Effects of repeated cocaine administration on the mGluR5 metabotropic glutamate receptor density in the rat brain

Uzależnienie jest przewlekłą chorobą spowodowaną nieprawidłowym funkcjonowaniem układu nagrody oraz szlaków i struktur odpowiedzialnych za motywację, uczenie się i pamięć. W jej przebiegu pojawiają się nie tylko charakterystyczne zaburzenia kontroli zachowań (niepohamowanie w używaniu substancji pomimo negatywnych konsekwencji zdrowotnych i społecznych), ale także zmiany emocjonalne (m.in lęk, dysforia, nieadekwatne reakcje impulsywne) i osłabienie zdolności poznawczych. Badania na zwierzętach, a także badania z udziałem ludzi pozwoliły na wyznaczenie obszarów mózgu odpowiadających za odczuwanie przyjemności oraz za zachowania motywacyjne. Struktury, którym przypisuje się najistotniejszą rolę to przede wszystkim: pole brzuszne nakrywki (VTA), jądro półleżące przegrody (NAcc), hipokamp, grzbietowe prążkowie (DSTR), kora przedczołowa (PFC), ciała migdałowate i brzuszna gałka blada (VP). Wciąż nie jest znany kluczowy mechanizm odpowiadający za rozwój uzależnienia, niemniej jednak zidentyfikowano pewne zmiany neuroadaptacyjne, występujące na skutek stosowania substancji psychoaktywnych o potencjale uzależniającym. Oprócz zaobserwowanego już wiele lat temu wpływu substancji uzależniających na układ dopaminergiczny, należy podkreślić, że ich używanie prowadzi również do modulacji neurotransmisji glutaminianergicznej. W niniejszej pracy magisterskiej badano zmiany gęstości glutaminianergicznych receptorów metabotropowych mGluR5 w obrębie hipokampa i grzbietowego prążkowia (DSTR) pod wpływem wielokrotnie podawanej kokainy. W eksperymencie zastosowano model samopodawania w procedurze sprzężonej z grupami kontrolnymi otrzymującymi biernie kokainę lub sól fizjologiczną. Wyniki – wartości Bmax – przedstawiono w postaci średnich arytmetycznych ± SEM. Analizę statystyczną przeprowadzono za pomocą testu t-Studenta (na poziomie istotności α = 0.05). W hipokampie, w fazie podtrzymania nałogu najwyższą średnią wartość Bmax zanotowano dla grupy sprzężonej aktywnie pobierającej kokainę (786.2 fmol/mg białka). W fazie wygaszenia nastąpiło obniżenie gęstości mGluR5 (średnie wartości Bmax: 464.7 – 499.7 fmol/mg bialka), a pomiędzy grupami nie odnotowano znaczących różnic. W przypadku nawrotu, istotne statystycznie różnice w wartościach Bmax zaobserwowano pomiędzy grupą aktywnie pobierającą kokainę a grupami kontrolnymi. Najniższą gęstość mGluR5 zanotowano dla grupy aktywnie pobierającej kokainę (RAC), a różnice w stosunku do grup kontrolnych wynosiły: RAC vs RYC 502.2 ± 102.6 fmol/mg białka (42.7%), p<0.05; RAC vs RYSI 530.8 ± 215.7 fmol/mg białka (44.09%), p<0.05; RAC vs RYSII 433.8 ± 92.54 fmol/mg białka (39.19%), p<0.05. W DSTR, w fazie wygaszenia, w grupie aktywnie pobierającej kokainę otrzymane wartości Bmax były znacząco niższe niż w grupie sprzężonej biernie otrzymującej kokainę: EAC vs EYC 163.5 ± 49.36 fmol/mg białka (25.58%), p<0.05. W fazie nawrotu najwyższą gęstość mGluR5 zanotowano dla grupy aktywnie pobierającej kokainę: RAC vs RYC 115.4 ± 41.41 fmol/mg białka (20.84%), p<0.05. Prawdopodobnie, obniżenie gęstości mGluR5 w hipokampie w fazie nawrotu może stanowić mechanizm adaptacyjny, którego rolą jest zminimalizowanie negatywnych skutków nadmiernego pobudzenia układu nagrody, spowodowanego używaniem substancji psychoaktywnej. Wyraźna różnica w średnich wartościach Bmax pomiędzy grupą aktywnie pobierającą kokainę a grupami kontrolnymi wskazuje na istotną rolę zachowań motywacyjnych. Należy również podkreślić, że jednokrotne podanie narkotyku (jak w przypadku grupy sprzężonej biernie otrzymującej sól fizjologiczną, w której nawrót wywołano dawką kokainy) nie jest wystarczające do wytworzenia zmian neuroadaptacyjnych obserwowanych w uzależnieniu. W DSTR, obniżenie gęstości mGluR5 w fazie wygaszenia i podwyższenie w fazie nawrotu, w grupie aktywnie pobierającej kokainę w stosunku do grupy sprzężonej biernie otrzymującej kokainę potwierdza udział wspomnianej struktury w procesach nabywania asocjacji i uczenia kompulsywnych nawyków.

