Tlenek azotu

Tlenek azotu (NO) to nieorganiczny związek chemiczny o dużej aktywności biologicznej i parakrynnym działaniu. W organizmie człowieka występuje w trzech formach: jako wolny rodnik, jako tlenek azotu zmagazynowany w hemoglobinie i jako kompleks tlenku azotu z jonami metali, np. żelaza. Pełni wiele ważnych funkcji. Przede wszystkim ma działanie rozkurczające i rozszerzające naczynia krwionośne. Ponadto odgrywa rolę neurotransmitera w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) i pełni funkcję mediatora zapalnego w przebiegu wielu chorób. Jego stężenie zależy od poziomu stanu zapalnego w organizmie. Zarówno niedobór, jak i nadmiar tlenku azotu ma niekorzystne działanie na organizm. Tlenek azotu jest również wykorzystywany w farmakoterapii.

1. Historia odkrycia tlenku azotu

Tlenek azotu został odkryty w 1977 roku przez amerykańskiego farmakologa Ferida Murada. Naukowiec zaobserwował, że pochodne leków nasercowych, m.in. nitrogliceryna, powodują wytwarzanie pewnej substancji, która z kolei ma działanie rozszerzające naczynia krwionośne. Związek ten nazwał tlenkiem azotu. W 1980 roku amerykański biochemik Robert Furchgott odkrył, że pod wpływem acetylocholiny nieuszkodzony śródbłonek naczyń krwionośnych uwalnia czynnik rozszerzający naczynia krwionośne (ang. endothelium-derived relaxing factor, EDRF). Jednak dopiero w 1987 Louis J. Ignarro zidentyfikował EDRF jako tlenek azotu. Jego odkrycie zostało uznane za jedno z największych przełomów w dziedzinie biologii XX wieku. [1]

W 1992 roku magazyn Science uznał tlenek azotu za “cząsteczkę roku”. Jedenaście lat później liczba publikacji naukowych na jego temat sięgnęła niemal 7 tysięcy. [2] W 1998 roku Ignarro, Furchgott i Murad za swoje badania otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny. Następstwem ich działań był szybki rozwój badań nad właściwościami tlenku azotu, który umożliwił wprowadzenie na rynek farmaceutyczny leków wpływających na jego poziom. [1]

2. Właściwości tlenku azotu

Tlenek azotu w postaci wolnej jest bezbarwnym gazem. Jego masa cząsteczkowa wynosi 108 u. Dzięki małej masie przemieszcza się z dużą prędkością na stosunkowo daleki dystans (około 500 µm/s). Cechuje się ujemnym ładunkiem elektrycznym. Ma jeden niesparowany elektron, co czyni go rodnikiem. W związku z tym jest bardzo niestabilny i silnie reaktywny. [3] Wykazuje właściwości hydrofobowe i lipofilne. [12,13]

Tlenek azotu w powietrzu łączy się z tlenem, tworząc trujący dwutlenek azotu (NO2). Tlenek azotu ma krótki okres półtrwania, nieprzekraczający 30 sekund. Wykazuje bardzo duże powinowactwo do żelaza. Dodatkowo tworzy kompleksy z kobaltem, hemoglobiną i mioglobiną. [3]

3. Synteza i metabolizm tlenku azotu

Tlenek azotu jest wytwarzany w śródbłonku naczyniowym, w makrofagach i neutrofilach oraz w zakończeniach synaptycznych komórek ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. W OUN synteza tego związku zachodzi głównie w synapsach glutaminergicznych hipokampa pod wpływem aktywacji jonotropowych receptorów dla glutaminianu (iGluR). [6,9] Substratem do jego syntezy jest L-arginina, a katalizatorem reakcji – syntazy tlenku azotu (NOS). Wyróżnia się trzy podstawowe izoformy NOS:

• neuronalną (n-NOS, NOS-1) – obecna w neuronach ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego
• indukowaną (i-NOS, NOS-2) – występująca głównie w makrofagach i neutrofilach
• endotelialną (e-NOS, NOS-3) – występująca w komórkach śródbłonka naczyń [2]

