Uzależnienie od opioidów stanowi palący kryzys zdrowia publicznego o dalekosiężnych konsekwencjach. Od 2020 r. ponad 100 000 zgonów rocznie wiąże się z przedawkowaniem narkotyków.

Centra Kontroli i Zapobiegania Chorobom podają, że w 2021 r. więcej osób zmarło w wyniku przedawkowania narkotyków niż w wyniku zgonów z powodu broni palnej i pojazdów mechanicznych razem wziętych. Trzy czwarte zgonów spowodowanych przedawkowaniem można przypisać opioidom.

Pięcioletni grant o wartości 3,5 miliona dolarów od Narodowego Instytutu ds. Narkotyków Narodowego Instytutu Zdrowia (National Institutes of Health) sfinansuje pionierskie badania Departamentu Inżynierii Chemicznej Virginia Tech, których celem jest zrozumienie, w jaki sposób narażenie młodzieży może przyczyniać się do uzależnienia od opioidów. Przykłady narażenia młodzieży obejmują zażywanie przepisanych przez nią leków opioidowych w celu łagodzenia bólu po kontuzji sportowej lub doświadczenie zaniedbania w przypadku uzależnienia od opioidów przez rodziców.

Chang Lu, profesor inżynierii chemicznej im. Freda W. Bulla i kierownik studiów magisterskich, będzie głównym badaczem odpowiedzialnym za kontakt w ramach inicjatywy i kierującym zespołem badawczym.

Inżynierowie chemicy wnoszą unikalne umiejętności

Według Lu inżynierowie chemicy dysponują unikalnym zestawem umiejętności, które mogą wykorzystać w chemii, biotechnologii i inżynierii procesowej, aby wyjaśnić, w jaki sposób postępuje uzależnienie, umożliwiając ostatecznie opracowanie procesów i produktów, które łagodzą społeczne obciążenie uzależnieniem od narkotyków. Ponadto ich biegłość w analizie i modelowaniu danych pozwala im opracowywać narzędzia wymagane do odkrywania złożonych sieci neuronowych, otwierając nowe możliwości badań mózgu.

W skład zespołu Lu zaangażowanego w tę inicjatywę wchodzą Julie Blendy, profesor farmakologii na Uniwersytecie Pensylwanii oraz Wei Wang, profesor chemii i biochemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.

Wiedza Blendy na temat długotrwałych skutków narażenia młodzieży na oksykodon na zachowanie związane z nagrodą i ekspresję genów u myszy czyni ją idealną współpracowniczką w ramach tej inicjatywy. Podobnie Wang wnosi biegłość w analizowaniu dużych zbiorów danych, takich jak te, które zostaną wygenerowane w badaniu.

„Moje badania na Uniwersytecie w Pensylwanii skupiają się na zrozumieniu molekularnych podstaw zmian biochemicznych i behawioralnych, które towarzyszą przewlekłemu używaniu narkotyków” – zauważyła Blendy. „To, w jaki sposób narkotyki prowadzą do długoterminowych adaptacji w mózgu, które wpływają na zachowania związane z zażywaniem narkotyków, nie jest znane, ale prawdopodobnie wiążą się z nimi zmiany w ekspresji genów. Nasz zespół — kierowany przez Lu — jest dobrze przygotowany, aby znacząco poszerzyć dziedzinę wiedzy na temat biologicznych podstaw uzależnienia”.

Złożony problem

Uzależnienie od opioidów to problem wieloaspektowy, obejmujący zarówno czynniki genetyczne, jak i środowiskowe. Czynniki genetyczne mogą predysponować jednostki do podatności na uzależnienia, wpływając na reakcję ich mózgów na opioidy.

Czynniki środowiskowe, takie jak przeciwności losu na wczesnym etapie życia, sieci społecznościowe i dostęp do opioidów, odgrywają kluczową rolę w inicjowaniu i utrzymywaniu uzależnienia. Zrozumienie interakcji genów i środowiska na poziomie molekularnym ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia neurobiologii uzależnienia. Epigenetyka, badanie tego, jak zachowania i środowisko mogą powodować zmiany w działaniu genów, dostarcza cennych informacji na temat interakcji gen-środowisko, które napędzają uzależnienie.

