Neurobiología Molecular de la Adicción a Drogas

La drogadicción es la dependencia a una sustancia, con la característica de que posee un patrón compulsivo de comportamiento de búsqueda exhaustiva e ingesta que continua a pesar de las consecuencias adversas. “Adicción”, por otro lado, es el mejor término ya que “dependencia” describe solo una de las muchas adaptaciones a la exposición a drogas que comprende la adicción.

“Dependencia” refiere a adaptaciones inducidas por las drogas que compensan la exposición a drogas y llevan a un arreglo de síntomas de abstinencia cuando la droga cesa. El síntoma de abstinencia varía con el tipo de sustancia pero usualmente envuelve un estado afectivo significativamente negativo (disforia) y en algunos casos profundos anormalidades somáticas. “Tolerancia” refiere a una adaptación inducida por la droga que lleva a disminuir los efectos de una dosis constante. “Sensibilización”, o tolerancia reversa, refiere a adaptaciones que pueden aumentar la respuesta a la droga con exposiciones repetitivas. Muchas drogas causan tanto tolerancia como sensibilización, con algunos efectos que disminuyen en el tiempo mientras que otros se incrementan. El término abuso de una droga, es usualmente usado, a pesar de ser confuso, ya que refiere a una amplia gama de niveles de ingesta de droga.

Las preguntas clave en e estdio de la adicción son por qué algunos individuos pasan por la transición de uso casual a uso compulsivo mientras otros no, y por qué la recaída es tan común , independientemente del tiempo de lapso desde la última ingesta. Las teorías propuestas para explicar el elemento compulsivo de la adicción incluyen procesos opuestos y hedónicos, sensibilización incentivada y teorías basadas en el aprendizaje.

Como el nombre lo implica, la teoría de hedonismo caracteriza la transición a la adicción en términos de estados afectivos, tanto positivos como negativos, eperimentados por el individuo. La base de esta teoría parte del punto tradicional de la adicción en el cual el uso inicial de la droga resulta en un estado afectivo positivo (como euforia o placer), pero, tras el cese de la droga, una reacción de abstinencia de anhedonia o disforia ocurre. La necesidad de aliviar estos estados afectivos negativos mediante la continuación del uso de la droga podría darnos una pista del elemento compulsivo de la drogadicción.

Los procesos contradictorios de euforia y disforia, medidos en una escala hedónica, hacen de componentes en esta teoría de procesos opuestos. Al elevarse el punto fijo hedónico, la misma cantidad de droga resulta en un débil efecto hedónico y el cese de la droga, en efectos negativos mucho más fuertes. Esta transición señala el proceso de disregulación homeostática de las vías de recompensa del cerebro, resultando en el desarrollo de la adicción y vulnerabilidad a las recaídas.

La teoría de sensibilización inducida marca una distinción entre “drug liking” (una respuesta afectiva) y “drug wanting”. Esta teoría propone que el excesivo deseo de droga y la predominancia del incentivo excesivo ligado a un estimulo asociado a la droga lleva a una búsqueda compulsiva de droga, ingesta y recaída.

Las teorías de aprendizaje de la adicción proponen que la exposición repetitiva es asociada a recuerdos fuertes, mediados por cambios inducidos por la droga en las regiones de recompensa del cerebro. De acorde, la ingesta de droga es una respuesta aprendida a un estimulo condicionado, como las señales asociadas a la droga.

Es usual que una combinación de factores propuestos en cada de estas teorías contribuya a la patología neural y comportacional que subyace en la adicción. Un gran reto en la investigación del abuso de drogas es identificar los cambios moleculares y celulares que la droga causa e el cerebro para producir un síndroma complejo comportacional llamado adicción. Antes de discutir estos mecanismos moleculares y cellares de la adicción, nosotros brevemente resumimos el circuitos de recompensa del cerebro.

Se cree generalmente que las drogas de abuso usurpan e circuito neural en el cerebro que normalmente controla las respuestas a recompensas naturales como comida, sexo e interacciones sociales. Probablemente el mediador más importante de la recompensa a drogas por si mismo es el sistema mesolimbico dopaminergico comprendido por las neuronas dopaminergicas con cuerpos celulares en el area tegmental ventral (VTA) del mesoencefalo y las areas de proyección de estas neuronas en prosencéfalo límbico., en particular, el nucleo Acumbens (NAc). Este circuito VTA – Nac es el detector clave de los estímulos de recompensa, los cambios inducidos por las drogas en estas regiones puede incrementar o disminuir la sensibilidad de un individuo en los efectos de recompensa de la exposición a drogas.

