RICERCA ITALIANA     

SET, SETTING E PROPRIETA' DI RINFORZO DEI FARMACI D'ABUSO : RUOLO DELLA RESPONSIVITA' DELLA TRASMISSIONE DOPAMINERGICA MESOLIMBICA

Università degli Studi di Cagliari

Abstract

L'assunto generale alla base del presente progetto coordinato di ricerca è che le condizioni e le modalità nelle quali ha luogo l'esposizione del soggetto ai farmaci d'abuso (setting) esercitano un'influenza profonda sulle proprietà gratificanti e di rinforzo dei farmaci stessi. Tale influenza si si esprime non solo acutamente ma anche a lungo termine attraverso modificazioni di natura associativa e non-associativa di specifici substrati neurobiologici individuali (set) che stanno alla base di quelle proprietà.L'ipotesi di lavoro che tali studi intendono testare è che la responsività della trasmissione dopaminergica del sistema mesolimbico (striato ventrale,nucleo accumbens) ai farmaci d'abuso sia fortemente influenzata dalle condizioni sperimentali e dalle modalità (setting) nelle quali ha luogo l'esposizione del soggetto ai farmaci stessi e che tali circostanze possano, proprio attraverso i loro effetti sulla responsività della trasmissione dopaminergica mesolimbica, determinare modificazioni a lungo termine, di natura associativa e non associativa, delle proprietà gratificanti e di rinforzo dei farmaci d'abuso interagendo con i substrati individuali, sia ereditari che acquisiti (set), di tali proprietà.Tale ipotesi sarà testata attraverso studi di natura sia correlativa che sperimentale che comporteranno la manipolazione delle condizioni ambientali e delle modalità di somministrazione dei farmaci d'abuso e l'uso di ceppi inincrociati di topi e di ratti che differiscono geneticamente per la responsività del sistema dopaminergico mesolimbico ai farmaci d'abuso.
L'Unità 1 ha l'obiettivo di verificare l'ipotesi che le modalità di somministrazione di un farmaco d'abuso influenzino la responsività della trasmissione dopaminergica nella shell e nel core del nucleo accumbens in maniera differenziale in rapporto al fatto che essa sia contingente o non-contingente alla risposta e che da tale modalità dipenda l'induzione di processi non-associativi di neuroplasticità e sensibilizzazione comportamentale.
L'Unità 2 ha l'obiettivo di verificare l'ipotesi che il valore incentivante di stimoli legati al consumo di sostanze d'abuso sia determinato da processi di plasticità neurale che coinvolgono sia meccanismi associativi che non-associativi e che il peso relativo di ciascun meccanismo dipenda essenzialmente dalle caratteristiche genetiche dell'organismo.
L'Unità 3 intende verificare l'ipotesi che sebbene gli stimoli gratificanti farmacologici abbiano in comune con quelli non-farmacologici la proprietà di attivare la trasmissione dopaminergica nella shell del NAc, ne differiscono per il fatto che tale proprietà, nel caso dei farmaci, non va incontro a processi adattativi rapidi e reversibili (abitudine). Tale ipotesi sarà in particolare applicata al caso dell'etanolo che , essendo assunto per via orale, presenta le proprietà degli stimoli farmacologici (azione diretta centrale) e del cibo (gusto).
