Stikstofmonoxide
meer dan gebakken lucht?
J. van der Wal, M. Eppinga, onder medeverantwoordelijkheid van de redactie
Samenvatting
Stikstofmonoxide (NO) is in het menselijk lichaam betrokken bij de communicatie tussen cellen in het immuno-inflammatoire systeem, in het centrale zenuwstelsel en in het cardiovasculaire systeem. Na een bespreking van de werking van NO, worden productie en afbraak van de stof toegelicht. Dan wordt aangegeven hoe deze systemen kunnen worden beïnvloed. Tenslotte worden de therapeutische mogelijkheden besproken. Naarmate meer duidelijkheid verkregen wordt over de uiterst complexe wijze waarop de beschikbare hoeveelheid NO in het lichaam wordt gereguleerd, zal ook duidelijker worden hoe specifiek in dit systeem kan worden ingegrepen.
Abstract
Nitrogen monoxide (NO) is involved in intracellular
communication in the immune system, the central nervous system, and the
cardiovascular system in humans. The actions of NO and its production and
degradation are described, as are the ways by which these systems can be
affected. The therapeutic possibilities of NO are also discussed. More
knowledge of the extremely complicated manner in which the availability of
NO in the body is regulated will make it clearer how this system can be
manipulated.
Pharm Sel 1999;15:113-117.
Inleiding
Stikstofoxiden hebben eeuwenlang een rustig leven geleid. Het vrije radicaal stikstofmonoxide (NO) werd vroeger beschouwd als een potentieel toxische stof. Hoewel al in de tweede helft van de negentiende eeuw bekend was dat een andere stikstofverbinding, nitroglycerine, gebruikt kon worden bij angina pectoris, kwam men er pas een eeuw later achter dat de vaatverwijdende werking via de vorming van nitraat tot stand kwam.
Ander onderzoek had sinds het begin van de twintigste eeuw aanwijzingen opgeleverd voor het bestaan van een endogene productie van nitraat. Een nitraatvrij dieet leverde nog steeds een meetbare urinaire excretie van nitraat. In vitro bleek dat de vorming van nitraat afhankelijk was van de aanwezigheid van arginine en dat die nitraatproductie kon worden geremd door argininederivaten, bijvoorbeeld L-nitro monomethyl arginine.
Niet het nitraat zelf, maar een zeer labiele, aanvankelijk niet geïdentificeerde stof bleek de vasodilatator te zijn. Intussen was ook duidelijk geworden dat het endotheel van de vaten onmisbaar was bij het tot stand komen van de vaatverwijding. Men sprak van de endothelium derived relaxing factor (EDRF).
Van EDRF werd vervolgens aangetoond dat het werkte via de vorming van cyclisch GMP (guanosine 3',5' monofosfaat) dat zorgt voor relaxatie van glad spierweefsel. EDRF medieerde de vaatverwijdende effecten van een groot aantal stoffen waaronder bradykinine, histamine, substance P, 5HT en serotonine.
Pas in 1987 werd vastgesteld dat de endothelium derived relaxing factor en stikstofmonoxide één en dezelfde stof waren, die door het endotheel wordt geproduceerd uit arginine. Kort daarop identificeerde men ook de verschillende enzymen die betrokken zijn bij de productie van NO en werden deze enzymen aangetoond in onder andere het endotheel, het centraal zenuwstelsel en de macrofagen.
Tegenwoordig is bekend dat NO betrokken is bij de communicatie tussen cellen in het immuno-inflammatoire systeem, in het centrale zenuwstelsel en in het cardiovasculaire systeem.
In 1992 riep de redactie van het blad Science NO uit tot 'molecuul van het jaar'. En de Nobelprijs 1998 voor Fysiologie en Geneeskunde ging naar drie Amerikaanse farmacologen voor hun onderzoek van NO als een signaalmolecuul in het cardiovasculaire systeem.[1] Het aantal publicaties over NO, in totaal 55 in 1985, bedroeg in 1994 al ruim 5000! Een search over alleen de maanden juli en augustus 1999 leverde in slechts één van de daarvoor geschikte databanken al 37 hits op. Het is dan ook niet mogelijk om binnen het bestek van dit artikel alle publicaties mee te nemen op de verschillende specialistische deelgebieden.