Addiction is defined as a chronic disease caused by the malfunction of the brain reward circuit as well as other circuits and structures which form networks involved in motivational behavior, feeling of pleasure, learning and memory. Typical hallmarks of this disorder include either inability to control behavior (repetitive engagement in drug use and/or other addictive practices regardless of their harmful health and social consequences) or emotional disturbance (inter alia: anxiety, dysphoria, inadequate impulsive reactions) and cognitive impairment. In vivo studies, either in animals or in humans, have led to the identification of the brain areas engaged in feeling of pleasure and in the motivational behavior. Structures which have been proven to play a pivotal role include: ventral tegmental area, nucleus accumbens, dorsal striatum, hippocampus, prefrontal cortex, amygdalae and ventral pallidum. The key mechanism responsible for the transition from substance use to the addiction still remains unknown. Nonetheless, some neuroadaptive changes resulting from psychoactive drugs abuse have been revealed. In addition to the impact of addictive substances on the dopaminergic system, observed long ago, it should be emphasized that their use alters also glutamatergic neurotransmission. In the master thesis, we verified the hypothesis if repeated cocaine administration altered the mGluR5 metabotropic glutamate receptor density in the hippocampus and in the dorsal striatum. In order to investigate the motivational aspect in the development of addiction and exclude solely pharmacological actions of cocaine, we used the self-administration procedure with control groups receiving passive cocaine or saline. Results - Bmax values - are presented as arithmetic means ± SEM. Statistical analysis was performed using Student's t test (significance threshold at α = 0.05). In the rat hippocampus, the highest mean Bmax value in the maintenance phase was measured for the yoked group receiving cocaine (RYC: 786.2 fmol/mg protein). Reduction in the mGluR5 density occurred in each group in extinction (with the mean Bmax values ranging from 464.7 to 499.7 fmol/mg protein). Statistically significant differences in the Bmax values between the self-administering animals (RAC) and the control groups were seen in the relapse phase. In fact, the lowest density of mGluR5 was observed for the RAC group, and the differences were as follows: RAC vs. RYC 502.2 ± 102.6 fmol/mg protein (42.7%), p<0.05; RAC vs. RYSI 530.8 ± 215.7 fmol/mg protein (44.09%), p<0.05; RAC vs. RYSII 433.8 ± 92.54 fmol/mg protein (39.19%), p<0.05. In the dorsal striatum, during the extinction phase, significantly lower Bmax values were noted in self-administering animals comparing to the yoked group passively receiving cocaine: EAC vs. EYC 163.5 ± 49.36 fmol/mg protein (25.58%), p<0.05. During relapse, the highest density of mGluR5 was observed in the self-administering group: RAC vs. RYC 115.4 ± 41.41 fmol/mg protein (20.84%), p<0.05. It is possible that the reduced density of mGluR5 in the hippocampus during relapse may be an adaptive mechanism aimed at minimizing the negative effects of excessive stimulation of the reward system, resulting from the psychoactive substance abuse. A significant difference in mean Bmax values between the self-administrating group and all control groups indicates the substantial role of motivation. Furthermore, a single drug administration (as in case of the group passively receiving saline, which obtained one dose of cocaine to induce the relapse) is not sufficient to produce the neuroadaptive changes observed in addiction. In the dorsal striatum, mGluR5 density reduction in case of the self-administering group, in relation to the yoked group receiving cocaine passively, confirms participation of this structure in the processes of learning and acquisition of compulsive habits.