Pod ich wpływem L-arginina zostaje przekształcona do NO i cytruliny. [2] Proces ten odbywa się w dwóch etapach. Pierwszy polega na oksydacji L-argininy do N-hydroksy-L-argininy. Następnie N-hydroksy-L-arginina, pod wpływem NOS i tlenu, ulega rozkładowi do L-cytruliny, czemu towarzyszy wydzielanie NO z komórek śródbłonka naczyń. [6] Reakcja powstawania tlenku azotu wymaga obecności kilku kofaktorów. Należą do nich m.in. kalmodulina, dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADPH), dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) i tetrahydrobiopteryna (BH4). [4] W procesie syntezy NO biorą również udział specyficzne białka adaptorowe. [15]

Proces uwalniania tlenku azotu rozpoczyna się w momencie aktywacji presynaptycznego glutaminergicznego zakończenia nerwowego i sekrecji glutaminianu. Glutaminian wiąże się z leżącymi postsynaptycznie receptorami N-metylo-D-asparaginowymi (NMDA), co prowadzi do ich pobudzenia i napływu jonów wapnia do części postsynaptycznej neuronu. Zostaje uformowany kompleks wapń-kalmodulina, pod wpływem którego dochodzi do aktywacji syntazy tlenku azotu i uwolnienia NO. [7] Po uwolnieniu tlenek azotu swobodnie dyfunduje w przestrzeniach zewnątrzkomórkowych. [10] Nie ma specyficznego dla siebie receptora błonowego. [4,5] Z łatwością przenika do komórek mięśniówki naczyń, gdzie aktywuje cyklazę i przyczynia się do relaksacji naczynia krwionośnego. [12] Dodatkowo powoduje wzrost syntezy cyklicznego guanozynomonofosforanu (cGMP). Dzięki temu może aktywować kinazy białkowe i fosfodiesterazy w komórkach całego organizmu oraz zmieniać aktywność bramkowanych przez cGMP kanałów jonowych. [4,5]

Syntezę tlenku azotu hamują analogi L-argininy i inhibitory NOS. Jest on unieczynniany w obecności hemoglobiny i tlenu. Pro­duk­ta­mi me­ta­bo­li­zmu NO są azo­ta­ny, azo­ty­ny, nitrozoglutation oraz pro­duk­ty ubocz­ne prze­mian tle­no­wych, jak pe­rok­sy­azo­ty­ny i in­ne wolne rod­ni­ki. Tlenek azotu wydalany jest przez nerki. [10,20]

4. Wybrane funkcje tlenku azotu

4.1. Wpływ tlenku azotu na układ krwionośny

Tlenek azotu odgrywa główną rolę w regulacji napięcia ścian naczyń krwionośnych i jest najsilniej działającym czynnikiem powodujących rozkurcz ich mięśniówki gładkiej. Przyczynia się także do zmniejszenia ilości utlenionych lipoprotein o małej gęstości (ang. low density lipoprotein, LDL). Poprzez blokowanie agregacji i przywierania płytek krwi do śródbłonka naczyniowego tlenek azotu bierze udział w procesach krzepnięcia krwi. Ma także zdolność hamowania proliferacji komórek mięśni gładkich naczyń. Wpływa na obniżenie wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapniowych oraz jest zaangażowany w ograniczanie ekspresji białek adhezyjnych. Tlenek azotu ma właściwości antyoksydacyjne. [12] Uczestniczy w metabolizmie żelaza oraz warunkuje odpowiednią aktywność leukocytów i makrofagów. Bierze także udział w procesach S-nitrozylacji białek regulatorowych. Proces ten chroni komórki śródbłonka przed nadmiernym stresem oksydacyjnym i apoptozą. [9,10] Działanie ochronne tlenku azotu na śródbłonek naczyń wiąże się z podwyższeniem poziomu glutationu w komórkach fibroblastów poprzez aktywację jego syntezy. [29]

4.2. Wpływ tlenku azotu na układ nerwowy

Działanie tlenku azotu zależy od prawidłowego funkcjonowania układu glutaminergicznego. Pod wpływem wysokiego poziomu kwasu L-glutaminowego dochodzi do napływu jonów wapnia do cytozolu, które z kolei po związaniu z kalmoduliną aktywują neuronalną izoformę NOS. [14]

