SK
Shitij Kapur
Author with expertise in Schizophrenia Research and Treatment
Achievements
Cited Author
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
22
(41% Open Access)
Cited by:
13,718
h-index:
115
/
i10-index:
376
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Relationship Between Dopamine D2 Occupancy, Clinical Response, and Side Effects: A Double-Blind PET Study of First-Episode Schizophrenia

Shitij Kapur et al.Apr 1, 2000
OBJECTIVE: Since all antipsychotics block dopamine D2 receptors, the authors investigated how well D2 receptor occupancy in vivo predicts clinical response, extrapyramidal side effects, and hyperprolactinemia. METHOD: In a double-blind study, 22 patients with first-episode schizophrenia were randomly assigned to 1.0 or 2.5 mg/day of haloperidol. After 2 weeks of treatment, D2 receptor occupancy was determined with [11C]raclopride and positron emission tomography, and clinical response, extrapyramidal side effects, and prolactin levels were measured. Patients who showed adequate responses continued taking their initial doses, those who did not respond had their doses increased to 5.0 mg/day, and evaluations were repeated at 4 weeks for all patients. RESULTS: The patients showed a wide range of D2 occupancy (38%–87%). The degree of receptor occupancy predicted clinical improvement, hyperprolactinemia, and extrapyramidal side effects. The likelihood of clinical response, hyperprolactinemia, and extrapyramidal side effects increased significantly as D2 occupancy exceeded 65%, 72%, and 78%, respectively. CONCLUSIONS: The study confirms that D2 occupancy is an important mediator of response and side effects in antipsychotic treatment. The data are consistent with a “target and trigger” hypothesis of antipsychotic action, i.e., that the D2 receptor specificity of antipsychotics permits them to target discrete neurons and that their antagonist properties trigger within those neurons intracellular changes that ultimately beget antipsychotic response. While limited to haloperidol, the relationship between D2 occupancy and side effects in this study helps explain many of the observed clinical differences between typical and atypical antipsychotics.
0

Why has it taken so long for biological psychiatry to develop clinical tests and what to do about it?

Shitij Kapur et al.Aug 7, 2012
Patients with mental disorders show many biological abnormalities which distinguish them from normal volunteers; however, few of these have led to tests with clinical utility. Several reasons contribute to this delay: lack of a biological ‘gold standard’ definition of psychiatric illnesses; a profusion of statistically significant, but minimally differentiating, biological findings; ‘approximate replications’ of these findings in a way that neither confirms nor refutes them; and a focus on comparing prototypical patients to healthy controls which generates differentiations with limited clinical applicability. Overcoming these hurdles will require a new approach. Rather than seek biomedical tests that can ‘diagnose’ DSM-defined disorders, the field should focus on identifying biologically homogenous subtypes that cut across phenotypic diagnosis—thereby sidestepping the issue of a gold standard. To ensure clinical relevance and applicability, the field needs to focus on clinically meaningful differences between relevant clinical populations, rather than hypothesis-rejection versus normal controls. Validating these new biomarker-defined subtypes will require longitudinal studies with standardized measures which can be shared and compared across studies—thereby overcoming the problem of significance chasing and approximate replications. Such biological tests, and the subtypes they define, will provide a natural basis for a ‘stratified psychiatry’ that will improve clinical outcomes across conventional diagnostic boundaries.
0
Citation932
0
Save
0

Age-Related Differences in Neural Activity during Memory Encoding and Retrieval: A Positron Emission Tomography Study

Roberto Cabeza et al.Jan 1, 1997
Positron emission tomography (PET) was used to compare regional cerebral blood flow (rCBF) in young (mean 26 years) and old (mean 70 years) subjects while they were encoding, recognizing, and recalling word pairs. A multivariate partial-least-squares (PLS) analysis of the data was used to identify age-related neural changes associated with (1) encoding versus retrieval and (2) recognition versus recall. Young subjects showed higher activation than old subjects (1) in left prefrontal and occipito-temporal regions during encoding and (2) in right prefrontal and parietal regions during retrieval. Old subjects showed relatively higher activation than young subjects in several regions, including insular regions during encoding, cuneus/precuneus regions during recognition, and left prefrontal regions during recall. Frontal activity in young subjects was left-lateralized during encoding and right-lateralized during recall [hemispheric encoding/retrieval asymmetry (HERA)], whereas old adults showed little frontal activity during encoding and a more bilateral pattern of frontal activation during retrieval. In young subjects, activation in recall was higher than that in recognition in cerebellar and cingulate regions, whereas recognition showed higher activity in right temporal and parietal regions. In old subjects, the differences in blood flow between recall and recognition were smaller in these regions, yet more pronounced in other regions. Taken together, the results indicate that advanced age is associated with neural changes in the brain systems underlying encoding, recognition, and recall. These changes take two forms: (1) age-related decreases in local regional activity, which may signal less efficient processing by the old, and (2) age-related increases in activity, which may signal functional compensation.
