Roles of forced nicotine exposure and Comt gene disruption in the development of addiction-related behavioural and neurochemical changes in mice

Abstract

Activation of midbrain dopamine systems is thought to be critically involved in the addictive properties of abused substances. Drugs of abuse increase dopamine release in the nucleus accumbens and dorsal striatum, which are the target areas of mesolimbic and nigrostriatal dopamine pathways, respectively. Dopamine release in the nucleus accumbens is thought to mediate the attribution of incentive salience to rewards, and dorsal striatal dopamine release is involved in habit formation. In addition, changes in the function of prefrontal cortex (PFC), the target area of mesocortical dopamine pathway, may skew information processing and memory formation such that the addict pays an abnormal amount of attention to drug-related cues. In this study, we wanted to explore how long-term forced oral nicotine exposure or the lack of catechol-O-methyltransferase (COMT), one of the dopamine metabolizing enzymes, would affect the functioning of these pathways. We also wanted to find out how the forced nicotine exposure or the lack of COMT would affect the consumption of nicotine, alcohol, or cocaine.

First, we studied the effect of forced chronic nicotine exposure on the sensitivity of dopamine D2-like autoreceptors in microdialysis and locomotor activity experiments. We found that the sensitivity of these receptors was unchanged after forced oral nicotine exposure, although an increase in the sensitivity was observed in mice treated with intermittent nicotine injections twice daily for 10 days. Thus, the effect of nicotine treatment on dopamine autoreceptor sensitivity depends on the route, frequency, and time course of drug administration.

Second, we investigated whether the forced oral nicotine exposure would affect the reinforcing properties of nicotine injections. The chronic nicotine exposure did not significantly affect the development of conditioned place preference to nicotine. In the intravenous self-administration paradigm, however, the nicotine-exposed animals self-administered nicotine at a lower unit dose than the control animals, indicating that their sensitivity to the reinforcing effects of nicotine was enhanced.

Next, we wanted to study whether the Comt gene knock-out animals would be a suitable model to study alcohol and cocaine consumption or addiction. Although previous work had shown male Comt knock-out mice to be less sensitive to the locomotor-activating effects of cocaine, the present study found that the lack of COMT did not affect the consumption of cocaine solutions or the development of cocaine-induced place preference. However, the present work did find that male Comt knock-out mice, but not female knock-out mice, consumed ethanol more avidly than their wild-type littermates. This finding suggests that COMT may be one of the factors, albeit not a primary one, contributing to the risk of alcoholism.

Last, we explored the effect of COMT deficiency on dorsal striatal, accumbal, and prefrontal cortical dopamine metabolism under no-net-flux conditions and under levodopa load in freely-moving mice. The lack of COMT did not affect the extracellular dopamine concentrations under baseline conditions in any of the brain areas studied. In the prefrontal cortex, the dopamine levels remained high for a prolonged time after levodopa treatment in male, but not female, Comt knock-out mice. COMT deficiency induced accumulation of 3,4-dihydroxyphenylacetic acid, which increased further under levodopa load. Homovanillic acid was not detectable in Comt knock-out animals either under baseline conditions or after levodopa treatment.

Taken together, the present results show that although forced chronic oral nicotine exposure affects the reinforcing properties of self-administered nicotine, it is not an addiction model itself. COMT seems to play a minor role in dopamine metabolism and in the development of addiction under baseline conditions, indicating that dopamine function in the brain is well-protected from perturbation. However, the role of COMT becomes more important when the dopaminergic system is challenged, such as by pharmacological manipulation.

