Heroin abuse and addiction: Heroin metabolism as a key player and possible basis for new pharmacotherapy

Bakgrunn og målsetning Heroinmisbruk er et økende problem på verdensbasis og dagens behandlingstilbud er preget av høy grad av tilbakefall. Målet med dette prosjektet var å undersøke nye farmakoterapeutiske prinsipper for behandling av heroinavhengighet ved å angripe rusmidlet i stedet for å blokkere dets biologiske mål (reseptorer). Heroin omdannes til 6-monoacetylmorfin (6-MAM) innen få minutter etter heroininntak, og 6-MAM omdannes videre til morfin. Vår forskningsgruppe har tidligere vist at 6-MAM og morfin utøver heroins akutte effekter. Ved bruk av farmakokinetiske metoder som modifisering av enzymaktivitet og bruk av immunterapi har vi forsøkt å redusere mengden 6-MAM og morfin som når hjernen etter inntak av heroin. For å oppnå dette har vi studert 1) hvilke enzymer som er involvert i heroin-metabolismen perifert og i hjernen, 2) effekten av enzyminhibisjon og/eller immunterapi mot 6-MAM for å redusere 6-MAM-nivået i hjernen, og 3) effekten av disse terapeutiske tilnærmingene mht å redusere/blokkere akutt heroinrus og utvikling av heroinavhengighet i en forsøksdyrmodell. Resultater For å få økt kunnskap om hvor heroin metaboliseres har vi studert hastighet for heroinmetabolisme i ulike vev fra rotte og menneske. Vi har videre studert hvilke esterase-enzymer som er involvert i heroinmetabolismen i de ulike vevene. Kort oppsummert viser våre studier at heroin metaboliseres av ulike enzymer i forsøksdyr og menneske, og at metabolismen skjer raskest i levervev hos menneske, mens enzymer i blodet gir et større bidrag hos rotte. Metabolismestudiene i vev fra forsøksdyr og mennesker er presentert i to masteroppgaver i biologi og skrives for tiden sammen til to vitenskapelige artikler. Enzymhemmere reduserte omdannelsen av heroin til 6-MAM in vitro, men var ikke egnet til å redusere 6-MAM-konsentrasjonen i hjerne eller redusere heroineffekter in vivo i mus. Bruk av immunterapi ved hjelp av et monoklonalt antistoff rettet mot 6-MAM (6-MAM mAb) ga derimot svært gode resultater og forhindret overgang til hjernen ved å binde 6-MAM i blodbanen. Studier i mus viste at forbehandling med antistoff ga en dose-respons reduksjon både i mengde 6-MAM i hjernen og ruseffekt etter en heroin-injeksjon. I en oppfølgingsstudie studerte vi det individuelle bidraget fra 6-MAM og heroin for den akutte ruseffekten etter heroininntak, og fant at heroin bidrar til rask transport av rusmidlet til hjernen. Resultatene fra dette arbeidet er publisert i to artikler i nivå-2-tidsskriftet JPET (Bogen et al., 2014; Kvello et al., 2016). I det siste delprosjektet har vi undersøkt effekten av 6-MAM mAb mht å blokkere heroin-belønning, -avhengighet og «tilbakefall». Vi har gjort dette ved hjelp av to ulike forsøksdyrmodeller for avhengighet; «conditioned place preference» i mus og selv-administrering i rotte. Våre studier i mus viser at antistoff-behandling kan forhindre heroins belønningseffekt. Selvadministreringsstudiene i rotte viser at antistoff-behandling forhindrer «tilbakefall», men at denne effekten kan overvinnes ved å øke heroindosen. Ett av disse manuskriptene er inne til vurdering og ett skrives i samarbeid med våre samarbeidspartnere ved Universitetet i Sussex hvor selvadministreringsstudiene ble utført. Arbeidene forventes publisert i løpet av 2018. Oppsummering Våre studier viser at heroins effekter primært utøves av metabolittene 6-MAM og morfin, men at heroin bidrar til rask transport av rusmidlet til hjernen. Immunterapi har et potensiale mht å motvirke ruseffekt, men effekten av et monoklonalt antistoff mot 6-MAM kan overvinnes dersom heroindosen økes. I en videreføring av dette prosjektet har vi gitt antistoff til gravide mus og vist at immunterapi kan beskytte musefoster mot langtidseffekter forårsaket av heroin-eksponering i svangerskapet. I tillegg til publikasjoner i anerkjente tidsskrift og et post doc-stipend, har prosjektet ledet fram til to mastergrader og en doktorgrad.

Drug abuse is a major national and worldwide public health problem. With 50 deaths per million, Norway is one of the European countries with the highest incidence of narcotic related deaths, and of these about 80% were caused by heroin. Treatment of heroi n addiction has proven to be challenging. Substitution therapy, such as methadone and buprenorphine, has shown some clinical success, but is hampered by a high incidence of relapse to illicit drug consumption and long-term adverse and toxic effects. New t reatment strategies for heroin addiction are therefore highly requested. It has traditionally been assumed that heroin is particularly addictive because it crosses the blood-brain barrier so rapidly, and that morphine is the metabolite responsible for its acute effects since heroin itself is inactive at the opioid receptors. Recent research in our laboratory has demonstrated that 6-monoacetylmorphine (6-MAM), not morphine, is the most important metabolite mediating the acute behavioural effects of heroin. Further, it is presumably the blood-brain permeability to 6-MAM, not heroin, that accounts for the highly efficient delivery of heroin metabolites to the brain. We therefore suggest that pharmacotherapy aiming to reduce the immediate, powerful increases in 6-MAM levels after heroin exposure may have a potential in prevention of acute heroin effects, as well as of addiction. This could be achieved by passive immunization with specific antibodies that sequester 6-MAM and prevent its access to the brain, or by enzyme modulation either inhibiting the formation of 6-MAM or increasing its degradation. These new pharmacotherapeutic approaches, targeting the drug itself rather than brain opioid receptors, open for a possible combination of conventional and new t reatment strategies, and may have clinical applications in early intervention, relapse prevention and overdose treatment.