Stikstofmonoxide en astma

Klinische praktijk
N.H.T. ten Hacken
W. Timens
Th.W. van der Mark
F.P. Nijkamp
D.S. Postma
G. Folkerts
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 1999;143:1606-11
Abstract
Download PDF

Samenvatting

- Stikstofmonoxide (NO) is een universeel signaalmolecuul dat betrokken is bij vele fysiologische en pathofysiologische processen, onder andere bij astmatische bronchitis.

- Van het enzym NO-synthase (NOS) zijn verschillende vormen in de luchtwegen actief, in epitheelcellen, macrofagen, neutrofielen, mestcellen, niet-adrenerge niet-cholinerge neuronen, gladdespiercellen en endotheelcellen.

- Er zijn 2 functionele klassen NOS: de induceerbare vorm, die tijdelijk, bijvoorbeeld bij een ontsteking, leidt tot grote hoeveelheden NO, en de constitutionele vorm, die continu voor een lage hoeveelheid NO zorgt.

- Veel NO leidt tot weefselbeschadiging, maar ondersteunt ook de afweer van de long; weinig NO ontspant de gladde spiertjes in de luchtwegen.

- Astmatische luchtwegobstructie wordt geïnduceerd door diverse bronchusvernauwende factoren, zoals allergenen, fysische stimuli en infectie, en wordt geremd door NO.

- De ontwikkeling van specifieke remmers van induceerbaar NOS kan het begin zijn van een nieuw tijdperk van anti-astmatische geneesmiddelen.

Vijftien jaar geleden werd stikstofmonoxide (NO) nog gezien als één van de vele stoffen die bijdragen aan luchtverontreiniging. Toen duidelijk werd dat NO een belangrijke boodschapperstof was voor het menselijk lichaam nam het onderzoek naar NO binnen velerlei wetenschapsgebieden enorm toe. In 1992 riep de redactie van Science daarom NO uit tot ‘molecuul van het jaar’.1 Langzaam maar zeker is duidelijk geworden dat NO een rol speelt in de algemene afweer en immuunmodulatie en zodoende betrokken is bij vele acute en chronische ontstekingsbeelden.2 In 1994 werd in het Nederlands Tijdschrift voor Geneeskunde voor het eerst aangestipt welke ziektebeelden door NO mogelijk in een nieuw daglicht zouden komen te staan.3 Tenslotte werd vorig jaar de Nobelprijs voor geneeskunde uitgereikt aan 3 Amerikaanse wetenschappers op het gebied van NO.4 NO blijkt een rol te spelen in onder andere atherosclerose, hypertensie, ‘adult respiratory distress syndrome’ (ARDS), chronische darmontstekingen, amyotrofe laterale sclerose, reumatoïde artritis en andere auto-immuunziekten.2 35-8

Ook de pathofysiologische inzichten over astma zijn door de ontdekking van NO sterk beïnvloed,9 hoewel het nog te vroeg is om te spreken van een nieuw paradigma. NO heeft in de long vele en soms tegenstrijdige effecten, waardoor de definitieve betekenis voor astma moeilijk vast te stellen is.10 Zo veroorzaakt NO enerzijds vernauwing van de luchtwegen door het bevorderen van ontsteking en anderzijds verwijding ervan door relaxatie van gladdespierweefsel. In dit artikel gaan wij in op de betekenis die NO heeft voor het pathofysiologisch denken over astma.

