Abstract The gut brain axis is thought to play a role in behavior and physiological responses through chemical, immunological, and metabolite signaling. Antibiotics, diet, and drugs can alter the transit time of gut contents as well as the makeup of the microbiome. Heterogeneity in genetics and environment are also well-known factors involved in the initiation and perpetuation of substance use disorders. Few viable genetic or biological markers are available to identify individuals who are at risk of escalating opioid intake. Primarily, the addiction field has focused on the nervous system, limiting the discovery of peripheral factors that contribute to addiction. To address this gap, we characterized the microbiome before and after drug exposure, and after antibiotics depletion in male and female heterogenous stock rats to determine if microbiome constituents are protective of escalation. We hypothesized that individuals that are prone to escalation of opioid self-administration will have distinct microbial and metabolic profiles. The fecal microbiome and behavioral responses were measured over several weeks of oxycodone self-administration and after antibiotic treatment. Antibiotic treatment reduces circulating short-chain fatty acids (SCFA) by depleting microbes that ferment fiber into these essential signaling molecules for the gut-brain axis. Depletion of the microbiome increased oxycodone self-administration in a subpopulation of animals (Responders). Supplementation of SCFAs in antibiotic depleted animals decreased elevated oxycodone self-administration. Phylogenetic functional analysis reveals distinct metabolic differences in the subpopulations of animals that are sensitive to antibiotic depletion and animals rescued by SCFA supplementation. In conclusion, this study identifies pre-existing microbiome and metabolic vulnerabilities to escalation of oxycodone self-administration, demonstrates that escalation of oxycodone self-administration dysregulates the microbiome and metabolic landscape, and identifies a causal role of short-chain fatty acids in addiction-like behaviors.

Abstract We developed a framework for identifying trait-associated genes in rats and facilitating the transfer of polygenic evidence across species by expanding the transcriptome-wide association (TWAS) approach to rats. Our analysis successfully trained transcript predictors for over 8000 genes in each of the five brain regions of rats, revealing several shared properties of gene regulation with humans. Moreover, mirroring trends observed in humans, our findings showed that sparse predictors using variants in cis are more effective than polygenic predictors and that gene expression prediction in rats is highly correlated across brain regions. Importantly, our analysis also identified a significant overlap between genes associated with rat and human body length and BMI, indicating rat models may be useful for studying the genetic basis of complex traits in humans. RatXcan represents a valuable tool for uncovering shared biological mechanisms of complex traits across species, with potential applications in a wide range of research fields.

Abstract Addiction is commonly defined as a chronic, relapsing disorder characterized by taking drugs in excess, compulsive drug seeking, and continued use despite harmful consequences. A key unanswered question for addiction research remains why moderate levels of drug consumption escalate to problematic patterns associated with high motivation and a compulsive-like pattern of drug use in some individuals, but not others, and how sex may affect this trajectory. However, most studies to date have had low statistical power due to low sample size and used animal models with limited genetic diversity and limited access to the drug that are often not associated with significant levels of intoxication or dependence, making it difficult to draw definitive conclusions and translate the results to human. Here we characterized addiction-like behaviors in >500 outbred heterogeneous stock (HS) rats using extended access to cocaine self-administration (6h/daily) and analyzed individual differences in escalation of intake, progressive-ratio (PR) responding, continued use despite adverse consequences (contingent foot shocks), and irritability-like behavior during withdrawal. Principal component analysis showed that escalation of intake, progressive ratio responding, and continued use despite adverse consequence loaded onto a single factor that was orthogonal to irritability-like behaviors. Characterization of rats in four categories of resilient, mild, moderate, and severe addiction-like phenotypes showed that females showed higher addiction-like behaviors, particularly due to a lower number of resilient individuals. These results demonstrate that escalation of intake, continued use despite adverse consequence, and progressive ratio responding are highly correlated measures of the same psychological construct when tested in heterogeneous rats with a history of extended access to the drug, and suggest that a significant proportion of males, but not females may be resilient to addiction-like behaviors.