Huumeiden ja muiden riippuvuutta aiheuttavien aineiden yhteinen nimittäjä on kyky aktivoida keskiaivojen dopamiiniratoja. Ne lisäävät dopamiinin vapautumista akkumbens-tumakkeessa ja dorsaalisessa striatumissa, jotka ovat mesolimbisen ja nigrostriataalisen dopamiiniradan päätealueet. Akkumbens-tumakkeessa dopamiinin ajatellaan välittävän palkitsevien tapahtumien muuttumista halutuiksi, ja dorsaalisessa striatumissa sen on todettu osallistuvan tapojen muodostukseen. Lisäksi muutokset mesokortikaalisen radan päätealueen, etuaivokuoren, toiminnassa voivat vääristää tiedonkäsittelyä ja muistin toimintaa siten, että riippuvainen yksilö kiinnittää suhteettoman paljon huomiota huumeisiin liittyviin ympäristön tekijöihin. Tässä tutkimuksessa haluttiin selvittää, kuinka pitkäkestoinen pakotettu juomaveden kautta tapahtuva nikotiinialtistus tai dopamiinin hajottamiseen osallistuvan katekoli-O-metyylitransferaasientsyymin (COMT) puutos vaikuttaa näiden dopamiiniratojen toimintaan. Lisäksi halusimme tutkia, miten pakotettu nikotiinialtistus tai COMT-puutos vaikuttaa nikotiinin, alkoholin tai kokaiinin kulutukseen.

Tässä tutkimuksessa havaittiin, että krooninen pakotettu nikotiinialtistus lisäsi dopamiinin ja dopamiinimetaboliittien määrää dorsaalisessa striatumissa. Se myös lisäsi hiirten liikeaktiivisuutta. Nämä havainnot osoittavat, että pakotetustikin annettu nikotiini aktivoi nigrostriataalista dopamiinirataa vielä useiden viikkojen altistuksen jälkeenkin. Muutokset tämän radan toiminnassa osoittautuivat kuitenkin olevan erilaisia kuin annettaessa nikotiinia perinteisellä tavalla toistettuina injektioina. Havaitsimme myös, että nikotiinialtistetut eläimet itseannostelivat nikotiinia matalammalla annostasolla kuin verrokkihiiret. Tämä viittaa siihen, että nikotiinialtistetut hiiret olivat verrokkeja herkempiä nikotiinin palkitseville vaikutuksille. Passiivinenkin nikotiinialtistus voi siis lisätä riippuvuusriskiä. Näin ollen esimerkiksi altistuminen huoneilman tupakansavulle saattaa kasvattaa nikotiiniriippuvuuden kehittymisen todennäköisyyttä myöhempien tupakointikokeilujen seurauksena.

Aiemmissa tutkimuksissa oli todettu COMT-entsyymipuutoksen vähentävän kokaiinin liikeaktiivisuutta lisäävää vaikutusta hiirissä. Tässä tutkimuksessa COMT-puutoksen ei kuitenkaan todettu vaikuttavan kokaiiniliuoksen kulutukseen tai kokaiinin palkitseviin vaikutuksiin. Alkoholiliuoksia Comt-poistogeeniset hiiriurokset kuitenkin joivat runsaammin kuin verrokkihiiret, mutta tätä vaikutusta ei havaittu naarashiirissä. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että COMT saattaa olla yksi, vaikkakaan ei keskeisin, osatekijä alkoholismin kehittymisessä.

COMT-puutos ei vaikuttanut dorsaalistriatumin, akkumbens-tumakkeen eikä etuaivokuoren solunulkoiseen dopamiinipitoisuuteen. Dopamiinin ensisijaisen hajoamistuotteen, 3,4-dihydroksifenyylietikkahapon, kumuloituminen sen sijaan korostui Comt-poistogeenisisssä hiirissä. Levodopa-annoksen jälkeen Comt-poistogeenisien hiiriuroksien etuaivokuoren dopamiinitasot säilyivät kuitenkin pidempään korkeina kuin verrokkihiirien, mutta samanlaista vaikutusta ei ollut nähtävissä naarashiirissä. Etanoli saattaa siis aiheuttaa Comt-poistogeenisten uroshiirien aivoissa voimakkaamman dopamiinin vapautumisen, jolloin ne joisivat enemmän alkoholia kuin naaraat. Voidaan myös todeta, että COMT-entsyymin merkitys dopamiinin hajottamisessa kasvaa etenkin etuaivokuorella, kun dopamiiniratoja rasitetaan farmakologisin keinoin.