no in het algemeen

NO is een eenvoudig molecuul dat door zijn vrije elektron de eigenschappen van een radicaal heeft, en hierdoor instabiel is.11 Het kleine lipofiele molecuul kan probleemloos celwanden passeren, maar heeft in een zuurstofrijke en waterige omgeving een korte halfwaardetijd (2 en superoxide (O2-), hetgeen tot metabolieten als nitriet (NO2-), nitraat (NO3-) en peroxynitriet (ONOO-) leidt, stoffen die op hun beurt gemakkelijk kunnen oxideren en leiden tot weefselschade.12 13 In bloed bindt NO zich snel aan de ferro-ionen van haem, maar in een gasachtige omgeving als de atmosfeer kan het molecuul tientallen seconden bestaan. Verder kan het NO door binding aan thiolen gestabiliseerd worden in bijvoorbeeld de vloeistoffilm die de luchtwegen bedekt.12 Deze nitrosothiolen hebben een langere halfwaardetijd dan NO en activeren dezelfde receptor: guanylaatcyclase. Activatie hiervan bevordert de vorming van de ‘second messenger’ cyclisch guanylaatmonofosfaat (cGMP), die tal van biologische processen aanstuurt.5 14 Vanwege de beperkte actieradius in fysiologische systemen wordt NO soms als een paracrien hormoon beschouwd.

NO komt vrij onder invloed van diverse vormen van NO-synthase (NOS). Deze enzymen katalyseren de oxidatie van L-arginine naar L-citrulline en NO. Er is een onderverdeling gemaakt in 3 groepen NOS: het NOS dat aanwezig is in zenuwcellen (neuronaal NOS = nNOS = NOSI), het NOS dat geïnduceerd kan worden in waarschijnlijk alle lichaamscellen onder invloed van cytokinen en (of) bacteriële componenten (induceerbaar NOS = iNOS = NOSII), en het NOS dat uit endotheelcellen geïsoleerd kan worden (endotheliaal NOS = eNOS = NOSIII). Voor al deze 3 vormen van NOS geldt dat er twee actieve domeinen zijn die in twee stappen bijdragen aan de vorming van NO en citrulline. Eerst vindt er N-hydroxylatie van het L-arginine plaats, waardoor er zogenaamd N?-hydroxyarginine (NOHA) wordt gesynthetiseerd. Vervolgens vindt er een 3-elektronoxidatie plaats van het gehydroxyleerde stikstof, die resulteert in NO en L-citrulline (figuur 1).

In functioneel opzicht zijn er twee soorten NOS.11 De constitutionele vorm (cNOS = eNOS + nNOS) is constant aanwezig en genereert NO dat betrokken is bij de signaaltransductie van allerlei fysiologische regulatieprocessen. De induceerbare vorm (iNOS) is niet constant aanwezig en wordt gevormd onder extreme omstandigheden zoals bij een ontsteking. In tabel 1 staan de voornaamste verschillen tussen iNOS en cNOS opgesomd. Deze tabel is een vereenvoudiging van de werkelijkheid, omdat de verschillen soms minder duidelijk zijn. In de long is cNOS in epitheel, endotheel en zenuwweefsel aangetoond, en iNOS in epitheel en macrofagen.15-17

no in de long

NO, dat afkomstig is van endotheel, heeft vaatverwijdende eigenschappen waardoor het een rol speelt in de lokale en de algemene bloeddrukregulatie van de long. Het is als een soort tegenreguleringsmechanisme betrokken bij de hypoxische pulmonale vasoconstrictie en waarborgt onder pathologische omstandigheden (pneumonie, ARDS) de regionale perfusie. NO heeft ook luchtwegverwijdende eigenschappen: het is de voornaamste neurotransmitter van het inhiberende non-adrenerge, non-cholinerge systeem.18 Dit onderdeel van de N. vagus is de enige neurale component van de long met luchtwegverwijdende eigenschappen en functioneert waarschijnlijk als een rem op te ernstige luchtwegvernauwing. Daarnaast heeft NO een direct relaxerend effect op het gladdespierweefsel van de luchtwegen door activatie van guanylaatcyclase en verhoging van de intracellulair gelegen second messenger cGMP.5