Tlenek azotu wpływa na pobudliwość neuronów. Oddziałując na cGMP powoduje depolaryzację błony pre- lub postsynaptycznej, prowadząc do otwarcia kanałów jonowych. To z kolei prowadzi do zwiększenia aktywności komórek nerwowych. [17] Tlenek azotu uczestniczy w sygnalizacji komórkowej w OUN (głównie w hipokampie), integrując szlaki sygnałowe. Odgrywa istotną rolę w kształtowaniu neuroplastyczności synaptycznej. W związku z tym wpływa również na funkcje kognitywne, takie jak uczenie się i pamięć. [16]

4.3. Rola tlenku azotu w komunikacji między układem nerwowym i krwionośnym

Tlenek azotu obecny w tkance mózgowej bierze udział w regulacji przepływu krwi i jest mediatorem w komunikacji pomiędzy układem nerwowym i krwionośnym. Pod wpływem NO i w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie metaboliczne narzucone przez aktywność neuronalną w mózgu dochodzi do powiększenia średnicy naczynia krwionośnego. To z kolei pozwala na precyzyjne dostosowanie przepływu krwi do aktualnych potrzeb metabolicznych różnych obszarów mózgu i ułatwia dostarczanie związków kluczowych dla metabolizmu neuronów (m.in. tlenu i glukozy). Tlenek azotu odgrywa także istotną rolę w ochronie neuronów przed stresem oksydacyjnym i uszkodzeniam komóreki, poprawiając mikrokrążenie i dostarczając tlen do tkanki mózgowej. Dzięki niemu mózg może efektywnie zarządzać swoim zasobami, dostarczając odpowiednią ilość krwi do regionów o największym zapotrzebowaniu energetycznym, co wspiera funkcje kognitywne (m.in. pamięć i procesy myślowe). [18] Wzrost przepływu krwi mózgowej zależny od aktywacji neuronalnej jest tłumiony przez inhibitory NOS. [9]

Udział tlenku azotu w komunikacji pomiędzy układem nerwowym i naczyniowym pomaga zachować strukturalną i funkcjonalną integralność OUN. [19] Związek ten wspomaga działanie i kontroluje mechanizmy regulujące dopływ krwi do mózgu w zależności od zapotrzebowania metabolicznego narzuconego przez zwiększoną aktywność neuronalną. Z kolei wzrost przepływu krwi mózgowej i regulacja poziomu NO pomaga kształtować przekaźnictwo sygnałowe. [9]

4.4. Tlenek azotu jako cząsteczka sygnałowa

Tlenek azotu bierze udział w neurotransmisji. Efektem jego działania jest aktywacja cyklazy guanylanowej, co powoduje wzrost poziomu cGMP w komórkach docelowych. Jednocześnie może działać jako neuroprzekaźnik, gdy jest wytwarzany i uwalniany presynaptycznie w zakończeniach nerwowych i dyfunduje poza komórki w OUN. Główną rolą tlenku azotu jest modulowanie aktywności innych neuroprzekaźników (m.in. glutaminianu i asparaginianu) poprzez stymulację receptorów NMDA. Wzrost poziomu tlenku azotu w środowisku zewnątrzkomórkowym prowadzi do pobudzenia receptorów NMDA i do napływu jonów wapnia do komórki. Aktywuje to nNOS i nasila syntezę tlenku azotu. Ten z kolei może oddziaływać zwrotnie na receptory NMDA, modulując ich aktywność i wrażliwość na neuroprzekaźniki. [8]

Działanie tlenku azotu zależne jest od jonów wapnia. W procesie przekazywania sygnału NO aktywuje białka Ras. Proces ten odbywa się na skutek S-nitrozowania reszt cysteiny. Białko Ras wiąże się z guanozyno-5′-trifosforanem (GTP) i pośredniczy w przekazywaniu sygnału z błonowych receptorów kinaz tyrozynowych do wnętrza komórek. Aktywuje przy tym kinazy aktywowane mitogenami (MAPK). Powoduje to przekształcenie guanozynodifosforanu (GDP) do GTP i dalszą transdukcję sygnału. [27]

