ABSTRACT Understanding the pharmacogenomics of opioid metabolism and behavior is vital to therapeutic success as mutations can dramatically alter therapeutic efficacy and addiction liability. We found robust, sex-dependent BALB/c substrain differences in oxycodone behaviors and whole brain concentration of oxycodone metabolites. BALB/cJ females showed robust state-dependent oxycodone reward learning as measured via conditioned place preference when compared to the closely related BALB/cByJ substrain. Accordingly, BALB/cJ females also showed a robust increase in brain concentration of the inactive metabolite noroxycodone and the active metabolite oxymorphone compared to BALB/cByJ mice. Oxymorphone is a highly potent full agonist at the mu opioid receptor that could enhance drug-induced interoception and state-dependent oxycodone reward learning. Quantitative trait locus ( QTL ) mapping in a BALB/c F2 reduced complexity cross revealed one major QTL on chromosome 15 underlying brain oxymorphone concentration that explained 32% of the female variance. BALB/cJ and BALB/cByJ differ by fewer than 10,000 variants which can greatly facilitate candidate gene/variant identification. Hippocampal and striatal cis-expression QTL (eQTL) and exon-level eQTL analysis identified Zhx2 , a candidate gene coding for a transcriptional repressor with a private BALB/cJ retroviral insertion that reduces Zhx2 expression and sex-dependent dysregulation of CYP enzymes. Whole brain proteomics corroborated the Zhx2 eQTL and identified upregulated CYP2D11 that could increase brain oxymorphone in BALB/cJ females. To summarize, Zhx2 is a highly promising candidate gene underlying brain oxycodone metabolite levels. Future studies will validate Zhx2 and its site of action using reciprocal gene editing and tissue-specific viral manipulations in BALB/c substrains. Significance Statement Our findings show genetic variation can result in sex-specific alterations in whole brain concentrations of bioactive opioid metabolites following oxycodone administration, and reinforces the need for sex as a biological factor in pharmacogenomic studies. The co-occurrence of female-specific increased oxymorphone and state-dependent reward learning suggests that this minor yet potent and efficacious metabolite of oxycodone could increase opioid interoception and drug-cue associative learning of opioid reward which has implications for cue-induced relapse of drug-seeking behavior.

SUMMARY Objective The incidence of Sudden Unexpected Death in Epilepsy (SUDEP) is especially high in those with Dravet syndrome (DS). Risk factors have been identified, but the mechanism(s) by which death occurs is not fully understood. Evidence supports ventilatory dysfunction in the pathophysiology of SUDEP. Understanding specific respiratory patterns present at baseline and after seizures at different ages, as well as the health of lung tissue, will allow us to better understand how sudden death occurs in this population. Methods Whole body plethysmography (WBP) was used to monitor respiration before and after electrically induced seizure in the Scn1a A1783V/WT mouse model of DS weekly for a period of four weeks. Following the four-week WBP study, lungs from surviving animals were collected and stained with hematoxylin and eosin and Weigert’s elastin and the density of tissue and elastin were analyzed. Results Breathing was diminished in the DS mouse at baseline and following evoked seizures in younger aged mice (P18-P24), consistent with prolonged post-ictal inspiratory time and low respiratory drive compared to the response seen in older animals. In older DS mice, consisting of those that have survived a critical period for mortality, the response to seizure was more robust and included higher respiratory drive, peak inspiratory and expiratory flow rates, tidal and expiratory volumes, and breathing frequency compared to wild-type and relative to baseline. Alveolar damage was also observed in P46-P52 DS mice. Significance Differences in specific respiratory parameters in younger DS animals, during the time when mortality is greatest, compared to older DS animals (i.e. those that have survived the critical period) may allow us to better understand respiratory differences contributing to SUDEP. Lung tissue damage in DS may also contribute to respiratory dysfunction in SUDEP. KEY POINTS Baseline respiration is diminished in DS mice compared to wild type. Electrically induced seizure produced a different respiratory response in younger DS mouse compared to older DS animals. Alveolar septal damage is present in DS mice. Baseline and post-ictal breathing dysfunction and inefficient oxygenation and CO 2 clearance likely potentiated by lung damage may serve as a potential mechanism by which SUDEP occurs in DS.