NO is ook van belang in de afweer van de long tegen lichaamsvreemde cellen en micro-organismen.2 Door toename van iNOS in ontstekingscellen kunnen plaatselijk hoge concentraties NO en NO-metabolieten ontstaan, die bijdragen aan het doden van tumorcellen, virussen, bacteriën en andere micro-organismen. De alveolaire macrofaag speelt hierbij een sleutelrol: deze ontstekingscel heeft een strategische positie in de long en is na activatie door endotoxinen en cytokinen als interferon-?, interleukine-1? of tumornecrosefactor-? in staat om grote hoeveelheden NO te vormen. Dergelijke grote hoeveelheden NO leiden tot directe celdood, een effect dat verder versterkt kan worden door remming van enzymsystemen die betrokken zijn bij celdeling en celademhaling.1319 Zoals wel vaker bij ontstekingsprocessen, zijn er naast gewenste ook ongewenste effecten: niet alleen de lichaamsvreemde cellen, maar ook de lichaamseigen cellen worden beschadigd of vernietigd. ARDS is een voorbeeld waarbij NO een dergelijk beschadigend effect lijkt te hebben.20

Onder normale omstandigheden ontstaat onder invloed van cNOS een kleine hoeveelheid NO, die zorgt voor de fijnregulatie van de ventilatie en perfusie in de long. Onder abnormale omstandigheden (inflammatie) ontstaat onder invloed van iNOS een grote hoeveelheid NO, die de afweer van de long ondersteunt, maar tegelijkertijd de long kan beschadigen. Ook bij astma zijn positieve en negatieve effecten van NO aanwijsbaar.

negatieve effecten op astma

De rol van NO in het ontstaan en het onderhouden van astmatische luchtwegontsteking is complex en ondoorzichtig (figuur 2). De proïnflammatoire cytokinen interferon-?, tumornecrosefactor-? en interleukine-1? geven een toegenomen expressie van iNOS in epitheelcellen en macrofagen.9 NO dat daarna vrijkomt, draagt bij aan een eosinofiel ontstekingsinfiltraat door de chemotaxis van eosinofiele granulocyten te bevorderen en door de geprogrammeerde celdood (apoptosis) van deze cellen te remmen.2122 Hoge lokale NO-concentraties leiden tot weefselbeschadiging, waarbij peroxynitriet mogelijk een hoofdrol speelt.23 Naast een direct toxisch effect geeft NO ook vasodilatatie en permeabiliteitsverhoging van vaatjes die betrokken zijn in het astmatische ontstekingsproces.24 NO heeft ook een belangrijk immuunmodulerende functie die mede verantwoordelijk is voor het ontstaan en onderhouden van astma.25 NO veroorzaakt én amplificeert namelijk een voor astma kenmerkende disbalans tussen T-helper-1- en T-helper-2-lymfocyten. Tenslotte veronderstelt men dat een grote hoeveelheid NO de normale fysiologische activiteit van cNOS onderdrukt en tevens guanylaatcyclase desensitiseert,26 waardoor luchtwegobstructie en aspecifieke hyperreactiviteit in de hand gewerkt worden.

positieve effecten op astma

Onder uiteenlopende omstandigheden is aangetoond dat NO de gladde spiertjes in de luchtwegen ontspant.27 Na allergeenprovocatie bleek bij cavia's dat de remming van NO-productie een toename in de ernst van de vroege allergische luchtwegobstructie veroorzaakte en dat infusie van de NO-precursor L-arginine hiertegen beschermde.28 Luchtweghyperreactiviteit op verschillende farmacologische prikkels, zoals histamine, 29methacholine30-32 en bradykinine32 nam toe na remming van NO. Het protectieve effect van NO blijkt verder uit het feit dat een verhoogde aanmaak van NO in staat was de luchtwegvernauwing na inhalatie van koude lucht te remmen.33 Recentelijk is gedemonstreerd dat bronchusvernauwing ten gevolge van inspanning in koude lucht gepaard gaat met een relatieve deficiëntie in uitgeademd NO.34 Intratracheale inoculatie met para-influenzavirus veroorzaakte bij cavia's een daling in NO-productie in combinatie met een toegenomen luchtweghyperreactiviteit op histamine.35 Deze virusgeïnduceerde luchtweghyperreactiviteit kon ook worden tegengegaan met L-arginine. Tenslotte bleek dat astmatische proefpersonen die na een experimentele virale luchtweginfectie een duidelijke stijging in uitgeademd NO hadden, ook degenen waren met de minste verslechtering in bronchiale hyperreactiviteit.36 NO heeft dus bronchoprotectieve effecten tegen prikkels van zeer uiteenlopende aard.

