Stikstofoxyde: nieuw licht op vele klinische syndromen
Open

Stand van zaken
01-04-1994
E.E. de Bel

INLEIDING

Stikstofoxyde (stikstofmonoxyde, NO, niet te verwarren met N2O, lachgas) is een klein, toxisch en buitengewoon instabiel molecuul, dat tot een jaar of tien geleden voornamelijk beschouwd werd als luchtverontreiniging. De ontdekking van de belangrijke fysiologische functies van dit gas in zoogdieren heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de pathofysiologie van vele orgaansystemen, die mogelijk belangrijk zullen worden voor de klinische praktijk.

Door endotheel geproduceerd NO wordt ook wel ‘endothelium-derived relaxing factor’ (EDRF) genoemd. Het houdt bloedvaten wijd en remt de aggregatie van trombocyten. NO is betrokken bij het vernietigen van micro-organismen en tumorcellen door macrofagen en het vervult een rol als neurotransmitter, maar ook als neurotoxine in het centrale en perifere zenuwstelsel.

De opeenvolging van verrassende ontdekkingen in de afgelopen jaren bracht de redactie van Science ertoe NO uit te roepen tot molecuul van het jaar 1992. In dit artikel worden de kaleidoscopische implicaties van de functies van NO besproken, met speciale aandacht voor de pathofysiologie van atherosclerose, angina pectoris, hypertensie, shock, en het ‘adult respiratory distress syndrome’ (ARDS).

HISTORISCH OVERZICHT

Hoewel nitroglycerine al meer dan een eeuw gebruikt wordt voor de behandeling van angina pectoris, is het werkingsmechanisme pas vanaf 1977 geleidelijk opgehelderd. Het effect van nitroglycerine, maar ook van andere ‘nitrovasodilatatoren’, zoals nitroprusside en amylnitriet, bleek te berusten op het vrijkomen van NO.1 Uit nitroprusside komt NO spontaan vrij, uit nitroglycerine enzymatisch. NO activeert het enzym guanylcyclase in cytoplasma.

Bij het gebruik van genoemde geneesmiddelen bleek de stijging van de concentratie cyclisch guanosine-monofosfaat (cGMP) de verslapping van glad spierweefsel in bloedvaten en remming van de trombocytenaggregatie teweeg te brengen.

EDRF werd bij toeval ontdekt. Acetylcholine werd in het experimentele laboratorium van Furchgott beschouwd als een stof die in vitro vasoconstrictie induceert door prikkeling van glad spierweefsel in de vaatwand. In 1979 berichtten Furchgott en Zawadzki dat door norepinefrine samengetrokken vaatringetjes op acetylcholine met verslapping reageerden, sinds zij een nieuwe preparatietechniek hadden ingevoerd. Die techniek liet het endotheel van de vaatpreparaatjes intact, doordat deze niet zoals voorheen over een metalen staafje werden geschoven.2 Kennelijk verandert endotheel het effect van acetylcholine. Zij veronderstelden, dat het endotheel een labiele factor met vaatverwijdende eigenschappen produceert. De aard van deze factor, die EDRF genoemd werd, bleef jarenlang een raadsel. EDRF kon niet een prostaglandine zijn, aangezien van endotheel afhankelijke vasodilatatie ook optrad bij aanwezigheid van indometacine. Vasodilatatie door EDRF bleek gepaard te gaan met een stijging van de cGMP-concentratie in het cytoplasma van de gladde spiercel. Er werden meer overeenkomsten tussen EDRF en NO gevonden: de (zeer korte) halfwaardetijd en de inactivering door zuurstofradicalen en vrij hemoglobine (superoxyde-dysmutase verlengt echter de werking van NO). Ten slotte blijken NO en EDRF de trombocytenaggregatie en -adhesie even sterk te remmen.3 In 1987 rapporteerden Moncada et al. in Engeland en Ignarro et al. in de V.S. vrijwel tegelijkertijd, maar op grond van verschillende experimenten, dat EDRF en NO identiek moeten zijn.45

De ontdekking van het substraat van EDRF-produktie was het resultaat van 2 geheel andere onderzoekslijnen. Nitraten in voedsel worden, na reductie door darmbacteriën tot nitriet, beschouwd als schadelijk door de vorming van nitrosamines. In balansonderzoeken van Tannenbaum et al. in 1977 naar de omzetting van nitraten in carcinogene stoffen bleken proefpersonen meer nitraat en nitriet uit te scheiden dan het voedsel bevatte.6 Aanvankelijk werden bacteriën in de darm voor de produktie van deze overmaat aan nitraatnitriet verantwoordelijk geacht. Dit kon echter worden uitgesloten, doordat endogene nitraatproduktie ook kon worden aangetoond bij kiemvrije ratten. Na toediening van bacterieel endotoxine aan deze dieren trad een sterke stijging van de nitraatuitscheiding op.