Abstract Background Patients with drug-resistant epilepsy, including Dravet syndrome (DS), are frequently prescribed multiple antiseizure medications (ASMs). Nevertheless, people with DS often have inadequate seizure control, and there is an ongoing unmet clinical need to identify novel therapeutics. As a proof-of-principle study to further validate and characterize the Scn1a A1783V/WT mouse model and identify a drug screening paradigm with face, construct, and predictive value, we assessed the efficacy of subchronic administration of stiripentol add-on to clobazam and valproic acid at clinically relevant doses using the Scn1a A1783V/WT mouse model. Methods We evaluated the efficacy of STP add-on to CLB and VPA using hyperthermia-induced and video-EEG monitoring of spontaneous seizure tests following a 14-day treatment. VPA was delivered via osmotic minipump, while STP and CLB were administered via food pellets delivered through automatic feeders. Bioanalytical assays were performed to evaluate drug concentrations in plasma and brain using liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Results STP, CLB, N-desmethylclobazam, and VPA all yielded plasma concentrations within the human therapeutic plasma concentrations range. STP added to CLB and VPA significantly elevated the seizing temperatures in the hyperthermia-induced seizure assay. CLB, VPA, and STP coadministration significantly reduced spontaneous seizure frequency compared to CLB and VPA combined. Significance This research lays the groundwork for exploring effective add-on compounds to CLB and VPA in treating DS. The study further highlights the utility of the Scn1a A1783V/WT mice in discovering therapies for DS-associated pharmacoresistant seizures. Key points Integrating pharmacokinetic studies to guide the selection of doses in preclinical studies to achieve target concentrations comparable to the human therapeutic range is crucial in successfully translating animal drug development studies to clinical use. STP add-on to CLB and VPA significantly reduced spontaneous seizure frequency in Scn1a A1783V/WT mice. A triple-drug polytherapy approach that mimics the clinical treatment paradigm will be an essential preclinical drug screening strategy for identifying novel investigational compounds for Dravet syndrome.

Abstract Objective The current standard of care for Dravet Syndrome includes polytherapy after inadequate seizure control with one or more monotherapy approaches. Treatment guidelines are often based on expert opinions, and finding an optimal balance between seizure control and adverse drug effects can be challenging. This study utilizes efficacy and pharmacokinetic analysis of a second-line treatment regimen that combines clobazam and sodium valproate with an add-on drug as a proof-of-principle approach to establish an effective therapeutic regimen in a preclinical mouse model of Dravet Syndrome. Method We evaluated the efficacy of add-on therapies stiripentol, cannabidiol, lorcaserin, or fenfluramine to clobazam and sodium valproate against hyperthermia-induced seizures in Scn1a A1783V/WT mice. Clobazam, N-desmethyl clobazam (an active metabolite of clobazam), sodium valproate, stiripentol, and cannabidiol concentrations were quantified in plasma and brain using liquid chromatography-tandem mass spectrometry for the combinations deemed effective against hyperthermia-induced seizures. The concentration data were used to calculate pharmacokinetic parameters via non-compartmental analysis in Phoenix WinNonLin. Results Higher doses of stiripentol or cannabidiol, in combination with clobazam and sodium valproate, were effective against hyperthermia-induced seizures in Scn1a A1783V/WT mice. In Scn1a WT/WT mice, brain clobazam and N-desmethyl clobazam concentrations were higher in the triple-drug combinations than in the clobazam monotherapy. Stiripentol and cannabidiol brain concentrations were greater in the triple-drug therapy than when given alone. Interpretation A polypharmacy strategy may be a practical preclinical approach to identifying efficacious compounds for Dravet Syndrome. The drug-drug interactions between compounds used in this study may explain the potentiated efficacy of some combination therapies. Graphical Abstract Key findings The hyperthermia-induced seizure assay in Scn1a A1783V/WT mice can identify efficacious antiseizure medications. A triple-drug administration paradigm was designed that mimics clinical standards for add-on therapies in DS. Stiripentol and cannabidiol were effective against hyperthermia-induced seizures when co-administered with clobazam and sodium valproate. Potential drug-drug interactions between compounds may explain the potentiated antiseizure effect in triple-drug therapies. The triple-drug “add-on” therapy approach may be a valuable preclinical strategy for screening investigational compounds for DS, an assay offered at the ETSP.