De positieve en negatieve effecten van NO (zie tabel 2) zijn onlangs fraai gedemonstreerd bij astmatische cavia's, die provocatie met een eiwitallergeen ondergingen. Door iNOS gekatalyseerd NO bleek de allergeengeïnduceerde luchtwegontsteking te bevorderen en de allergeengeïnduceerde bronchiale hyperreactiviteit te remmen.37

modulatie van no als therapie bij astma?

Gezien de positieve en de negatieve effecten van NO is het voorstelbaar dat modulatie van NO aangewend kan worden bij de behandeling van astma. Zo zouden specifieke iNOS-remmers gegeven kunnen worden tijdens een exacerbatie, een periode waarin veel NO geproduceerd wordt. Een nadeel hiervan is echter dat daarmee ook de afweer tegen micro-organismen onderdrukt wordt, terwijl luchtweginfecties juist vaak de oorzaak zijn van een exacerbatie. Een ander voorbeeld is het bevorderen van de NO-productie door L-arginine toe te dienen, in een periode dat het astma relatief stabiel is en er mogelijk een relatieve NO-deficiëntie bestaat. Een praktisch bezwaar van oraal toegediend L-arginine is dat grote hoeveelheden nodig zijn om potentieel therapeutische spiegels te bereiken,38 terwijl bij intraveneuze toediening er systemische bijwerkingen kunnen optreden, zoals bloeddrukdalingen.39 Daarentegen heeft rechtstreekse toediening van NO per inhalatie het voordeel dat er minder kans is op systemische bijwerkingen en dat de optimale dosering makkelijker vast te stellen lijkt. Inhalatie van NO heeft echter als nadeel dat er geen controle is op lokale toxiciteit. Verder is het zeer de vraag of exogeen toegediend NO wel in staat is om de gladde spiertjes te bereiken van ernstig ontstoken en slecht geventileerde luchtwegen.

Het zal nog veel tijd kosten voordat al deze praktische en theoretische problemen opgelost zijn en modulatie van NO een definitieve plaats heeft in de behandeling van astma. Desalniettemin staan wij met de ontwikkeling van selectieve iNOS-remmers mogelijk op de drempel van een nieuw tijdperk van astmabehandeling. Vooralsnog vormen corticosteroïden de hoeksteen van een goede behandeling. Deze medicatie leidt, weliswaar niet specifiek, maar wel effectief, tot een vermindering van de plaatselijke ontsteking en productie van NO.40

conclusie

NO heeft voor nieuwe inzichten gezorgd op het gebied van de pathofysiologie van astma. Toch zijn er veel onduidelijkheden, bijvoorbeeld als het gaat om het verband tussen inflammatiebevorderende effecten enerzijds en bronchoprotectieve effecten anderzijds. Deze effecten dienen eerst voldoende duidelijk te zijn voordat het NO-metabolisme aangegrepen kan worden voor therapeutische doeleinden. Waarschijnlijk zal het nog vele jaren duren voordat iNOS-remmers gegeven worden tijdens een exacerbatie, of NO-donoren tijdens een fase van relatieve NO-deficiëntie.

Het Nederlands Astma Fonds verleende financiële steun waardoor het schrijven van dit overzicht mede mogelijk werd.

Literatuur
  1. Koshland jr DE. The molecule of the year. Science1992;258:1861.

  2. Lyons CR. The role of nitric oxide in inflammation. AdvImmunol 1995;60:323-71.

  3. Bel EE de. Stikstofoxyde: nieuw licht op vele klinischesyndromen. Ned Tijdschr Geneeskd 1994;138:650-6.

  4. Rabelink AJ. Nobelprijs Geneeskunde en Fysiologie 1998vanwege de betekenis van stikstofmonoxide als signaalmolecuul. Ned TijdschrGeneeskd 1998;142:2828-30.

  5. Moncada S, Palmer RMJ, Higgs EA. Nitric oxide: physiology,pathophysiology and pharmacology. Pharmacol Rev 1991;43:109-42.