0

Clinical and Theoretical Implications of 5-HT2 and D2 Receptor Occupancy of Clozapine, Risperidone, and Olanzapine in Schizophrenia

Shitij Kapur et al.Feb 1, 1999
Back to table of contents Previous article Next article Regular ArticleFull AccessClinical and Theoretical Implications of 5-HT2 and D2 Receptor Occupancy of Clozapine, Risperidone, and Olanzapine in SchizophreniaShitij Kapur, M.D., Ph.D., F.R.C.P.C., Robert B. Zipursky, M.D., F.R.C.P.C., and Gary Remington, M.D., Ph.D., F.R.C.P.C.Shitij Kapur, M.D., Ph.D., F.R.C.P.C., Robert B. Zipursky, M.D., F.R.C.P.C., and Gary Remington, M.D., Ph.D., F.R.C.P.C.Published Online:1 Feb 1999https://doi.org/10.1176/ajp.156.2.286AboutSectionsView articleAbstractPDF/EPUB ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack Citations ShareShare onFacebookTwitterLinked InEmail View articleAbstractOBJECTIVE: Dopamine D2 receptor occupancy measurements provide a valid predictor of antipsychotic response, extrapyramidal side effects, and elevation of prolactin levels. The new antipsychotics clozapine, risperidone, and olanzapine obtain antipsychotic response with few extrapyramidal side effects and little prolactin elevation. The purpose of this study was to compare the D2 and serotonin 5-HT2 receptor occupancies of these drugs in patients receiving multiple-dose, steady-state regimens. METHOD: Forty-four patients with schizophrenia (16 taking risperidone, 2–12 mg/day; 17 taking olanzapine, 5–60 mg/day; and 11 taking clozapine, 75–900 mg/day) had their D2 and 5-HT2 occupancies determined with the use of [11C]raclopride and [18F]setoperone, respectively, and positron emission tomography imaging. RESULTS: Clozapine showed a much lower D2 occupancy (16%–68%) than risperidone (63%–89%) and olanzapine (43%–89%). Risperidone and olanzapine gave equal D2 occupancies at doses of 5 and 20 mg/day, respectively. All three drugs showed greater 5-HT2 than D2 occupancy at all doses, although the difference was greatest for clozapine. CONCLUSIONS: Clozapine, at doses known to be effective in routine clinical settings, showed a D2 occupancy clearly lower than that of typical antipsychotics, while risperidone and olanzapine at their usual clinical doses gave the same level of D2 occupancy as low-dose typical antipsychotics. The results also suggest that some previous clinical comparisons of antipsychotics may have been confounded by different levels of D2 occupancy. Clinical comparisons of these drugs, matching for D2 occupancy, may provide a better measure of their true “atypicality” and will help in understanding the contribution of non-D2 receptors to antipsychotic effects. Every known antipsychotic blocks dopamine D2 receptors. While this does not prove a causal relationship between D2 blockade and antipsychotic response, the association between the two is undeniable. Thus, it is of obvious interest to compare the relative D2 receptor occupancies of the available antipsychotics. Farde and colleagues (1) proposed that one needs a “threshold” of D2 occupancy to induce antipsychotic response. Prospective studies have largely confirmed this notion, although it is unclear whether this threshold is 60% or 70% and whether the threshold for inducing response is the same as the one for maintaining it (2, 3). Nonetheless, there is a mechanism of antipsychotic response that relies on D2 occupancy alone (4). Furthermore, it has been noted that as D2 occupancy increases, especially as it rises above 80%, the incidence of extrapyramidal side effects increases (1). Elevation of prolactin levels may also show a threshold relationship with respect to D2 occupancy (5, 6, and unpublished data from our laboratory). While D2 occupancy may be necessary for response, it is not always sufficient, as there are patients who do not respond despite adequate D2 occupancy (7). However, it would be fair to claim that D2 occupancy provides a reliable (and perhaps the best) pharmacological predictor of response to antipsychotic medication, extrapyramidal side effects, and elevation of prolactin levels.There are now several antipsychotics that have a lower propensity than typical antipsychotics to cause extrapyramidal side effects and prolactin elevation: clozapine, risperidone, olanzapine, sertindole, and quetiapine (8–12). The first three have been used most extensively in patients and are the focus of this study. Given the relevance of D2 occupancy for response to antipsychotics, extrapyramidal side effects, and prolactin elevation, it is of obvious interest how these antipsychotics compare on this index. The main purpose of this study was to compare the D2 occupancy of these three drugs in patients receiving multiple-dose, steady-state regimens of the drugs across their