Het ontbreken van endogene nitraatproduktie bij muizen met een macrofagendeficiëntie leidde in 1987 tot de ontdekking van Stuehr en Marletta, dat gekweekte macrofagen nitraat produceren en dat deze produktie na stimulatie met endotoxine en interferon-gamma (IFN?) zeer sterk toeneemt.7 Intussen onderzochten Hibbs et al. de wijze waarop macrofagen tumorcellen en bacteriën doden. Zij toonden aan, dat aanwezigheid van de linksdraaiende stereo-isomeer van het aminozuur arginine (L-arginine) een noodzakelijke voorwaarde is voor de cytotoxische activiteit van geïsoleerde, gestimuleerde macrofagen.8 L-arginine bleek te worden omgezet in L-citrulline, terwijl in het supernatant nitraat en nitriet verschenen. Toevoeging van een derivaat van L-arginine, NG-monomethyl-L-arginine (L-NMMA), blokkeerde zowel het vermogen van macrofagen om tumorcellen te doden als de toename van nitraat in het kweekmedium.3

Nog geen jaar later, in 1988, kwam men dus in 4 ogenschijnlijk geheel verschillende onderzoeksgebieden (endotheelfuncties, metabolisme van vaatverwijdende nitraten, carcinogenese door nitrosamines en macrofagencytotoxiciteit) uit op dezelfde biochemische omzetting. Gestimuleerde macrofagen zetten L-arginine om in L-citrulline en nitraat met stikstofoxyde als intermediair. Andersom is L-arginine het substraat voor de produktie van EDRF, lees stikstofoxyde, door endotheel. De onderzoekers in deze gebieden bemerkten tot hun verbazing dat zij jarenlang, en, zoals ook uit hun referenties blijkt, vrijwel onafhankelijk van elkaar, op zoek waren geweest naar hetzelfde molecuul.

DE VORMING VAN STIKSTOFOXYDE

NO wordt gevormd door oxydatie van het terminale guanidinostikstofatoom van L-arginine. L-arginine wordt daarbij omgezet in L-citrulline (figuur). Enzymen die deze reactie katalyseren, worden NO-synthases genoemd. Het elektronentransport van deze oxydatie wordt ondersteund door nicotinamide-adenine-dinucleotide-fosfaat (NADPH) en flavines.9 NO, zelf een radicaal, verdwijnt uit een waterige oplossing door oxydatie tot nitraat en nitriet, met een halfwaardetijd van minder dan 10 s.10 De reactie met zuurstofradicalen, die peroxynitriet (ONOO-) oplevert, verloopt nog sneller.2 Door binding aan zwavel in aminozuren en bijvoorbeeld glutathion worden tevens aanzienlijke hoeveelheden S-nitrosotiolen gevormd, die mogelijk een functie hebben als buffervoorraad en transportvorm van NO-activiteit.

De distributie van NO-synthase over de verschillende weefsels kan thans door middel van immunohistochemische methoden bestudeerd worden.9 Van 3 NO-synthases is de structuur en de aminozuurvolgorde bekend: het synthase van respectievelijk endotheelcellen, neuronen en macrofagen. Deze vertonen alle een evolutionaire verwantschap met cytochroom P450-reductase en hebben bindingsplaatsen voor NADPH, flavines en calmoduline.39 Calmoduline speelt een rol bij de regulatie van de enzymactiviteit door de intracellulaire calciumconcentratie.

Alle NO-synthases kunnen geremd worden met analoga van L-arginine, waarin de terminale guanidinogroep gewijzigd is. In experimenten veel gebruikte remmers zijn L-NMMA, NG-amino-L-arginine (L-NAME) en NG-nitro-L-arginine (L-NNA). De unieke fysischchemische eigenschap die NO in staat stelt de functie van enzymen te moduleren, is de uitzonderlijke hoge affiniteit voor gereduceerd ijzer, zoals aanwezig in haemgroepen. NO verdrijft zuurstof uit oxyhemoglobine, waarna door oxydatie nitraat en methemoglobine ontstaan.1 De halfwaardetijd van NO in bloed is slechts 100 ms.10 NO kan dan ook als een paracrien hormoon worden beschouwd, dat alleen structuren kan beïnvloeden die zich in de onmiddellijke nabijheid van de produktieplaats bevinden. Het lipofiele NO diffundeert gemakkelijk door membranen naar aangrenzende cellen. In glad spierweefsel en trombocyten wordt het doelwit gevormd door het haemgebonden ijzer in guanylcyclase. Binding van NO aan dit ijzer veroorzaakt activering van dit enzym en produktie van cGMP. Deze activering van guanylcyclase kan geremd worden door de kleurstof methyleenblauw. De stijging van de cGMP-concentratie veroorzaakt een daling van de geïoniseerde calciumconcentratie, waardoor glad spierweefsel verslapt en trombocyten inactief worden.1

In andere weefsels remt NO een aantal cytoplasmatische en mitochondriale enzymen van de glycolyse, de Krebs-cyclus en de ademhalingsketen. De betekenis hiervan in vivo wordt nog onderzocht.