Dit artikel poogt een inleiding te geven op de wereld die achter dit kleine, maar o zo actieve 'molecuul van het jaar 1992' lijkt te liggen. Wat zijn de therapeutische mogelijkheden die nog in het verschiet liggen?
Doordat NO bindt aan de haem-cofactor vindt activering plaats van guanylaatcyclase. Dat veroorzaakt hogere spiegels van cyclisch GMP (guanosine monofosfaat), wat leidt tot vasodilatatie. Dit effect treedt op bij verschillende stimuli zoals schuifkrachten in de vaatwand, acetylcholine en infusie van serotonine. Dit laatste geeft een mogelijkheid de NO-activiteit te meten. Die meting kan van belang zijn omdat is aangetoond dat grote risicofactoren voor atherosclerose, te weten hypercholesterolemie, essentiële hypertensie, diabetes mellitus, roken en hyperhomocysteïnemie, allemaal een relatie hebben met een verstoring van de endotheel gerelateerde vasodilatatie, oftewel met het NO-metabolisme. Dit geldt zowel voor de coronaire als voor de perifere circulatie waardoor een meting van de NO-activiteit in de onderarm een voorspellende waarde kan hebben voor de coronaire situatie.[2]
Het vasculair endotheel speelt een belangrijke beschermende rol. Het gaat de ontwikkeling tegen van atherosclerotische schade die ontstaat doordat het endotheel stoffen afgeeft die betrokken zijn bij het op peil houden van de vasculaire tonus, de plaatjesaggregatie, de adhesie van leukocyten en de proliferatie van gladde-spiercellen. Wanneer het endotheel niet goed functioneert, zal een verstoring optreden van de balans tussen de vasodilaterende, antitrombotische en antiproliferatieve factoren (o.a. NO, prostacycline) en de vasoconstrictieve, protrombotische en proliferatieve factoren (o.a. endotheline, superoxide en tromboxaan A2).
Bij personen met atherosclerose werd aangetoond dat de afgifte van NO en de activiteit van de NO-producerende enzymen verminderd waren, terwijl endotheline in activiteit bleek te zijn toegenomen, met name in actieve plaques.[2]
Een tekort aan NO, bijvoorbeeld door remming van NO-aanmaak, verhoogt de permeabiliteit van het endotheel, waardoor gemakkelijker instroom plaatsvindt van monocyten en lipoproteïnen in de celwand (vorming van plaques). Van endotheline is een aan NO tegengesteld effect op de permeabiliteit aangetoond.
NO heeft belangrijke antitrombotische eigenschappen: het remt de adhesie, de activering en de aggregatie van de bloedplaatjes.
De productie en afbraak van NO
|
Stikstofoxide is een eenvoudig gasvormig radicaal. Het is lipofiel, maar ook goed oplosbaar in water waardoor het gemakkelijk van de ene cel naar de andere diffundeert. De levensduur in vivo bedraagt slechts enkele seconden. Het is dus niet mogelijk om de NO-activiteit zelf te meten.
NO wordt gevormd door de oxidatie van de guanidinegroep van L-arginine. Via hydroxylarginine wordt NO gevormd en L-citrulline. Deze reactie wordt gekatalyseerd door NO-synthases (NOS). Bij zoogdieren komt NO-synthase voor in tenminste drie isovormen, die genoemd zijn naar de plaats waar ze voorkomen: het neuraal NOS (NOS 1 of neuraal cNOS), een induceerbaar macrofaag NOS (NOS 2 of iNOS) en het endotheel NOS (NOS 3 of endotheliaal cNOS). De activiteit van NOS 1 en 3 hangt onder andere af van de hoeveelheid calciumcalmoduline in de cel.[3]
NOS2 verschijnt pas wanneer de cel wordt geactiveerd. De expressie van NOS2 wordt geïnduceerd door o.a. interleukine 1ß, cisplatine en zuurstofradicalen; hij wordt versterkt door o.a. cyclisch AMP, toxinen van Cholera en Pertussis, NO en GM-CSF; geremd wordt hij door o.a. glucocorticoïden, retinoïden, cyclosporine (A,G en H) en angiotensine II.
Voor de werking van NOS zijn co-factoren essentieel. NOS heeft bindingsplaatsen voor nicotinamide dinucleotide phosphate (NADPH), flavine adenine dinucleotide (FAD) en flavine mononucleotide (FMN), tetrahydrobiopterine (BH4), voor haem en voor calcium-calmoduline.