ABSTRACT In our efforts to discover new drugs to treat pain, we identified molleamines A-E ( 1 - 5 ) as major neuroactive components of the sea slug, Pleurobranchus forskalii and their prey, Didemnum molle tunicates. The chemical structures of molleamines were elucidated by spectroscopy and confirmed by the total synthesis of molleamines A ( 1 ) and C ( 3 ). Synthetic 3 completely blocked acetylcholine-induced calcium flux in peptidergic nociceptors (PNs) in the somatosensory nervous system. Compound 3 affected neither the α7 nAChR nor the muscarinic acetylcholine receptors in calcium flux assays. In addition to nociceptors, 3 partially blocked the acetylcholine-induced calcium flux in the sympathetic nervous system, including neurons from the superior cervical ganglion. Electrophysiology revealed a block of α3β4 (mouse) and α6/α3β4 (rat) nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), with IC 50 values of 1.4 and 3.1 µM, respectively. Molleamine C ( 3 ) is a partial antagonist, reaching a maximum block of 76-82% of the acetylcholine signal and showing no partial agonist response. Molleamine C ( 3 ) may thus provide a lead compound for the development of neuroactive compounds with unique biological properties.

Climate change and human activities have caused the drying of marine environments around the world. An example is the Great Salt Lake in Utah, USA which is at a near record low water level. Adverse health effects have been associated with exposure to windblown dust originating from dried lakebed sediments, but mechanistic studies evaluating the health effects of these dusts are limited. Monitoring data and images highlight the impact of local crustal and Great Salt Lake sediment dusts on the Salt Lake Valley/Wasatch front airshed. Great Salt Lake sediment and derived PM< 3.1 (quasi-PM2.5 or qPM2.5) contained metals/salts, natural and anthropogenic chemicals, and bacteria. Exposure of mice via inhalation and oropharyngeal aspiration caused neutrophilia, increased expression of mRNA for Il6, Cxcl1, Cxcl2, and Muc5ac in the lungs, and increased IL6 and CXCL1 in bronchoalveolar lavage. Inhaled GSLD qPM2.5 caused a greater neutrophilic response than coal fly ash qPM2.5 and was more cytotoxic to human airway epithelial cells (HBEC3-KT) in vitro. Pro-inflammatory biomarker mRNA induction was replicated in vitro using HBEC3-KT and differentiated monocyte-derived (macrophage-like) THP-1 cells. In HBEC3-KT cells, IL6 and IL8 (the human analogue of Cxcl1 and Cxcl2) mRNA induction was attenuated by ethylene glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N, N,N',N'-tetraacetic acid (EGTA) and ruthenium red (RR) co-treatment, and by TRPV1 and TRPV3 antagonists, but less by the Toll-like Receptor-4 (TLR4) inhibitor TAK-242 and deferoxamine. Accordingly, GSLD qPM2.5 activated human TRPV1 as well as other human TRP channels. Dust from the Salton Sea playa (SSD qPM2.5) also stimulated IL6 and IL8 mRNA expression and activated TRPV1 in vitro, but inhibition by TRPV1 and V3 antagonists was dose dependent. Alternatively, responses of THP-1 cells to the Great Salt Lake and Salton Sea dusts were partially mediated by TLR4 as opposed to TRPV1. Finally, "humanized" Trpv1N606D mice exhibited greater neutrophilia than C57Bl/6 mice following GSLD qPM2.5 inhalation. Dust from the GSL playa and similar dried lakebeds may affect human respiratory health via activation of TRPV1, TRPV3, TLR4, and oxidative stress.

