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.

The neuropeptides Substance P and CGRPα have long been thought important for pain sensation. Both peptides and their receptors are expressed at high levels in pain-responsive neurons from the periphery to the brain making them attractive therapeutic targets. However, drugs targeting these pathways individually did not relieve pain in clinical trials. Since Substance P and CGRPα are extensively co-expressed we hypothesized that their simultaneous inhibition would be required for effective analgesia. We therefore generated Tac1 and Calca double knockout (DKO) mice and assessed their behavior using a wide range of pain-relevant assays. As expected, Substance P and CGRPα peptides were undetectable throughout the nervous system of DKO mice. To our surprise, these animals displayed largely intact responses to mechanical, thermal, chemical, and visceral pain stimuli, as well as itch. Moreover, chronic inflammatory pain and neurogenic inflammation were unaffected by loss of the two peptides. Finally, neuropathic pain evoked by nerve injury or chemotherapy treatment was also preserved in peptide-deficient mice. Thus, our results demonstrate that even in combination, Substance P and CGRPα are not required for the transmission of acute and chronic pain.