Электрофизиологическое исследование каппа-опиоидного анальгетика РУ-1205 с применением методов машинного обучения

Исследование посвящено изучению нового каппа-опиоидного агониста РУ-1205, который проявляет анальгетическое действие, при этом не вызывает дисфорических или аверсивных эффектов. Предполагается, что это может быть обусловлено функциональной селективностью, либо наличием дополнительного механизма действия, который связан с блокированием p38 митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK).

Цель. Экспериментальное выявление механизмов действия соединения РУ-1205, связанных с ингибированием MAPK p38 и функциональной селективностью в отношении каппа-опиоидных рецепторов.

Материалы и методы. Крысам массой 260–280 г (n=62) имплантировали хронические корковые и глубокие электроды, выполняли регистрацию LFP-активности после интрацеребровентрикулярного введения веществ с хорошо изученными фармакологическими свойствами (селективный каппа-опиоидный агонист U-50488 100 мкг и блокатор MAPK p38 SB203580 1 мкг), а также изучаемого соединения РУ-1205 350 мкг. Рассчитывали взвешенный индекс фазовой задержки (WPLI), после чего применяли методы машинного обучения с целью снижения размерности и получения интегративных характеристик коннективности (метод главных компонент), затем выполняли классификацию сигналов (модели на основе гауссовских процессов).  С помощью метода локальной фиксации потенциала в конфигурации “whole-cell” исследовали спайковую активность пирамидных нейронов базолатеральной миндалины. Нейроны идентифицировали по их свойствам аккомодации. После локальной перфузии исследуемых соединений были получены 3 кривые доза-эффект для: (1) U-50488 в концентрациях от 0,001 до 10 мкМ; (2) комбинации U-50488 (0,001–10 мкМ) и РУ-1205 (10 мкМ); и (3) комбинации U-50488 (0,01–10 мкМ) и РУ-1205 (100 мкМ).

Результаты. Разработанные модели позволили с высокой вероятностью классифицировать соединение РУ-1205 как «неингибитор» MAPK p38. Полученные результаты находят подтверждение в экспериментах «Patch Clamp» на живых срезах мозга, где было продемонстрировано, что U-50488 статистически значимо увеличивает спайковую активность пирамидных нейронов базолатеральной миндалины (p <0,05), при этом РУ-1205 взаимодействует с U-50488, конкурентно подавляя его действие на спайковую активность нейронов.

Заключение. Таким образом, это позволяет предполагать, что соединение РУ-1205 проявляет функциональную каппа-агонистическую активность и не оказывает значимого влияния на MAPK p38. Исследование демонстрирует возможность интеграции электрофизиологических измерений и передовых методов анализа данных для глубокого понимания нейрональных механизмов фармакологического действия, а также подчеркивает перспективность дальнейших исследований в данном направлении.

1. Zimmer Z., Fraser K., Grol-Prokopczyk H., Zajacova A. A global study of pain prevalence across 52 countries: examining the role of country-level contextual factors // Pain. – 2022. – Vol. 163, No. 9. – P. 1740–1750. DOI: 10.1097/j.pain.0000000000002557

2. Daveluy A., Micallef J., Sanchez-Pena P., Miremont-Salamé G., Lassalle R., Lacueille C., Grelaud A., Corand V., Victorri-Vigneau C., Batisse A., Le Boisselier R. Ten-year trend of opioid and nonopioid analgesic use in the French adult population // Br J Clin Pharmacol. – 2021. – Vol. 87, No. 2. – P. 555–564. DOI: 10.1111/bcp.14415

3. Pasternak G.W. Mu opioid pharmacology: 40 years to the promised land // Adv Pharmacol. – 2018. – Vol. 82. – P. 261–291. DOI: 10.1016/bs.apha.2017.09.006

4. Dalefield M.L., Scouller B., Bibi R., Kivell B.M. The kappa opioid receptor: A promising therapeutic target for multiple pathologies // Front Pharmacol. – 2022. – Vol. 13. – Art. ID: 837671. DOI: 10.3389/fphar.2022.837671