NO-SYNTHASE IN ENDOTHEEL

Het endotheel is te beschouwen als de grootste endocriene en vooral paracriene klier in het lichaam. De endotheelcellen wegen gezamenlijk ongeveer even veel als de lever. Het NO-synthase van de endotheelcel is constitutief, waarmee bedoeld wordt dat het permanent aanwezig is. De activiteit van het enzym wordt gereguleerd door de intracellulaire calciumconcentratie met calmoduline als cofactor.11 Het is voornamelijk aantoonbaar in het endotheel van de aorta en grote arteriën en minder in venen, arteriolen en capillairen.9 Dit is mogelijk een verklaring voor het feit dat NO uit nitroglycerine vooral het gladde spierweefsel van arteriën met beschadigd endotheel en venen verslapt, terwijl gezonde arteriën minder gevoelig zijn.

Het endotheliale NO-synthase kan gestimuleerd worden door een groot aantal ontstekingsmediatoren en neurotransmitters, onder andere acetylcholine, bradykinine, serotonine, vasoactief intestinaal peptide (VIP), substance P, arachidonzuur, trombine en de adenine-nucleotides adenosine-difosfaat (ADP) en adenine-trifosfaat (ATP).21012 Deze stoffen binden zich aan receptoreiwitten die door de membraan heen steken, waarna geactiveerde, zogenaamde G-eiwitten aan de cytoplasmazijde van de membraan de intracellulaire calciumconcentratie verhogen.13 De basale produktie van NO in vivo wordt echter niet door mediatoren bepaald, maar door schuifkrachten (‘shear stress’) die de passerende vloeistof op het endotheel uitoefent, dat wil zeggen door de stroomsnelheid en de viscositeit van het bloed.14 Wanneer een perifeer segment van een vaatbed opengaat, zal de toeleverende arterie als het ware zichzelf wijder maken, doordat het endotheel meer NO gaat produceren en zo de eronder gelegen spierlaag verslapt (zie de figuur). De basale afgifte van NO beïnvloedt de perifere vaatweerstand en bijgevolg de bloeddruk. Remming van de basale NO-produktie leidt inderdaad tot een dosisafhankelijke bloeddrukstijging, die met een overmaat aan L-arginine ongedaan kan worden gemaakt.3

Aan de luminale zijde remt het door endotheel afgegeven NO de aggregatie en adhesie van trombocyten, eveneens door verhoging van het cGMP.3 Dit kan alleen daar plaatsvinden waar een bloedplaatje kleeft aan het endotheel, gezien het onmiddellijke inactief worden van NO in de nabijheid van hemoglobine. Intact endotheel verhindert op deze wijze de adhesie en het klonteren van bloedplaatjes. Een onderbreking van het endotheel bevordert vasoconstrictie en plaatjesaggregatie.

Bij een bloeding wordt het toch nog geproduceerde NO door het vrijkomende hemoglobine weggevangen. Bij verwondingen, ontstekingsreacties en trombocytenactivering komen bovendien genoemde mediatoren vrij, die de reacties van de bloedvaten in het getroffen gebied versterken: vaten met onbeschadigd endotheel worden opengehouden, terwijl beschadigde vaten afgesloten worden door vasoconstrictie en trombusvorming.

Er zijn uiteraard vele andere, op lokaal en algemeen niveau in het lichaam werkende vasoactieve stoffen. Zo produceert het endotheel nog meer vaatverwijders, onder andere prostacycline. Prostacycline reguleert de bloedstroom stroomafwaarts in een segment van het vaatbed, terwijl NO alleen lokaal werkt. Deze stoffen versterken elkaars remmende werking op bloedplaatjes. Anders gezegd, ze werken samen bij het openhouden van vaten. Vaatvernauwende eigenschappen hebben de endothelines, die eveneens door endotheel worden geproduceerd, en het van bloedplaatjes afkomstige tromboxaan.

DE FUNCTIE VAN STIKSTOFOXYDE IN DE NIER

De basale produktie van NO in de nier vindt vooral plaats in de preglomerulaire arteriën en de vasa recta van de medulla. Tijdens remming van de NO-synthese met een lage dosis L-NMMA daalt de doorbloeding van de nier, ook wanneer de bloeddruk niet verandert. Door stijging van de filtratiefractie blijft de glomerulaire filtratiesnelheid aanvankelijk nog gelijk. Door een versterkte proximale terugresorptie nemen de urineproduktie en de natriumexcretie af met 40-50. Deze retentie van water en zout wordt versterkt door een stijging van de renineactiviteit in het plasma zonder verandering van de aldosteronconcentratie. Deze veranderingen zijn reversibel, wanneer de remming van NO-synthase van korte duur is.15