La amígdala es particularmente importante para los aspectos condicionados de la exposición a drogas, por ejemplo, estableciendo asociaciones entre las señales del medioambiente y tanto las acciones de recompensa ante la exposición aguda a drogas y los síntomas aversivos durante la abstinencia de la droga.

El hipocampo, un circuito tradicional de memoria es sin duda crucial para los recuerdos en el contexto de exposición a la droga y absitnencia. El hipotálamo es importante mediando muchos efectos de las drogas en estado fisiológico. Problemente más importante pero muy poco entendido, es el role de las regiones frontales en la corteza cerebral, como la corteza medial prefrontal, corteza anterior cingulada, corteza orbitofrontal. Estas regiones proveen un control ejecutivo durante el uso de la droga, que es diversamente afectado en muchos adictos. Por supuesto, estas regiones cerebrales, y muchas más, no funcionan por separado pero son partes de un complejo y altamente integrado circuito que se encuentra profundamente alterado por la exposición a al droga.

Mecanismos Moleculares de la Adicción.

No es sorprendente, se ha reportado que las drogas de abuso cambian literalmente cientos de proteína en varias regiones relacionadas a la recompensa mencionadas arriba. Más que tratar de hacer una revisión comprensiva de estos cambios inducidos por drogas, nos enfocamos en un numero pequeño cambios bien caracterizados que han mostrado contribuir a ciertos aspectos del síndrome comportacional de la adicción. Aun más, nos enfocamos en los cambios inducidos por la

droga en los factores de transcripción., que son proteínas nucleares que se unen a regiones regulatorias de ciertos genes y por tanto regulan su transcripción a RNA m. Este enfoque en los factores de transcripción está basado en la noción que los cambios inducidos por la droga a un nivel de la expresión génica podrían explicar la longevidad de las anormalidades comportacionales asociadas a la adicción.

AMPc y CREB

CREB (proteína de unión en respuesta a AMPc) es un miembro de la superfamilia de factores de transcripción. Está compuesta de una dominio C – terminal básico que es responsable de unirse al DNA y un dominio de cremallera de leucina que media la dimerización con si mismo u otros miembros de la familia CREB de factores de transcripción incluyendo CREM (elemento modulador en respuesta a AMPc) y ATF -1 (factor de activación 1). El CRE (elemento de consenso en respuesta a AMPc) al cual los dímeros CREB se unen consiste de una secuencia palindrómica TGACGTCA, Muchos genes tienen sitios CRE en sus promotores, incluyendo neuropeptidos, enzimas sintetizadoras de neurotransmisores, receptores de neurotransmisores, proteínas señalizadoras y otros factores de transcripción. La transcripción mediada por CRE requiere la activación de CREB por fosforilacion en Ser 133. La fosforilacion y la activación subsecuente de CRE es un sitio de convergencia para las distintas cascadas señalizadoras de la transducción, incluyendo la vía cAMP via protein kinasa A, la via Ca+2 intracelular via Ca+2 calmodulin kinasa dependiente, la señal extracelular Ras regulada por kinasa, la kinasa fosfoinositol 3 fosfato (PI3K/Akt) y las cascadas de señalización inducidas por estrés. La proteína de unión a CREB subsecuentemente se une al dímero fosforilado CREB y sirve como un adaptador al complejo de iniciación de la transcripción. La histona acetiltransferasa de actividad endógena a CBP desenreda la cromatina y facilita la transcripción.

CREB es de particular interés en la adicción de adroga debido a que su activación es downstream a la vía de señalización de CAMP, cuya upregulation ha sido extensivamente caracterizada como adaptación a la exposición crónica a drogas de abuso. Comenzando con líneas celulares neuronales cultivadas y extendiendo a diversas regiones envueltas en adicción , exposición opiácea crónica, se observó una upregulation de la cascada de señalización de CAMP. Esta upregulation es vista como una respuesta compensatoria homeostática a las acciones inhibitorias de los opiodes, que se une a receptores Gi acoplados e inhiben la producción de adenilciclasa de AMPC. La upregulation de la via CAMP media diversos aspectos de adicción, dependiendo de la región especifica del cerebro envuelto. Los efectos en el Locus coeruleus (LC) y NAc son discutidos aquí.