usual range of clinical use.It has been suggested that drugs may demonstrate atypical clinical features (i.e., low extrapyramidal side effects and prolactin elevation) if they have at least a 10 times higher affinity for serotonin 5-HT2 receptors than D2 receptors in vitro (13, 14). In patients this translates into a preferential occupancy of 5-HT2 receptors as opposed to D2 receptors (15). Clozapine, risperidone, and olanzapine all show a higher affinity for 5-HT2 receptors than D2 receptors in vitro, but the amount by which 5-HT2 exceeds D2 is unclear. In animal tissue or cloned human receptors, clozapine shows a much higher 5-HT2/D2 ratio (20 times higher affinity for 5-HT2 than for D2) than either risperidone (11 times) or olanzapine (12 times) (16). On the other hand, occupancy measurements in rats following subcutaneous injection showed that risperidone had the highest 5-HT2/D2 affinity ratio (19 times) as compared with clozapine (5.1 times) and olanzapine (7.5 times) (16). Therefore, a second purpose of this study was to systematically compare the 5-HT2 occupancies and the 5-HT2/D2 occupancy ratios in patients.Several previous reports have presented data on one or two of these antipsychotics separately. However, these studies used different imaging modalities (positron emission tomography [PET; 17–21] or single photon emission computed tomography [SPECT; 22, 23]); different radioligands ([11C]raclopride [17–20], [11C]- NMSP [21], or [123I]IBZM [22, 23]); and different image analysis models (cerebellum as reference [17–21] or frontal cortex as reference [22, 23]). As a result, it is not valid to compare the occupancy of, say, risperidone obtained with [123I]IBZM SPECT to that of clozapine derived by using [11C]NMSP PET. It is essential, when comparing drugs, that the data be obtained on all of the drugs in the same fashion. Furthermore, dose of a drug is a central determinant of its receptor occupancy, and some previous studies have compared occupancies without adequately controlling for dose (23). Any systematic comparison across drugs must compare not just the occupancy but also the dose-occupancy relationships over the clinically relevant dose range. To provide the first such comparison, we present data on the relation between dose, plasma level, and 5-HT2 and D2 occupancies in 44 patients with schizophrenia who were receiving a wide range of steady-state doses of clozapine, risperidone, and olanzapine.METHODThe procedures for this study were approved by the Human Subjects Review Committee of the University of Toronto. Patients participated after receiving detailed written information about the study and signing a consent document. Patients receiving ongoing treatment in our inpatient and outpatient clinic were recruited over a period of 4 years. We studied 44 patients (36 male and eight female) aged 19–54 years; 43 had a DSM-IV diagnosis of schizophrenia, and one had a diagnosis of atypical psychosis. Sixteen patients were receiving risperidone (2–12 mg/day), 17 were receiving olanzapine (5–60 mg/day), and 11 were receiving clozapine (75–900 mg/day). The patients were not randomly assigned to the three drugs, and the limitations of this are discussed later. Most of the patients were chosen from a clinic population so as to provide a representative range of doses for each drug, which is a sufficient study design for obtaining the in vivo 5-HT2/D2 profile of the three drugs in patients. However, because of inadequate prospective control over drug and dose assignment and the fact that patients were in various degrees of remission at the time of scanning, the design was limited in its ability to obtain reliable associations between receptor occupancy and clinical outcome. Nonetheless, to ensure a valid comparison of the action of the three drugs on the receptors, the patients in this report conformed to the following criteria.1. All patients were on multiple-dose, steady-state levels (at least 5 days on the particular dose) of the medication for which they were assessed.2. All patients were free of any confounding major medical or neurological illness. None of the patients had received any depot antipsychotics in the year before this PET examination, and none had received any other antipsychotics for a minimum of 14 days before the PET examination. None of the patients had concurrent substance abuse or substance dependence (nicotine excepted).3. Patients were not receiving any other psychotropic medication that might confound the findings for D2 occupancy, with the exception of benzodiazepines and/or an antiparkinsonian agent, as indicated in table 1. It has been shown that the addition of lorazepam does not alter the measurement of D2 occupancy with [11C]raclopride (24).4. All patients received a scan for dopamine D2 receptors, and most received a scan for serotonin 5-HT2 receptors. All patients had their [11C]raclopride PET examinations done 12–13 hours after their last nightly drug dose (the usual scan start was at 9:00 a.m.). The [18F]setoperone PET examination for 5-HT2 receptors, if done, followed the [11C]raclopride examination on the same day and started 14–15 hours after the last nightly drug dose.PET data on some of the patients have appeared in previous reports (19, 20); these patients are identified in table 1. To carry out a systematic comparison, data on all of the subjects in the study were analyzed (those reported before were reanalyzed) with the methods described below, and all patient data were compared with the same baseline data to eliminate any across-drug bias. As a result, there may be a slight variation in the occupancy reported here and that reported before.The PET scans to estimate D2 occupancy were obtained after the injection of 10 mCi of high specific activity [11C]raclopride (300–1600 Ci/mmol) according to a bolus-plus-infusion protocol. The scanning methods used have been described in a previous report in this journal (2). The pertinent aspects are the following. Striatal and cerebellar regions of interest were drawn on two contiguous PET slices on a composite PET image with reference to a coregistered magnetic resonance imaging (MRI) scan (GE Signa 1.5-T scanner; T2-weighted spin-echo sequence coregistered to the PET scan with a surface-matching algorithm). An estimate of the D2 binding potential (D2 BP) of raclopride (which represents the Bmax/Kd of [11C]- raclopride for D2 receptors, where Bmax is the total number of receptors available to a ligand, and Kd is the affinity of the ligand for the receptors) was obtained from the ratio of the striatum to the cerebellum during the 30- to 75- minute interval, a period of prolonged pseudo equilibrium afforded by the bolus-plus-infusion protocol. As used in our laboratory, this method yields a test-retest standard deviation of 6% and has been standardized to have an interrater and intrarater reliability, as measured by the intraclass correlation coefficient (ICC-III), of >0.95.To estimate receptor occupancy, we used an age-corrected baseline value derived from a pool of 16 normal subjects and 12 antipsychotic-naive patients with schizophrenia. Since the illness had no statistically discernible effect on D2 receptors as measured with [11C]raclopride in this sample (F=0.66, df=1, 25, p=0.42) and in a previous report by others (25), data from the antipsychotic-naive patients and normal subjects were pooled to provide a more robust effect of age on D2 binding potential. Drug-induced D2 receptor occupancy was determined as (D2 BPBase–D2 BPDrug)/(D2 BPBase), where D2 BPBase is the age-corrected D2 baseline binding potential, and D2 BPDrug is the D2 binding potential for patients taking the antipsychotic drug. The absence of the patient’s own baseline values introduces a potential error; the error as calculated on the basis of variance in the data from antipsychotic-naive persons is expected to vary from 0% to 9% for patients with 50% occupancy and from 0% to 4% for patients with 80% occupancy (26).The 5-HT2 scans were obtained with the use of a bolus injection of 5 mCi of high specific activity [18F]setoperone (360–6210 Ci/mmol), according to the method developed and standardized by Blin et al. (27, 28). The 5-HT2 occupancy was determined in the prefrontal cortex regions of interest drawn on the [18F]setoperone scan with reference to a coregistered MRI (as described above). An index of the 5-HT2 receptors was obtained from the prefrontal cortex/cerebellar ratio over the 65- to 90-minute time period. The cerebellum is practically devoid of 5-HT2 receptors (29), and studies in baboons as well as humans report no displaceable [18F]setoperone binding in this region (27, 28, 30). It can be shown that at a time when the binding of the radioligand is at pseudo equilibrium, the prefrontal/cerebellum ratio represents 5-HT2 BP + 1 (31). The details of this method as applied here have been described elsewhere (32). We have shown that this method yields an average test-retest deviation of 6%–7% and an acceptably high interrater reliability (ICC-III >0.95) (32).Since these patients were already receiving treatment, it was not possible to measure their baseline 5-HT2 binding potential. In the absence of this baseline, we used the age-corrected 5-HT2 binding potential obtained from 11 antipsychotic-free patients with schizophrenia and 26 age-matched normal subjects. The pooling of normal subjects and patients results in a more robust age-corrected regression and is justified because