Langdurige toevoeging van een lage dosis L-NAME aan het voedsel van proefdieren induceert hypertensie, die gepaard gaat met proteïnurie, een grotere renineactiviteit in het plasma en al spoedig een dalende glomerulaire filtratiesnelheid. Na enkele maanden toont histologisch onderzoek van de nieren afwijkingen die passen bij hypertensieve nefropathie, zoals vernauwing van arteriolen en nefrosclerose.16

Bij een bepaalde stam ratten die zeer gevoelig is voor toediening van zout, is ook bij een normale bloeddruk de basale afgifte van NO verlaagd. Wanneer deze ratten gevoed worden met een overmaat van keukenzout, ontstaat hypertensie en sterven zij aan een terminale nierinsufficiëntie op basis van nefrosclerose. Door tijdige aanvulling van het zoutrijke dieet met voldoende L-arginine kunnen hypertensie en nierafwijkingen worden voorkomen.17 Kennelijk kan het onvermogen van deze dieren om een hoge zoutbelasting te verwerken worden opgeheven door toediening van het substraat van de NO-produktie.

Samenvattend, NO is betrokken bij de regulatie van de zoutexcretie. Het aangrijpingspunt van dit regelsysteem is de proximale tubulus. NO remt bovendien de afgifte van renine en stimuleert zo ook indirect de zoutexcretie. Remming van NO-produktie bij proefdieren levert een interessant hypertensiemodel op.

STIKSTOFOXYDE EN ATHEROSCLEROSE

In de cardiologie is het al jaren bekend dat toediening van acetylcholine een atherosclerotisch veranderde coronairarterie vernauwt, terwijl deze stof bij gezonde proefpersonen vasodilatatie opwekt. Deze reactie op acetylcholine werd ook waargenomen in angiografisch normale coronairarteriën van patiënten met wandonregelmatigheden elders in het coronaire vaatstelsel. Vervolgens bleek dat acetylcholine ook vasoconstrictie kon induceren bij patiënten met hypercholesterolemie die overigens een geheel normaal coronairangiogram hadden. Ook andere van de produktie van NO afhankelijke vaatreacties, zoals de vasodilatatie bij een toenemende stroomsnelheid van het bloed, waren bij patiënten met hypercholesterolemie verminderd ten opzichte van controlepatiënten.18 Op deze wijze worden afwijkingen van het coronaire endotheel meetbaar, voordat het coronairangiogram iets bijzonders laat zien.

Er zijn patiënten met door middel van een inspanningstest bevestigde angina pectoris, maar met een normaal coronairangiogram zonder aanwijzingen voor spasme. Deze toestand wordt wel syndroom X of microvasculaire angina pectoris genoemd. Door verschillende onderzoeksgroepen is de laatste jaren aangetoond, dat er ook bij deze patiënten sprake is van een gestoorde endotheelfunctie, niet alleen in de arteriën van het hart, ook bijvoorbeeld in die van de bovenarm. De angineuze pijn bij dit syndroom lijkt thans als volgt verklaard te kunnen worden. Wanneer de zuurstofbehoefte van het myocard van deze patiënten bij inspanning stijgt, daalt de weerstand in de microcirculatie. De onvoldoende dilatatie van het toeleverende vat, door een tekortschietende NO-produktie, wordt gecompenseerd door afgifte van adenosine, een mediator van pijn. Onlangs werd aangetoond dat bij patiënten met essentiële hypertensie zowel de basale als de gestimuleerde afgifte van NO door endotheel verminderd is, hetgeen een gedeeltelijke verklaring oplevert voor de grotere perifere weerstand bij deze patiënten.19

Niet alleen hypercholesterolemie en essentiële hypertensie, maar ook diabetes mellitus en roken gaan gepaard met een gestoorde van endotheel afhankelijke vaatverwijding. Kennelijk is de aanwezigheid van bepaalde risicofactoren van atherosclerose op zich al voldoende voor het optreden van stoornissen in de endotheelfunctie.

Een verminderde basalegestimuleerde NO-produktie lijkt vooral samen te hangen met de aanwezigheid van oxydatieprodukten van ‘low density lipoproteins’ (LDL).13 Geoxydeerd LDL wordt niet opgenomen door LDL-receptoren in de lever, maar juist door macrofagen in de vaatwand. Het inactiveert in vitro NO, afkomstig van gekweekte endotheelcellen. Na verwijdering van geoxydeerd lecithine (lysolecithine) in LDL door toegevoegd ‘high density lipoprotein’ (HDL) treedt volledig herstel op van de vaatverwijdende werking van acetylcholine. Deze verbetering van endotheelfunctie treedt ook op tijdens de behandeling van patiënten met een verhoogde LDL-cholesterolconcentratie. Een verminderde NO-produktie is mogelijk niet alleen een kenmerk, maar ook een van de oorzaken van de progressie van atherosclerose en nefrosclerose, aangezien NO de proliferatie remt van macrofagen, fibroblasten, glad spierweefsel en mesangiale cellen. Atherosclerose is het resultaat van complexe veranderingen in de interactie tussen endotheel, daaronder gelegen glad spierweefsel en het monocytenmacrofagen-systeem. De eerste stap in dat proces is mogelijk een stoornis in de endotheelfunctie, die samenhangt met de aanwezigheid van geoxydeerde lipiden.

