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静脉自身给药实验:原理、方法及应用

时间:2020-04-18 点击:400次

         自身给药实验(self- administrationSA)是行为药理研究的常用方法,该实验利用药物的正性强化作用(positive reinforcement),通过一定条件控制,使动物建立起行为与奖赏之间的联系,从而模拟人类药物滥用的行为自身给药形式有颅内、口腔、胃、肌肉、呼吸、静脉等多途径,其中静脉自身给药作为一种成熟的实验技术,具有简便、稳定、成功率高等优点被广泛应用。本文拟从原理、方法和应用三方面对静脉自身给药实验( intravenous self-administrationIVSA)做一简单介绍。

一,概述

         20世纪60年代, Weeks JR Yanagita T分别建成大鼠及猕猴的静脉自身给药模型,标志着自身给药实验的形成。该实验自产生以来,一直用于药物依赖性研究,成为学术界公认的评价精神活性物质精神依赖性潜力的方法,通过实验,人们已得到大量阿片类、镇静催眠类和中枢兴奋类药物精神依赖的定性和定量结果;另外还被用于药物间交叉依赖性研究和药物依赖的神经生物、药理机制及中枢定位的研究。

         国内自身给药实验起步较晚。北京大学中国药物依赖性研究所首先引进该实验方法,于90年代中期建成大鼠和恒河猴静脉自身给药模型,并运用此模型成功评价了一些药物的精神依赖性潜力,日前国内科研单位建立的自身给药模型,多采用大鼠和灵长类动物(猴),给药途径集中在静脉方式。

二、原理

          自身给药是一种建立在随机行为( random behavior)基础上,通过强化得到的操作式行为(operant behavior)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(rein forcer)。随机行为的特征是行为与反应间无特定联系,具有完全随机性。如自身给药实验初期,动物随意活动时碰触开关的行为,只有当动物从该行为中得到奖赏并积累一定经验后,随机行为才会转变成主动的操作行为,表现为碰触开关次数明显增加

           自然界存在一些对生物体能产生奖赏效应的因素,即自然奖赏( natural reward),如食物、水、性和亲情行为等,生物体从这些事物中能体验到美好感受。Skinner最初报道使用有些药物后,会使机体产生和自然奖赏类似的生物效应,以后的研究证实了这一发现,这些药物大多能使生物体形成身体依赖( physical dependence)和/或精神依赖( psychical dependence)。自然奖赏和药物奖赏产生强化效应的机理是相似的,甚至有人提出滥用药物是自然奖赏的替代物假说,并以此解释药物滥用产生的机理。通过对具有强化效应药物的研究发现,尽管不同药物间药理作用有很大差异,但却有一个共同的药理学特征---激活脑内奖赏系统。脑内奖赏系统的主要神经结构为中脑腹侧背盖区( ventral  tagmental  areaVTA)的多巴胺( dopamineDA)神经元及其投射脑区伏隔核( nucleus accumbensNAc)所构成的中脑边缘多巴胺系统( mesocorticolimbic dopaminergic systemMLDS)。此系统介导的精神依赖奖赏活动是人类及动物脱毒后复吸的重要生物学基础。研究证实,脑内DA递质释放与动物接受愉快性刺激,促进学习和记忆,建立与正性强化效应相关的条件反射密切相关,奖赏系统还涉及弓状核、中脑导水管周围灰质、海马、杏仁核、下丘脑、前额皮层等广泛的中枢结构,普遍认为蓝斑核( locus coreuleusLC)是形成药物身体依赖的中心环节,一旦药物撤除,戒断反应将促使与负性强化效应相关的条件反射行为加强,进一步增强对药物的渴求。

         以阿片为例,有人认为阿片在非戒断状态存在正性强化效应,戒断状态则存在负性强化效应,分别由VTA-NAc和中脑被盖脚桥核介导。生理状态下,VTADA神经元受到GABA中间神经元的紧张性抑制;进入成瘾状态,阿片能激活GABA中间神经元上的u型阿片受体,抑制GABA中间神经元,从而解除该神经元对DA神经元的紧张性抑制,由此激活VTA-DA神经元,使其投射犯区(主要是NAc)的DA释放增加,产生欣快感或满足感。

