Mu-opioid receptor gene variant OPRM1 118A>G : a genetic modulator of opioid effects

Der Mu-Opioidrezeptor-Polymorphismus 118A>G : ein genetischer Modulator von Opioideffekten

The µ-opioid receptor is the primary target structure of most opioid analgesics and thus responsible for the predominant part of their wanted and unwanted effects. Carriers of the frequent genetic µ-opioid receptor varia
The µ-opioid receptor is the primary target structure of most opioid analgesics and thus responsible for the predominant part of their wanted and unwanted effects. Carriers of the frequent genetic µ-opioid receptor variant N40D (allelic frequency 8.2 - 17 %), coded by the single nucleotide polymorphism A>G at position 118 of the µ-opioid receptor coding gene OPRM1 (OPRM1 118A>G SNP), suffer from a decreased opioid potency and from a higher need of opioid analgesics to reach adequate analgesia. The aim of the present work was to identify the mechanism by which the OPRM1 118A>G SNP decreases the opioid potency and to quantify its effects on the analgesic potency and therapeutic range of opioid analgesics.
To elucidate the consequences of the OPRM1 118A>G SNP for the effects of opioid analgesics, brain regions of healthy homozygous carriers of the OPRM1 118A>G SNP were identified by means of functional magnetic resonace imaging (fMRI), where the variant alters the response to opioid analgesics after painful stimulation. Afterwards, the µ-opioid receptor function was analyzed on a molecular level in post mortem samples of these brain regions. Finally, the consequences of the OPRM1 118A>G SNP for the analgesic and respiratory depressive effects of opioids were quantified in healthy carriers and non-carriers of OPRM1 118A>G SNP by means of experimental pain- and respiratory depression-models.
To identify pain processing brain regions, where the variant alters the response to opioid analgesics after painful stimulation, we investigated the effects of different alfentanil concentration levels (0, 25, 50 and 75 ng/ml) on pain-related brain activation achieved by short pulses (300 msec) of gaseous CO2 (66% v/v) delivered to the nasal mucosa using a 3.0 T magnetic head scanner in 16 non-carriers and nine homozygous carriers of the µ-opioid receptor gene variant OPRM1 118A>G. In brain regions associated with the processing of the sensory dimension of pain (pain intensity), such as the primary and secondary somatosensory cortices and the posterior insular cortex, the activation decreased linearly in relation to alfentanil concentrations, which was significantly less pronounced in OPRM1 118G carriers. In contrast, in brain regions known to process the affective dimension of pain (emotional dimension), such as the parahippocampal gyrus, amygdala and anterior insula, the pain-related activation disappeared already at the lowest alfentanil dose, without genotype differences.
Subsequently, we investigated the µ-opioid receptor-expression ([3H]-DAMGO saturation experiments, OPRM1 mRNA analysis by means of RT-PCR), the µ-opioid receptor affinity ([3H]-DAMGO saturation and competition experiments) and µ-opioid receptor signaling ([35S]- GTPγS binding experiments) in post mortem samples of the human SII-region, as a cortical projection region coding for pain intensity, and lateral thalamus, as an important region for nociceptive transmission. Samples of 22 non-carriers, 21 heterozygous and three homozygous carriers of OPRM1 118A>G SNP were included into the analysis. The receptor expression and receptor affinity of both brain regions did not differ between non-carriers and carriers of the variant N40D. In non-carriers, the µ-opioid receptors of the SII-region activated the receptor bound G-protein more efficiently than those of the thalamus (factor 1.55-2.27). This regional difference was missing in heterozygous (factor 0.78-1.66) and homozygous (factor 0.66-1.15) carriers of the N40D variant indicating a reduced receptor-G-protein-coupling in the SII-region.
Finally, the consequences of the alteration of µ-opioid receptor function in carriers and noncarriers of the genetic variant was investigated using pain- and respiratory depression-models. Therefore, 10 healthy non-carriers, four heterozygous and six homozygous carriers of the µ- opioid receptor variant N40D received an infusion of four different concentrations of alfentanil (0, 33.33, 66.66 and 100 ng/ml). At each concentration level, analgesia was assessed by means of electrically (5 Hz sinus 0 to 20 mA) and chemically (200 ms gaseous CO2 pulses applied to the nasal mucosa) induced pain, and respiratory depression was quantified by means of hypercapnic challenge according to Read and recording of the breathing frequency. The results showed that depending on the used pain model, both heterozygous and homozygous carriers of the variant N40D needed 2 – 4 times higher alfentanil concentrations to achieve the same analgesia as non-carriers. This increase seems to be at least for homozygous carriers unproblematic, because to reach a comparable respiratory depression as non-carriers, they needed 10-12 times higher alfentanil concentrations.
The results of this work demonstrate that the µ-opioid receptor variant N40D causes a regionally limited reduction of the signal transduction efficiency of µ-opioid receptors in brain regions involved in pain processing. Thus, the painful activation of sensory brain regions coding for pain intensity is not sufficiently suppressed by opioid analgesics in carriers of the variant N40D. Due to the insufficient suppression in hetero- and homozygous carriers of the variant N40D, the concentration of opioids has to be increased by a factor 2 - 4, in order to achieve the same analgesia as in non-carriers. At the same time, the respiratory depressive effects are decreased to a greater extent in homozygous carriers of the N40D variant as they need a 10 - 12 times higher opioid concentration to suffer from the same degree of respiratory depression as non-carriers. Due to the increased therapeutic range of opioid analgesics, an increase of the opioid dose seems to be harmless, at least for homozygous carriers of the N40D variant.