4.5. Udział tlenku azotu w procesach odpornościowych

Tlenek azotu pośrednio bierze udział w procesach odpornościowych. W przebiegu stanów zapalnych jest on wytwarzany głównie przez iNOS. Antygeny bakteryjne, wirusowe oraz niektóre pierwotniaki stymulują komórki krwi i śródbłonka naczyniowego do uwalniania czynników prozapalnych. Wśród nich wyróżnia się interleukiny, czynnik martwicy nowotworów alfa (TNFa) i interferon gamma (INFγ). Wskutek interakcji cytokin ze specyficznymi receptorami dochodzi do wzrostu poziomu fosfolipaz i wytwarzania leukotrienów. W efekcie iNOS ulega aktywacji. Skutkiem działania cytokin jest również uwalnianie histaminy i trombiny z komórek tucznych, co ułatwia oddziaływanie komórek odpornościowych z komórkami śródbłonka. Niskie stężenie tlenku azotu ma działanie przeciwzapalne, zaś wzrost jego poziomu związany jest z rozwojem zapalenia i może prowadzić do dalszego uszkadzania tkanek. [27]

Tlenek azotu wykazuje niespecyficzną cytotoksyczność przeciwko bakteriom, pierwotniakom i niektórym komórkom nowotworowym. W odpowiedzi na obecność specyficznych antygenów dochodzi do jego zwiększonej syntezy w makrofagach. Tlenek azotu powoduje nasilenie uwalniania nadtlenoazotynu (ONOO-), prowadzi także do nitrozylacji białek. Powoduje to zahamowanie aktywności enzymów żelazowo-siarkowych mitochondrialnego łańcucha oddechowego i ułatwia eliminację patogenów z organizmu. [28]

W pewnych warunkach nitrozylacja białek przez tlenek azotu może przeciwdziałać powstawaniu wolnych rodników. Tlenek azotu tworzy bowiem kompleksy nitrozylowe z hemoglobiną i mioglobiną oraz z jonami żelaza. Blokuje tym samym toksyczne działanie żelaza i uniemożliwia mu udział w reakcjach zapalnych prowadzących do powstania dwuatomowych cząsteczek tlenu. Dzięki reakcji nitrozylacji jonów żelaza nie dochodzi do powstawania wolnych rodników tlenowych. Proces ten chroni również komórki przed toksycznym działaniem produktów rozpadu wodoronadtlenków alkilowych (ROOH). Tlenek azotu zarówno zapobiega akumulacji tych rodników, jak i przeciwdziała powodowanym przez nie procesom peroksydacji lipidów. [28]

4.6. Wpływ tlenku azotu na pracę żołądka

Tlenek azotu jest wytwarzany w soku żołądkowym w sposób ciągły. Jego synteza zachodzi na skutek procesów nieenzymatycznych. Stężenie NO koreluje dodatnio z poziomem kwasu solnego. Nadkwaosta powoduje nasilenie wytwarzania tlenku azotu przez komórki okładzinowe żołądka. Natomiast kiedy stężenie kwasu solnego w żołądku spada, obniża się również poziom NO. [30]

Stężenie tlenku azotu w żołądku jest znacznie wyższe od tego, jakie jest niezbędne do relaksacji naczyń krwionośnych. W żołądku tlenek azotu ma głównie działanie bakteriostatyczne. Uczestniczy także w regeneracji błony śluzowej i reguluje przepływ krwi w jej obrębie. Odpowiedni poziom tlenku azotu pomaga eliminować niekorzystne skutki niedokrwienia oraz zapobiega uszkodzeniom śluzówki spowodowanych nadkwasotą. [30,31]

4.7. Wpływ tlenku azotu na narządy miednicy mniejszej

Tlenek azotu odgrywa istotną rolę w regulacji napięcia naczyń krwionośnych w miednicy mniejszej. Liczne badania na zwierzętach potwierdzają, że przepływ krwi przez narząd rodny u zwierząt ulega znacznym zmianom w przebiegu cyklu rujowego. W naczyniach krwionośnych miednicy mniejszej NO jest uwalniany z trzech źródeł. Są to komórki śródbłonka, włókna nerwowe oraz komórki mięśni gładkich naczyń krwionośnych. Zwiększenie ilości tlenku azotu powoduje rozszerzenie naczyń i w efekcie wzrost przepływu krwi przez macicę. [35]