there was neither a main effect of diagnosis (F=1.20, df=1, 33, p=0.28) nor a significant effect of diagnosis on the age regression (F=0.59, df=1, 33, p=0.45) (33). Occupancy was calculated in the same way as for dopamine D2 occupancy.The patients had blood drawn at the time of the D2 PET scan; the samples were analyzed in batches by drug. Clozapine plasma levels were measured by means of high-performance liquid chromatography with electrochemical detection by a method based on previously published techniques (34). Risperidone plasma levels were measured by means of a radioimmunoassay for the active moiety, which reflects both risperidone and 9-OH risperidone, by the Janssen Research Foundation, Beerse, Belgium (35). Olanzapine plasma levels were measured by means of high-performance liquid chromatography with electrochemical detection by BAS Analytics (West Lafayette, Ind.).Since the patients were, by design, taking the drugs at different dose and plasma levels, a direct comparison of the occupancies without reference to dose is not very informative. To provide a valid comparison, we characterized the dose-occupancy relationship for each drug and compared these profiles across the three drugs. The expected relationship between a drug level and occupancy of the receptors should conform to a rectangular hyperbola, assuming bimolecular (drug-receptor) interactions and negligible occupancy by the endogenous ligand. A rectangular hyperbola, in this context, is defined by , where %Occ is the observed occupancy, Occmax is the theoretically maximum occupancy for that particular drug, DConc is the amount of the drug (expressed either as dose or plasma level), and ED50 is a constant equivalent to the amount of the drug required to occupy 50% of Occmax. If there is reason to believe that all of the [11C]rac­lopride can be displaced by the drug in question, Occmax can be replaced by 100 in equation 1. In its truest form, DConc should represent the concentration of the drug in the synapse. Since there is no easy way to measure the synaptic concentration of the drug in patients, one can use dose and plasma level as functional surrogates. However, it should be kept in mind that dose and plasma level only indirectly reflect synaptic concentrations. Noncompliance with the medication regimen or changes in metabolism may lead to different plasma levels for a given dose, and there may be significant differences in the levels of the freely available drug in the synapse if there is a change in protein binding. The observed receptor occupancy was related to the administered dose and measured plasma level with the use of equation 1 implemented in SPSS for Windows (SPSS Inc., Chicago).RESULTSFor all three drugs, increasing doses led to increasing plasma levels, consistent with expectations and affirming reasonable compliance (table 1). A simple comparison of the occupancies shows that clozapine had a significantly lower D2 occupancy than risperidone and olanzapine (main analysis of variance, F=13.05, df=2, 39, p<0.001; post hoc comparison with risperidone: p<0.001; with olanzapine: p<0.001), which were themselves indistinguishable (Tukey’s honestly significant difference post hoc test, risperidone versus olanzapine: p=0.80).The D2 occupancies in response to increasing doses and plasma levels are presented in figure 1 and figure 2. In each case, a rectangular hyperbola provided a better fit (i.e., explained a greater degree of variance) than a simple linear fit. The parameters for the curves relating occupancy to dose were as follows: for risperidone, Occmax=91%, ED50=0.8 mg/day, with 77% variance explained; for olanzapine, Occmax=92%, ED50=3.2 mg/day, with 81% variance explained; for clozapine, Occmax=71%, ED50=112 mg/day, with 55% variance explained. The parameters for the curves relating occupancy to plasma level were as follows: for risperidone, Occmax=88%, ED50=3.2 ng/ml, with 59% variance explained; for olanzapine, Occmax=90%, ED50=6.4 ng/ml, with 84% variance explained; for clozapine, Occmax=68%, ED50=88 mg/day, with 18% variance explained. It is important to note that clozapine does not saturate the D2 receptors, and the theoretical maximum occupancy (Occmax) is 68%–71%. This is in contrast to risperidone and olanzapine, where we observed occupancies of up to 83% and where Occmax was 91% and 92%, respectively.Curves relating dose and occupancy for risperidone and olanzapine had the same shape (a near-saturating rectangular hyperbola) and differed only in the dose axis. The amount of drug required to occupy 50% of the available D2 receptors is 3.2 mg/day for olanzapine and 0.8 mg/day for risperidone if the equation is fitted with two parameters (and 4.5 versus 1.2 mg/day if Occmax is assumed