W tym projekcie zespół Lu skoncentruje się szczególnie na jednym czynniku środowiskowym: tym, jak wczesna ekspozycja na opioidy potencjalnie przyczynia się do uzależnienia. „Kiedy nastolatkom doznaje kontuzji podczas uprawiania sportu, często przepisuje się im silne leki przeciwbólowe zawierające opioidy” – powiedział Lu. „Ważne jest, aby zrozumieć, jaki ślad pozostawia w rozwijającym się mózgu takie wczesne narażenie na działanie alkoholu, jeśli chodzi o zmiany epigenetyczne”.

Pomost między genami a środowiskiem

Epigenetyka odnosi się do dziedzicznych zmian w ekspresji genów, które nie obejmują zmian w sekwencji DNA. Modyfikacje epigenetyczne zmieniają dostępność DNA i odgrywają kluczową rolę w regulacji ekspresji genów i kształtowaniu reakcji jednostki na bodźce środowiskowe.

Wiele genów, które uważa się za odpowiedzialne za uzależnienie od opioidów, bierze udział w endogennym układzie opioidowym, czyli wewnętrznym systemie organizmu regulującym ból, nagrodę i zachowania uzależniające. Składa się z substancji opioidowych wytwarzanych naturalnie w organizmie, zwanych opioidami endogennymi, oraz ich receptorów, do których opioidy pasują jak klucze do zamków.

Na te receptory działają również opioidy wprowadzone z zewnątrz organizmu, zwane opioidami egzogennymi, do których należą leki opioidowe i heroina. Zmiany w genach dostarczających instrukcji wytwarzania receptorów opioidowych były szeroko badane jako genetyczne czynniki ryzyka uzależnienia od opioidów. Badacze stawiają hipotezę, że różnice w strukturze i funkcjonowaniu receptorów wpływają na reakcję organizmu na opioidy.

Za pomocą Dzięki niskonakładowym technikom profilowania epigenetycznego opracowanym w laboratorium Lu zespół jest w stanie lepiej badać interakcje gen-środowisko w mózgu. Techniki te pozwolą im zbadać zmiany epigenetyczne w ograniczonych ilościach tkanki mózgowej, co umożliwi zbadanie dynamiki określonych obszarów mózgu i typów komórek zaangażowanych w uzależnienie.

Do kluczowych spostrzeżeń uzyskanych dzięki temu podejściu należą m.in

• Identyfikacja biomarkerów epigenetycznych. Te biomarkery mogą służyć jako narzędzia diagnostyczne do oceny ryzyka uzależnienia u danej osoby lub jako cele dla interwencji terapeutycznych.
• Odkrywanie trajektorii rozwojowych. Profilowanie epigenetyczne może ujawnić, w jaki sposób doświadczenia nastolatków i czynniki środowiskowe kształtują na przestrzeni czasu wzorce epigenetyczne, oferując wgląd w krytyczne okna podatności na uzależnienie od opioidów.
• Medycyna spersonalizowana. Dostosowanie interwencji w oparciu o epigenetyczną strukturę danej osoby może zwiększyć skuteczność leczenia i zmniejszyć ryzyko nawrotu choroby.
• Informowanie o zmianach zasad. Podstawowa wiedza na temat działania uzależnienia od opioidów w mózgu może pomóc w podejmowaniu decyzji politycznych i regulacyjnych.

„Uzależnienie od opioidów to złożony i wyniszczający kryzys zdrowia publicznego” – powiedział Lu. „Profilowanie epigenetyczne o niskim nakładzie jest potężnym narzędziem do odkrywania skomplikowanych interakcji gen-środowisko, które leżą u podstaw podatności na uzależnienie i postępu. Badając dynamikę epigenetyczną w określonych obszarach mózgu i typach komórek, mamy nadzieję zidentyfikować biomarkery i rzucić światło na to, kiedy ludzie – zwłaszcza nastolatki – są podatni na uzależnienia i dlaczego. Pomyślne wykonanie tego zadania oznacza otwarcie drzwi do spersonalizowanego podejścia do leczenia i strategii zapobiegawczych w przyszłości”.