Aktywność NOS stymulują m.in. estrogeny. Ich działanie jest znacznie silniejsze w fazie pęcherzykowej niż w fazie lutealnej cyklu. Prawdopodobnie jest to wynik lokalnego wzrostu stosunku estrogenów do progesteronu w fazie pęcherzykowej. W efekcie przepływ krwi przez macicę zwiększa się. Natomiast faza lutealna charakteryzuje się ograniczeniem aktywności NOS i spadkiem ilości tlenku azotu. [35]

Odpowiedni poziom tlenku azotu w dużym stopniu warunkuje prawidłową funkcję wydzielniczą jajników oraz może wpływać na prawidłowy przebieg ciąży. Dokładne poznanie roli tego związku w regulacji funkcji narządu rodnego może być podstawą poszukiwania nowych metod diagnostycznych, jak również preparatów farmakologicznych kontrolujących przebieg cyklu menstruacyjnego. [35]

4.8. Wpływ tlenku azotu na erekcję

Tlenek azotu odgrywa istotną rolę w zachowaniu homeostazy naczyń w penisie. Jest ważnym elementem utrzymania napięcia oraz przepływu krwi w odpowiedzi na bodźce nerwowe, hormonalne i mechaniczne. Komórki śródbłonka syntetyzują związki wpływające na średnicę naczyń krwionośnych. Wzwód prącia zależy od równowagi między czynnikami zwężającymi i rozszerzającymi naczynia. Głównym związkiem odpowiedzialnym za skurcz i rozkurcz ciał jamistych i mięśni gładkich naczyń krwionośnych jest tlenek azotu. [38]

W prąciu największą aktywność wykazują nNOS i eNOS. Neuronalna synteza tlenku azotu odbywa się w zakończeniach neuronów ciał jamistych, jak również w gałęziach nerwów grzbietowych prącia i splotów nerwowych tętnic jamistych. Tlenek azotu uwalniany jest pod wpływem działania hormonów, m.in. testosteronu. Natomiast endotelialna syntaza tlenku azotu znajduje się w przestrzeniach jamistych i w śródbłonku tętnic ślimakowych. Tlenek azotu syntetyzowany przez eNOS uwalniany jest w odpowiedzi na odkształcenia ścian naczyń wywołane przez wzrost przepływu krwi i ciśnienia w prąciu. Niewystarczająca produkcja tlenku azotu leży u podstaw zaburzeń erekcji. [38]

4.9. Wpływ tlenku azotu na metabolizm kości

Tlenek azotu jest produkowany w kościach przez osteoblasty i osteoklasty. Osteoblasty są odpowiedzialne za budowę tkanki kostnej, natomiast osteoklasty to komórki uczestniczące w jej resorpcji. Tlenek azotu wytwarzany jest także przez komórki chrzęstne (chondrocyty). Jego uwalnianie zachodzi w odpowiedzi na aktywację eNOS. W prawidłowo funkcjonującej tkance kostnej poziom tlenku azotu jest niewielki. Jest on jednak wystarczający do stymulacji metabolizmu komórek kostnych. Już niewielkie, lokalne zmiany w tkance (np. nacisk wywierany na szkielet) prowadzą do aktywacji eNOS i wzrostu poziomu komórkowego tlenku azotu. Skutkuje to zwiększeniem działania osteoblastów i ograniczeniem aktywności osteoklastów, co sprawia, że procesy kościotworzenia przeważają nad resorpcją tkanki kostnej. [36]

W trakcie rozwoju tkanki kostnej tlenek azotu jest również produkowany przy udziale iNOS. Proces ten trwa do momentu zakończenia dojrzewania komórek kostnych. Jednak synteza tlenku azotu przez iNOS może zostać wznowiona w niektórych stanach patologicznych. Szczególnie wzmożona aktywność iNOS dotyczy stanów zapalnych, kiedy obecność cytokin wymusza na komórkach kości nadprodukcję NO. [36]