to be 100%). This suggests that D2-occupancy-equipotent doses of risperidone and olanzapine are in the ratio of 5:20 mg/day.All three drugs showed a preferential occupancy of 5-HT2 receptors versus D2 receptors and the ability to completely occupy 5-HT2 receptors, as measured by [18F]setoperone (figure 1 and figure 2). The lowest doses tested—75 mg/day of clozapine, 2–4 mg/day of risperidone, and 5–10 mg/day of olanzapine—all led to more than 95% occupancy of frontal 5-HT2 receptors in most patients. It should be noted that once occupancy goes beyond 90%, the signal available for analysis is less than 10%, and the precision of data beyond this point is limited. Since there were few patients who had midrange 5-HT2 occupancies, it is not valid to try to fit the data to rectangular-hyperbola relationships. Nonetheless, clozapine possesses a greater degree of separation between its 5-HT2 and D2 occupancies than either risperidone or olanzapine (F=12.67, df=2, 25, p<0.0002; clozapine was different at p<0.05, according to Tukey’s post hoc unequal-N test, while risperidone and olanzapine were not different, p>0.10 ).DISCUSSIONThe data show that clozapine differs from risperidone and olanzapine in its D2 occupancy profile. Risperidone and olanzapine have similar profiles but differ in potency. All three of the antipsychotics are complete blockers of 5-HT2 receptors, although clozapine shows the greatest difference between its 5-HT2 and D2 occupancies. We discuss how these findings relate to previous published work, discuss the limitations of our results, and then present the implications of these findings for comparisons between antipsychotics.Differences in ligand selection, imaging modality, and analysis procedures make comparisons of numbers obtained by different centers difficult. Therefore, our results are best compared with those reported by groups that have data, at least on one of the two receptors, on all three drugs. Pilowsky et al. (23) compared the D2 occupancies of clozapine, risperidone, and olanzapine using IBZM SPECT imaging. They concluded that the D2 occupancy of olanzapine is statistically indistinguishable from that of clozapine and that the D2 occupancy of risperidone is higher than that of both clozapine and olanzapine. Our data disagree with regard to olanzapine. The Pilowsky et al. study had several limitations. First, the spatial resolution, quantification, and signal/noise characteristics of IBZM SPECT imaging are inferior to those of [11C]raclopride PET. Second, their study had a smaller total number of subjects (N=22, versus N=44 in this study), a restricted dose range (10–20 mg/day for olanzapine, while we report on 5–60 mg/day), and fewer subjects taking olanzapine (six, while we report on 17). Third, Pilowsky et al. compared the occupancies without reference to the dose of the drug—the average dose for olanzapine patients was 12.5 mg/day, while that for risperidone patients was 8.7 mg/day, a confounding factor that might explain their finding of a lower occupancy for olanzapine and a higher one for risperidone (see below). Finally, they found no relation between dose and occupancy, questioning the internal consistency of the data. The present study overcomes these limitations.The Karolinska PET group has provided data on a series of patients taking 125–600 mg/day of clozapine (18), four patients taking 6 mg/day of risperidone (17), and three normal control subjects taking a single dose of 10 mg/day of olanzapine (36). Our data on clozapine confirm theirs. We observed a maximal D2 occupancy of 68%, and Nordstr�m et al. (18) reported 67%; the theoretical maximum occupancy when plasma levels were related to D2 occupancy was 68% in our study and 61% in theirs. Farde et al. (17) reported that 6 mg/day of risperidone led to 75%–80% D2 occupancy; our data show an average of 79% (range=73%–85%). Finally, on the basis of their study of single-dose olanzapine in normal volunteers, these investigators predicted that 10 mg/day of olanzapine should lead to 70% D2 occupancy (36), which is consistent with our observed average of 72% (range=66%–75%). Thus, our results are consistent with previous PET data and provide a more valid basis for comparison of the D2 occupancies of the three drugs.In addition, we made a comparison of the 5-HT2 and D2 occupancies of these drugs, which has never been reported before. It has been reported previously that low doses of clozapine lead to complete saturation of the 5-HT2 receptors (18). The new finding here is that risperidone and olanzapine also completely block 5-HT2 receptors. The results refute the findings of the occupancy studies in rats done by Schotte et al. (16) in which risperidone showed a greater separation of 5-HT2 