La respuesta a repetidas exposiciones a morfina a sido estudiada extensivamente en el LC, lo que ha servido como un sistema modelo útil. El LC, localizado en la base del cuarto ventrículo, es el mayor núcleo noradrenérgico en el cerebro, mediando el control de la atención, vigilancia y el sistema nerviosos simpatico. La upregulation de la via CAMP y CREB en el LC está implicada en mediar algunos de los síntomas detrás de la dependencia física a los Opioides y su abstinencia. La exposición aguda a Opioides inhibe la cascada de señalización, por otro lado, tras la administración

crónica opiácea, la expresión de CREB está incrementada en el LC, implicando un mecanismo compensatorio homeostático o regulatorio. Esta actividad incrementada CREB parece jugar un rol importante en la dependencia física a Opioides y abstinencia. Entre los genes involucrados están la adenil ciclasa tipo VIII y la tirosin hidroxilasa, cuya expresión está upregulada por administración de morfina crónica via un mecanismo CREB dependiente. Consistente a estos datos, los ratones conteniendo mutaciones puntuales de las isoformas alfa o delta del gen CREB muestran síntomas físicos atenuados de abstinencia a morfina. Interesantemente, estos ratones también exhiben una aversión fuerte a la abstinencia por Opioides en un paradigma condicionado a la aversión a pesar de sus síntomas de abstinencia atenuados, indicando que los mecanismos o el circuito de dependencia física puede ser distinto de los que median aspectos motivacionales negativos de abstinencia a morfina.

La exposición crónica a Opioides, cocaína, y alcohol también upregula la vía AMPc en el NAc. Como debería de esperarse de esta upregulation, la activación del CREB y transcripción mediada del CRE también se han observado en respuesta a tratamientos crónicos de morfina y anfetamina en esta región del cerebro. El entendimiento del rol funcional de la actividad del CREB en la adicción fue facilitado por una serie de estudios examinando las manifestaciones comportamentales del incremento localizado en la actividad CREB en el NAc. Primero, la infusión bilateral intra NAc del activador PKA, que se expecta activar CREB disminuyó la recompensa de cocaína en ratas demostrado por una reducida autoadministración de cocaína mientras que la infusión de inhibidores de PKA incrementaron la recompensa de cocaína. Los estudios sobreexpresan CREB en el NAc de la rata via una transferencia viral – mediated de un gen brindaron una evidencia directa de los efectos de la actividad del CREB en la recompensa. La expresión incrementada de CREB disminuye lo efectos de recompensa de la cocaína, los Opioides y sucrosa, una recompensa natural, mientras la expresión de la forma mutante dominante – negativa de CREB resultó en efectos opuestos. Finalmente, la inducción en ratones transgénicos de sobreexpresión de CREB en el NAc y el dorso striatum demuestra una preferencia disminuida para la cocaína en paradigma condicionados a la preferencia del lugar.

Con esto, esta data indica que la upregulation de la via CAMP y CREB en el NAc como un resultado de la administración crónica de la droga disminuye los efectos de recompensa de la cocaína y la morfina. El ratón mutante creb alfa}7delta mostró parcialmente resultados consistentes, demostrando respuestas incrementadas de recompensa a cocaina como fue ensayado por ensayos de preferencia condicionada al lugar. mientras no se mostró ningun incremento en la respuesta a morfina. La naturaleza anaomicamente irrestricta de la mutacion creb en estos ratones hace poco clara si estas respuestas se deben a una pobre cantidad de CREB en el NAc o tal vez en algun lado en el cerebro; por otro lado, estos resultados interesantes resalta la importancia de generar inducibles, región específicos ratones knockout para elucidar estos mecanismos.

Mas alla de atenuar los efectos de recompensa de as drogas de abuso, la upregulation de la via CAMP y CREB en el NAc puede también contribuir a estados de disforia vistos tempranamente en la abstinencia. Por eso, la expresión de CREB en el NAc lograda con los vectores virales o inducible

por ratones transgénicos, produce respuestas similares a la depresión mediada por CREB, llamadas, generalmente estado emocional de insensibilidad y anhedonia.