L'Unità 4 intende verificare l'ipotesi che gli effetti dell'eroina sull'attività dei sistemi mesolimbici e mesostriatali dipenda dalla storia e modalità di esposizione al farmaco e dal contesto ambientale e che tale influenza si osservi sia quando il farmaco venga somministrato dallo sperimentatore che quando sia autosomministrato dallo soggetto stesso. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gaetano DI CHIARA Università degli Studi di CAGLIARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'assunto generale alla base del presente progetto coordinato di ricerca è che le condizioni e le modalità nelle quali ha luogo l'esposizione del soggetto ai farmaci d'abuso (setting) esercitano un'influenza profonda sulle proprietà gratificanti e di rinforzo dei farmaci stessi. Tale influenza si si esprime non solo acutamente ma anche a lungo termine attraverso modificazioni di natura associativa e non-associativa di specifici substrati neurobiologici individuali (set) che stanno alla base di quelle proprietà.L'ipotesi di lavoro che tali studi intendono testare è che la responsività della trasmissione dopaminergica del sistema mesolimbico (striato ventrale,nucleo accumbens) ai farmaci d'abuso sia fortemente influenzata dalle condizioni sperimentali e dalle modalità (setting) nelle quali ha luogo l'esposizione del soggetto ai farmaci stessi e che tali circostanze possano, proprio attraverso i loro effetti sulla responsività della trasmissione dopaminergica mesolimbica, determinare modificazioni a lungo termine, di natura associativa e non associativa, delle proprietà gratificanti e di rinforzo dei farmaci d'abuso interagendo con i substrati individuali, sia ereditari che acquisiti (set), di tali proprietà.Tale ipotesi sarà testata attraverso studi di natura sia correlativa che sperimentale che comporteranno la manipolazione delle condizioni ambientali e delle modalità di somministrazione dei farmaci d'abuso e l'uso di ceppi inincrociati di topi e di ratti che differiscono geneticamente per la responsività del sistema dopaminergico mesolimbico ai farmaci d'abuso.
L'Unità 1 ha l'obiettivo di verificare l'ipotesi che le modalità di somministrazione di un farmaco d'abuso influenzino la responsività della trasmissione dopaminergica nella shell e nel core del nucleo accumbens in maniera differenziale in rapporto al fatto che essa sia contingente o non-contingente alla risposta e che da tale modalità dipenda l'induzione di processi non-associativi di neuroplasticità e sensibilizzazione comportamentale.A tale scopo l'Unità 1 si prefigge il compito di :a)Studiare il ruolo del controllo strumentale dello stimolo (farmaco i.v.) da parte del soggetto secondo una contingenza azione-esito nella responsività della trasmissione dopaminergica della shell e nel core del nucleo accumbens alla somministrazione endovenosa di cocaina.b)Stabilire la relazione tra somministrazione contingente e non-contingente di cocaina e induzione di sensitizzazione comportamentale. c)Studiare il ruolo della contingenza stimolo (cocaina)-risposta nella responsività della dopamina della shell e del core del n.accumbens e nel comportamento di autosomministrazione in due ceppi di ratti inbred (Lewis e Fisher) provvisti di una diversa sensibilità agli effetti rinforzanti della cocaina.In questi studi si utilizzerà la responsività della dopamina della shell e del core , l'espressione della GAD67 nell'amigdala centrale e la risposta motoria al challenge con cocaina come indici di sensibilizzazione comportamentale.
L'Unità 2 ha l'obiettivo di verificare l'ipotesi che il valore incentivante di stimoli legati al consumo di sostanze d'abuso sia determinato da processi di plasticità neurale che coinvolgono sia meccanismi associativi che non-associativi e che il peso relativo di ciascun meccanismo dipenda essenzialmente dalle caratteristiche genetiche dell'organismo.A questo scopo saranno utilizzati due ceppi inincrociati di topi e, come paradigma sperimentale principale, la Preferenza Spaziale Condizionata (CPP) indotta dalle sostanze d'abuso. In questo paradigma l'acquisizione della CPP dovrebbe dipendere essenzialmente da meccanismi associativi mentre la preferenza per l'ambiente condizionato agli effetti della sostanza d'abuso dopo estinzione (ripristino) indotta dalla somministrazione della sostanza stessa dovrebbe essere amplificata da processi di neuroplasticità di tipo non-associativo.I dati ottenuti con tale paradigma di CPP verranno confrontati con quelli ottenuti in un paradigma di sensibilizzazione locomotoria dipendente dal contesto, come controllo di plasticità associativa, e con quelli relativi alla sensibilizzazione locomotoria indotta da esperienze stressanti o manipolazione ambientale, come controllo di neuroplasticità non-associativa.