  6. Moncada S, Higgs A. The L-arginine-nitric oxide pathway. NEngl J Med 1993;329:2002-12.

  7. Lundberg JON, Lundberg JM, Alving K, Weitzberg E. Nitricoxide and inflammation. Nat Med 1997;3:30-1.

  8. Kolb H, Kolb-Bachofen V. Nitric oxide: a pathogeneticfactor in autoimmunity. Immunol Today 1992;13:157-60.

  9. Barnes PJ. NO or no NO in asthma? Thorax1996;51:218-20.

  10. Barnes PJ. Nitric oxide and airways. Eur Respir J1993;6:163-5.

  11. Jorens PG, Vermeire PA, Herman AG. L-arginine-dependentnitric oxide synthase: a new metabolic pathway in the lung and airways. EurRespir J 1993;6:258-66.

  12. Gaston B, Drazen JM, Loscalzo J, Stamler JS. The biologyof nitrogen oxides in the airways. Am J Respir Crit Care Med 1994;149(2 Pt1):538-51.

  13. Muijsers RB, Folkerts G, Henricks PA, Sadeghi-Hashjin G,Nijkamp FP. Peroxynitrite: a two-faced metabolite of nitric oxide. Life Sci1997;60:1833-45.

  14. Bredt DS, Snyder SH. Nitric oxide: a physiologicmessenger molecule. Annu Rev Biochem 1994;63:175-95.

  15. Warner RL, Paine 3rd R, Christensen PJ, Marletta MA,Richards MK, Wilcoxen SE, et al. Lung sources and cytokine requirements forin vivo expression of inducible nitric oxide synthase. Am J Respir Cell MolBiol 1995;12:649-61.

  16. Tracey WR, Xue C, Klinghofer V, Barlow J, Pollock JS,Forstermann U, et al. Immunochemical detection of inducible NO synthase inhuman lung. Am J Physiol 1994;266(6 Pt 1):L722-7.

  17. Kobzik L, Bredt DS, Lowenstein CJ, Drazen J, Gaston B,Sugarbaker D, et al. Nitric oxide synthase in human and rat lung. Am J RespirCell Mol Biol 1993;9:371-7.

  18. Belvisi MG, Stretton CD, Yacoub M, Barnes PJ. Nitricoxide is the endogenous neurotransmitter of bronchodilator nerves in humans.Eur J Pharmacol 1992;210:221-2.

  19. Kooy NW, Royall JA, Ye YZ, Kelly DR, Beckman JS. Evidencefor in vivo peroxynitrite production in human acute lung injury. Am J RespirCrit Care Med 1995;151:1250-4.

  20. Haddad IY, Pataki G, Hu P, Galliani C, Beckman JS,Matalon S. Quantitation of nitrotyrosine levels in lung sections of patientsand animals with acute lung injury. J Clin Invest 1994;94:2407-13.

  21. Ferreira HHA, Medeiros MV, Lima CSP, Flores CA, SannomiyaP, Autunes E, et al. Inhibition of eosinophil chemotaxis by chronic blockadeof nitric oxide biosynthesis. Eur J Pharmacol 1996;310:201-7.

  22. Beauvais F, Michel L, Dubertret L. The nitric oxidedonors, azide and hydroxylamine, inhibit the programmed cell death ofcytokine-deprived human eosinophils. FEBS Lett 1995;361:229-32.

  23. Sadeghi-Hashjin G, Folkerts G, Henricks PA, Verheyen AK,Linde HJ van der, Ark I van, et al. Peroxynitrite induces airwayhyperresponsiveness in guinea pigs in vitro and in vivo. Am J Respir CritCare Med 1996;153:1697-701.

  24. Kuo HP, Liu S, Barnes PJ. The effect of endogenous nitricoxide on neurogenic plasma exudation in guinea-pig airways. Eur J Pharmacol1992;221:385-8.