NO-SYNTHASE IN HET ZENUWSTELSEL

In het autonome perifere zenuwstelsel zijn dunne zenuwvezels aantoonbaar, die betrokken zijn bij verslapping van glad spierweefsel in het geïnnerveerde orgaan. De neurotransmitter van deze neuronen was tot voor kort onbekend, maar was in ieder geval geen catecholamine of acetylcholine. Deze zogenaamde niet-adrenerge, niet-cholinerge (NANC-)neuronen hebben uitlopers naar de bronchiaalboom, de plexus myentericus van de gehele tractus digestivus, de urineblaas en de genitalia.20 Sinds kort is gebleken dat in deze uitlopers een neuronaal NO-synthase ligt opgeslagen, dat na stimulatie van deze zenuwen NO uit L-arginine produceert (zie de figuur). Dit NO induceert ook hier verslapping van het gladde spierweefsel door verhoging van de cGMP-concentratie. NO voldoet in deze context aan de definitie van een neurotransmitter. Het is dan echter wel een zeer ongewone transmitter: het wordt niet opgeslagen tot het vrijkomt, het oefent zijn effect niet uit binnen een synaps en het bindt niet aan een membraanreceptor. Integendeel, het beïnvloedt de functie van de ontvangende cel door binding aan ijzer in cytoplasmatische enzymen. NO is een oorzakelijke factor gebleken voor de verslapping van alle sfincters in de tractus digestivus, van de onderste oesofagussfincter tot en met de anus, inclusief de sfincter van Oddi in de papil van Vater. Het is ook betrokken bij de accommodatie van de maag aan voedsel.20 In de genitalia is de afgifte van NO noodzakelijk voor het vullen van de corpora cavernosa. Zonder NO komt geen erectie tot stand.21

De laatste jaren is gebleken, dat NO ook betrokken is bij de regulatie van de cGMP-concentratie in bepaalde cellen van het centrale zenuwstelsel. NO-synthase werd immunohistochemisch aangetoond in het gehele cerebellum, bepaalde delen van het cerebrum (onder meer in de hippocampus en het corpus striatum) en de hypofyse-achterkwab.9 Het lijkt farmacologisch sterk op het endotheliale enzym, dat wil zeggen, het is constitutief, het wordt gereguleerd door de intracellulaire calciumconcentratie en het vereist NADPH als substraat. Het enzym blijkt identiek te zijn aan het al langer bekende NADPH-diaforase, dat gestimuleerd wordt door de neurotransmitters glutamaat en N-methyl-D-aspartaat (NMDA).22 Neuronaal NO-synthase in het centraal zenuwstelsel wordt dan ook geactiveerd door binding van glutamaat of NMDA aan de NMDA-receptor, waarna de concentratie van cGMP in het omliggende weefsel stijgt.22

Naar thans wordt aangenomen, berusten leerprocessen, het verwerven van geheugeninhoud, op het potentiëren van een herhaaldelijk gebruikte neuronenschakeling. Dit vereist terugrapportage van ontvangst door het neuron dat een prikkel ontvangt naar de zender van de boodschap. Het was altijd een raadsel hoe dit plaats kon vinden. Een hypothese die thans onderzocht wordt, is dat NO deze taak op een of andere wijze uitvoert: na blokkade van cerebraal NO-synthase kunnen proefdieren niet meer leren.22

NO is een zeer bijzondere neurotransmitter en blijkt de eerste vertegenwoordiger te zijn van een hele nieuwe klasse neurotransmitters, nu gebleken is dat ook koolmonoxyde (CO) een neurotransmitter kan zijn.22 Overmatige stimulatie van de NMDA-receptor met glutamaat of NMDA leidt tot beschadiging van aangrenzende zenuwcellen, terwijl de NO-producerende NMDA-receptor-positieve cel intact blijft. Dit mechanisme is mogelijk van belang bij het neuronenverlies door een cerebrovasculair accident en bij sommige degeneratieve hersenziekten.22