Kości są silnie unerwione i unaczynione. Obecne w śródbłonku naczyń i w zakończeniach neuronów NOS powodują wzrost uwalniania tlenku azotu. Efektem jest zwiększenie jego stężenia w środowisku kostnym. Przedłużający się stan wzmożonej produkcji tlenku azotu oraz jego wysoki poziom w cytoplazmie i w przestrzeni międzykomórkowej sprzyja apoptozie komórek kostnych. [36]

5. Tlenek azotu w patofizjologii wybranych chorób

5.1. Choroby układu krążenia

Tlenek azotu rozszerza naczynia krwionośne, co skutkuje wzrostem przepływu krwi oraz spadkiem oporu obwodowego w układzie krążenia. W przypadku nadciśnienia tętniczego często dochodzi do dysfunkcji śródbłonka naczyń. Efektem jest zmniejszenie biodostępności NO, który po uwolnieniu jest inaktywowany przez wolne rodniki tlenowe. Powoduje to zwiększone wytwarzanie nadtlenoazotynów i innych reaktywnych form tlenu. Dochodzi także do nasilenia syntezy czynników zwężających naczynia krwionośne, takich jak endoteliny, angiotensyna II czy tromboksan A2. Sprzyja to zwiększeniu oporu obwodowego i utrwaleniu nadciśnienia tętniczego. W procesach tych ważną rolę odgrywają oksydazy, których aktywność wzrasta w nadciśnieniu tętniczym. Nadal jednak kwestią sporną jest to, czy zaburzona czynność śródbłonka jest przyczyną tego schorzenia czy jego skutkiem. [24]

W przypadku miażdżycy również dochodzi do zmniejszenia dostępności NO w wyniku dysfunkcji śródbłonka. Miażdżyca rozwija się głównie w tętnicach o upośledzonym uwalnianiu NO przez komórki śródbłonka. Spadek stężenia NO sprzyja przyleganiu i agregacji płytek krwi, proliferacji mięśni gładkich, skurczom mięśni gładkich ścian naczyń oraz nasileniu utleniania lipoprotein. [25]

5.2. Astma

Nadmiar endogennego tlenku azotu jest jednym z czynników zapalenia dróg oddechowych i rozwoju ast­my. Pro­ce­sy za­pal­ne obej­mu­ją cen­tral­ne i ob­wo­do­we dro­gi od­de­cho­we. U pacjentów zmagających się z astmą stę­że­nie NO w wydychanym po­wie­trzu jest wyż­sze niż w gru­pie osób zdrowych. Do zwiększonego uwalniania tego gazu przez płuca dochodzi w wy­ni­ku dy­fu­zji za­cho­dzą­cej w dro­gach od­de­cho­wych. Dlatego też tlenek azotu został zakwalifikowany do grupy bio­mar­kerów pozwalających wy­kry­ć stan za­pal­ny dróg od­de­cho­wych. Oznaczenie jego poziomu pozwala ustalić sto­pień cięż­ko­ści ast­my oraz pomaga mo­ni­to­ro­wać od­po­wiedź organizmu na le­cze­nie. [10]

Pomiar stężenia tlen­ku azo­tu w wy­dy­cha­nym po­wie­trzu mo­że być także uży­tecz­nym na­rzę­dziem w ocenie eozy­no­fi­lo­we­go za­pa­le­nia dróg od­de­cho­wych, które jest jednym z objawów rozwijającej się ast­my oskrze­lo­wej. U osób z prze­wle­kły­mi ob­ja­wa­mi astmy i zwięk­szo­ną ilo­ścią eozy­no­fi­lów w wydzielinach płucnych poziom tlenku azotu jest wyższy niż u osób zdrowych. Ponadto eozy­no­fi­lia tkan­ko­wa może wskazywać na utrzy­my­wa­nie się prze­wle­kłe­go za­pa­le­nia w dro­gach od­de­cho­wych mi­mo bra­ku wyraźnych ob­ja­wów astmy. [10]

Poziom stężenia tlen­ku azo­tu w wy­dy­cha­nym po­wie­trzu służy również do określania fenotypu pa­cjen­tów z ast­mą. Umoż­li­wia wy­od­ręb­nie­nie pa­cjen­tów z ast­mą oporną na działanie glikokortykosteroidów i obecnością lub brakiem prze­wle­kłej eozy­no­fi­lii. Po­zwa­la też na ocenę stopnia zaawansowania ast­my. [11]