ABSTRACT In opioid use disorder (OUD) patients, a decrease in brain grey matter volume (GMV) has been reported. It is unclear whether this is the consequence of prolonged exposure to opioids or is a predisposing causal factor in OUD development. To investigate this, we conducted a structural MRI longitudinal study in NIH Heterogeneous Stock rats exposed to heroin self-administration and age-matched naïve controls housed in the same controlled environment. Structural MRI scans were acquired before (MRI 1 ) and after (MRI 2 ) a prolonged period of long access heroin self-administration resulting in escalation of drug intake. Heroin intake resulted in reduced GMV in various cortical and sub-cortical brain regions. In drug-naïve controls no difference was found between MRI 1 and MRI 2 . Notably, the degree of GMV reduction in the medial prefrontal cortex (mPFC) and the insula positively correlated with the amount of heroin consumed and the escalation of heroin use. In a preliminary gene expression analysis, we identified a number of transcripts linked to immune response and neuroinflammation. This prompted us to hypothesize a link between changes in microglia homeostasis and loss of GMV. For this reason, we analyzed the number and morphology of microglial cells in the mPFC and insula. The number of neurons and their morphology was also evaluated. The primary motor cortex, where no GMV change was observed, was used as negative control. We found no differences in the number of neurons and microglia cells following heroin. However, in the same regions where reduced GMV was detected, we observed a shift towards a rounder shape and size reduction in microglia, suggestive of their homeostatic change towards a reactive state. Altogether these findings suggest that escalation of heroin intake correlates with loss of GMV in specific brain regions and that this phenomenon is linked to changes in microglial morphology.

Abstract Objective The behavioral and diagnostic heterogeneity within human opioid use disorder (OUD) diagnosis is not readily captured in current animal models, limiting translational relevance of the mechanistic research that is conducted in experimental animals. We hypothesize that a non-linear clustering of OUD-like behavioral traits will capture population heterogeneity and yield subpopulations of OUD vulnerable rats with distinct behavioral and neurocircuit profiles. Methods Over 900 male and female heterogeneous stock rats, a line capturing genetic and behavioral heterogeneity present in humans, were assessed for several measures of heroin use and rewarded and non-rewarded seeking behaviors. Using a non-linear stochastic block model clustering analysis, rats were assigned to OUD vulnerable, intermediate and resilient clusters. Additional behavioral tests and circuit analyses using c-fos activation were conducted on the vulnerable and resilient subpopulations. Results OUD vulnerable rats exhibited greater heroin taking and seeking behaviors relative to those in the intermediate and resilient clusters. Akin to human OUD diagnosis, further vulnerable rat sub- clustering revealed subpopulations with different combinations of behavioral traits, including sex differences. Lastly, heroin cue-induced neuronal patterns of circuit activation differed between resilient and vulnerable phenotypes. Behavioral sex differences were recapitulated in patterns of circuitry activation, including males preferentially engaging extended amygdala stress circuitry, and females cortico-striatal drug cue-seeking circuitry. Conclusion Using a non-linear clustering approach in rats, we captured behavioral diagnostic heterogeneity reflective of human OUD diagnosis. OUD vulnerability and resiliency were associated with distinct neuronal activation patterns, posing this approach as a translational tool in assessing neurobiological mechanisms underpinning OUD.

Young blood plasma is known to confer beneficial effects on various organs in mice and rats. However, it was not known whether plasma from young pigs rejuvenates old rat tissues at the epigenetic level; whether it alters the epigenetic clock, which is a highly accurate molecular biomarker of aging. To address this question, we developed and validated six different epigenetic clocks for rat tissues that are based on DNA methylation values derived from n=613 tissue samples. As indicated by their respective names, the rat pan-tissue clock can be applied to DNA methylation profiles from all rat tissues, while the rat brain-, liver-, and blood clocks apply to the corresponding tissue types. We also developed two epigenetic clocks that apply to both human and rat tissues by adding n=1366 human tissue samples to the training data. We employed these six rat clocks to investigate the rejuvenation effects of a porcine plasma fraction treatment in different rat tissues. The treatment more than halved the epigenetic ages of blood, heart, and liver tissue. A less pronounced, but statistically significant, rejuvenation effect could be observed in the hypothalamus. The treatment was accompanied by progressive improvement in the function of these organs as ascertained through numerous biochemical/physiological biomarkers and behavioral responses to assess cognitive functions. An immunoglobulin G (IgG) N-glycosylation pattern shift from pro- to anti-inflammatory also indicated reversal of glycan aging. Overall, this study demonstrates that a young porcine plasma-derived treatment markedly reverses aging in rats according to epigenetic clocks, IgG glycans, and other biomarkers of aging.

Abstract Family and twin studies demonstrate that genetic factors determine 20-60% of the vulnerability to opioid use disorder. However, the genes/alleles that mediate the risk of developing addiction-related behaviors, including the sensitivity to the analgesic efficacy of opioids, the development of tolerance, dependence, and escalation of oxycodone taking and seeking, have been ill-defined, thus hindering efforts to design pharmacological interventions to enable precision medicine strategies. Here we characterized oxycodone addiction-like behaviors in heterogeneous stock (HS) rats, that show high genetic diversity that mimics the high genetic variability in humans. HS rats were allowed to self-administer oxycodone for two h/daily for four days (ShA) and then moved to 12h/daily (LgA) for 14 days. Animals were screened for motivation to self-administer oxycodone using a progressive-ratio (PR) schedule of reinforcement and for the development of withdrawal-induced hyperalgesia and tolerance to the analgesic effects of oxycodone using the von-Frey and tail immersion tests, respectively. To reduce cohort-specific effects, we used cohorts of 46-60 rats and normalized the response level within cohorts using a Z-score. To take advantage of the four opioid-related behaviors and further identify subjects that are consistently vulnerable vs . resilient to compulsive oxycodone use, we computed an Addiction Index by averaging normalized responding (Z-scores) for the four behavioral tests. Results showed high individual variability between vulnerable and resilient rats, likely to facilitate the detection of gene variants associated with vulnerable vs . resilient individuals. Such data will have considerable translational value for designing follow-up studies in humans.

