*Všetky tabuľky, grafy a obrázky, ktoré sú súčasťou článku, nájdete v priloženom PDF súbore na konci štúdie.
Úvod
Z historického hľadiska je za objaviteľa oxidu dusnatého (NO) považovaný anglický filozof a chemik Joseph Priestley, ktorý už v roku 1772 identifikoval túto molekulu a opísal jej vlastnosti. Avšak historický prelom v ére NO nastal až v 20. storočí v súvislosti s výskumom úlohy NO v živých organizmoch. V roku 1992 označil časopis Science túto molekulu za ,,molekulu roka“. Dňa 10. decembra 1998 sa Robert Francis Furchgott, Louis Ignarro a Ferid Murad stali nositeľmi Nobelovej ceny za objav NO ako signálnej molekuly v kardiovaskulárnom systéme. Toto ocenenie vzbudilo veľký záujem o výskum tejto molekuly, a tak sa NO, dovtedy známy len ako plyn s negatívnym vplyvom na životné prostredie dostal do popredia odborných periodík a významných časopisov(1) .
V súčasnosti je úloha NO v mnohých systémoch vrátane kardiovaskulárneho, endokrinného aj centrálneho nervového systému. Molekula má význam v terapii infarktu myokardu a pri liečbe mnohých ischemických cievnych chorôb vrátane diabetickej nohy. Štúdie potvrdzujú jeho pozitívny účinok v liečbe chronických rán a pri ovplyvnení ischemicko-reperfúzneho poškodenia myokardu(2,3) .
Všeobecná charakteristika oxidu dusnatého NO je molekula, ktorá má duálny charakter, schopná v organizme vystupovať ako voľný radikál a súčasne aj ako biologická signálna molekula. Najvýznamnejšou odlišnosťou NO od iných biologických mediátorov je jeho schopnosť ľahko difundovať cez membrány. Je schopná priamo ovplyvňovať bunky v bezprostrednej blízkosti svojej syntézy bez ohľadu na anatomické prepojenie(4) .
Syntéza NO je komplexná chemická reakcia, ktorá je katalyzovaná prostredníctvom bunkových NO syntáz (NOS)(5) . V súčasnosti je opísaných 5 izoforiem, avšak pre ľudský organizmus sú najvýznamnejšie tri: neuronálna NOS1, induktívna NOS2 a endotelová NOS3(6) .
NOS1 bola identifikovaná v bunkách centrálneho a periférneho nervového systému, v bunkách sietnice, myokardu a kostrového svalstva(5) . Zodpovedá za väčšinu celkovej produkcie NO v nervovom systéme, ktorá je nevyhnutná pre synaptický prenos a neuroplasticitu. Dnes už existujú dôkazy, ktoré naznačujú, že NOS1 sa podieľa na rozvoji niektorých patologických procesov v centrálnom nervovom systéme. Závislosť medzi expresiou NOS1 a ochoreniami však ostáva dodnes do veľkej miery neznáma a predmetom ďalšieho skúmania(7) .
NOS3 je veľmi dôležitá pre produkciu NO v bunkách endotelu, a preto má rozhodujúcu úlohu v kardiovaskulárnom systéme(6) .
Veľké množstvo chorôb má zápalovú zložku, jedným z mediátorov aktivácie imunitného systému a zápalu je NOS2. Dysregulácia alebo jej nadmerná aktivácia spôsobí rozvoj patologických procesov v organizme. Podieľa sa na vzniku a progresii nádorových chorôb, neurodegeneratívnych zmien, aterosklerózy, má význam v sepse a pociťovaní bolesti. Snaha ovplyvniť syntézu NO je predmetom výskumu. Bolo objavených mnoho inhibítorov, ktoré sú účinné v štúdiách na zvieratách, avšak nie vždy preukázali svoju účinnosť v humánnej medicíne. Pochopenie regulácií tvorby a pôsobenia NO je nevyhnutné pre potenciálne využitie v liečbe(8) .