5. Khan M.I.H., Sawyer B.J., Akins N.S., Le H.V.A systematic review on the kappa opioid receptor and its ligands: New directions for the treatment of pain, anxiety, depression, and drug abuse // Eur J Med Chem. – 2022. – Vol. 243. – Art. ID: 114785. DOI: 10.1016/j.ejmech.2022.114785

6. Vaidya B., Sifat A.E., Karamyan V.T., Abbruscato T.J. The neuroprotective role of the brain opioid system in stroke injury // Drug Discov Today. – 2018. – Vol. 23, No. 7. – P. 1385–1395. DOI: 10.1016/j.drudis.2018.02.011

7. Paul A.K., Smith C.M., Rahmatullah M., Nissapatorn V., Wilairatana P., Spetea M., Gueven N., Dietis N. Opioid analgesia and opioid-induced adverse effects: A review // Pharmaceuticals. – 2021. – Vol. 14, No. 11. – Art. ID: 1091. DOI: 10.3390/ph14111091

8. Gopalakrishnan L., Chatterjee O., Ravishankar N., Suresh S., Raju R., Mahadevan A., Prasad T.K. Opioid receptors signaling network // J Cell Commun Signal. – 2022. – Vol. 16, No. 3. – P. 475–483. DOI: 10.1007/s12079-021-00653-z

9. Machelska H., Celik M.Ö. Advances in achieving opioid analgesia without side effects // Front Pharmacol. – 2018. – Vol. 9. – Art. ID: 1388. DOI: 10.3389/fphar.2018.01388

10. Mores K.L., Cummins B.R., Cassell R.J., van Rijn R.M. A review of the therapeutic potential of recently developed G protein-biased kappa agonists // Front Pharmacol. – 2019. – Vol. 10. – Art. ID: 407. DOI: 10.3389/fphar.2019.00407

11. Спасов А.А., Калитин К.Ю., Гречко О.Ю., Анисимова В.А. Противоэпилептическая активность нового производного бензимидазола РУ-1205 // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. – 2015. – Т. 160, № 9. – С. 320–323.

12. Kalitin K.Y., Grechko O.Y., Spasov A.A., Sukhov A.G., Anisimova V.A., Matukhno A.E. GABAergic mechanism of anticonvulsive effect of chemical agent RU-1205 // Bull Exp Biol Med. – 2018. – Vol. 164. – P. 629–635. DOI: 10.1007/s10517-018-4047-4

13. Калитин К.Ю., Придворов Г.В., Спасов А.А., Муха О.Ю. Влияние каппа-опиоидных агонистов буторфанола и соединения РУ-1205 на биоэлектрическую активность мозга при глобальной ишемии // Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. – 2022. – Т. 19, № 3. – С. 128–133. DOI: 10.19163/1994-9480-2022-19-3-128-133

14. Liu-Chen L.Y., Huang P. Signaling underlying kappa opioid receptor-mediated behaviors in rodents // Front Neurosci. – 2022. – Vol. 16. – Art. ID: 964724. DOI: 10.3389/fnins.2022.964724

15. Tortella F. C., Robles L., Holaday J. W. U50, 488, a highly selective kappa opioid: anticonvulsant profile in rats // J Pharmacol Exper Ther. – 1986. – Vol. 237, No. 1. – P. 49–53.

16. Lemos C., Salti A., Amaral I.M., Fontebasso V., Singewald N., Dechant G., Hofer A., El Rawas R. Social interaction reward in rats has anti-stress effects // Addict Biol. – 2021. – Vol. 26, No. 1. – Art. ID: e12878. DOI: 10.1111/adb.12878

17. Ji G., Neugebauer V. Kappa opioid receptors in the central amygdala modulate spinal nociceptive processing through an action on amygdala CRF neurons // Molecul Brain. – 2020. – Vol. 13, No. 1. – P. 1–10. DOI: 10.1186/s13041-020-00669-3