INDUCEERBAAR NO-SYNTHASE

Het NO-synthase in macrofagen is niet permanent aanwezig. Het wordt met een vertraging van 4-6 uur gesynthetiseerd na stimulatie met bacteriële endotoxines of cytokines, met name IFN?, tumornecrose-factor (TNF) (zie de figuur) en interleukine-1,8 althans bij knaagdieren. Het is in vitro nog niet gelukt om de aanmaak van NO-synthase in menselijke macrofagen te induceren. Corticosteroïden blokkeren de aanmaak van induceerbaar NO-synthase volledig.23 Het enzym wordt na synthese niet door andere signalen gereguleerd. NO is in vitro onmisbaar voor de destructie van tumorcellen door de macrofaag. Deze cytotoxiciteit kan volledig geremd worden door L-arginine-analoga als L-NMMA. De cytotoxiciteit van NO tegen tumorcellen berust op inactivering van een aantal ijzerbevattende enzymen die een functie hebben in de replicatie van DNA, de Krebs-cyclus (aconitase) en de mitochondriale ademhalingsketen.8

Na inhibitie van de NO-produktie is de door cytokines geactiveerde macrofaag niet meer in staat bepaalde intracellulair groeiende micro-organismen te doden. Dit is onder andere aangetoond voor Mycobacterium leprae en een aantal intracellulaire parasieten. Overigens is alleen voor leishmaniasis aangetoond, dat NO ook in vivo essentieel is voor het doden van een intracellulair gelegen parasiet. Het aangrijpingspunt van de werking van NO tegen micro-organismen is niet bekend. Behalve in macrofagen werd induceerbaar NO-synthase ook aangetoond in neutrofiele granulocyten, myocardiale cellen, Kuppfercellen en hepatocyten, het renale mesangium, en, belangwekkend genoeg, in het endotheel. Dit geïnduceerde endotheliale NO-synthase heeft alle eigenschappen van het enzym in macrofagen: de activiteit begint met de synthese van het enzym en wordt niet gecontroleerd door calcium. Door endotoxine of ontstekingsmediatoren gestimuleerd endotheel produceert grote hoeveelheden NO, hetgeen de vaatverwijding bij een ontstekingsreactie teweegbrengt.

STIKSTOFOXYDE EN HET SHOCKSYNDROOM

Circulerende cytokines en endotoxine brengen een gegeneraliseerde produktie van induceerbaar NO-synthase op gang in zowel leucocyten als endotheelcellen, die de verlaging van de perifere vaatweerstand en de daling van de bloeddruk teweegbrengt.3 NO veroorzaakt ook de negatief-inotrope effecten van cytokines op het hart.24

Deze symptomen zijn kenmerkend voor alle vormen van shock die veroorzaakt worden door circulerende cytokines of endotoxine, ongeacht de primaire oorzaak. Recentelijk werd daarom voorgesteld om te spreken van een ‘systemic inflammatory response syndrome’ (SIRS) bij iedere hypotensie bij een lage perifere vaatweerstand, en de term septische shock alleen te gebruiken bij positieve bloedkweken. Het lijkt thans waarschijnlijk, dat de activering van endotheel centraal staat in de pathogenese van SIRS, in de eerste plaats door de inductie van NO-synthase. Ten tweede, de door ontstekingsmediatoren opgewekte influx van calcium in de endotheelcel stimuleert ook het constitutieve NO-synthase. Bovendien brengt dit intracellulaire calcium het ook in endotheelcellen aanwezige actine-myosine-skelet tot contractie, waardoor de vaatwand doorlaatbaar wordt voor grote moleculen en een interstitieel, eiwitrijk oedeem kan ontstaan.25

Remming van NO-synthase bij proefdieren met endotoxineshock leidt tot een verhoging van de perifere weerstand met normaal worden van de bloeddruk.26 De gevoeligheid voor noradrenaline herstelt zich,23 en de negatief-inotrope werking van cytokines op het hart wordt opgeheven. Deze effecten kunnen mogelijk ook bereikt worden door remming van guanylcyclase met methyleenblauw.

Te sterke remming van de NO-synthese leidt aanvankelijk tot een forse stijging van de bloeddruk en wordt al snel gevolgd door een totale ineenstorting en overlijden van het proefdier. Ischemie van vooral de darm en de nieren is mogelijk de oorzaak voor deze fatale afloop. Gecombineerde behandeling met een NO-synthaseremmer en met een farmacologische donor van NO (bijvoorbeeld nitroglycerine) of een natuurlijke donor (bijvoorbeeld L-arginine) biedt wellicht betere perspectieven. Ook de therapeutische waarde van toediening van methyleenblauw, een remmer van guanylcyclase, wordt thans onderzocht.

HET ADULT RESPIRATORY DISTRESS SYNDROME

Het ARDS wordt onder andere gekenmerkt door pulmonale vasoconstrictie, vooral ook in geventileerde gebieden. Deze gedachte voert naar het therapeutische gebruik van NO bij ARDS, waarbij de eigenschappen van het gas handig kunnen worden uitgebuit. Toevoegen van een lage concentratie NO aan de inademingslucht leidt tot pulmonale vasodilatatie, die beperkt blijft tot de geventileerde delen van de long. Een betere perfusie van geventileerde delen staat gelijk met een verbeterde verhouding van ventilatie en perfusie. De pulmonale vaatweerstand en de druk in de A. pulmonalis dalen, terwijl de partiële zuurstofspanning in het arteriële bloed stijgt. In de bloedbaan maakt oxyhemoglobine het NO onmiddellijk onschadelijk, zodat algemene effecten op de bloeddruk in de grote circulatie uitblijven. Daarbij wordt een onbelangrijke hoeveelheid methemoglobine gevormd.