De betrekkelijk eenvoudige indeling van NOS in drie categorieën doet in feite geenszins recht aan het buitengewoon complexe mechanisme dat de productie van NO in vivo regelt. Nog voortdurend worden nieuwe aspecten van het NO-metabolisme gevonden, bijvoorbeeld het feit dat ook immunologische stimuli invloed kunnen hebben op de expressie van NOS in bepaalde weefsels.[4] De snelle ontwikkelingen hebben er voor gezorgd dat er nog geen eenduidigheid is over de terminologie en de nomenclatuur van deze groep enzymatisch actieve stoffen.
Afbraak van NO vindt voornamelijk plaats door reactie met oxyhemoglobine in erytrocyten, hetgeen methemoglobine en nitraat oplevert. Verder reageert het met superoxiden, wat leidt tot de vorming van peroxynitriet. Nanomolaire concentraties van peroxynitriet werken cytoprotectief, maar in micro- tot millimolaire concentraties is de stof sterk cytotoxisch.[4]
Verstoring van de NO-activiteit in vivo is het gevolg van verminderde aanmaak of versnelde afbraak, of beide. De eerstgenoemde kan komen door verminderde beschikbaarheid van L-arginine of een van de vereiste co-factoren. Bij hypercholesterolemie is gemeld dat die patiënten een verhoogde NOS-geïnduceerde productie van superoxide hebben, en verhoogde spiegels van xanthine oxidase.[2] Ook tijdens inflammatoire processen, bijvoorbeeld bij atherosclerose, treedt een verhoogde productie van superoxide op.
|
NO-donoren kunnen de NO-huishouding beïnvloeden. Reeds in gebruik zijn de 'nitraten' als nitroglycerine, isosorbide dinitraat etc. De vaatverwijdende werking van deze stoffen mag bekend worden verondersteld.
Van acetylcholine is bekend dat het in endotheel via de muscarinereceptor een vasodilatatie geeft; wanneer geen endotheel aanwezig is, geeft acetylcholine via dezelfde receptor een contractie van de gladde spiercellen. Er zijn meer vasoactieve stoffen die eenzelfde soort tweeslachtigheid in werking vertonen, afhankelijk van de plaats waar de receptor zich bevindt. Van de nieuwere bètablokker nebivolol wordt nu al geclaimd dat die het endotheel stimuleert tot de aanmaak van NO.
Tenslotte is het mogelijk de werking van het NO te potentiëren door antioxidantia en ook door stimuleren van het enzym superoxide dismutase (SOD). Bij afwezigheid van arginine kan NOS superoxide anionen produceren die door SOD weer geïnactiveerd worden. Remming van SOD (bijvoorbeeld door diethylthiocarbamaat of door gebrek aan koper, een essentiële co-factor), vermindert de activiteit van NO, omdat superoxiden snel en gemakkelijk reageren met NO dat daardoor minder beschikbaar is.
Ingrijpen bij dysfunctie van het endotheel zou op drie manieren kunnen worden bewerkstelligd: a. het wegnemen van de risicofactor; b. het vergroten van de aanmaak van NO; c. het verminderen van de afbraak van NO. In het volgende wordt aangegeven hoe de medisch farmaceutische research op een zeer breed terrein actief is.
Dysfunctie van het endotheel lijkt een gemeenschappelijk kenmerk te zijn van alle nu bekende risicofactoren voor hart- en vaatziekten, zoals hypertensie, roken diabetes, hypercholesterolemie, hyperhomocysteïnemie en nierinsufficiëntie. Van een aantal veranderingen in leefstijl is aangetoond dat ze de functie van het endotheel verbeteren. Rokers hadden een minder duidelijke flow-gemedieerde vasodilatatie dan mensen die niet meer rookten. Een betere controle van de bloedsuiker leek te leiden tot een beter functioneren van het endotheel. Hetzelfde geldt voor lichaamsbeweging. Bij dieren is aangetoond dat vitamine E een gunstig effect had op de endotheelfunctie, maar dit kon bij de mens nog niet worden bevestigd. Wel werd van vitamine C een gunstig effect gevonden op het endotheel bij mensen met problemen in de coronair-arteriën. Het wegvangen van zuurstofradicalen met vitamine C (om de afbraak van NO te voorkomen) verbeterde de endotheelfunctie bij personen met hypercholesterolemie, diabetes, hypertensie, aandoeningen van de kransslagaders en bij rokers[2].