18. Zan G.Y., Wang Q., Wang Y.J., Chen J.C., Wu X., Yang C.H., Chai J.R., Li M., Liu Y., Hu X.W., Shu X.H. p38 mitogen-activated protein kinase activation in amygdala mediates κ opioid receptor agonist U50,488H-induced conditioned place aversion // Neurosci. – 2016. – Vol. 320. – P. 122–128. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2016.01.052

19. Yakhnitsa V., Ji G., Hein M., Presto P., Griffin Z., Ponomareva O., Navratilova E., Porreca F., Neugebauer V. Kappa opioid receptor blockade in the amygdala mitigates pain like-behaviors by inhibiting corticotropin releasing factor neurons in a rat model of functional pain // Front Pharmacol. – 2022. – Vol. 13. – Art. ID: 903978. DOI: 10.3389/fphar.2022.903978

20. Dermitzaki E., Tsatsanis C., Gravanis A., Margioris A.N. Corticotropin-releasing hormone induces Fas ligand production and apoptosis in PC12 cells via activation of p38 mitogen-activated protein kinase // J Biologic Chem. – 2002. – Vol. 277, No. 14. – P. 12280–12287. DOI: 10.1074/jbc.M111236200

21. Ona G. Sampedro F., Romero S., Valle M., Camacho V., Migliorelli C., Mañanas M.Á., Antonijoan R.M., Puntes M., Coimbra J., Ballester M.R. The Kappa Opioid Receptor and the Sleep of Reason: Cortico-Subcortical Imbalance Following Salvinorin-A // Int J Neuropsychopharmacol. – 2022. – Vol. 25, No. 1. – P. 54–63. DOI: 10.1093/ijnp/pyab063

22. Tejeda H.A., Hanks A.N., Scott L., Mejias-Aponte C., Hughes Z.A., O’donnell P. Prefrontal cortical kappa opioid receptors attenuate responses to amygdala inputs //Neuropsychopharmacol. – 2015. – Vol. 40, No. 13. – P. 2856–2864. DOI: 10.1038/npp.2015.138

23. Jamali S., Dezfouli M.P., Kalbasi A., Daliri M.R., Haghparast A. Selective modulation of hippocampal theta oscillations in response to morphine versus natural reward // Brain Sci. – 2023. – Vol. 13, No. 2. – Art. ID: 322. DOI: 10.3390/brainsci13020322

24. Ahmadi Soleimani S.M., Mohamadi M. A. H. M.H., Raoufy M.R., Azizi H., Nasehi M., Zarrindast M.R. Acute morphine administration alters the power of local field potentials in mesolimbic pathway of freely moving rats: Involvement of dopamine receptors // Neurosci Lett. – 2018. – Vol. 686. – P. 168–174. DOI: 10.1016/j.neulet.2018.09.016

25. Reakkamnuan C., Cheaha D., Kumarnsit E. Nucleus accumbens local field potential power spectrums, phase-amplitude couplings and coherences following morphine treatment // Acta Neurobiol Exp (Wars). – 2017. – Vol. 77, No. 3. – P. 214–224. DOI: 10.21307/ane-2017-055

26. Hein M., Ji G., Tidwell D., D’Souza P., Kiritoshi T., Yakhnitsa V., Navratilova E., Porreca F., Neugebauer V. Kappa opioid receptor activation in the amygdala disinhibits CRF neurons to generate pain-like behaviors // Neuropharmacolog. – 2021. – Vol. 185. – Art. ID: 108456. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2021.108456

27. Ittner A.A., Gladbach A., Bertz J., Suh L.S., Ittner L.M. p38 MAP kinase-mediated NMDA receptor-dependent suppression of hippocampal hypersynchronicity in a mouse model of Alzheimer’s disease // Acta Neuropathol Commun. – 2014. – Vol. 2. – P. 1–17. DOI: 10.1186/s40478-014-0149-z

28. Zhang F., Wang F., Yue L., Zhang H., Peng W., Hu L. Cross-species investigation on resting state electroencephalogram // Brain Topogr. – 2019. – Vol. 32. – P. 808–824. DOI: 10.1007/s10548-019-00723-x