Mechanizmy pôsobenia NO
NO zaraďujeme medzi dôležité mediátory fyziologických, ale i patologických procesov. Ide o lipofilnú, chemicky reaktívnu molekulu s krátkou životnosťou. NO je molekula, ktorá môže pôsobiť priamymi a nepriamymi účinkami. Priame účinky sa vyskytujú najmä medzi NO a špecifickými biologickými molekulami, zatiaľ čo nepriame sú zabezpečené prítomnosťou reaktívnych foriem oxidov dusíka. Štúdie, ktoré podrobne opísali mechanizmus priamych a nepriamych účinkov na molekulovej úrovni, predstavovali neskôr podklad pre lepšie pochopenie zapojenia NO vo fyziologických a patologických procesoch(9) .
Priamy účinok môže byť zabezpečený dvomi mechanizmami, a to priamou interakciou na bunkovej úrovni alebo cestou aktivácie rozpustnej guanylátcyklázy a následne prostredníctvom druhého posla – cyklického guanozínmonofosfátu (cGMP)(1) . Priamy účinok NO vyplýva z jeho syntézy v bunkách a následného uvoľňovania do okolia difúziou. Tento pasívny transport môže byť ovplyvnený viacerými faktormi, ako je napr. pôsobenie rôznych mediátorov alebo depolarizácia membrány(10) . NO prechádza hlavne cez membrány buniek, kde pôsobí ako signálna molekula, a vedie k zmene funkcie cieľových proteínov a taktiež biologických procesov(1) .
Nepriamy účinok mnohí autori označujú aj ako účinok sprostredkovaný voľnými radikálmi, resp. tzv. cytotoxický účinok. V súčasnosti je možné nepriame účinky NO rozdeliť do dvoch kategórií, a to na účinky vyvolané nitrozačným stresom a na účinky spôsobené oxidačným stresom(11) . Kým nitrozačný stres môže za splnenia určitých podmienok vyvolať tvorbu karcinogénnych nitrozamínov. oxidačný stres je, naopak, opísaný v patogenéze rôznych chorôb, pre ktoré je charakteristická prítomnosť chronického zápalu(1) . V ľudskom organizme má molekula NO kľúčovú úlohu pri regulácii fyziologických funkcií, akými sú najmä prenos nervových vzruchov, udržiavanie homeostázy a vazodilatácia. Za patologických podmienok môžu jeho vyššie koncentrácie pôsobiť antibakteriálne, antivírusovo a antiparazitárne. Tieto koncentrácie však môžu pôsobiť aj škodlivo v dôsledku prozápalového účinku NO(1) , čo môže mať priamy vplyv na rozvoj mnohých chorôb(12) . Aby bolo možné ovplyvňovať negatívne a škodlivé účinky tohto mediátora, je potrebné dôkladne poznať mechanizmus syntézy a pôsobenia NO na jednotlivé orgánové systémy, venovať mu dostatočnú pozornosť a tak poznať jeho zapojenie vo fyziologických a patologických procesoch(1) .
Ischemicko-reperfúzne poškodenie tkaniva
Ischémia a následná reperfúzia poškodeného tkaniva predstavujú procesy, ktoré prispievajú k chorobnosti a zvyšovaniu mortality v širokej škále akútnych stavov. Medzi takéto akútne stavy patrí najmä ischemická cievna mozgová príhoda, akútny infarkt myokardu, rôzne traumy, akútne poškodenie obličiek a ďalších tkanív(13) .
Je známy súvis s rizikovými faktormi ischemického poškodenia a endoteliálnej dysfunkcie spojenej s nedostatkom NO. Fyziologické koncentrácie NO syntetizované NOS3 regulujú cievny tonus a majú v srdci kardioprotektívny účinok. Avšak počas ichemicko-reperfúzneho poškodenia sa v myokarde spúšťa kaskáda procesov, ktorých výsledkom je znížená biologická dostupnosť NO syntetizovaného NOS3. Cytotoxický účinok produkovaného NO a s N súvisiacich voľných radikálov je jednou z príčin poškodenia tkaniva(14) . Práve vyčerpanie tetrahydrobiopterínu (BH4), ktorý je dôležitým kofaktorom NO-syntáz, vedie k dysfunkcii NOS3 a k zvýšenej tvorbe voľných kyslíkových radikálov počas ischemicko-reperfúzneho poškodenia. Nekontrolovaná tvorba NO pomocou NOS2 poškodzuje kardiomyocyty priamou cytotoxicitou alebo prostredníctvom peroxynitritu, ktorý vzniká reakciou NO a superoxidového radikálu(15) .