Behandeling met lipidenverlagers (o.a. statines) zorgde voor verbetering van de endotheeldysfunctie. Van de statines is al langer bekend, en van simvastatine en pravastatine is het ook bewezen, dat ze in staat zijn de morbiditeit en mortaliteit van cardiovasculaire aandoeningen te reduceren.
Toevoegen van extra L-arginine aan het dieet bij patiënten met angina pectoris of hypercholesterolemie verbeterde de endotheelfunctie.
In de weefsels bevindt zich ook een angiotensine converting enzyme. Dit zorgt voor de omzetting van angiotensine I in angiotensine II en inactiveert bradykinine. ACE-remming kan derhalve de afgifte van NO in het endotheel bevorderen doordat er minder bradykinine wordt afgebroken. Tegelijk kan het de afbraak van NO beperken door de angiotensine II gemedieerde productie van superoxide radicalen te blokkeren. Angiotensine II en NO lijken elkaar te antagoneren en hebben invloed op elkaars productie en functioneren.[5]
Bij muizen zijn proeven gedaan met het antagoneren van de endothelinereceptor waarbij de endotheelfunctie verbeterde en de vorming van atheromen verminderde.[2] Wellicht is het mogelijk om deze klasse van middelen geschikt te maken voor humaan gebruik, maar daarvoor is nog veel en langdurig onderzoek nodig.
Remming van de NOS2 in geactiveerde macrofagen door middel van arginine-analoga vermindert de 'killing' van tumorcellen. Deze niet specifieke remmers van NOS2, zoals L-monomethylarginine L-NMMA, zouden kunnen worden gebruikt bij een septische shock. Voor het behandelen van inflammatoire processen zou echter de bijwerking hypertensie de bruikbaarheid sterk beperken.
De rol van remming van de productie van NO moet nog verder worden onderzocht om tot een bruikbare strategie te komen in de therapie van osteoartritis.[6]
Patiënten met essentiële hypertensie bleken een lagere basale productie van NO te hebben dan niet-hypertensieve mensen in een controlegroep.[7]
Stoffen die in staat zijn NO te genereren, zogenaamde NO-donors, geven niet altijd en overal een zelfde effect. Mogelijk ligt daaraan ten grondslag een verschil in het NO-metabolisme ter plaatse of een verschil in de beschikbaarheid van co-factoren.[8]
NO wordt als gas soms gebruikt ter inhalatie bij acute respiratory distress syndrome (ARDS) en bij pulmonale hypertensie bij neonaten. De therapeutische breedte is gering, de korte halfwaardetijd een voordeel.[9 10] NO kan als (niet geregistreerd) medisch gas op artsenverklaring worden verkregen.
Naast de bronchoprotectieve effecten die aan NO worden toegeschreven bij astma spelen ook de inflammatiebevorderende eigenschappen van NO een rol in de pathofysiologie van astma. Het is nog verre van duidelijk hoe een eventuele beïnvloeding van het NO-metabolisme het best kan worden aangewend voor therapeutische doeleinden bij astma.[11]
Remming van NOS met L-monomethylarginine (L-NMMA) had een pijnstillend effect bij chronische spanningshoofdpijn.[12]
De NO-donor isosorbidemononitraat zou als alternatief gebruikt kunnen worden voor de prostaglandine gemeprost voor het rijpen van de baarmoedermond bij abortus in het eerste trimester.[13]
Mogelijk zijn er ook vanuit het NO-metabolisme aanknopingspunten voor behandeling van neuropsychiatrische aandoeningen.[14]
Een al in de praktijk toegepaste beïnvloeding van het NO-metabolisme is sildenafil. NO geeft een verslapping van de gladde spiercellen in de penis waardoor de zwellichamen in staat zijn zich te vullen.[15]
Over nieuwe stoffen in de farmacie wordt in de literatuur, en dus ook in Pharma Selecta, meestal gezegd dat het 'een interessante ontwikkeling is die nauwlettend zal worden gevolgd'. Niet zelden blijft het daarna angstvallig stil. Voor die stilte hoeft u bij stikstofmonoxide beslist niet bang te zijn. Het aantal processen waarbij NO een rol lijkt te spelen, wordt haast met de dag groter. Wellicht zullen ook bestaande middelen die 'iets doen' op de farmacotherapeutische deelgebieden die in dit artikel de revue gepasseerd zijn, opnieuw moeten worden onderzocht. Zoals met betrekking tot de activiteit op het lipidenspectrum een aantal antihypertensiva aanvullende kenmerken heeft gekregen, zo zal iets dergelijks wellicht gelden voor de invloed op het NO-metabolisme.