三、方法

       (一)实验动物

         不同动物对同种药物的强化效应是相同或相似的,并且和人类药物溢用情况相似。研究结果还显示,动物因素对实验结果有一定影响。近交系鼠研究发现不同种系鼠的自身给药行为有很大差异:DBA/2种系鼠几乎拒绝所有药物,C57BL/6种系鼠则接受几平所有的用药物,其余种系的表现则介于二者之间。种系间基因层次的差异是导致以上现象的重要原因,所以动物的个体差异在实验中有时也必须考虑,相同实验条件下并非所有动物个体都能形成稳定的自身给药行为。

          从生物学特征、实验状况等方面考虑,大鼠和猴依然是自身给药实验中最多选用的实验动物。

        (二)给药途径

         静脉是最早且普遍使用的给药途径。实验中一般选用颈静脉或股静脉,通过手术插入导管,使药物在上/下静脉腔窦处进入动物循环系统,快速发挥药效。

        相对于其他给药途径,静脉给药的优点是:(1)能精确定量。通过机电设备控制,每次注射能精确到0.1ul,且容易控制药物剂量、浓度等;(2)自身给药行为形成快。给注药物快速进入循环并产生作用,消除了操作与效应间的延迟,减少影响自身给药行为的因素;(3)静脉途径符合人类使用du pin的习惯。显著缺点是实验维护较难。

         (三)药物

           药物的强化效应是自身给药实验主要考查的对象。不同药物,其强化效应有很大差异,目前已确认存在强化效应的药物主要有以下几类:

            麻醉品类:包括阿片类及其衍生物。

           镇静催眠类:包括镇静安眠和抗焦虑药物,有戊巴比妥类等。

           中枢兴奋类:

           其他:包括尼古丁、乙醇、挥发性有机溶剂。

          以上列举的药物并非总是通过静脉途径给药,但无论通过何种途径,一般都具有正性强化效应,可以使实验动物产生自身给药行为。值得注意的是,即使是同一类药物,其在自身给药实验中的表现亦不尽相同,如吗啡依赖大鼠模型不能完全反映hai luo yin依赖的情况。

           药物剂量是另一影响实验结果的重要因素。有人在简单强化程序下,做过药物梯度剂量对动物自身给药行为影响的研究,发现在较低剂量范围内,剂量与强化效应呈正相关:在中等剂量范国,药物强化效应达到最大,并基本不受量的变化影响;在较高的剂量水平,剂量与强化效应之间呈现负相关变化趋势。描绘两者变化曲线,即得到所谓’’U形曲线。倒U形曲线是多种正性强化药物的剂量-效应特征。人们倾向于用受体饱和理论来解释这一现象,即药物在体内作用于受体,随着剂量增加,激活的受体数量也增加,剂量-效应曲线表现为上升支,最终受体饱和,剂量-效应曲线进入平台期。但此观点并不能很好解释药物在较高剂量时的效应变化。

          (四)强化程序( reinforcement schedule

            即使同一药物,在实验时使用不同的强化程序,也可能得出差异很大的结果。例如在固定比率强化程序下,尼古丁表现为弱的正性强化剂;但在固定间隔强化程序中却表现很强的强化效应。

             强化程序是强化刺激与反应之间关系的描述,它决定强化因子与强化反应间的数量关系及时间关系。据此可将各种强化程序归纳为比率程序( ratio schedule)、间隔程序( interval schedule)和复合程序( combination schedule)。比率程序描述动物碰触开关行为与获得强化药物的数量关系。常用的有固定比率( fixed ratioFR),如FR5程序(即动物触开关5次,可获得奖赏1次),FR1程序又称为连续强化( continuous reinforcementcrf)。可变比率( variable ratioVR),获得每次奖赏所需的行为数都不同。如VR20(获得1次奖赏平均需要触开关20次)。累进比率( progressive ratioRP),获得每次奖赏所需的行为数按倍数或指数关系递增,如设定初始值为1,累进率为2,则获得每次奖赏所需的触开关数依次为:1248162 n-1。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。常用的有固定间隔( fixed intervalFI),如FI5min程序(动物在某一起点后的5min间隔期内,触开关行为不作为奖赏条件,非间隔期的行为则可以引起奖赏)。可变间隔( variable intervalVI),即间隔期的长短是可变的。累进间隔( progressive interval  PI),每次间隔期按倍数或指数关系递增。.复合程序是比率与间隔交叉使用的程序,由于两者不同的组合,可以衍生出很多复杂的强化程序,他们由两个或多个基本程序组成,基本程序间的关系可以是顺序( sequences of reinforcement schedules),如继发程序( second- order scheduleFI30minFR10:S-动物完成FR10程序后,转入FI30min程序,再完成后,给予奖赏;也可以是并行(simultaneous schedules),如交替程序( alternative scheduleFR100/F160-动物完成100次触开关行为或间隔时间超过60min都可以得到奖赏。