Los esfuerzos se encuentran en el camino de identificar genes diana para CREB en el NAc. Una diana aparente es la dinorfina un péptido opioide expresad en un arreglo de neuronas espinales mediales en el NAc, que esta inducido en esta región después del uso crónico de la droga. La liberación de dinorfina del NAc contribuye a la disforia durante la abstinencia a trave de un loop feedback negativo a las neuronas dopaminergicas VTA. La dinorfina se une a los receptores Kappa Opioides en el cuerpo de la neurona dopaminergica VTA y terminales para inhibir su actividad y disminuir la liberación de dopamina en el NAc. La aversión a cocaína causada por la sobreexpresión de CREB en el NAc puede ser atenuada con el antagonista Kappa opioide, como se pueden ver respuestas similares depresras bajo estas condiciones.

La búsqueda de genes diana adicionales CREB en el NAc ha sido extendida al uso de DNA microarrays en ratones bitransgenicos expresando CREB o un negativo dominante CREB (CREBm) en una inducible, regionespecífica manera. Estos estudios han mostrado que la vasta mayoría de los genes upregulados por CREB en el NAc son downregulados por CREBm, asignando a ambos las implicaciones funcionales de expresión incrementada de estos genes y la confiabilidad de la técnica de detección por microarrays. En adición, muchos de estos genes CREB upregulados comprenden un juego pequeño de genes regulado en esta región por administración de cocaína. Estos genes blanco potenciales proveen posibles mecanismos de plasticidad inducida por droga y merecen estudios posteriores.

FosB

Los genes inmediatos tempranos son una clase de genes cuya epresión esta inducida en minutos de exposición a un estímulo. De particular interés en el estudio de adicción son las familias Fos y Jun de genes inmediatos tempranos, que codifican factores de transcripción. La familia Fos de factores de transcripción incluye c- Fos, FosB, Fos – related antigens 1 y 2 (Fra 1 y 2) y delta FosB. Delta FosB es una variante de splice truncada de completo tamaño FosB, y carece una porción del dominio de transactivación C- terminal presente en otras proteínas Fos. Los miembros de la familia Fos heterodimerizan con los factores de transcripción de la familia Jun para formar el la proteína complejo activadora AP1. El complejo AP1 se une a la secuencia de consenso TGAC/GTCA. Los complejos AP1 pueden actuar como inducores o represore de la transcripción, dependiendo de la especificidad de unión al sitio AP1 y el promotor en cuestión.

La exposición aguda a la drogas de abuso rápidamente induce todos los miembros de la familia Fos en el NAc y el dorso estriado. Incluso con continuada exposición a la droga, los niveles de estas proteínas declinan rápidamente hacia un nivel baal en 8 – 12 horas. Por otro lado, isoformas bioquímicamente modificadas de deltaFosB exhiben un muy diferente patrón de expresión. Agudamente, la expresón de Delta FosB es solo modestamente inducida, pero persiste hasta que los otros miembros de la familia Fos hayan vuelto a sus niveles basales. En efecto, diversas líneas

de evidencia apuntan hacua DeltaFosB como una única diana de la exposición crónica a las drogas de abuso. Primero, como se noto arriba, mientras otras proteínas de la familia Fos responden a las drogas de abuso con características upregulations “Sharp” seguida por una rápida declinación hacia estados basales en unas horas. Las isoformas Delta FosB son muy estables y demuestran in vivo vidas medias de semanas. Ellas por tanto persisten por semanas después que la droga haya sido retirada. Como resultado, los niveles de Delta FosB gradualmente se acumulan con la repetida exposición a droga, sugiriendo que sus dinámicas le permiten jugar un rol a largo plazo en la subsecuente regulación de la expresión génica. Segundo, la expresión de DeltaFosB es significativamente inducida en respuesta a la exposición crónica a distintas drogas de abuso, incluyendo cocaína, anfetamina, Opioides, nicotina, etanol y fenciclidina, Importantemente, estas sustancias inducen DeltaFosB con mayor predominancia en el NAc y el dorso estriado, pero con menor extensión en otras regiones cerebrales conocidas por ser importantes en la adicción, incluyendo la amígdala del NAc y la corteza prefrontal.

