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自身给药模型在物质成瘾中的应用

资料来源：http://www.bio-will.com/pdlistone/tech/733217.html

药物成瘾的发生是一个迅速的跃迁过程:从很少的、偶尔的用药行为跳跃到长期的、稳定的成瘾状态。这个过程的发展有多快 ? 有多少比例的用药者会成瘾 ? 成瘾所涉及的脑机制是什么 ? 要回答这些问题 ,动物模型是必不可少的。因为很显然 ,不能在人体上进行用药的试验 ,同样也很难在人体上进行相关的脑机制研究。自身给药( self - administration)模型利用操作性条件反射原理 ,动物在做出程序所设定的动作后 ,即可获得一定量的药物。由于该模型较好地模拟了人类的用药行为 ,故在成瘾研究中得到了广泛的应用。

1 自身给药模型设备

1.1 硬件

自身给药系统由计算机、连接板卡、线缆、实验操作笼组成。计算机为普通的 PC 兼容机 ,板卡接口的数目决定一台计算机可以控制的试验笼的多少 ,也就是一次可以做多少只动物的实验。试验笼装配有输入输出设备 ,输入设备一般有鼻触、踏板;输出设备包括灯光、声音、给药装置。给药装置根据给药方式的不同 ,可以有食物泵、液体泵、注射泵 ,颅内给药需要微注射泵。静脉或颅内给药动物的输液管均经保护管、转轴( swivels)与输液泵相连 ,转轴允许动物自由活动的同时输液管不会缠绕打结。

1.2 软件

自身给药装置在经历了继电器控制、集成电路控制之后 ,目前已发展到软件控制。该类程序一般都借用工业上使用的 state notation程序 ,利用程序语言设计

2 自身给药的类型

2.1 给药途径

自身给药可以通过几乎所有的临床给药途径来实现。使用最多的是静脉给药 ,另外还有颅内给药、口服给药、吸入给药。静脉给药较好地模拟了人类阿片类药物的使用方式。其给药量准确 ,容易控制 ,起效迅速 ,实验动物需接受静脉埋管手术 ,对实验室的无菌设施有一定的要求 ,实验维护有一定的难度 ,长期实验静脉留置管容易堵塞、脱落。颅内给药包括脑室给药和核团给药 ,不存在血脑屏障和首过效应的问题 ,便于观察药物对中枢神经系统的直接作用。如果药物的镇静或镇痛效应与强化效应分别作用于不同的脑区 ,那么颅内给药则可以有效地研究药物的强化效应并避免药物的镇静、镇痛效应的干扰。核团给药剂量低 ,要求定位准确 ,同样存在感染和埋管脱落的问题 ,并且药物局部注射可能会引起注射局部pH值、渗透压、离子平衡等非特异性改变 ,药物可能弥散到其它脑区 ,动物多次自身给药后给药局部可能失活 ,注射时要避免压力对脑区的损伤[3 ],另外 ,还要证明全身给药与当前颅内给药是相同的机制。总体上 ,其对于脑奖赏中枢的定位研究以及不同脑区的机制提供了独特的手段。口服给药可以是摄入掺有药物的饲料 ,或饮用含药物的液体 ,或经由胃内插管给药。此种方法操作方便 ,无需手术 ,可以作大样本的研究。主要应用于酒滥用的研究 ,但干扰因素较多 ,很多药有苦味 ,很难找到合适的添加剂 ,容易受到食欲的影响 ,摄入的液体量、成分必须统一、规范[4 ]。吸入给药能最大程度地模拟尼古丁、可卡因、大麻及挥发性溶剂等物质的滥用方式 ,但动物多数不愿吸入烟雾 ,给药量不易精确 ,技术要求较高 ,设备昂贵 ,使用受到限制。

由于技术的进步 ,目前自身给药试验时动物不仅可以自由地在笼中活动 ,甚至可以摆脱给药导管的限制 ,在随身输液泵和电子技术的支持下 ,实现更大限度的自由活动。这项革新性技术目前主要应用在颅内给药(可避免动物活动拉伸输液管造成的给药量不准确)或大动物身上[5 ]。