29. Imperatori L.S., Cataldi J., Betta M., Ricciardi E., Ince R.A., Siclari F., Bernardi G. Cross-participant prediction of vigilance stages through the combined use of wPLI and wSMI EEG functional connectivity metrics // Sleep. – 2021. – Vol. 44, No. 5. – Art. ID: zsaa247. DOI: 10.1093/sleep/zsaa247

30. Banks M.I., Krause B.M., Endemann C.M., Campbell D.I., Kovach C.K., Dyken M.E., Kawasaki H., Nourski K.V. Cortical functional connectivity indexes arousal state during sleep and anesthesia // Neuroimage. – 2020. – Vol. 211. – Art. ID: 116627. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.116627

31. Delgado-Sallent C., Nebot P., Gener T., Fath A.B., Timplalexi M., Puig M.V. Atypical, but not typical, antipsychotic drugs reduce hypersynchronized prefrontal-hippocampal circuits during psychosis-like states in mice: Contribution of 5-HT2A and 5-HT1A receptors // Cereb Cortex. – 2022. – Vol. 32, No. 16. – P. 3472–3487. DOI: 10.1093/cercor/bhab427

32. Huang Y., Yi Y., Chen Q., Li H., Feng S., Zhou S., Zhang Z., Liu C., Li J., Lu Q., Zhang L. Analysis of EEG features and study of automatic classification in first-episode and drug-naïve patients with major depressive disorder // BMC Psychiatry. – 2023. – Vol. 23, No. 1. – Art. ID: 832. DOI: 10.1186/s12888-023-05349-9

33. Desai R., Porob P., Rebelo P., Edla D.R., Bablani A. EEG data classification for mental state analysis using wavelet packet transform and gaussian process classifier // Wireless Personal Communications. – 2020. – Vol. 115, No. 3. – P. 2149–2169. DOI: 10.1007/s11277-020-07675-7

34. Chinara S. Automatic classification methods for detecting drowsiness using wavelet packet transform extracted time-domain features from single-channel EEG signal // J Neurosci Methods. – 2021. – Vol. 347. – Art. ID: 108927. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2020.108927

35. Ieracitano C., Mammone N., Hussain A., Morabito F.C. A novel multi-modal machine learning based approach for automatic classification of EEG recordings in dementia // Neural Networks. – 2020. – Vol. 123. – P. 176–190. DOI: 10.1016/j.neunet.2019.12.006

36. Zanettini C., Scaglione A., Keighron J.D., Giancola J.B., Lin S.C., Newman A.H., Tanda G. Pharmacological classification of centrally acting drugs using EEG in freely moving rats: an old tool to identify new atypical dopamine uptake inhibitors // Neuropharmacol. – 2019. – Vol. 161. – Art. ID: 107446. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2018.11.034

37. Shahabi M.S., Shalbaf A., Maghsoudi A. Prediction of drug response in major depressive disorder using ensemble of transfer learning with convolutional neural network based on EEG // Biocybernet Biomed Engineer. – 2021. – Vol. 41, No. 3. – P. 946–959. DOI: 10.1016/j.bbe.2021.06.006

38. Rives M.L., Rossillo M., Liu-Chen L.Y., Javitch J.A. 6′-Guanidinonaltrindole (6′-GNTI) is a G protein-biased κ-opioid receptor agonist that inhibits arrestin recruitment // J Biologic Chem. – 2012. – Vol. 287, No. 32. – P. 27050–27054. DOI: 10.1074/jbc.C112.387332

39. Kalitin K.Y., Spasov A.A., Mukha O.Y. Effects of kappa-opioid agonist U-50488 and p38 MAPK inhibitor SB203580 on the spike activity of pyramidal neurons in the basolateral amygdala // Research Ress Pharmacol. – 2024. – Vol. 10, No. 1. – P. 1–6. DOI: 10.18413/rrpharmacology.10.400

40. Courtin J., Karalis N., Gonzalez-Campo C., Wurtz H., Herry C. Persistence of amygdala gamma oscillations during extinction learning predicts spontaneous fear recovery // Neurobiol Learn Memory. – 2014. – Vol. 113. – P. 82–89. DOI: 10.1016/j.nlm.2013.09.015