Debido a sus únicas propiedads temporales y su inducción virtualmente por drogas de abuso, la significancia funcional de delta FosB en los comportamientos relacionados a las drogas ha sido estudiado extensivamente. En respuesta a una exposición crónica a las drogas de abuso, delta FosB es selectivamente upregulado en una subpoblación de neuronas que contienen los neuropeptidos como sustancia P y dinorfina en el NAc y el dorso estriado. La exposición a drogas antipsicótias también induce la expresión de delta FosB en estas mismas regiones, pero esta inducción ocurre en las otras subpoblaciones mayores de las neuronas medias espinales en el NAc, estas neuronas contienen encefalina. Más allá, delta FosB acumula en las neuronas que contienen dinorfina del NAc después de un comportamiento de “running” excesivo, sugiriendo que la inducción de delta FosB en este subset específico de neuronas en el NAc puede ser activado por muchos tipos de comportamientos compulsivos.

Los ratones transgénicos fueron generados tras exhibir expresión inducible de la expresión de deltaFosB primariamente en el NAc y el dorso estriado. Cuando delta FosB es expresado específicamente en las neuronas dinorfina – positivas en estas regiones del ratón adulto, el ratón exhibe una respuesta de comportamiento sensibilizada a las drogas de abuso. La expresión inducible de deltaFosB incrementa la sensibilidad a las propiedades activadoras de la locomoción en la cocaína. El ratón también demuestra una sensibilidad potenciada a los efectos de recompensa de la cocaína y morfina en ensayos de condicionamiento. En adición, se autosuministraron cocaína a bajas dosis que los controles que no sobreexpresan deltaFosB, y mantienen la autoadministración a incluso más bajas dosis. Estos ratones tambié trabajan mucho para autoadministrarse cocaína en un ensayos de autoadministración de ratio progresivo, indicando que el deltaFosB puede estar envuelto en sensibilizar al ratón a efetos motivacionales de la cocaína, llevadndo a un gran parecido relapso cuando la droga se interrumpe. La expresión de deltaFosB también incrementa la actividad de “running” , demostrando un efecto similar en las recompensas naturales.

Si un incremento en la actividad de FosB aumenta la sensibilidad a los efectos comportacionales de la coacina y morfina, manipulaciones que disminuyan la actividad de deltaFosB deberían

bloquear estos efectos. Por lo tanto, los ratones que inducidamente expresan un antagonista dominante negativo de deltaFosB, delta c – Jun, en el NAc y el dorso estriado muestra una disminución en el condicionamiento – lugar de la cocaína, sugiriendo sensibilidad disminuida en los efectos de recompensa de cocaína como se espera.

Juntos estos datos indican que la acumulación de deltaFosB potencia la sensibilidad a la droga e incrementa la propiedades estimulatorias de la cocaína. Por lo tanto, la acumulación de deltaFosB debería producir un “switch molecular”, de cuya única expresión estable depende el umbral entre respuestas agudas a la exposición de la droga y adaptaciones a largo plazo en la plasticidad neural y comportacional de la adicción.

Algunos descubrimientos de estudios tempranos usando fosB knockout mice fueron similares a aquellos de os deltaFosB ratones transgénicos descritos abajo. Por ejemplo, los ratones KO no son sensibles a administración repetitiva de cocaína. Por otro lado, su exposición inicial a la cocaina resulta en respuestas comportacionales potenciadas, diferentes a unos descubrimientos con los estudios transgénicos. La interpretación de los datos del fosB KO es complicada por la inhabilidad para adscribir estos efectos específicamente a delta FosB, dado que los ratones carentes de ambos grupos de genes, deltaFosb y FosB. Es interesante que los resultados e administración crónica de cocaína en el ratón KO, donde deltaFosB podría esperarse tener grandes efectos, son consistentes con aquellos de los estudios de deltaFosB. En contraste, las respuestas comportacionales despes de la administración aguda sostiene la posibilidad que la inmediata y transiente inducción de la expresión de FosB puede jugar un rol más dominante en las respuetas comportacionales a corto tiempo. Tmabién en el ratón fosB KO, el gen fosB es ubicuamente ausente desde los estados tempranos de desarrollo, así que los resultados de estos ratones son más complicados para interpretar que aquelllos de la expresión inducible y específica que los ratones transgénicos deltaFosB y delta c Jun .