5.3. Choroby układu nerwowego

Zaburzenia działania tlenku azotu wpływają na apoptozę neuronów i rozwój procesów neurodegeneracyjnych. Związane jest to cytotoksycznym działaniem kompleksów NO-mitochondria, które powodują uszkodzenia DNA komórek nerwowych. [16] Z jednej strony nadmiar tlenku azotu, związany z pobudzeniem receptorów NMDA, hamuje zużycie tlenu przez tkankę nerwową i prowadzi do obumierania neuronów. [9] Z drugiej strony nadmierna stymulacja receptorów NMDA prowadzi do zahamowania mitochondrialnego łańcucha oddechowego przez nadmiar NO, co powoduje spadek stężenia ATP. W konsekwencji dochodzi do zaburzenia działania pomp jonowych, obniżenia potencjału błony mitochondrialnej i otwarcia zależnych od napięcia kanałów jonowych. [32] Zmiany stężenia NO wywołane zwiększoną aktywacją układu glutaminergicznego obserwuje się głównie wzdłuż pętli trójsynaptycznej hipokampa (obejmującej regiony CA1 i CA3 oraz obszar zakrętu zębatego), a także w korze mózgowej i w prążkowiu. [9]

Tlenek azotu bierze udział w procesach powstawania zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, stwardnienie zanikowe boczne i choroba Huntingtona, oraz w niedokrwiennych uszkodzeniach mózgu. Upośledzenie funkcjonowania OUN w chorobach neurodegeneracyjnych jest silnie skorelowane ze wzrostem ekspresji nNOS i zwiększeniem poziomu tlenku azotu w tkance mózgowej. [9]

Patologiczna rola NO wiąże się z wydzielaniem katecholamin i cytokin prozapalnych oraz z nieprawidłowym działaniem NOS. Izoformy NOS aktywują białka amyloidowe, przyczyniając się do postępu choroby. Jednocześnie beta-amyloidy modulują działanie NOS. Neurotoksyczność tlenku azotu wynika także z pośrednich reakcji S-nitrozylacji białek. Zmodyfikowane białka nasilają odkładanie się blaszek beta-amyloidowych w mózgu, a tempo ich agregacji jest znacznie przyspieszone. Efektem jest wzrost stresu oksydacyjnego i ostatecznie śmierć komórek nerwowych. [9]

5.4. Schorzenia układu wzroku

Syntazy tlenku azotu obecne są w komórkach warstwy jądrowej wewnętrznej, w komórkach amakrynowych oraz w fotoreceptorach siatkówki. Wydzielane są również przez komórki Mullera pod wpływem kontaktu z endotoksynami bakteryjnymi i cytokinami. Tlenek azotu bierze udział w patomechanizmie alergicznego zapalenia spojówek. Jest także jednym z czynników rozwoju jaskry i zaćmy [20]

Tlenek azotu produkowany jest w ostrej fazie stanu zapalnego przez komórki śródbłonka naczyń przedniego odcinka oka. Związek ten, wraz z uwalnianą przez śródbłonek endoteliną, bierze udział w procesach produkcji łez i w mechanizmach jej odpływu. Bezpośrednie działanie tlenku azotu powoduje rozluźnienie struktury kanału łzowego. Tym samym wpływa on na problemy z utrzymaniem ciśnienia wewnątrzgałkowego. [21] Zmiany ciśnienia wewnątrzgałkowego na poziomie przedniego odcinka oka obserwuje się często u pacjentów z zaćmą i jaskrą pierwotną zamkniętego kąta. U tych osób stężenie NO w płynie łzowym jest wyższe niż u osób zdrowych. [22] Rola tlenku azotu w patomechanizmie tych schorzeń jest dwojaka. Z jednej strony NO powoduje relaksację elementów kąta przesączania, ułatwia odpływ płynu łzowego oraz działa rozszerzająco na naczynia. Tym samym reguluje przepływ krwi w siatkówce i w części głowowej nerwu wzrokowego. Z drugiej strony nadmierna aktywacja NOS doprowadza do intensyfikacji apoptozy komórek zwojowych siatkówki i do rozwoju objawów jaskry i zaćmy. [23]

