Effects of chronic nicotine on behavioural and neurochemical responses to morphine

Abstract

Tobacco smoking is a worldwide health problem. Nicotine is generally accepted as the addictive substance in tobacco smoke. In addition to causing cancer, cardiac, vascular and pulmonary diseases, tobacco smoking has been suggested to act as a gateway drug to other drugs of abuse. The purpose of this study was to find out, whether chronic nicotine administration and its cessation potentiate the effects of morphine, and the mechanisms behind this. The study was performed in mice that received nicotine chronically via drinking water. This method of administration mimics human smoking in that the mice receive nicotine intermittently during their active time and that their plasma nicotine concentrations resemble those found in human smokers.

First, we found that after chronic oral nicotine treatment mice are sensitized to the locomotor activity increasing effects of morphine. However, cocaine’s stimulating effect was not enhanced after chronic nicotine treatment, suggesting that the enhanced stimulation is due to changes in the regulation of dopaminergic system.

Second, we noticed that mice pretreated chronically with nicotine required smaller doses of morphine to display place conditioning than control mice, suggesting that chronic nicotine treatment enhances morphine’s reinforcing effects. However, we found no changes in the number, affinity or functional activity of the µ-opioid receptors, which mediate morphine’s effects, suggesting a minor role for the alterations of this receptor in the enhanced effects of morphine.

Third, we found that nicotine pretreatment enhances the morphine-induced increase in nigrostriatal and mesolimbic extracellular dopamine levels, which are likely involved in the behavioural changes observed after chronic nicotine treatment. Furthermore, morphine’s effect on GABAergic transmission in the ventral tegmental area/substantia nigra after chronic nicotine treatment was opposite to that in controls; morphine increased extracellular GABA in nicotine-pretreated mice. No changes in GABAB-receptor function were found after nicotine treatment. The changes in GABA transmission are possibly involved in the alterations in the morphine-induced dopamine transmission after chronic nicotine treatment.

Last, chronic nicotine treatment altered cerebral levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and phosphorylated cAMP response element binding protein (pCREB), which are markers of neuronal plasticity. Chronic nicotine decreased BDNF and pCREB levels in the ventral tegmental area and nucleus accumbens, respectively. BDNF levels increased during nicotine abstinence, suggesting that mechanisms of neuronal plasticity are activated after the cessation of chronic nicotine treatment, which could be related to the long-lasting neuronal changes behind addiction. We also found nicotine-morphine interactions in pCREB levels in the soma areas of dopaminergic neurons, showing that nicotine and morphine interact also at the molecular level. These alterations may be involved in the behavioural and neurochemical nicotine-morphine interactions.

In conclusion, these experiments suggest that chronic nicotine treatment profoundly enhances morphine’s effects on striatal dopaminergic pathways and thereby enhances its effects on locomotion and reinforcement. The alterations in neuronal plasticity markers found in dopaminergic brain areas most probably are involved in these changes. Also, alterations in midbrain GABAergic systems may contribute. These experiments indicate that chronic nicotine exposure leads to cerebral neurochemical and molecular changes that facilitate the addictive properties of morphine. Thus, tobacco smoking may alter the addictive properties of other drugs of abuse.

Tupakointi on maailmanlaajuinen terveysongelma. Nikotiini on tupakansavun riippuvuutta aiheuttava kemiallinen yhdiste. Tupakointi aiheuttaa monia sairauksia, kuten syöpiä, hengityselinten sairauksia, sekä sydän- ja verisuonisairauksia, ja sen on esitetty toimivan porttina muiden päihteiden käytölle. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, muuttaako pitkäaikainen nikotiinialtistus morfiinin vaikutuksia, sekä ilmiön taustalla olevia mekanismeja. Tutkimus suoritettiin hiirillä, jotka saivat nikotiinia kroonisesti juomaveden mukana. Tämä annostelutapa muistuttaa ihmisten tupakointia siten, että hiiret saavat nikotiinia useita kertoja vuorokaudessa aktiivisena vuorokaudenaikanaan, ja niiden plasman nikotiinipitoisuudet ovat samaa luokkaa kuin tupakoivilla ihmisillä.