Un mayor avance en la investigación actual es identificar los genes dianas de delta FosB. Usando un gen candidato, dos genes diana han sido identificados. Los ratones transgénicos que sobreepresan deltaFosB muestran una expresión incrementada de AMPA (receptor de glutamato), donde la expresión delta c- Jun bloquea la habilidad de la exposición crónica a la cocaína a inducir esta proteína. En adición la región promotora de este gen contiene un sitio AP- 1 que se une a deltaFosB, y la sobreexpresión de GluR2 en el NAc via transferencia mediada por virus incrementa las respuestas de recompensa de la cocaína, comparadas al resultado de la sobre expresión de deltaFosB. Otra gen diana potencial de deltaFosB es el neuropeptido dinorfina. En contraste a las acciones de CREB en la expresión de dinorfina, deltaFosB disminuye la expresión de este neuropeptido, que podría contribuir a potenciar la sensiblidad de recompensa vista en la inducción de deltaFosB.

Otro acercamiento a identificar genes diana potenciales deltaFosB ha sido a través del uso de DNA microarrays. La sobreexpresión inducible de deltaFosB regula la expresión de diveros genes en el NAc y otras regiones. La regulación transcripcional de estos genes por el deltaFosB requiere de confirmación adicional, y su significado para la plasticidad asociada a la droga ha sido aún

elucidada. Por otro lado, un gen target putativo identificado por DNA microarray es la ciclina depediente de quinasa 5 (Cdk5). Subsecuentemente se encontró ser inducidoen el NAc y el dorso estriado por administración crónica de cocaína, Cdk5 tiene un sitio AP-1 en su región promotora y deltaFosB incrementa la actividad promotora mediante este sitio. Una función posible de Cdk5 en la plasticidad de la adicción es descrita abajo.

Otro estudio reciente usando DNA microarrays indica que los perfiles de expresión de los genes inducido por deltaFosB en el NAc puede contar por cerca de 30% de los genes regulados por cocaína crónica. Interesantemente, la expresión a corto plazo de deltaFosB resulta en un efecto en la expresión génica opuesto a aquellos genes con expresión a largo plazo de deltaFosB. Esta regulación dinámica de los perfiles de la expresión génica por deltaFosB en tanto tiempo dependiente o, debido a su estabilidad, concentración dependiente manera es inusual, y la relación entre estos genes diana putativos a la expresión de genes inducida por drofa y el comportamiento adictivo advierte mayores investigaciones.

Otros factores de transcripción

A pesar que este review enfatiza e CREB y delta FosB, otros factores de transcripción relacionados a la adicción han sido estudiados. Por ejemplo, NAC-1 es un factor de transcripción cuya expresión de mRNA es incrementada en el NAc de ratas tras exposición crónica a la cocaína (autoadministraión) , y se cree que juega un rol en algunas de las respuestas comportacionales a la cocaína, incluyendo sensibilización. Los niveles del factor de transcripción NURR1, muestran activar la transcripción de transporatadores de dopamina in vitro, son marcadamente bajos en las neuronas dopaminergicas del cerebro medio de los adictos a cocaína, lo que implica que la disminución inducida por cocaína en los niveles de mRNA NURR1 pueden mediar una disminución de de la transcripción de genes transportadores en estas neuronas después de la exposición repetitiva a la droga. Inmunoreactividad de otro factores de transcripción, NFKb, es inducida en el NAc del ratón con exposición repetitiva a la cocaína y el NfkB ha sido identificado como un gen target de deltaFosB para el uso de DNA microarrays. Mientras más estudios de microarrays eluciden cambios transcripcionales en modelos animales de adicción, se especta que los factores de transcripción adicionales, sus genes target y sus roles en la plasticidad en la adicción, sean identificados y estudiados.

MECANISMOS DE ADICCIÓN NEUROTRÓFICOS.

Morfolofía neuronal

Mientras la relación entre la química de la célula y estructura se vuelve incrementadamente aparente, no es de sorprenderse que la exposición crónica a las drogas de abuso haya mostrado alterar