het mogelijk om eventuele afwijkingen in de ontwikkeling van de hersenen van ratten die geboren zijn zonder serotonine transporter te bestuderen. De serotonine transporter knockdown ratten vertoonden meer cocaïne zelftoediening als ze 6 uur per dag (maar niet als ze 1 uur per dag) toegang hadden tot cocaïne. Bovendien hebben we gevonden dat deze knockdown ratten meer angst vertonen op de elevated plus maze, zowel 24 uur na onthouding als onder naïeve condities. Conclusie: onze data tonen aan dat zowel constitutieve serotonine transporter knockout als acute serotonine transporter knockdown resulteren in angst-gerelateerd gedrag en voorhoogde cocaine zelf-toediening. Onze bevindingen suggereren dat een verhoogde gevoeligheid voor verslaving het gevolg is van verhoogde serotonine concentraties in de hersenen, in plaats van de moeilijk behandelbare serotonine-gemedieerde veranderingen in de ontwikkeling van de hersenen. De rol van het CRF systeem in de amygdala van bovengenoemde ratten wordt thans onderzocht.

Achtergrond: mensen die verslaafd zijn aan cocaïne vertonen een verhoogde negatieve emotionele respons in stressvolle situaties. Deze emotionele staat draagt bij aan de inname van cocaïne en compulsief gedrag. Het werk van Dr. George Koob heeft aangetoond dat corticotrophin releasing factor (CRF) in de extended amygdala hierbij een centrale rol speelt. Dit CRF systeem werkt sterk samen met het serotonerge systeem in de regulatie van de emotionele reactie op stress. Omdat een veelvoorkomend serotonine transporter (5-HTT) polymorfisme bij mensen gepaard gaat met een verhoogd risico op cocaïne verslaving en een negatieve emotionele staat, en omdat de serotonine transporter knockout ratten van Dr. Judith Homberg (welke model staan voor dit polymorfisme) een verhoogde cocaïne zelftoediening en angst-gerelateerd gedrag vertonen, hebben wij de geïntegreerde hypothese gesteld dat overerfbare vermindering in de expressie van de serotonine transporter leidt tot cocaïne-geinduceerde neuroadaptaties in het CRF stress systeem van de amygdala, en daarmee de negatieve emotionele staat van het individu verhoogd.

Methode en resultaten: onze aanpak is tweevoudig: in het lab van Dr. Homberg (Nijmegen, Nederland) hebben we serotonine transporter knockout ratten getest die gedurende 1 uur per dag toegang hadden tot cocaïne. Deze knockout ratten lieten een tweemaal verhoogde cocaïne zelftoediening zien en vertoonden bovendien meer angst op de elevated plus maze 24 uur na onthouding van cocaïne. Ook naïeve knockout ratten vertoonden meer angst op de elevated plus maze. In het lab van George Koob (San Diego, VS) hebben we de expressie van de serotonine transporter verlaagd m.b.v. short hairpin RNA virale vectoren die werden geïnjecteerd in de dorsale raphe van volwassen wild-type ratten. Het gebruik van deze twee verschillende technieken maakt het mogelijk om eventuele afwijkingen in de ontwikkeling van de hersenen van ratten die geboren zijn zonder serotonine transporter te bestuderen. De serotonine transporter knockdown ratten vertoonden meer cocaïne zelftoediening als ze 6 uur per dag (maar niet als ze 1 uur per dag) toegang hadden tot cocaïne. Bovendien hebben we gevonden dat deze knockdown ratten meer angst vertonen op de elevated plus maze, zowel 24 uur na onthouding als onder naïeve condities.

Conclusie: onze data tonen aan dat zowel constitutieve serotonine transporter knockout als acute serotonine transporter knockdown resulteren in angst-gerelateerd gedrag. Onze bevindingen suggereren dat een verhoogde gevoeligheid voor verslaving het gevolg is van verhoogde serotonine concentraties in de hersenen, in plaats van de moeilijk behandelbare serotonine-gemedieerde veranderingen in de ontwikkeling van de hersenen. De rol van het CRF systeem in de amygdala van bovengenoemde ratten wordt thans onderzocht.