2.2 给药程序

根据实验设计的不同 ,给药程序可分为简单程序、累进比率、复合程序和二次程序。简单程序有固定比率 (fixed ratio , FR) 和固定间隔 (fixed interval ,FI) 。固定比率可以反映药物的激发作用 ,固定比率成模快 ,使用较多 ,但有人认为其只能反映人类用药的启动反应 ,对强迫性用药行为和强烈的药物渴求反映不够[6 ]。间隔程序描述动物碰触开关行为与获得强化药物的时间延迟关系 ,指在实验中设定一定的时间间隔 ,动物在间隔期的反应不会得到奖赏 ,而非间隔期的行为则可获得奖赏。固定间隔可以反映药物的非特异性作用。累进比率(progressive ratio ,PR)一般呈指数式上升 ,根据动物的断点(break point)来表现药物的强化属性。传统累进比率方法强调断点 ,实验周期较长 ,一般为一个月左右。实验动物在断点后由于比率太高而失望 ,对踏板失去兴趣 ,连续 1 - 3 d 不能得到药物注射 ,影响了药物维持所必须达到的血浓度 ,使得重复实验时踏板次数不稳定。王卫平等采用每日比率累进法 ,以每日所能达到的最高比率值为实验数据 ,每天实验时间 22 - 23 h , 每天的比率均重新开始 ,避免了连续几天得不到药物的问题 ,使药物血浓度始终维持在相对稳定的水平 ,这样更符合精神依赖性药物维持的基本原理。另一优点是缩短了实验周期 ,使累进比率实验能在10 d内得到结果[7 ]。二次强化程序将觅药行为(drug seeking)与用药行 为 ( drug taking ) 分 离 , 动 物 碰 触 觅 药杆(the seeking lever)并不能直接得到药物 ,而是获得按压给药杆(the taking lever)的机会 ,按压给药杆之后获得奖赏 ,以此模拟人类为获得药物所作的努力[8 ],并有效地减小了药物的直接影响。二次程序多用于灵长类动物 ,目前用于啮齿类的也日益增多。

2.3 给药时间

长时程给药 ( long - access , LgA) 与短时程给药(short - access , ShA)其自身给药的模式会有很大的差别。有很多研究显示了这种差异并探讨了其神经机制。例如Vanderschuren先训练大鼠接受可卡因限量自身给药(limited cocaine self - administration) ,然后给予足底电击伴条件信号 ,发现大鼠的觅药行为被显著地抑制;相同的大鼠随后接受了可卡因加量给药(extended cocaine taking)训练 ,此时厌恶性条件刺激的信号便不能抑制大鼠的觅药行为 ,实验者同时还证明了大鼠的脱抑制既非丧失恐惧感 ,也非对药物的激励效应敏感化 ,从而认为这种现象反映了成瘾者即使面临不良后果仍要用药的强迫性用药行为[8 ]。而Mantsch等发现长时程组药物的摄入量明显高于短时程组 ,并且长时程组更易于复发 ,LgA组的神经内分泌系统的激素水平和基因表达与 ShA组有显著性差异 ,相关脑区的分子改变亦不相同[9 ]。认为这可能是成瘾的机制之一。

3 自身给药模型的代表性

要证明自身给药确实反映了人类的成瘾行为,首先必须证明动物的给药行为确实是药物的奖赏效应导致的 ,而药物可能对实验动物的自主活动和探索活动产生影响 ,很多精神活性物质可以提升动物的自主活动 ,从而有可能引发偶然的压杆或鼻触行为。解决的办法是设置自身对照或同轭(yoked)对照。自身对照采用两个给药触发装置 (鼻触或杠杆) :有效装置与无效装置。药物可能对两个给药装置的触发行为都有影响 ,计算多个动物两个装置的触发均值可以看出强化效应对给药行为的影响。Yoked对照采用配对设计 ,一个动物的压杆行为同时触发两个动物的给药 ,同时记录两个动物的压杆行为 ,比较组间的差异 ,则可得出强化效应及非特异性作用的多少。例如小鼠可形成东莨菪碱自身给药 ,但是 Yoked组的触发行为也轻度增高 ,说明东莨菪碱的自身给药至少部分是因为药物直接作用导致的活动增高引起的[10 ]。

4 自身给药的影响因素

4.1 实验对象

不同物种在自身给药的获得及维持上有着不同的特点。同一物种不同品系即使在相同给药模式下 ,血药浓度相当 ,也存在反应模式的差别[11 , 12 ]。猴是群居动物 ,有着与人类社会相似的社会等级。Morgan等发现 ,低等级的猴更易形成可卡因自身给药 ,并具有与高等级猴不同的生物学改变[13 ]。

4.2 药物因素

不同的给药方法不但可以影响自身给药的形成速度 ,还可以影响药物的强化属性。例如Morgan等报道使用无节制自身给药(binge self - administration) 加剥夺训练 ,可以使大鼠对可卡因的强化效应敏感化 ,而采用普通的 FR给药程序则无此效应[14 ]。由于人类普遍存在多种精神活性物质混合使用的情况 ,成瘾模型对此现象也进行了模拟研究。很多研究发现预先暴露于一种成瘾物质可以影响其它成瘾物质的使用[15 ],一般是促进作用。