5.5. Nowotwory

Tlenek azotu stymuluje procesy nowotworzenia. Jest promotorem powstawania karcenogennych nitrozoamin. Powoduje także N-nitrozylację pierwszorzędowych aryloamin nukleotydów, co prowadzi do nasilenia mutagennego działania tlenku azotu. Produkty bezpośredniego utlenienia NO również są rodnikami zwiększającymi aktywność procesów nowotworzenia. Tlenek azotu przyczynia się do rozwoju procesu nowotworowego poprzez uszkodzenia łańcucha DNA, zaburzenie procesów jego replikacji i transkrypcji, jak również poprzez obniżenie odpowiedzi immunologicznej i indukcję angiogenezy. Prawdopodobnie związek ten bierze także udział w powstawaniu przerzutów do innych tkanek. Immunosupresyjne działanie NO polega na obniżeniu proliferacyjnej odpowiedzi limfocytów na mitogeny lub przeciwciała. [28]

5.6. Wstrząs septyczny

Wstrząs septyczny to objaw posocznicy, zwanej potocznie sepsą. Występuje w wyniku zakażenia organizmu, kiedy dochodzi do wyczerpania mechanizmów odpornościowych ustroju. Wstrząs septyczny powoduje zaburzenie perfuzji tkankowej i niedotlenienie komórek. [33] W chorobie tej występuje nieadekwatnie wysoka produkcja tlenku azotu w śródbłonku naczyń. Dochodzi do jego uszkodzenia i wzrostu poziomu wolnych rodników tlenowych. Powoduje to nasilenie objawów wstrząsu, takich jak problemy z utrzymaniem prawidłowego ciśnienia krwi, zaburzenia rytmu serca i dysfunkcje narządów wewnętrznych. Jednocześnie w innych obszarach ciała dostępność NO może być obniżona na skutek zablokowania działania wszystkich trzech form NOS. Nasila to ryzyko powikłań i zgonu. [26,34]

5.7. Stany zapalne jamy ustnej

Jama ustna stanowi bardzo zróżnicowane i unikalne środowisko dla drobnoustrojów. Stany zapalne przyzębia i dziąseł, utrata zębów czy stosowanie produktów protetycznych w dużym
stopniu wpływają na zmiany w mikroflorze jamy ustnej, stwarzając środowisko sprzyjające rozwojowi bakterii i grzybów. Zmianom zapalnym towarzyszy podwyższony poziom tlenku azotu. U osób zmagających się z procesami zapalnymi w jamie ustnej poziom tlenku azotu w wydychanym powietrzu jest wyższy niż u osób zdrowych. Dlatego też pomiar stężenia NO w wydychanym powietrzu jest korzystną metodą diagnozowania i monitorowania stanów zapalnych jamy ustnej. [37]

6. Potencjał farmakoterapeutyczny tlenku azotu

W przebiegu choroby wieńcowej czy w schorzeniach układu żołądkowo-jelitowego i moczowo-płciowego często dochodzi do zmniejszenia wytwarzania NO. Ilość tlenku azotu może być kompensowana przez stosowanie odpowiednich leków, zwanych donorami tlenku azotu. Zalicza się do nich azotany organiczne, molsydominę oraz nitroprusydek sodu. Leki zawierające tlenek azotu stosowane są m.in. u mężczyzn z zaburzeniem erekcji. Nowe farmaceutyki są połączeniem tlenku azotu z niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi (NLPZ), paracetamolem lub sterydami. Pierwotnie kompleksy NO z innymi substancjami czynnymi miały zmniejszać toksyczność leków. Z czasem okazało się, iż nie tylko są bardziej skuteczne, ale wykazują również dodatkowe, pozytywne właściwości, m.in. przeciwnowotworowe. [7] Tlenek azotu stosuje się również u przedwcześnie urodzonych noworodków z hipoksyjną niewydolnością oddechową oraz u pacjentów kardiologicznych z nadciśnieniem płucnym. Pod jego wpływem poprawia się ciśnienie tętnicze i wzrasta natlenienie krwi. [39]