          强化程序有一定的选用原则,如采用自身给药方式建立动物依赖模型,可选用连续强化、固定比率或交替程序评价药物的精神依赖性潜力,可选用累进比率;观察药物作用的时效特性,可选用间隔程序等。总之,各强化程序的使用以消除药物非强化因素的影响或得到某些特定行为指标为依据,可以由实验者按实验本身的要求设计。

、应用

          自身给药是一种操作式行为,因此所有操作式行为药理实验方法学都适用于自身给药技术。这就为自身给药实验提供了众多的方法学支持,也拓宽了自身给药的应用领域。凭借自身给药实验提供的平台,可将社会、行为的研究方法和成果应用在药物滥用领域,这一点,对防止药物滥用、抗复吸等尤具重要意义。

        (一)用于戒毒相关实验

          1.评价药物的精神依赖性

生物个体行为受其精神的支配。当生物体对某种药物产生依赖后(正性强化主要考虑精神依赖),其对药物的渴求( craving)会形成主动觅药( drug seeking)行为,表现为操作式行为的重复概率增加,如人类的觅毒吸毒行为和动物踏板死药行为,动物自身给药实验以此为指标对照生理盐水或一般药物溶剂的观察结果,即能初步了解某药是否存在强化效应,当然,要得到更可靠的结论,还应排除物种、个体、药物剂量、给药途径、应激、活动度、甜食偏爱、社会以及药物非强化剂因素等的影响,较新的研究显示甜食可能对药物的评价结果产生很大的影响。

            一般而言,动物操作式行为建立的速度可作为药物强化作用强弱的一个指标;行为的频率能反映动物渴求的程度;累进比率实验下的终止点( break point)可定量评价药物精神依赖性潜力。如果以已知具有精神依赖性的标准品(如吗啡)为对照,建立标准品依赖动物模型,在撤除标准品后给予受试药物,研究受试药物对标准品戒断症状的抑制能力,即所谓替代实验。替代实验可用于比较未知药物与已知药物的某些药理学特征。

             2.揭示精神依赖产生的机制

             自身给药实验为研究药物精神依赖产生的机制提供大量行为学证据,例如在多巴胺受体亚型研究中,行为结果显示D2样受体激动剂可产生精神xing fen ji样的行为效应,降低NAc内脑啡前体mRNA的生成量,D2括抗剂则明显阻滞动物自身给药的奖赏效应。高亲脂性D1激动剂SKF82958SKF77434均能产生强烈的自身给药行为,抗剂SCH23390则能减弱动物的行为。从而提示,D1受体可能参与感觉成分有关的强化反应,D2变体更多地参与成瘾过程觅药行为有关的欣快感。有实验还观察到成动物神经组织微细结构发生改变,从而提供了精神依赖的形态学证据。

           3.建立复吸模型

动物自身给药模型是较合理的人类复吸模型,为抗复吸研究提供了实验基础,如 Neisewanderke ka yin复吸研究和 Shaham的复吸研究等,都是建立在动物自身给药实验基础上的。

         二)指导戒毒临床

           自身给药实验对戒毒临床的贡獻可归纳为:研究影响自身给药行为建立因素,有助于人类制订药物用预防策略:自身给药实验为戒毒临床提供大量可用于评估的影响强化行为的因素:伴随药物精神依赖中枢机制的逐步闻明,许多能影响中枢奖赏通路的药物被用于临床。目前已有5-HTDAGABA及阿片类受体激动剂用于戒毒的报道:替代实验的结果直接促使临床替代疗法的产生(典型的例子是美沙维持疗法); KantakColins等还通过自身给药实验证实了ke ka yin疫苗的有效性。

          自身给药实验方法通过短短的40年创建、发展,到今天已形成一套完整的理论与方法体系,为药物濫用研究提供了坚实的实验平台。值得注意的是,随着戒毒研究的深入,抗复吸问题日益突出,越来越多的研究人员重新审视自身给药实验在抗复吸研究方面的应用潜力。1998年香山科学会议认为,今后的攻关重点就是如何克服脱毒后的心理渴求,防止复吸,并认为中药复方和针灸等传统医学可能是突破点之一。为此,国内一些戒毒研究机构以自身给药实验建立复吸动物模型,在此基础上的中西医结合戒毒(抗复吸)等各项研究正在展开。

 

 

文章来自<<中国药物滥用防治杂志>>, 2002 6

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