L'Unità 3 intende verificare l'ipotesi che sebbene gli stimoli gratificanti farmacologici abbiano in comune con quelli non-farmacologici la proprietà di attivare la trasmissione dopaminergica nella shell del NAc, ne differiscono per il fatto che tale proprietà, nel caso dei farmaci, non va incontro a processi adattativi rapidi e reversibili (abitudine). Tale ipotesi sarà in particolare applicata al caso dell'etanolo che , essendo assunto per via orale, presenta le proprietà degli stimoli farmacologici (azione diretta centrale) e del cibo (gusto).A questo scopo si studierà il fenomeno dell'abitudine della responsività della trasmissione mesolimbica sia a livello presinaptico, attraverso l'uso della microdialisi cerebrale, che a livello postsinaptico, attraverso lo studio della fosforilazione DA-dipendente di substrati proteici , che a livello presinaptico attraverso il monitoraggio della DA extracellulare con la microdialisi cerebrale.In questo modo sarà possibile paragonare la capacità del cibo e dell'alcol di indurre abitudine della trasmissione dopaminergica dopo una singola pre-esposizione e l'influenza di fattori individuali come lo stato motivazionale( fame) e le caratteristiche genetiche , attraverso l'uso di un ceppo di ratti alcol preferenti ( Sardinian alcohol preferring).
L'Unità 4 intende verificare l'ipotesi che gli effetti dell'eroina sull'attività dei sistemi mesolimbici e mesostriatali dipenda dalla storia e modalità di esposizione al farmaco e dal contesto ambientale e che tale influenza si osservi sia quando il farmaco venga somministrato dallo sperimentatore che quando sia autosomministrato dallo soggetto stesso. A questo scopo si studierà il ruolo del contesto ambientale nel modulare sia la sensibilizzazione psicomotoria indotta da somministrazioni non contingenti di eroina che le proprietà rinforzanti dell'eroina in un protocollo di autosomministrazione. In ambedue i casi verrà utilizzata l'espressione della proteina Fos come indice di attivazione nei neuroni del VTA/SN e in quelli striatali di proiezione diretta e indiretta. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

E' ormai ampiamente riconosciuto che gli effetti comportamentali dei farmaci ad azione centrale , ed in particolare gli effetti gratificanti e di rinforzo dei farmaci d'abuso, sono dipendenti da fattori individuali intrinseci al soggetto(set), di natura ereditaria ed acquisita, e da fattori estrinseci(setting) costituiti dal contesto e dalle modalità dell'esposizione del soggetto ai farmaci stessi.Da questi studi è derivato il concetto che le proprietà intrinseche dei farmaci d'abuso, le caratteristiche individuali (set)e le circostanze dell'esposizione del soggetto ai farmaci(setting) costituiscano un sistema di fattori(cluster)dalla cui interazione dipende sia l'effetto acuto del farmaco stesso che le modificazioni a lungo termine da esso prodotte.Questo approccio trova nello studio della vulnerabilità alla tossicodipendenza una applicazione pratica ricca di sviluppi e applicazioni.