Kunstmatige beademing met toevoeging van NO (in concentraties van 5-20 deeltjes per miljoen) aan de inademingslucht is inmiddels met succes bij patiënten toegepast.27 Deze behandeling vergt geavanceerde en waarschijnlijk dure apparatuur. Het wachten is op de resultaten van gecontroleerd onderzoek, voordat deze behandeling gangbaar zal kunnen worden.

CONCLUSIE

De afsplitsing van NO uit L-arginine is de ‘common final pathway’ gebleken van een aantal fundamentele biologische processen. De ontdekking ervan heeft geleid tot nieuwe inzichten in vele klinische syndromen. De samenhang van essentiële hypertensie en atherosclerose is duidelijker geworden: het zijn verschillende verschijningsvormen van endotheelpathologie. De ontdekking van het induceerbare NO-synthase verschaft ons een beter begrip van de pathogenese van het septische syndroom.

Of NO een centrale rol speelt in de vasculaire fysiologie, dan wel alleen maar de zoveelste nieuwe mediator is temidden van de cytokines, prostaglandines, endothelines, lokale renine-angiotensine-systemen enzovoort, zal in de komende jaren nog moeten blijken. De klinische toepassingsmogelijkheden van de nieuw vergaarde kennis zijn nog beperkt. Een toepassing is al zo oud als dynamiet: behandeling met farmacologische NO-donors, bijvoorbeeld nitroglycerine.

Remming van de NO-synthese zou gunstig kunnen zijn bij patiënten met septische shock (of SIRS). Een dergelijke behandeling is a priori zeer riskant, aangezien deze ook de orgaanperfusie in gevaar brengt en effectorfuncties van granulocyten en macrofagen remt. Het eerstgenoemde gevaar kan verminderd worden door een L-arginine-antagonist toe te dienen, tegelijk met een NO-donor, bijvoorbeeld nitroglycerine. Het verminderen van de cytotoxische activiteit van macrofagen door L-NNA is vergelijkbaar met het effect van corticosteroïden en zou derhalve in nog nader te definiëren klinische situaties overkomelijk of zelfs gunstig kunnen zijn.

In diermodellen leidde toediening van een L-arginine-antagonist tot een toegenomen zoutuitscheiding bij refractaire ascites op basis van portale hypertensie, een klinische toestand die als een septisch syndroom (SIRS) van lage intensiteit beschreven kan worden.

Ten slotte zijn er situaties waarin toediening van L-arginine zinvol zou kunnen zijn. Het is wel bijzonder merkwaardig te noemen, dat er onlangs een enterale voeding op de markt is gebracht die verrijkt is met onder andere arginine (12,4 g per liter). Deze voeding wordt aanbevolen als stimulator van het immuunsysteem bij intensive care-patiënten met een sepsis. Dit advies is gebaseerd op een onderzoekslijn die in chirurgische bladen beschreven werd, zonder dat ooit melding gemaakt werd van arginine als substraat voor de synthese van stikstofoxyde.28

Met dank aan prof.dr.J.Vreeken, internist, en drs.T.Diekman, assistent-geneeskundige, voor het kritisch lezen van het manuscript.

Literatuur

  1. Gruetter CA, Gruetter DY, Lyon JE, Kadowitz PJ, IgnarroLJ. Relationship between cyclic guanosine 3‘:5’-monophosphateformation and relaxation of coronary arterial smooth muscle by glyceryltrinitrate, nitroprusside, nitrite and nitric oxide: effects of methyleneblue and methemoglobin. J Pharmacol Exp Ther 1981; 219: 181-6.

  2. Furchgott RF, Zawadzki JV. The obligatory role ofendothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle byacetylcholine. Nature 1980; 288: 373-6.

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

  4. Palmer RM, Ferrige AG, Moncada S. Nitric oxide releaseaccounts for the biological activity of endothelium-derived relaxing factor.Nature 1987; 327: 524-6.

  5. Ignarro LJ, Buga GM, Wood KS, Byrns RE, Chaudhuri G.Endothelium-derived relaxing factor produced and released from artery andvein is nitric oxide. Proc Natl Acad Sci USA 1987; 84: 9265-9.

  6. Tannenbaum SR, Fett D, Young VR, Land PD, Bruce WR.Nitrite and nitrate are formed by endogenous synthesis in the humanintestine. Science 1978; 200: 1487-9.