and D2 occupancies. In our data, clozapine showed the greatest separation, with risperidone and olanzapine being similar.Our study is not without its limitations. An important one is that the subjects were not randomly assigned to the drugs and to different doses of each drug. Since clozapine is used in patients who do not respond satisfactorily to other typical and atypical antipsychotics, there is a systematic selection bias here. While, clearly, a prospective randomized assignment to the three drugs would have been preferable, no study has yet been able to achieve this. Furthermore, while the clozapine patients do represent a more treatment-refractory group, there are no data to suggest that D2 occupancy varies systematically as a function of lack of response; in fact, a previous study suggested that responders and nonresponders do not differ in D2 occupancy (7). [11C]raclopride provides only striatal D2 occupancy. The exact site of antipsychotic response is not known, but it is speculated that the mesolimbic D2 receptors may be crucial. However, it is worth noting that a recent study comparing striatal to mesolimbic D2 occupancy, using [11C]raclopride and [11C]FLB (37), found no significant regional differences in D2 occupancy between the striatum and the temporal cortex. It should be pointed out that preferential mesolimbic D2 blockade is not a necessary precondition for mesolimbic selectivity. While there was no evidence for limbic selectivity of receptor blockade for any typical or atypical antipsychotics in ex vivo animal receptor occupancy studies (16), there is clear evidence for preferential functional antagonism of the limbic as opposed to the striatal dopamine system with several of the atypical antipsychotics (38).Another limitation of our work, as of all the previous studies, is that the individual’s own pretreatment binding potential was not available; therefore, the estimate of occupancy carries an inherent error. However, this error is likely to be small and randomly distributed (39). Furthermore, since the main focus of this study was the difference between the three drugs, all compared with the same baseline values, any such error is unlikely to account for the observed pattern of differences. Finally, it has been demonstrated in animals (40 and suggested in humans (5) that antipsychotics lead to an up-regulation of dopamine D2 receptors. If so, a pretreatment baseline D2 value may result in a lower estimate of D2 occupancy. However, most animal data show that clozapine does not result in receptor up-regulation (40, 41), while the situation with respect to olanzapine and risperidone is not clear. Even if up-regulation occurs, it is more likely with risperidone and olanzapine than with clozapine, and this would have decreased, rather than increased, our chances of finding the difference we report.What do these results tell us about the pharmacological mechanisms of antipsychotic action? Farde and colleagues (1) have suggested that one needs a threshold of D2 receptor occupancy to obtain a satisfactory antipsychotic response. This threshold lies in the range of 65%–70% (2, 4). It is interesting, then, that both risperidone and olanzapine become effective antipsychotics only at doses which cross these levels of D2 occupancy. Doses of risperidone and olanzapine that do not reach these levels (i.e., <2 mg/day of risperidone and <10 mg/day of olanzapine) are not reliably antipsychotic in most clinical situations. Clozapine, on the other hand, is able to obtain an antipsychotic response with levels of D2 occupancy (usually 30%–60%) that would be insufficient to cause antipsychotic response by themselves (4). Thus, clozapine does not call on the typical D2 occupancy mechanism for inducing antipsychotic response; risperidone and olanzapine do. This raises the possibility that despite some similarities in their receptor profile in vitro, the fundamental mechanism of response of clozapine may be different from that of olanzapine and risperidone in patients. While this question can ultimately be resolved only in a clinical arena in crossover studies, the data on D2 occupancy provide a rationale for why patients who do not respond to risperidone/olanzapine may respond to clozapine and the other way around.The 5-HT2 receptor data show that all of these drugs are potent antagonists at that receptor. The fact that clozapine saturates 5-HT2 receptors at such a low dose and that one continues to see an increasing response to clozapine in doses up to 350–400 mg/day (42) makes it unlikely that 5-HT2 is the primary source of the antipsychotic effect of clozapine. A similar conclusion was reached by Trichard et al. (43) in their study of chlorpromazine and clozapine. It does