Genetic variation among inhaled corticosteroid (ICS)-metabolizing enzymes may affect asthma control, but evidence is limited. This study tested the hypothesis that single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in Cytochrome P450 3A5 (CYP3A5) would affect asthma outcomes. Patients aged 2–18 years with persistent asthma were recruited to use the electronic AsthmaTracker (e-AT), a self-monitoring tool that records weekly asthma control, medication use, and asthma outcomes. A subset of patients provided saliva samples for SNP analysis and participated in a pharmacokinetic study. Multivariable regression analysis adjusted for age, sex, race, and ethnicity was used to evaluate the impact of CYP3A5 SNPs on asthma outcomes, including asthma control (measured using the asthma symptom tracker, a modified version of the asthma control test or ACT), exacerbations, and hospital admissions. Plasma corticosteroid and cortisol concentrations post-ICS dosing were also assayed using liquid chromatography–tandem mass spectrometry. Of the 751 patients using the e-AT, 166 (22.1%) provided saliva samples and 16 completed the PK study. The e-AT cohort was 65.1% male, and 89.6% White, 6.0% Native Hawaiian, 1.2% Black, 1.2% Native American, 1.8% of unknown race, and 15.7% Hispanic/Latino; the median age was 8.35 (IQR: 5.51–11.3) years. CYP3A5*3/*3 frequency was 75.8% in White subjects, 50% in Native Hawaiians and 76.9% in Hispanic/Latino subjects. Compared with CYP3A5*3/*3, the CYP3A5*1/*x genotype was associated with reduced weekly asthma control (OR: 0.98; 95% CI: 0.97–0.98; p < 0.001), increased exacerbations (OR: 6.43; 95% CI: 4.56–9.07; p < 0.001), and increased asthma hospitalizations (OR: 1.66; 95% CI: 1.43–1.93; p < 0.001); analysis of 3/*3, *1/*1 and *1/*3 separately showed an allelic copy effect. Finally, PK analysis post-ICS dosing suggested muted changes in cortisol concentrations for patients with the CYP3A5*3/*3 genotype, as opposed to an effect on ICS PK. Detection of CYP3A5*3/3, CYPA35*1/*3, and CYP3A5*1/*1 could impact inhaled steroid treatment strategies for asthma in the future.

Sensitivity to the subjective reinforcing properties of opioids has a genetic component and can predict addiction liability of opioid compounds. We previously identified Zhx2 as a candidate gene underlying increased brain concentration of the oxycodone (OXY) metabolite oxymorphone (OMOR) in BALB/cJ (J) versus BALB/cByJ (By) females that could increase OXY state-dependent reward. A large structural intronic variant is associated with a robust reduction of Zhx2 expression in J mice, which we hypothesized enhances OMOR levels and OXY addiction-like behaviors. We tested this hypothesis by restoring the Zhx2 loss-of-function in Js (MVKO) and modeling the loss-of-function variant through knocking out the Zhx2 coding exon (E3KO) in Bys and assessing brain OXY metabolite levels and behavior. Consistent with our hypothesis, Zhx2 E3KO females showed an increase in brain OMOR levels and OXY-induced locomotor activity. However, contrary to our hypothesis, state-dependent expression of OXY-CPP was decreased in E3KO females and increased in E3KO males. We also overexpressed Zhx2 in the livers and brains of Js and observed Zhx2 overexpression in select brain regions that was associated with reduced OXY state-dependent learning. Integrative transcriptomic and proteomic analysis of E3KO mice identified astrocyte function, cell adhesion, extracellular matrix properties, and endothelial cell functions as pathways influencing brain OXY metabolite concentration and behavior. These results support Zhx2 as a quantitative trait gene underlying brain OMOR concentration that is associated with changes in OXY behavior and implicate potential quantitative trait mechanisms that together inform our overall understanding of Zhx2 in brain function.