Abstract Despite the successes of human genome-wide association studies, the causal genes underlying most metabolic traits remain unclear. We used outbred heterogeneous stock (HS) rats, coupled with expression data and mediation analysis, to identify quantitative trait loci (QTLs) and candidate gene mediators for adiposity, glucose tolerance, serum lipids and other metabolic traits. Physiological traits were measured in 1519 male HS rats, with liver and adipose transcriptomes measured in over 410 rats. Genotypes were imputed from low coverage whole genome sequence. Linear mixed models were used to detect physiological and expression QTLs (pQTLs and eQTLs, respectively), employing both SNP- and haplotype-based models for pQTL mapping. Genes with cis-eQTLs that overlapped pQTLs were assessed as causal candidates through mediation analysis. We identified 15 SNP-based pQTLs and 19 haplotype-based pQTLs, of which 11 were in common. Using mediation, we identified the following genes as candidate mediators of pQTLs: Grk5 for a fat pad weight pQTL on Chr1, Krtcap3 for fat pad weight and serum lipids pQTLs on Chr6, Ilrun for a fat pad weight pQTL on Chr20 and Rfx6 for a whole pancreatic insulin content pQTL on Chr20. Furthermore, we verified Grk5 and Ktrcap3 using gene knock-down/out models, thereby shedding light on novel regulators of obesity.

Abstract Obesity is a growing epidemic associated with a range of comorbidities, including anxiety and depression. Genetics and environmental factors such as diet contribute to both adiposity and anxiety/depression. Heterogeneous stock (HS) rats are an outbred colony and useful for genetic mapping of complex traits. We have previously shown that HS male rats exhibit worsened metabolic and behavioral health in response to high fat diet (HFD). This study aims to determine if females have similar response to diet and if response to diet interacts with genetic background. We measured multiple metabolic (body weight, fat pad weight, glucose tolerance, fasting glucose and insulin) and behavioral (elevated plus maze, open field test, and forced swim test) outcomes in a large cohort of male and female rats on either HFD or low fat diet (LFD). We estimated overall heritability as well as heritability of response to diet for each outcome. Both sexes showed worsened metabolic measures when fed HFD compared to LFD. In contrast, only males exhibited altered behavioral responses to HFD relative to LFD, with no effect in females. Most metabolic and behavioral measures showed overall heritability in both sexes. In contrast, although there was some evidence for gene by diet (GxD) interactions for behavioral measures in males, GxD interactions were generally not found for the metabolic measures. These data demonstrate an important role of diet, sex and genetics in metabolic and behavioral phenotypes in HS rats, with a potential role of gene by diet interactions for behavioral outcomes only in males.

Abstract Rationale Current medications for opioid use disorder include buprenorphine, methadone, and naltrexone. While these medications show significant efficacy in reducing craving and opioid use, there are substantial individual differences in response to these treatments in humans. The reason for such difference is poorly known. Objectives Here, we tested the hypothesis that similar individual differences may be observed in a large population of heterogenous stock rats, that have been bred to maximize genetic diversity, using a behavioral paradigm relevant to opioid use disorder. Methods Over 500 rats were given intermittent (4d/week) and extended access (12h/day) to oxycodone self-administration for 14 sessions to establish oxycodone dependence and escalation of intake. We then measured the effect of buprenorphine (0.5mg/kg), methadone (3mg/kg) and naltrexone (3mg/kg) on the motivation to self-administer oxycodone by using a progressive ratio schedule of reinforcement. Results We found that naltrexone and buprenorphine significantly decreased motivation to oxycodone rewards. While naltrexone reduced oxycodone intake in both males and females, systemic administration with buprenorphine reduced progressive ratio responses only in males. Methadone reduced motivation to oxycodone self-administration in nearly 25% of the population, without reaching statical significance. Our results showed that the efficacy of these medications depends on the severity of addiction like behaviors, indicated by the addiction index. Conclusions These results demonstrate individual differences in response to medications to treat opioid use disorder in a genetically diverse population of rats.