  7. Stuehr DJ, Marletta MA. Mammalian nitrate biosynthesis:mouse macrophages produce nitrite and nitrate in response to Escherichia colilipopolysaccharide. Proc Natl Acad Sci USA 1985; 82: 7738-42.

  8. Hibbs jr JB, Vavrin Z, Taintor RR. L-arginine is requiredfor expression of the activated macrophage effector mechanism causingselective metabolic inhibition in target cells. J Immunol 1987; 138:550-65.

  9. Bredt DS, Hwang PM, Snyder SH. Localization of nitricoxide synthase indicating a neural role for nitric oxide. Nature 1990; 347:768-70.

  10. Kelm M, Schrader J. Control of coronary vascular tone bynitric oxide. Circ Res 1990; 66: 1561-75.

  11. Lopez-Jaramillo P, Gonzalez MC, Palmer RM, Moncada S. Thecrucial role of physiologicai Ca2 concentrations in the production ofendothelial nitric oxide and the control of vascular tone. Br J Pharmacol1990; 101: 489-93.

  12. Boulanger C, Schini VB, Moncada S, Vanhoutte PM.Stimulation of cyclic GMP production in cultured endothelial cells of the pigby bradykinin, adenosine diphosphate, calcium ionophore A23187 and nitricoxide. Br J Pharmacol 1990; 101: 152-6.

  13. Flavahan NA. Atherosclerosis or lipoprotein-inducedendothelial dysfunction. Potential mechanisms underlying reduction inEDRF nitric oxide activity. Circulation 1992; 85: 1927-38.

  14. Rubanyi GM, Romero JC, Vanhoutte PM. Flow-induced releaseof endothelium-derived relaxing factor. Am J Physiol 1986; 250:1145-9.

  15. Salazar FJ, Pinilla JM, Lopez F, Romero JC, Quesada T.Renal effects of prolonged synthesis inhibition of endothelium-derived nitricoxide. Hypertension 1992; 20: 113-7.

  16. Ribeiro MO, Antunes E, de Nucci G, Lovisolo SM, Zatz R.Chronic inhibition of nitric oxide synthesis. A new model of arterialhypertension. Hypertension 1992; 20: 298-303.

  17. Chen PY, St. John PL, Kirk KA, Abrahamson SR, Sanders PW.Hypertensive nephrosclerosis in the DahlRapp rat. Initial site of injuryand effect of dietary L-arginine supplementation. Lab Invest 1993; 68:174-84.

  18. Zeiher AM, Drexler H, Wollschläger H, Just H.Modulation of coronary vasomotor tone in humans. Progressive endothelialdysfunction with different stages of coronary atherosclerosis. Circulation1999; 83: 391-401.

  19. Panza JA, Casino PR, Kilcoyne CM, Qujjumi AA. Role ofendothelium-derived nitric oxide in the abnormal endothelium-dependentvascular relaxation of patients with essential hypertension. Circulation1993; 87: 1468-74.

  20. Stark ME, Szurszewski JH. Role of nitric oxide ingastrointestinal and hepatic function and disease. Gastroenterology 1992;103: 1928-49.

  21. Burnett AL, Lowenstein CJ, Bredt DS, Chang TS, Snyder SH.Nitric oxide: a physiologic mediator of penile erection. Science 1992; 257:401-3.

  22. Snyder SH, Bredt DS. Biological roles of nitric oxide.Sci Am 1992; 266: 68-71, 74-7.

  23. Rees DD, Cellek S, Palmer RMJ, Moncada S. Dexamethasoneprevents the induction by endotoxin of a nitric oxide synthase and theassociated effects on vascular tone. An insight into endotoxin shock. BiochemBiophys Res Commun 1990; 173: 541-7.

  24. Finkel MS, Oddis CV, Jacob TD, Watkins SC, Hattler BG,Simmons RL. Negative inotropic effects of cytokines on the heart mediated bynitric oxide. Science 1992; 257: 387-9.

  25. Schnittler HJ, Wilke A, Gress T, Suttorp N, Drenckhahn D.Role of actin and myosin in the control of paracellular permeability in pig,rat and human vascular endothelium. J Physiol Lond 1990; 431:379-401.

  26. Kilbourn RG, Gross SS, Jubran A, et al.NG-methyl-L-arginine inhibits tumor necrosis factor-induced hypotension:implications for the involvement of nitric oxide. Proc Natl Acad Sci USA1990; 87: 3629-32.

  27. Rossaint R, Falke KJ, López S, Slama K, Pison U,Zapol WM. Inhaled nitric oxide tor the adult respiratory distress syndrome. NEngl J Med 1993; 328: 399-404.

  28. Daly JM, Lieberman MD, Goldfine J, et al. Enteralnutrition with supplemental arginine, RNA, and omega-3 fatty acids inpatients after operation: immunologic, metabolic, and clinical outcome.Surgery 1992; 112: 56-67.