NO má aj priamy vplyv na funkciu myokardu, ovplyvňuje koronárny obeh, vedie k vazodilatácii a zníženiu agregability trombocytov. NO priamo pôsobí na kardiomyocyty, ovplyvňuje apoptózu, zlepšuje prežívanie buniek(16) . Kardioprotektívny účinok na myokard zabezpečuje NO svojím antihypertrofickým účinkom a zvyšovaním ischemickej tolerancie, znižuje kontraktilnú frekvenciu kardiomyocytov, mierne znižuje intenzitu kontrakcie a urýchľuje relaxáciu(1) .
Predpokladá sa, že signalizácia NO proti ischemicko-reperfúznemu poškodeniu je zameraná na mitochondrie a práve mitochondrie sú cieľom jeho kardioprotektívneho účinku. Ak je signálna dráha NO inhibovaná alebo nejakým iným mechanizmom narušená, tak mechanizmus preconditioningu prostredníctvom NO zmizne(17) .
Úloha NO v procesoch reparácie
Aj keď má NO kľúčový význam pri poškodení tkaniva a rozvoji zápalu, je dobre opísaný aj jeho efekt na aktiváciu reparačných procesov v tkanive. Regulačný účinok NO má význam pri obnovení integrity tkaniva. NO uvoľňovaný v reparovanom tkanive prostredníctvom NOS2 a NOS3 reguluje tvorbu kolagénu a proliferáciu buniek na zvieracích modeloch hojenia rán. Delécia génu pre NOS2 spomaľuje hojenie a, naopak, experimentálne podávanie arginínu so zvýšenou produkciou NO zlepšuje procesy hojenia(18-20) . Podávanie arginínu v potrave zvyšuje pevnosť rany a ukladanie kolagénu, čo však neplatí v prípade zvierat s deléciou NOS2 génu. Strata funkčného génu NOS2 ruší priaznivý účinok arginínu pri hojení rán(21) .
Aj z týchto dôvodov sa považujú donory NO za potenciálne terapeutické látky v procesoch hojenia rán. Synergicky môže pôsobiť aj schopnosť oxidu dusnatého regulovať zápal a eradikovať bakteriálne infekcie. NO v experimente inhibuje rast Stafylococcus aureus (MRSA) a Pseudomonas aeruginosa rezistentných proti meticilínu bez toho, aby pôsobil cytotoxicky na ľudské bunky(22) . Začlenenie NO do polymérov pri výrobe polymérových gélov, obväzov a chirurgických materiálov má potenciálne výhody pri hojení rán. Štúdie ukazujú, že aplikácia NO zlepšuje aj vaskularizáciu rán, pričom toto zistenie by mohlo mať výrazný potenciál aj pri liečbe mnohých ďalších chronických chorôb(23) . V tejto súvislosti je zaujímavá aj možnosť liečby rán spojených s cukrovkou vrátane diabetickej nohy(24) . NO môže byť na diabetické rany aplikovaný buď ako plynný NO, alebo môžu byť aplikované donory NO v obväzoch alebo polymérových géloch s postupným uvoľňovaním NO(3) . Cieľom výroby krycích materiálov s obsahom NO je využiť jeho potenciál pri hojení rán reparáciou.
Záver
Oxid dusnatý je molekula s významným pleotropným účinkom v organizme. Aj keď sa podieľa na progresii poškodenia tkanív, a to najmä v prípadoch jeho nekontrolovanej tvorby a aktivácie voľnoradikálového poškodenia prostredníctvom voľných radikálov odvodených od dusíka organizmu, predstavuje na druhej strane kľúčovú molekulu regulujúcu procesy obnovy poškodeného tkaniva a reparácie. Mnohé vedecké štúdie sú preto zamerané na využitie NO ako účinnej terapeutickej látky v liečbe ochorení a potvrdzujú pozitívny účinok donorov NO v terapii chronických rán a ischemicko-reperfúzneho poškodenia.
Poďakovanie
Táto práca vznikla vďaka podpore Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-17-0526 a vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Centrum pre biomedicínsky výskum – BIOMEDIRES – II. etapa, kód ITMS: 313011W428, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
LITERATÚRA
1. Antosova M. Farmakológia oxidu dusnatého. 2013; Martin: Univerzita Komenského v Bratislave Jesseniova lekárska fakulta v Martine.
