Agenten zur Regulierung von NO
Verzögerte Wundheilung, die größtenteils auf eine geringe Bioverfügbarkeit von NO zurückzuführen ist, könnte von möglichen Behandlungen wie NO-Donatoren und NOS-Gentherapie profitieren (Luo und Chen, 2005). So ist beispielsweise die Dysfunktion der Lymphgefäße ein Problem bei Patienten mit Diabetes, Fettleibigkeit und hohen Cholesterinwerten und wird durch eine geringe Bioverfügbarkeit von NO verursacht (Scallan et al., 2015). Eine geringe Verfügbarkeit von bioaktivem NO könnte durch eine gestörte Produktion von NO oder durch eine erhöhte NO-Inaktivierung durch reaktive Sauerstoffspezies verursacht werden (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Darüber hinaus könnten NO-Therapien bei Wundheilungskomplikationen helfen, die bei atopischer Dermatitis und peripheren Gefäßerkrankungen auftreten (Martinez et al., 2009). Ein Mangel an NO kann durch ein verletztes oder nicht richtig funktionierendes Endothel verursacht werden. Dies ist der Fall bei einigen kardiovaskulären Problemen wie Atherosklerose, Herzinsuffizienz, Bluthochdruck, arteriellen thrombotischen Störungen, koronarer Herzkrankheit und Schlaganfall (Carpenter und Schoenfisch, 2012).
Es gibt mehrere therapeutische Strategien, die bei dem Versuch, den NO-Spiegel zu kontrollieren, in Betracht gezogen werden können. Je nach Nahrungsmittel wäre eine Erhöhung oder Senkung des NO-Spiegels von Vorteil. Wie von Garrya et al. erörtert, ist die Ergänzung von eNOS bei gleichzeitiger Hemmung von iNOS ein möglicher Behandlungsweg, um die Freisetzung von NO bestmöglich zu steuern und Kopfverletzungen zu schützen und zu verhindern (Garrya et al., 2015). Es gibt mehrere Strategien zur Verringerung von NO, wenn die Situation dies rechtfertigt, darunter selektive und nicht-selektive NOS-Hemmer. Zu diesen gehören NG-Nitro-l-Arginin (l-NNA), NG-Monomethyl-l-Arginin (l-NMMA) und NG-Nitro-l-Argininmethylester (l-NAME) (Willmota und Batha, 2003).
Ein weiterer komplexer Fall für die Modulation von NO sind Krebstumore. Bei hohen Konzentrationen, im mikromolaren Bereich, trägt NO zu reaktiven Stickstoffspezies bei. Zusammen mit reaktiven Sauerstoffspezies richten diese in der Zelle Chaos an, beeinträchtigen die Zellfunktionen und verursachen eine DNA-Basenpaardesaminierung, die sich nachweislich positiv auf das Fortschreiten und Überleben von Tumoren auswirkt (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Erhöhte NOS-Aktivitäten wurden auch in Krebszellen gefunden, wo eine Überexpression von NO zu schlechten klinischen Ergebnissen führte (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Andererseits fördern niedrige Konzentrationen im pikomolaren Bereich die Angiogenese und wirken antiapoptotisch, was wiederum das Tumorwachstum und die Nährstoffzufuhr fördert (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Bei der Suche nach NO-basierten Therapien für Krebs gibt es zwei Möglichkeiten. Eine davon ist die Erhöhung der NO-Konzentration am Tumor, um die Apoptose oder Nekrose von Krebszellen auszulösen (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Einige NO-Donatoren, darunter Diethylentriamin-NONOat (Abb. 3.2C), GTN, Natriumnitroprussid, Derivate auf Furoxan-Basis und NO-freisetzendes Aspirin, haben sich als wirksam gegen Tumore erwiesen (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Die andere Möglichkeit ist die Verwendung von NOS-Hemmern durch langfristige systematische Verabreichung an den Tumor, die eine Verringerung des Tumorwachstums bewirkt (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Dieser Prozess muss so lange fortgesetzt werden, bis der Tumor beseitigt ist, andernfalls sind Nebenwirkungen wie Bluthochdruck und ein erneutes Wachstum des Tumors möglich (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Als Krebstherapie hat NO den Vorteil, dass es bei den für Krebszellen toxischen Konzentrationen weniger toxisch für gesunde Zellen ist (Carpenter und Schoenfisch, 2012).
Abbildung 3.2. Die allgemeinen Strukturen verschiedener Stickoxid-Donatoren, einschließlich (A) S-Nitrosothiole, (B) anorganische Nitroso-Verbindungen und (C) Diazeniumdiolate (NONOate). Die spezifischen Strukturen von (D) Nitroglycerin, (E) NCX-4016, einem Nitroaspirin, und (F) SIN-1, einem Sidnonimin. (G) Reaktionsschema der säurekatalysierten Dissoziation eines NONOats zur Bildung von zwei Molekülen Stickstoffmonoxid (Packer und Cadenas, 2005).
Wenn es darum geht, die NO-Produktion zu steigern, gibt es mehrere begrenzende Faktoren, die zur Produktion von NO beitragen. Zu den natürlichen limitierenden Faktoren für die NO-Wirksamkeit gehört die Verfügbarkeit der NO-Synthase, da die Reaktion von iNOS um mehrere Stunden nach der Initiierung verzögert wird. Zu den anderen Faktoren gehören die Verfügbarkeit von Arginin, das in anderen Prozessen verwendet wird und das Substrat von NOS ist, und die Stabilität von NO. Aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit und hohen Reaktivität kann NO abgebaut oder durch Reaktion mit dem Superoxidanion verbraucht werden, bevor es seine Zielorte erreicht.