not rule out the possibility that high levels of 5-HT2 blockade may modulate or enhance the ability of D2 blockade to induce response or to delay the onset of D2-related side effects (14, 15). However, any benefit provided by a mixed 5-HT2/D2 model must express itself in a narrow range. Patients taking risperidone and olanzapine who have high D2 occupancies experience extrapyramidal side effects and prolactin elevation despite a concomitantly high 5-HT2 occupancy (19,20).These findings also raise interesting questions regarding the comparison of risperidone and olanzapine with each other and with typical antipsychotics. All of the currently published “pivotal” studies that have compared olanzapine and risperidone with the reference drug haloperidol have used 10–20 mg/day of haloperidol (9, 10, 44). Thus, doses of olanzapine and risperidone that lead to 70%–80% D2 occupancy have been compared with doses of haloperidol that result in more than 90% D2 occupancy (3, 19). It is increasingly being realized that the optimal dose of haloperidol for treatment of most patients may be less than 6 mg/day, while higher doses may result in greater extrapyramidal side effects without extra efficacy (45). Since extrapyramidal side effects can also influence measurement of negative symptoms (46), this raises an interesting question: would risperidone/olanzapine demonstrate superior benefits for extrapyramidal side effects, prolactin levels, and negative symptoms if they were compared with a typical antipsychotic that has the same D2 occupancy? Such D2-occupancy-matched studies will be very
0

Neuroanatomical correlates of encoding in episodic memory: levels of processing effect.

Shitij Kapur et al.Mar 15, 1994
Cognitive studies of memory processes demonstrate that memory for stimuli is a function of how they are encoded; stimuli processed semantically are better remembered than those processed in a perceptual or shallow fashion. This study investigates the neural correlates of this cognitive phenomenon. Twelve subjects performed two different cognitive tasks on a series of visually presented nouns. In one task, subjects detected the presence or absence of the letter a; in the other, subjects categorized each noun as living or nonliving. Positron emission tomography (PET) scans using 15O-labeled water were obtained during both tasks. Subjects showed substantially better recognition memory for nouns seen in the living/nonliving task, compared to nouns seen in the a-checking task. Comparison of the PET images between the two cognitive tasks revealed a significant activation in the left inferior prefrontal cortex (Brodmann's areas 45, 46, 47, and 10) in the semantic task as compared to the perceptual task. We propose that memory processes are subserved by a wide neurocognitive network and that encoding processes involve preferential activation of the structures in the left inferior prefrontal cortex.
0

Opposite Effects of Δ-9-Tetrahydrocannabinol and Cannabidiol on Human Brain Function and Psychopathology

Sagnik Bhattacharyya et al.Nov 18, 2009
Δ-9-tetrahydrocannabinol (Δ-9-THC) and Cannabidiol (CBD), the two main ingredients of the Cannabis sativa plant have distinct symptomatic and behavioral effects. We used functional magnetic resonance imaging (fMRI) in healthy volunteers to examine whether Δ-9-THC and CBD had opposite effects on regional brain function. We then assessed whether pretreatment with CBD can prevent the acute psychotic symptoms induced by Δ-9-THC. Fifteen healthy men with minimal earlier exposure to cannabis were scanned while performing a verbal memory task, a response inhibition task, a sensory processing task, and when viewing fearful faces. Subjects were scanned on three occasions, each preceded by oral administration of Δ-9-THC, CBD, or placebo. BOLD responses were measured using fMRI. In a second experiment, six healthy volunteers were administered Δ-9-THC intravenously on two occasions, after placebo or CBD pretreatment to examine whether CBD could block the psychotic symptoms induced by Δ-9-THC. Δ-9-THC and CBD had opposite effects on activation relative to placebo in the striatum during verbal recall, in the hippocampus during the response inhibition task, in the amygdala when subjects viewed fearful faces, in the superior temporal cortex when subjects listened to speech, and in the occipital cortex during visual processing. In the second experiment, pretreatment with CBD prevented the acute induction of psychotic symptoms by Δ-9-tetrahydrocannabinol. Δ-9-THC and CBD can have opposite effects on regional brain function, which may underlie their different symptomatic and behavioral effects, and CBD's ability to block the psychotogenic effects of Δ-9-THC.
Load More