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 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.

Affordable sequencing and genotyping methods are essential for large scale genome-wide association studies. While genotyping microarrays and reference panels for imputation are available for human subjects, non-human model systems often lack such options. Our lab previously demonstrated an efficient and cost-effective method to genotype heterogeneous stock rats using double-digest genotyping-by-sequencing. However, low-coverage whole-genome sequencing offers an alternative method that has several advantages. Here, we describe a cost-effective, high-throughput, high-accuracy genotyping method for N/NIH heterogeneous stock rats that can use a combination of sequencing data previously generated by double-digest genotyping-by-sequencing and more recently generated by low-coverage whole-genome-sequencing data. Using double-digest genotyping-by-sequencing data from 5,745 heterogeneous stock rats (mean 0.21x coverage) and low-coverage whole-genome-sequencing data from 8,760 heterogeneous stock rats (mean 0.27x coverage), we can impute 7.32 million bi-allelic single-nucleotide polymorphisms with a concordance rate >99.76% compared to high-coverage (mean 33.26x coverage) whole-genome sequencing data for a subset of the same individuals. Our results demonstrate the feasibility of using sequencing data from double-digest genotyping-by-sequencing or low-coverage whole-genome-sequencing for accurate genotyping, and demonstrate techniques that may also be useful for other genetic studies in non-human subjects.

The increased prevalence of opioid use disorder (OUD) makes it imperative to disentangle the biological mechanisms contributing to individual differences in OUD vulnerability. OUD shows strong heritability, however genetic variants contributing toward vulnerability remain poorly defined. We performed a genome-wide association study using over 850 male and female heterogeneous stock (HS) rats to identify genes underlying behaviors associated with OUD such as nociception, as well as heroin-taking, extinction and seeking behaviors. By using an animal model of OUD, we were able to identify genetic variants associated with distinct OUD behaviors while maintaining a uniform environment, an experimental design not easily achieved in humans. Furthermore, we used a novel non-linear network-based clustering approach to characterize rats based on OUD vulnerability to assess genetic variants associated with OUD susceptibility. Our findings confirm the heritability of several OUD-like behaviors, including OUD susceptibility. Additionally, several genetic variants associated with nociceptive threshold prior to heroin experience, heroin consumption, escalation of intake, and motivation to obtain heroin were identified.