Die Inhalation von NO ist besonders bei Herzproblemen nützlich. Durch die Variation der Konzentration und der Partialdrücke von NO und Sauerstoff können die gewünschten Behandlungspläne sehr spezifisch und kontrolliert sein (Bhatraju et al., 2015). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die NOS-Enzyme hochzuregulieren, was mit Statinen geschehen kann (Willmota und Batha, 2003). Es wird angenommen, dass Statine, die bereits bei Gefäßerkrankungen eingesetzt werden, die Expression von Endothel-NOS (eNOS) durch posttranskriptionelle Mechanismen erhöhen (Willmota und Batha, 2003). Für die Behandlung von Durchblutungsstörungen ist die Inhalation von NO nicht der beste Weg, da NO schnell von Hämoglobin gespült wird, was es schwierig macht, den Spiegel konstant zu halten (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Bessere Therapien beinhalten NO-Donatoren, die eine verlängerte Freisetzung von NO bieten, um die therapeutischen NO-Spiegel zu maximieren und zu verlängern.
Bei Mangelernährung oder Argininmangel und seiner Rolle als NOS-Substrat wäre eine Erhöhung des Argininspiegels über die Ernährung oder an der Wundstelle von Vorteil. Einige klinische Studien haben gezeigt, dass die orale oder intravenöse Gabe von L-Arginin die Endothelfunktion bei Patienten mit Herzerkrankungen und hohem Cholesterinspiegel verbessert (Willmota und Batha, 2003). Andere Studien haben gezeigt, dass die thrombozytenhemmenden Eigenschaften von NO durch orales oder intravenöses L-Arginin von Vorteil sind (Willmota und Batha, 2003).
NO spielt eine Rolle bei der Wundheilung und kann daher als ein Mittel zur Optimierung des Prozesses betrachtet werden. Die Wundheilungskaskade beginnt unmittelbar nach der Verletzung und durchläuft die Schritte Blutgerinnung, Entzündung, Zellproliferation, Läsionskontraktion und Remodellierung, bis die Wunde vollständig verheilt ist, wobei NO sowohl bei einigen Wundheilungsprozessen als auch bei alltäglichen Prozessen der Gewebehomöostase eine Rolle spielt (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Die Bereitstellung von NO am Ort der Verletzung unterstützt die Funktionen, die NO spielt, einschließlich der Unterstützung der Angiogenese, der verstärkten Kollagenablagerung und der Zellproliferation. Bei hohen NO-Spiegeln, die die iNOS-Aktivität widerspiegeln, kann NO an einer Wunde antibakteriell wirken und gleichzeitig den unmittelbaren Zellbedarf direkt nach der Verletzung decken. Insbesondere bei Wundverbänden, die traditionell ein passiver Verband zum Schutz der Wunde vor äußeren Einflüssen waren, wurden diese Verbände in den letzten Jahren aktiver gestaltet und spielen eine Rolle bei der Wundheilung (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Mit NO-freisetzenden Polymeren und anderen Spendern kann ein Wundverband genau das tun. Ein Hydrogel, das NO freisetzt, kann beispielsweise ein feuchtes Milieu aufrechterhalten, während es für Sauerstoff durchlässig bleibt, und die Wunde erhält den Nutzen von zusätzlichem NO. Einige interessante Ergebnisse einer Studie mit diabetischen Ratten, die Fußgeschwüre von menschlichen Diabetikern simulierten, ergaben, dass ein NO freisetzendes Hydrogel die Granulations- und Narbengewebedicke der geheilten Wunde verbesserte, wobei der einzige Nachteil eine längere Wundschließzeit war (Carpenter und Schoenfisch, 2012).
Angesichts der kurzen Halbwertszeit und der hohen Reaktivität von NO besteht die clevere Alternative darin, einen NO-Donor mit niedrigem Molekulargewicht zu verwenden, um eine kontrollierte Freisetzung von NO in lokalisierten Bereichen zu ermöglichen. Einige organische Nitrate werden bereits häufig für medizinische Zwecke eingesetzt. So werden beispielsweise Isosorbidmononitrat und Glyceryltrinitrat zur Behandlung von Angina pectoris, Analfissuren, Herzinsuffizienz und Lungenhochdruck eingesetzt (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Bei diesen Behandlungen besteht jedoch die Gefahr, dass die Patienten eine Toleranz entwickeln und möglicherweise eine Hypotonie sowie Kopfschmerzen als mögliche Nebenwirkung auftreten (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Einige Probleme mit diesen niedermolekularen Donatoren können darin bestehen, dass sie NO nicht freisetzen oder inaktivieren, bevor sie ihren Zielort erreichen, dass sie NO nicht nachhaltig freisetzen und dass sie möglicherweise toxisch sind. Um diese Nachteile auszugleichen, können Makromoleküle mit höherem Molekulargewicht verwendet werden, um eine längere und kontinuierlichere Freisetzung von NO an den Zielort zu gewährleisten und so therapeutische NO-Werte zu erreichen (Carpenter und Schoenfisch, 2012). Dazu gehören Wirkstoffträger wie Mizellen, Dendrimere, Polymere und Nanocarrier.