Un altro aspetto ormai diffusamente accettato dalla comunità scientifica è l'importanza del ruolo della dopamina (DA), in particolare di quella del sistema mesolimbico, nel meccanismo d'azione dei farmaci d'abuso e nei processi di apprendimento e di plasticità da essi indotti.I farmaci e le sostanze d'abuso attivano la trasmissione dopaminergica (DA) in particolare nella shell del nucleo accumbens (NAc)(Pontieri et al., 1995; Tanda et al., 1997). La proprietà di attivare la DA nella shell del NAc è posseduta anche dagli stimoli gratificanti non-farmacologici ; tuttavia, in questo caso la risposta DA è negativamente regolata da una precedente esposizione allo stesso stimolo o a stimoli ad esso condizionati(stimoli pavloviani)(Bassareo and Di Chiara,1997,1999a and b; Bassareo et al., 2002).E' stato ipotizzato che la ripetuta stimolazione della trasmissione DA nella shell del NAc da parte delle sostanze d'abuso faciliti in modo abnorme l'apprendimento incentivo pavloviano determinando l'acquisizione di eccessive proprietà incentive da parte di stimoli condizionati alle sostanze d'abuso (Di Chiara,1998,2000,2002).Inoltre, stimoli condizionati agli effetti della morfina non prevengono ma piuttosto facilitano la stimolazione della trasmissione dopaminergica nella shell del nucleo accumbens (Bassareo and Di Chiara ,in preparazione).In tal modo stimoli contingenti agli effetti gratificanti delle sostanze d'abuso acquisiscono potenti proprietà incentive dopo un numero relativamente limitato di associazioni predittive con la sostanza d'abuso;tali proprietà,una volta acquisite, divengono particolarmente resistenti all'estinzione.Le eccessive proprietà incentive acquisite da incentivi condizionati agli effetti delle sostanze d'abuso possono render conto della loro influenza durevole e virtualmente irreversibile oltreché della natura esclusiva e compulsiva del comportamento motivato dalle droghe cui sono condizionati(Di Chiara, 1998).
L'assunzione ripetuta ed intermittente di sostanze d'abuso determina un aumento persistente dell'attivazione psicomotoria e delle proprietà gratificanti da esse prodotte, un fenomeno noto come sensibilizzazione comportamentale. In questo fenomeno gioca un ruolo fondamnetale la trasmissione DA nel NAc(Robinson and Berridge, 2001). A tale processo è stato attribuito un importante ruolo nell patogenesi della tossicodipendenza (teoria della sensitizzazione incentiva ). Secondo questa teoria, la tossicodipendenza è dovuta ad una eccessiva espressione delle influenze incentive esercitate da stimoli condizionati ai farmaci in seguito ad una sensitizzazione della trasmissione dopaminergica mesolimbica indotta dai farmaci stessi(Robinson and Berridge, 1993).
La proprietà di stimolare la trasmissione dopaminergica nella shell e nel core del n.accumbens è geneticamente determinata.Infatti i farmaci d'abuso provocano risposte differenti a livello della DA del NAc nei ceppi di ratti inbred Lewis e Fisher 344 (Cadoni e Di Chiara , in preparazione).Questi due ceppi sono diversamente sensibili agli effetti di rinforzo dei farmaci d'abuso in paradigmi di autosomministrazione.In questi paradigmi i Lewis acquisiscono più rapidamente e mantengono l'autosomministrazione a dosi più basse di cocaina rispetto ai Fisher (Kosten et al,1997). Per quanto riguarda i topi, due ceppi inbred,i C57BL/6 (C57) e i DBA/2 (DBA), sono stati particolarmente utilizzati in studi mirati a valutare il ruolo dell'interazione tra genotipo ed esperienza nella modulazione degli effetti centrali e comportamentali delle sostanze d'abuso (Cabib,1993; Puglisi-Allegra and Cabib,1997; Ventura et al., 2004).I due ceppi C57 e DBA mostrano notevoli differenze di sensibilità alle proprietà gratificanti dei farmaci d'abuso in un paradigma di preferenza condizionata spaziale (CPP). I topi C57 sono estremamente suscettibili a sviluppare CPP dopo trattamento con anfetamina, cocaina o morfina, mentre i topi di ceppo DBA sono poco o per nulla sensibili a questi trattamenti (Cabib et al. 2000; Orsini et al. 2004a; 2005).Queste differenze ceppo-dipendenti (set) vengono modificate dall'esperienza (setting). Infatti, se le condizioni di stabulazione degli animali vengono modificate, le differenze ceppo dipendenti svaniscono (Cabib et al., 2000). Inoltre, dati preliminari ottenuti recentemente da questo laboratorio sembrerebbero indicare una maggiore sucettibilità dei topi di ceppo DBA al ripristino della CPP dopo estinzione (Orsini et al., 2004b).I topi di ceppo DBA sono meno suscettibili dei C57 a sviluppare sensibilizzazione comportamentale quando l'effetto della sostanza è associato ad uno specifico ambiente (Cabib, 1993). Tuttavia, i topi DBA sono più proni a sviluppare una sensibilizzazione comportamentale dopo esposizione a condizioni stressanti(Cabib et al., 2000; Puglisi-Allegra and Cabib, 1997). Per quanto riguarda i ceppi di ratti Fisher e Lewis , vari studi indicano che i Lewis sono resistenti a stimoli che inducono sensibilizzazione nei Fisher . Tali differenze potrebbero essere dovute , a loro volta, al fatto che i Lewis sono,in qualche modo, già 'sensibilizzati'.