2. Gawrys J, Gajecki D, Szahidewicz-Krupska E, et al. Intraplatelet L-Arginine-Nitric Oxide Metabolic Pathway: From Discovery to Clinical Implications in Prevention and Treatment of Cardiovascular Disorders. Oxid Med Cell Longev 2020; 2020: 1015908.
3. Malone-Povolny MJ, Maloney SE, Schoenfisch MH. Nitric Oxide Therapy for Diabetic Wound Healing. Adv Healthc Mater 2019; 8(12): e1801210.
4. Kupkova Z, Benes L. Chemické vlastnosti, biologické účinky a metódy detekce biologického oxidu dusnatého. Chem. Listy 2004; 98: 116-122.
5. Daff S. NO synthase: structures and mechanisms. Nitric Oxide 2010; 23(1): 1-11.
6. Oliveira-Paula GH, Lacchini R, Tanus-Santos JE. Endothelial nitric oxide synthase: From biochemistry and gene structure to clinical implications of NOS3 polymorphisms. Gene 2016; 575(2 Pt 3): 584-599.
7. Poon CH, Tsui KC, Chau SC, et al. Functional Roles of Neuronal Nitric Oxide Synthase in Neurodegenerative Diseases and Mood Disorders. Curr Alzheimer Res 2021; 18(10): 831-840.
8. Cinelli MA, Do HT, Miley GP, et al. Inducible nitric oxide synthase: Regulation, structure, and inhibition. Med Res Rev 2020; 40(1): 158-189.
9. Kowalczyk E, Kopff A, Kopff M, et al. [Nitric oxide metabolism]. Wiad Lek 2006; 59(11-12): 889-893.
10. Klinger JR, Kadowitz PJ. The Nitric Oxide Pathway in Pulmonary Vascular Disease. Am J Cardiol 2017; 120(8S): S71-S79.
11. Thomas DD, Ridnour LA, Isenberg JS, et al. The chemical biology of nitric oxide: implications in cellular signaling. Free Radic Biol Med 2008; 45(1): 18-31.
12. Hirst DG, Robson T. Nitric oxide physiology and pathology. Methods Mol Biol 2011; 704: 1-13.
13. Eltzschig HK, Eckle T. Ischemia and reperfusion – from mechanism to translation. Nat Med 2011; 17(11): 1391-1401.
14. Jugdutt BI. Nitric oxide and cardioprotection during ischemia-reperfusion. Heart Fail Rev 2002; 7(4): 391-405.
15. Xiang M, Lu Y, Xin L, et al. Role of Oxidative Stress in Reperfusion following Myocardial Ischemia and Its Treatments. Oxid Med Cell Longev 2021; 2021: 6614009.
16. Yue ZJ, Yu ZB. [Cardioprotection by the inhibitory effect of nitric oxide]. Sheng Li Xue Bao 2011; 63(3): 191-197.
17. Weerateerangkul P, Chattipakorn S, Chattipakorn N. Roles of the nitric oxide signaling pathway in cardiac ischemic preconditioning against myocardial ischemia-reperfusion injury. Med Sci Monit 2011; 17(2): RA44-52.
18. Witte MB, Barbul A. Role of nitric oxide in wound repair. Am J Surg 2002; 183(4): 406-412.
19. Yamasaki K, Edington HD, McClosky C, et al. Reversal of impaired wound repair in iNOS-deficient mice by topical adenoviral-mediated iNOS gene transfer. J Clin Invest 1998; 101(5): 967-971.
20. Stechmiller JK, Childress B, Cowan L. Arginine supplementation and wound healing. Nutr Clin Pract 2005; 20(1): 52-61.
21. Shi HP, Efron DT, Most D, et al. Supplemental dietary arginine enhances wound healing in normal but not inducible nitric oxide synthase knockout mice. Surgery 2000; 128(2): 374-378.
22. Wang DC, Clark JR, Lee R, et al. Development of Antimicrobial Nitric Oxide-Releasing Fibers. Pharmaceutics 2021; 13(9).
23. Lowe A, Bills J, Verma R, et al. Electrospun nitric oxide releasing bandage with enhanced wound healing. Acta Biomater 2015; 13: 121-130.
24. Janegova A, Janega P. Impaired tissue repair is a concomitant feature of diabetes mellitus (pathophysiological study and case report). Newslab 2022; 13(1): 14-18.