Samenvatting van de aanvraag

Individuals with cocaine addiction show increased negative emotionality, which is hypothesized to drive continuation of drug use and compulsivity in drug addiction. Importantly, the highly prevalent serotonin transporter (5-HTT) reducing short (s) allelic variant of the 5-HTT-linked polymorphic region (5-HTTLPR) in humans is associated with negative emotionality, and therefore is expected to impact the vulnerability to cocaine dependence. In support, Dr. Homberg showed that serotonin transporter knockout (SERT-/-) rats, which have high extracellular serotonin levels due to the lack of 5-HTTs in presynaptic terminals, are highly motivated to self-administer cocaine and display increased anxiety- and depression-related phenotypes. Dr. Koob has established that neuroadaptations in the extended amygdala corticotropin-releasing factor (CRF) stress system contribute to a negative emotional state upon drug termination and drive continuation of cocaine self-administration. Because serotonin strongly interacts with the CRF stress system in mediating emotional behavioral responses, we propose the integrative hypothesis that inherited 5-HTT down-regulation sets up cocaine-induced neuroadaptations in the extended amygdala CRF stress system, and thereby increases negative reinforcement in cocaine dependence. It is our aim to test this hypothesis using the unique serotonin transporter knockout rat model, which mimics the 5-HTTLPR. In Specific Aim 1, SERT-/-, SERT+/- rats and wild type controls (SERT+/+) will be tested in the extended access model of cocaine self-administration, interspersed with measurement of compulsivity with the progressive ratio schedule. At 48 h into withdrawal, as well as in an additional group of naïve rats, anxiety- and depression related behavior will be measured using the elevated plus maze and operant learned helplessness paradigms, respectively. We expect that SERT-/- rats, and to a lesser extent SERT+/- rats, show increased anxiety-like behavior and learned helplessness, resulting into increased vulnerability to escalate cocaine self-administration, excessive motivation to self-administer the drug, and exacerbation of the negative emotionality in the cocaine-dependent state. In Specific Aim 2, CRF density in subregions of the extended amygdala and the dorsal raphe nucleus (DRN) will be measured in naïve and in cocaine dependent SERT-/-, SERT+/- and SERT+/+ rats using immunohistochemistry. We expect that CRF immunoreactivity in naïve SERT-/- rats, and to a lesser extent in SERT+/- rats, will be decreased (reflecting increased extracellular CRF levels), which will be further exacerbated in the cocaine-dependent state. Because SERT-/- rats exhibit high extracellular serotonin levels and display increased anxiety- and depression-related phenotypes, similar to the anxiogenic effects of CRF, we argue that increased vulnerability to cocaine dependence in SERT-/- rats is due to long-term increase in extracellular serotonin levels. In Specific Aim 3 we therefore will study the effect of viral-mediated 5-HTT gene silencing in the DRN of adult wild-type rats, which results into high extracellular serotonin levels, on escalation of cocaine self-administration and CRF immunoreactivity. To this end, adeno-associated viral particles encoding a shRNA directed against the 5-HTT transcript will be microinjected into the DRN. This approach will reduce presynaptic 5-HTT density in the extended amygdala and interconnected frontal cortical and limbic regions, but not in the periphery and in ‘dependence-unrelated’ brain areas. After two weeks, when 5-HTT synthesis is silenced, pre-trained animals will be offered extended access to cocaine self-administration and CRF density in subregions of the extended amygdala and the DRN will be measured. We expect that adult 5-HTT gene silencing mimics the SERT-/-/SERT+/- rat findings in Specific Aims 1 and 2, implying that increases in extracellular serotonin levels up-regulate the CRF stress system. This information is needed to determine our research strategy in a future NIDA RO1 grant application, and ultimately for therapy adjustment to genotype. Collectively, this project will provide key information for the etiology of a major component of the motivation driving continuation of drug use once dependent. By its strong translational power this study will also provide important predictive value for the identification of subgroups in the domains of individual differences and severity, and the resulting adjustment of therapy to genetic profile. This project will extend ongoing research of Dr. Koob on CRF-mediated negative reinforcement in drug dependence to serotonin, as well as research of Dr. Homberg on serotonin-mediated neurodevelopmental changes underlying individual differences in vulnerability to cocaine self-administration to the CRF stress system. To conduct the proposed experiments, expertises of both laboratories are required.

Onderwerpen

Kenmerken

Projectnummer:
31180005
Looptijd: 100%
2009
2012
Onderdeel van programma:
Gerelateerde subsidieronde:
2e US ronde subsidieaanvraag
Projectleider en penvoerder:
Prof. dr. J.R. Homberg
Verantwoordelijke organisatie:
Radboudumc