Vari studi indicano che la DA gioca un ruolo importante nell'interazione tra i tre fattori cluster(farmaco, set e setting).
Innazitutto, la suscettibilità genetica alla CPP indotta da sostanze d'abuso sembra dipendere dall'aumento del rilascio di dopamina (DA) indotto dalle sostanze d'abuso nel NAc. Infatti, l'aumento del rilascio di DA indotto da anfetamina e morfina nel NAc dei C57 è maggiore rispetto a quello indotto nei DBA(Zocchi et al., 1998; Murphy et al., 2001; Ventura 2004). Inoltre, l'eliminazione di questa risposta centrale previene l'induzione di CPP da parte delle sostanze d'abuso nei topi di ceppo C57 (Ventura et al., 2003). In secondo luogo, variazioni delle condizioni di stabulazione alterano il rilascio di DA nel NAc dei DBA (Cabib et al., 2002). Terzo, meccanismi postsinaptici che coinvolgono i recettori dopaminergici del tipo D2 nel NAc mostrano forti differenze ceppo-dipendenti e sucettibilità nei confronti di manipolazioni dell'esperienza (Cabib et al., 1998). Infine è stata osservata una maggior sensibilità post-sinaptica all'anfetamina nella shell del NAc dei C57 mediata dall'attivazione dei recettori D1 (Conversi et al., 2004).Per quanto riguarda in particolare il ruolo specifico della shell e del core del NAc, studi recenti del nostro laboratorio (Cadoni et al, in preparazione) mostrano che tra i ratti inbred Lewis e Fisher, il ceppo più sensibile agli effetti di rinforzo dei farmaci in un paradigma di autosomministrazione, e cioè il ceppo Lewis,è anche quello più sensibile all'effetto stimolante dei farmaci sulla DA del core del NAc piuttosto che della shell.Al contrario, la proprietà di indurre CPP è correlata alla capacità di stimolare la DA nella shell (Cadoni et al in prep.).
Per quanto riguarda il ruolo dell'ambiente, ben poco si sa sui meccanismi attraverso cui l'ambiente modula gli effetti dei farmaci d'abuso. Infatti, la maggior parte dei dati disponibili riguardano la tolleranza e la sensibilizzazione agli effetti motori contesto-dipendente (Stewart and Badiani 1993). Recentemente è stato sviluppato un modello animale nel quale due gruppi di ratti ricevono lo stesso trattamento farmacologico in due contesti differenti:per un gruppo tale contesto è costituito dalla gabbia di stabulazione (home cage); per l'altro gruppo è un ambiente completamente differente dalla home cage e, almeno inizialmente, completamente nuovo per l'animale (novelty group). Questa differenza di contesto ambientale modifica l'iniziale (acuta) risposta psicomotoria alla anfetamina (Badiani et al. 1995a), alla cocaina (Badiani et al. 1995b) e alla morfina (Badiani et al. 2000a; Paolone et al. 2003), essendo questa fortemente amplificata nei ratti che ricevono il trattamento in associazione con l'esposizione all'ambiente "nuovo". L'amplificazione dell'effetto psicostimolante indotta dallo stimolo ambientale 'nuovo'è incrementata da successive esposizioni al farmaco in tale ambiente, contribuendo alla sviluppo di una robusta sensibilizzazione psicomotoria (Badiani et al. 1995a, 1995b, 2000a) anche a dosi che nella home cage sono prive di effetto sensibilizzante (Crombag et al. 1996; Browman et al. 1998; Paolone et al. 2003).Questa facilitazione della sensibilizzazione si sviluppa e si mantiene per molti giorni dalla fine del trattamento, indicando che il contesto ambientale può drammaticamente