Naarmate meer duidelijkheid verkregen wordt in de uiterst complexe wijze waarop de beschikbare hoeveelheid NO in het lichaam wordt gereguleerd, zal hopelijk ook duidelijker worden hoe specifiek er in dit systeem kan worden ingegrepen. Overigens moet ook de kip-en-eivraag nog worden beantwoord of hypertensie een gevolg is van verstoring van het NO-metabolisme, of dat dit laatste wordt veroorzaaakt door een verhoogde bloeddruk. De subtitel 'gebakken lucht' mag chemisch gezien min of meer kloppen, in overdrachtelijke zin hebben we te maken met een buitengewoon spannende ontwikkeling in de kennis van het functioneren van het menselijk lichaam.
Voor een innoverende industrie die toevallig een afdeling NO-research heeft opgezet in de afgelopen jaren lijken gigantische mogelijkheden op te doemen. Op de schouders van de apothekers 'in het veld' rust de niet eenvoudige taak om bij het beschikbaar komen van nieuwe middelen op dit gebied hele, en wellicht vele, hoofdstukken van de nu gebruikelijke formularia te herschrijven. Voordat u daaraan begint, zal echter nog moeten blijken dat het klinisch effect van beïnvloeding van NO een grotere gezondheidswinst oplevert dan behandeling met de bestaande middelen. Pharma Selecta blijft proberen u een helpende hand toe te steken bij de kritische evaluatie van nieuwe middelen op dit gebied.
Met dank aan dr. T.S. van der Werf, Intensive Care Beademing, Academisch Ziekenhuis Groningen
1 Rabelink AJ. Nobelprijs Geneeskunde en Fysiologie 1998 vanwege de betekenis van stikstofmonoxide als signaalmolecuul. Ned Tijdschr Geneesk 1998;142:2828-2830.
2 Verhaar MC. Assessment and pharmacological modulation of endothelial function in humans. Proefschrift, 14 april 1999, Utrecht. Chapter 1.
3 Pfeilschifter J et al. Therapeutic strategies for the inhibition of inducible nitric oxide synthase - potential for a novel class of anti-inflammatory agents. Cell Biol Int 1996;20:51-58.
4 Griffith OW, Kilbourn RG. Design of nitric oxide synthase inhibitors and their use to reverse hypotension associated with cancer immunotherapy. Adv Enzyme Regul 1997;37:171-194.
5 Millatt LJ, Abdel-Rahman EM, Siragy HM. Angiotensin II and nitric oxide: A question of balance. Regulatory Peptides 1999;81:1-10.
6 Amin AR, Abramson SB. The role of nitric oxide in articular cartilage breakdown in osteoarthritis. Curr Opin Rheumatol 1998;10:263-268.
7 Forte P et al. Basal nitric oxide synthesis in essential hypertension. Lancet 1997;349:837-842.
8 Bauer JA, Booth BP, Fung HL. Nitric oxide donors: biochemical pharmacology and therapeutics. Adv Pharmacol 1995;34:361-381.
9 Porsti I, Paakkari I. Nitric oxide based possibilities for pharmacotherapy. Ann Med 1995;27:407-420
10 Hart CM. Nitric oxide in adult lung disease. Chest 1999;115:1407-1417.
11 Ten Hacken NHT et al. Stikstofmonoxide en astma. Ned Tijdschr Geneesk 1999;143:1606-1611.
12 Ashina M et al. Effect of inhibition of nitric oxide synthase on chronic tension-type headache: a randomised crossover trial. Lancet 1999;353:287-289.
13 Thomson AJ et al. Randomised trial of nitric oxide donor versus prostaglandin for cervical ripening before first trimester termination of pregnancy. Lancet 1998;352:1093-1096.
14 Karatinos J, Rosse RB, Deutsch SI. The nitric oxide pathway: potential implications for treatment of neuropsychiatric disorders. Clin Neuropharmacol 1995;18:482-499.
15 Deventerlijst Sildenafil, Pfizer 1999.