2-Arachidonoylglycerol (2-AG) and anandamide are endocannabinoids that activate the cannabinoid receptors CB1 and CB2. Endocannabinoid signaling is terminated by enzymatic hydrolysis, a process that for anandamide is mediated by fatty acid amide hydrolase (FAAH), and for 2-AG is thought to involve monoacylglycerol lipase (MAGL). FAAH inhibitors produce a select subset of the behavioral effects observed with CB1 agonists, which suggests a functional segregation of endocannabinoid signaling pathways in vivo. Testing this hypothesis, however, requires specific tools to independently block anandamide and 2-AG metabolism. Here, we report a potent and selective inhibitor of MAGL called JZL184 that, upon administration to mice, raises brain 2-AG by eight-fold without altering anandamide. JZL184-treated mice exhibited a broad array of CB1-dependent behavioral effects, including analgesia, hypothermia and hypomotility. These data indicate that 2-AG endogenously modulates several behavioral processes classically associated with the pharmacology of cannabinoids and point to overlapping and unique functions for 2-AG and anandamide in vivo.

Prolonged exposure to drugs of abuse, such as cannabinoids and opioids, leads to pharmacological tolerance and receptor desensitization in the nervous system. We found that a similar form of functional antagonism was produced by sustained inactivation of monoacylglycerol lipase (MAGL), the principal degradative enzyme for the endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol. After repeated administration, the MAGL inhibitor JZL184 lost its analgesic activity and produced cross-tolerance to cannabinoid receptor (CB1) agonists in mice, effects that were phenocopied by genetic disruption of Mgll (encoding MAGL). Chronic MAGL blockade also caused physical dependence, impaired endocannabinoid-dependent synaptic plasticity and desensitized brain CB1 receptors. These data contrast with blockade of fatty acid amide hydrolase, an enzyme that degrades the other major endocannabinoid anandamide, which produced sustained analgesia without impairing CB1 receptors. Thus, individual endocannabinoids generate distinct analgesic profiles that are either sustained or transitory and associated with agonism and functional antagonism of the brain cannabinoid system, respectively.

Δ 9 -Tetrahydrocannabinol (THC), the psychoactive component of marijuana, and other direct cannabinoid receptor (CB1) agonists produce a number of neurobehavioral effects in mammals that range from the beneficial (analgesia) to the untoward (abuse potential). Why, however, this full spectrum of activities is not observed upon pharmacological inhibition or genetic deletion of either fatty acid amide hydrolase (FAAH) or monoacylglycerol lipase (MAGL), enzymes that regulate the two major endocannabinoids anandamide (AEA) and 2-arachidonoylglycerol (2-AG), respectively, has remained unclear. Here, we describe a selective and efficacious dual FAAH/MAGL inhibitor, JZL195, and show that this agent exhibits broad activity in the tetrad test for CB1 agonism, causing analgesia, hypomotilty, and catalepsy. Comparison of JZL195 to specific FAAH and MAGL inhibitors identified behavioral processes that were regulated by a single endocannabinoid pathway (e.g., hypomotility by the 2-AG/MAGL pathway) and, interestingly, those where disruption of both FAAH and MAGL produced additive effects that were reversed by a CB1 antagonist. Falling into this latter category was drug discrimination behavior, where dual FAAH/MAGL blockade, but not disruption of either FAAH or MAGL alone, produced THC-like responses that were reversed by a CB1 antagonist. These data indicate that AEA and 2-AG signaling pathways interact to regulate specific behavioral processes in vivo, including those relevant to drug abuse, thus providing a potential mechanistic basis for the distinct pharmacological profiles of direct CB1 agonists and inhibitors of individual endocannabinoid degradative enzymes.

Abstract Chronic pain states such as osteoarthritis (OA) are often associated with negative affect, including anxiety and depression. This is, in turn, associated with greater opioid analgesic use, potentially contributing to current and future opioid crises. We utilise an animal model to investigate the neurobiological mechanisms underlying increased opioid use associated with high anxiety and chronic pain. Combining a genetic model of negative affect, the Wistar Kyoto (WKY) rat, and intra-articular injection of monosodium iodoacetate (MIA; 1mg), our model of high anxiety and augmented OA-like pain behaviour mirrors the clinical problem. Effects of morphine (0.5-6mg.kg -1 ) on pain behaviour and spinal nociceptive neuronal activity were determined in WKY rats, and normo-anxiety Wistar rats, 3 weeks after MIA injection. WKY rats developed augmented OA-like pain, and had blunted inhibitory responses to morphine, when compared to Wistar rats. Potential alterations in endogenous opioid function were probed via systemic blockade of opioid receptors with naloxone (0.1-1mg.kg -1 ), quantification of circulating levels of β-endorphin, and determination of spinal expression of the mu-opioid receptor (MOR). These studies revealed increased opioidergic tone, and increased spinal desensitization of MORs via the master phosphorylation site at serine residue 375, in this model. We demonstrate attenuated MOR function in the absence of previous exogenous opioid ligand exposure in our model of high anxiety and OA-like pain, which may account for reduced analgesic effect of morphine and provide a potential explanation for increased opioid analgesic intake in high anxiety chronic pain patients. Significance Statement Chronic pain affects large numbers of people, and pain management often relies on poorly effective opioid analgesics, the iatrogenic effects of which are increasingly recognised. The endogenous opioid system - the target for exogenous opioid analgesics - plays key roles in emotional affective states and pain control, but the complex interplay between anxiety, chronic pain, and endogenous opioid system function is challenging to study in people. Here, we have addressed this using a clinically-relevant experimental model. Anxiety-like behaviour was associated with increased chronic arthritis-like pain behaviour, altered opioid receptor function, and reduced efficacy of opioid analgesics. We provide new evidence, which may explain why chronic pain patients with comorbid high anxiety have higher opioid analgesic use.