alterare la capacità dei farmaci d'abuso di indurre persistenti modifiche neuroplastiche. Queste differenze sono correlate a differenze nella capacità dei farmaci (anfetamina, cocaina, e morfina) di stimolare l'espressione sia dell'RNAm che della proteina Fos nei neuroni del complesso striatale(Badiani et al. 1998, 1999; Uslaner et al. 2001; Ferguson et al. 2004; Paolone et al. in preparation).Il ruolo della DA nell'influenza dell'ambiente in questi processi di neuroplasticità è ipotizzabile ma gli studi finora effettuati non hanno prodotto evidenze in questo senso(Badiani et al. 1998, 2000b).Tuttavia, gli studi effettuati non hanno distinto , all'interno del NAc, le risposte della shell da quelle del core.
Da questa rassegna risulta come, nonostante esistano importanti evidenze per un ruolo della DA nell'interazione tra proprietà gratificanti e di rinforzo dei farmaci d'abuso e fattori individuali ed ambientali molti sono i problemi ancora aperti.
Un primo problema(che sarà affrontato dall'Unità1)consiste ne fatto che le teorie della sensitizzazione incentiva e dell'apprendimento incentivo, pur avendo stimolato un gran numero di esperimenti volti a testarne la validità, sono afflitte da un problema di fondo :gli esperimenti su cui esse si basano sono stati effettuati somministrando i farmaci in maniera non-contingente alla risposta dell'animale. Questo vale sia per l'induzione della sensitizzazione che per l'effetto dei farmaci d'abuso sulla dopamina del n.accumbens in studi di microdialisi cerebrale.Ciò è in contrasto con la condizione umana, nella quale le droghe vengono assunte volontariamente dal soggetto. Pertanto un problema aperto è quello di stabilire la relazione tra le modalità di esposizione al farmaco in termini di contingenza alla risposta del soggetto e la capacità del farmaco stesso di stimolare preferenzialmente la DA nella shell del NAc da una parte , e di indurre sensitizzazione comportamentale e biochimica dall'altra.
Un secondo problema (che sarà affrontato dall'Unità2)riguarda il ruolo relativo di meccanismi associativi di tipo pavloviano e non-associativi di natura neuroadattativa nelle modificazioni a lungo termine della reattività individuale agli effetti psicostimolanti dei farmaci d'abuso e della relazione di questi processi con il patrimonio genetico individuale.
Un terzo problema (che sarà affrontato dall'Unità3)riguarda il paragone tra i farmaci d'abuso e gli stimoli gratificanti non-farmacologici (es.soluzione di zucchero vanigliato)per quanto riguarda la capacità di indurre abitudine dopo una singola esposizione nella responsività della trasmissione dopaminergica nella shell del NAc e come tale processo interagisca con modificazioni dello stato motivazionale e con le caratteristiche geentiche individuali. Tale problema si pone in particolare per l'alcol, una sostanza d'abuso normalmente assunta per via orale e capace di attivare la DA nel NAc sia attraverso le sue proprietà gustative che attraverso i suoi effetti centrali.
Un quarto problema (che sarà affrontato dall'Unità 4) riguarda il ruolo della reattività della DA e dei neuroni delle aree innervate dal sistema mesolimbico nell'effetto dell'esposizione ad un ambiente nuovo sulla sensibilizzazione comportamentale indotta dall'eroina e sull'influenza da essa esercitata sulle proprietà di rinforzo dell'eroina stessa. <<<