  25. Barnes PJ, Liew FY. Nitric oxide and asthmaticinflammation. Immunol Today 1995;16:128-30.

  26. Nijkamp FP, Folkerts G. Nitric oxide and bronchialreactivity. Clin Exp Allergy 1994;24:905-14.

  27. Folkerts G, Nijkamp FP. Airway epithelium: more than justa barrier. Trends Pharmacol Sci 1998;19:334-41.

  28. Mehta S, Lilly CM, Rollenhagen JE, Haley KJ, Asano K,Drazen JM. Acute and chronic effects of allergic airway inflammation onpulmonary nitric oxide production. Am J Physiol 1997;272(1 Pt 1):L124-31.

  29. Nijkamp FP, Linde HJ van der, Folkerts G. Nitric oxidesynthesis inhibitors induce airway hyperresponsiveness in the guinea pig invivo and in vitro. Role of the epithelium. Am Rev Respir Dis1993;148:727-34.

  30. Högman M, Frostell CG, Hedenstrom H, Hedenstierna G.Inhalation of nitric oxide modulates adult human bronchial tone. Am RevRespir Dis 1993;148(6 Pt 1):1474-8.

  31. Högman M, Frostell C, Arnberg H, Hedenstierna G.Inhalation of nitric oxide modulates methacholine-induced bronchoconstrictionin the rabbit. Eur Respir J 1993;6:177-80.

  32. Ricciardolo FL, Geppetti P, Mistretta A, Nadel JA,Sapienza MA, Bellofiore S, et al. Randomised double-blind placebo-controlledstudy of the effect of inhibition of nitric oxide synthesis inbradykinin-induced asthma. Lancet 1996;348:374-7.

  33. Yoshihara S, Nadel JA, Figini M, Emanueli C, Pradelles P,Geppetti P. Endogenous nitric oxide inhibits bronchoconstriction induced bycold-air in guinea pigs: role of kinins. Am J Respir Crit Care Med1998;157:547-52.

  34. Therminarias A, Oddou MF, Faver-Juvin A, Flore P, DelaireM. Bronchial obstruction and exhaled nitric oxide response during exercise incold air. Eur Respir J 1998;12:1040-5.

  35. Folkerts G, Linde HJ van der, Nijkamp FP. Virus-inducedairway hyperresponsiveness in guinea pigs is related to a deficiency innitric oxide. J Clin Invest 1995;95:26-30.

  36. Gouw HWFM de, Grunberg K, Schot R, Kroes ACM, Dick EC,Sterk PJ. Relationship between exhaled nitric oxide and airwayhyperresponsiveness following experimental rhinovirus infection in asthmaticsubjects. Eur Respir J 1998;11:126-32.

  37. Schuiling M, Meurs H, Zuidhof AB, Venema N, Zaagsma J.Dual action of iNOS-derived nitric oxide in allergen-induced airwayhyperreactivity in conscious, unrestrained guinea pigs. Am J Respir Crit CareMed 1998;158(5 Pt 1):1442-9.

  38. Kharitonov SA, Lubec G, Lubec B, Hjelm M, Barnes PJ.L-arginine increases exhaled nitric oxide in normal human subjects. Clin Sci(Colch) 1995;88:135-9.

  39. Mehta S, Stewart DJ, Levy RD. The hypotensive effect ofL-arginine is associated with increased expired nitric oxide in humans. Chest1996;109:1550-5.

  40. Kharitonov SA, Yates DH, Barnes PJ. Inhaledglucocorticoids decrease nitric oxide in exhaled air of asthmatic patients.Am J Respir Crit Care Med 1996;153:454-7.

Auteursinformatie

Academisch Ziekenhuis, Postbus 30.001, 9700 RB Groningen.

Afd. Longziekten: dr.N.H.T.ten Hacken en mw.prof.dr.D.S.Postma, longartsen; ing.dr.Th.W.van der Mark, fysicus.

Afd. Pathologie: prof.dr.W.Timens, patholoog.

Universiteit Utrecht, Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences, afd. Farmacologie en Pathofysiologie, Utrecht.

Prof.dr.F.P.Nijkamp en dr.G.Folkerts, farmacologen.

Contact dr.N.H.T.ten Hacken

Gerelateerde artikelen

Reacties