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Opioidanalgetika sind bis heute das adäquate Mittel zur Behandlung schwerer Schmerzzustände. Dabei wird ihre breite Anwendbarkeit durch opioidtypische unerwünschte Nebenwirkungen wie Atemdepression, Benommenheit, Übelkei
Opioidanalgetika sind bis heute das adäquate Mittel zur Behandlung schwerer Schmerzzustände. Dabei wird ihre breite Anwendbarkeit durch opioidtypische unerwünschte Nebenwirkungen wie Atemdepression, Benommenheit, Übelkeit bis zum Erbrechen, Obstipation, Miosis und juckende Hautreizung eingeschränkt. Das Ausmaß der auftretenden Opioidwirkungen variiert von Patient zu Patient. Fortschritte in der genetischen Forschung haben gezeigt, dass ein Teil der Variabilität von Opioidwirkungen in der genetischen Variabilität der Bevölkerung begründet liegt.
Opioide wirken über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die Opioidrezeptoren, bestehend aus dem μ-, κ-, δ-Opioidrezeptor. Anhand von μ-Opioidrezeptor-Knockout-Mäusen konnte gezeigt werden, dass vor allem die μ-Opioidrezeptoren für den überwiegenden Teil der erwünschten und unerwünschten Wirkungen von Opioidanalgetika verantwortlich sind. Die μ-Opioidrezeptoren werden vom OPRM1 Gen codiert. Bei einer häufigen genetischen Variante des μ- Opioidrezeptor-Gens OPRM1 (Allelfrequenz ca. 8,2-17%) steht an Position 118 in Exon 1 das Nukleotid Adenin anstatt Guanin (OPRM1-118A>G-Polymorphismus). Als Folge wird anstelle von Asparagin die Aminosäure Aspartat an Position 40 (N40D) der N-terminalen extrazellulä- ren Rezeptorbindungsdomäne eingebaut.
Bei Trägern der μ-Opioidrezeptor-Variante N40D wurde wiederholt eine Verminderung der Opioidpotenz und ein erhöhter Bedarf von Opioidanalgetika zur adäquaten Schmerzstillung im Vergleich zu Nichtträgern der Variante beobachtet. Desweiteren weisen einige Studien auf eine Erhöhung der therapeutischen Breite von Opioidanalgetika in Trägern dieser Variante hin. So benötigten Träger der N40D Variante im Vergleich zu Nichtträgern höhere Konzentrationen von Alfentanil (1,3-fach) bzw. Morphin (2-fach), um die gleiche Analgesie bei postoperativen Schmerzen zu erreichen, und dennoch waren sie weniger von opioidtypischen unerwünschten Wirkungen betroffen. Die miotischen Effekte von Morphin, seines aktiven Metaboliten Morphin-6-glucuronid (M6G) und Levomethadon waren in Trägern der N40D Variante verringert und Träger des varianten Allels mussten nach hohen Dosen M6G weniger erbrechen als Nichtträger. Es gibt aber auch eine Studie, deren Ergebnisse gegen eine erhöhte therapeutische Breite von Opioiden in Träger des varianten 118G-Allels sprechen. Diese zeigte, dass in heterozygoten Trägern des 118G Allels die Analgesie nach M6G Gabe zwar verringert war, die atemdepressiven Effekte von M6G aber unverändert waren. Dies deutet auf eine verminderte therapeutische Breite von Opioiden in heterozygoten Trägern hin.
Die der verminderten Opioidpotenz zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen sind nicht eindeutig geklärt. So wurde in AV-12-Zellen, die mit der 118G Variante des µ-Opioidrezeptor-Gens transfiziert wurden, eine 3-fach höhere Affinität des N40D Rezeptors zu seinem endogenen Liganden β-Endorphin beobachtet, während die Affinität zu Opioiden wie Morphin oder dessen aktiven Metaboliten Morphin-6-glucuronid unverändert waren. Diese Ergebnisse erklären leider nicht die verminderte Opioidpotenz bei Trägern der 118G Variante. Eine mögliche Erklärung für die verminderte Opioidanalgesie wäre eine verminderte Rezeptorexpression in Trägern der 118G Variante. Die Möglichkeit einer verminderten Rezeptorexpression wird durch die Beobachtung gestützt, dass in Hirngewebsproben von Trägern der 118G Variante im Vergleich zu Nichtträgern tendenziell geringere Mengen an OPRM1 mRNA gefunden wurden, was auf eine verminderte Expression des Rezeptorproteins hinweisen könnte. Diese Vermutung wird durch Ergebnisse aus Rezeptorexpressions-Experimenten in mit der 118G Variante des µ-Opioidrezeptor-Gens transfizierten HEK 293-Zellen und CHO-Zellen untermauert. Im Gegensatz dazu gibt es auch Veröffentlichungen, in denen die Rezeptorexpression in mit der 118G Variante transfizierten HEK 293-Zellen und COS-Zellen unverändert war. Daher ist der endgültige Beweis, dass die µ-Opioidrezeptorexpression in Trägern der 118G Variante verringert ist, noch nicht erbracht. ...
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Metadaten
Author:Bruno Georg Oertel
URN:urn:nbn:de:hebis:30-55366
Referee:Dieter Steinhilber, Gerd Geisslinger
Advisor:Dieter Steinhilber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2008/06/06
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2008/05/13
Release Date:2008/06/06
Tag:Analgesia; Genetics; Mu-opioid receptor
SWD-Keyword:Analgesie; Genetik; Opiatrezeptor
Pagenumber:93
HeBIS PPN:199198438
Institutes:Medizin
Dewey Decimal Classification:610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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