4.3 环境与应激对成瘾物质的易感性是当前研究热点之一。相关的基因研究提示基因差别并不能完全解释易感性的不同 ,环境和应激也发挥着十分重要的作用。有关环境与应激对成瘾行为影响的研究数量众多 ,并且十分深入。如 Kosten 等的一项研究发现 ,出生后即接受隔离应激的鼠成年后更易于可卡因成瘾[16 ]。环境从很多方面影响自身给药的用药行为。尼古丁的欣快、强化、精神效应较其它成瘾药物小很多 ,但其滥用潜力却与那些药物相当或超过它们 ,戒烟的难度丝毫不低于其它成瘾物质。可能的解释是环境信号构成条件性强化因子 ,并具有强大的动机属性 ,从而维持滥用[17 ]。Falk于1961年发现,当每分钟给予限食的大鼠一粒食物时,短时间内大鼠饮用大量的液体。他将这种现象命名为程序诱导的烦渴 ( schedule - inducedpolydipsia ,SIP)[18]。这一现象很快用于成瘾的研究。在训练SIP同时加入药物即为程序诱导的自身口服给药(schedule - induced oral drug self - administration)。在SIP行为的启发下,Singer 等建立了程序诱导的静脉自身给药模型,并开展了系列的研究。程序性供应食物使得通常条件下无法建立静脉自身给药行为的药物形成稳定的自身给药行为[19]。

5 利用自身给药模型所作的代表性研究

5.1 验证药物的依赖性

由于自身给药模型是建立在强化的基础上,所以被用来评定药物的依赖性。例如gamma -hydroxybutyric acid (r-羟丁酸)成功地应用于减轻酒和阿片类的戒断症状 ,那么其本身有无精神依赖性Fattore 等利用自身给药模型和条件性位置偏爱(CPP)模型 ,证明了r-羟丁酸能在鼠身上形成自身给药和CPP ,从而为其临床应用提出了警告[20]。应用自身给药模型分别验证了盐酸羟考酮(oxycodone hydrochloride) 和二氢埃托啡的精神依赖性 ,为临床应用提供了参考。

5.2 对成瘾涉及脑区的研究利用颅内自身给药可以评定与药物强化特性相关的脑区。例如McKinzie 等的研究显示可卡因的强化效应与伏核的壳(shell)区关系密切 ,而与核(core)区的关系不明显[23 , 24 ]。陆林等利用静脉自身给药研究了可卡因戒断三个月不同时期大鼠腹侧被盖区和伏核的分子适应性变化[25 ]。综合许多动物自身给药和人类功能影像的研究 ,目前认为条件刺激和信号对复吸的发生起关键的作用 ,而其神经机制则集中指向杏仁核、前扣带回、眶额皮质等脑区[26 ]。

5.3 易感素质研究

大量的临床观察及研究显示成瘾者具有人格素因。自身给药对此进行了模拟研究。研究表明大鼠在新奇环境的探索活动与酒精的自身给药的形成速度存在正相关[27 ]。发现新奇环境反应高者更易形成自身给药,给药更规律,药量更大[28 ]。

5.4 寻找成瘾的治疗和预防方法

自身给药模型可以用于戒毒新药或待开发化学物的有效性及不良反应的研究。例如利用自身给药模型观察多巴胺再摄取抑制剂2β-propanoyl-3β-(4-tolyl)-tropane(PTT)[29],可卡因同型物HD - 23[30]对可卡因自身给药的影响。单次注射药物可引燃(prime)复吸行为 ,而某些物质可提高引燃阈值,从而有可能成为预防复吸的药物[31]。

5.5 对复吸相关机制的研究

由于戒断症状的持续期及强度明显与复吸的发生不平行,部分成瘾物质躯体戒断症状很轻 ,以致有些学者否定负性强化对于复吸的作用。但最近人们对于戒断症状有了新的认识:戒断症状可以条件化。例如脱毒过后的病人回到用药的环境即会体验强烈的条件性戒断症状。对戒断症状的认识转向了所有成瘾药物都很常见的、本质上更具有激发性的负性情感状态。负性情感状态不仅通过负性强化,还通过改变正性强化刺激的调节点 ,增加药物的正性效应和条件性正性药物效果,从而具有动机属性[32]。自身给药是一种建立在随机行为基础上,通过强化得到的操作式行为反应。行为药理学认为:随机行为形成的操作式条件反射,其产生和维持都依赖于行为的结果,即某些“美好的”或可避免“坏的”结果,该结果可使随机行为的重复概率增加,引发该结果的因素称为强化因子。因此,理论上可以建立反映负性强化机制的自身给药模型,但由于认识上的差异以及技术方面的原因,目前自身给药模型主要建立在正性强化机制的基础上。

Goldberg等用绿灯亮表示注射纳洛酮 ,猴子压杆使绿灯熄灭并停止注射纳洛酮60s,一开始动物会在灯亮和药物注射后压杆,经过灯光与注射多次匹配训练 ,吗啡依赖猴子可学会在绿灯亮之后、药物注射之前即压杆[33]。这一动物模型反映了条件性戒断的负性强化属性。

综上:自身给药模型较好地模拟了成瘾的行为