Kroonisen nikotiiniannon jälkeen hiiret olivat herkistyneet akuutin morfiinin liikeaktiivisuutta stimuloivalle vaikutukselle. Liikeaktiivisuutta stimuloivan vaikutuksen katsotaan aiheutuvan mielihyvää säätelevien dopamiinihermoratojen aktivoitumisesta. Kokaiinin stimuloiva vaikutus ei kuitenkaan ollut muuttunut nikotiinia saaneissa hiirissä. Tämä viittaa siihen, että nikotiini ei niinkään ole muuttanut dopamiinihermoratojen toimintaa, vaan niiden säätelyä.

Nikotiinia saaneet hiiret herkistyivät myös morfiinin palkitseville vaikutuksille ehdollistettu paikkahakuisuus -kokeessa. Morfiinin vaikutusta välittävien µ-opioidireseptorien määrässä tai toiminnassa ei kuitenkaan havaittu muutoksia.

Aivojen neurokemiassa tapahtuvia muutoksia tutkittiin mittaamalla dopamiinin pitoisuuksia kahdella mielihyvään liittyvällä aivoalueella, accumbens-tumakkeessa ja striatumissa. Morfiinin vaikutukset dopamiinin vaihduntaan olivat voimistuneet nikotiinia saaneissa hiirissä, mikä voi selittää hiirien käyttäytymisvasteissa havaitut muutokset. Lisäksi havaitsimme, että dopamiinihermojen toimintaa säätelevän gamma-aminovoihapon (GABA) vaihdunta oli muuttunut nikotiiniannon jälkeen aivoalueilla, joilta mielihyvää säätelevät dopamiiniradat saavat alkunsa. Nikotiinia saaneiden hiirien aivoissa GABA-pitoisuus oli laskenut, ja morfiini vaikutti nikotiinia saaneiden hiirien GABA-tasoihin päinvastoin kuin kontrolleihin. Muutokset GABA:n vaihdunnassa voivat liittyä morfiinin dopamiiniradoissa aikaansaamiin muutoksiin.

Hermosolujen muovautumisen katsotaan olevan päihteiden aiheuttaman riippuvuuden taustalla. Tätä tukee havaintomme, että nikotiinikäsittelyn aikana ja sen lopettamisen jälkeen hermokasvutekijä BDNF:n ja proteiinien ilmentymiseen vaikuttavan pCREB-säätelytekijän pitoisuudet muuttuivat. Morfiini muutti voimakkaasti pCREB:n määrää nikotiinia saaneiden hiirien aivoissa dopamiinihermosolujen lähtöalueella. Nämä muutokset vahvistavat käsitystä siitä, että nikotiini aiheuttaa pitkäaikaisia molekyylitason muutoksia hermosoluissa. Nämä muutokset voivat olla morfiinin muuttuneiden neurokemiallisten ja käyttäytymisvasteiden taustalla.

Yhteenvetona voidaan todeta, että hiirillä krooninen nikotiinialtistus voimistaa morfiinin stimuloivia ja mielihyvää tuovia vaikutuksia, sekä vaikutuksia dopamiinin vaihduntaan. Hermosolujen muovautuminen ja muutokset GABA-välittäjäaineen toiminnassa ovat luultavimmin morfiinin korostuneiden vaikutusten taustalla. Havainnot viittaavat siihen, että pitkäaikainen nikotiinialtistus lisää morfiinin riippuvuutta aiheuttavia vaikutuksia. Tämän kokeellisen tutkimuksen perusteella voi olettaa, että myös ihmisillä tupakointi voi lisätä muiden päihteiden riippuvuutta aiheuttavia vaikutuksia.