Neue Erkenntnisse zur vasoprotektiven Wirkung des NO-Donors PETN

Organische Nitrate und andere Stickstoffmonoxid(NO)-Donoren haben seit der Einführung von ACE-Hemmern, CSE-Hemmern und Angiotensin-II-Rezeptorantagonisten ihre führende Rolle bei der medikamentösen Basistherapie von Patienten mit Koronarsyndrom zu einem großen Teil verloren. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in der nachlassenden antianginösen Wirkung bei der Dauertherapie mit Langzeitnitraten, einem Phänomen, das als Nitrattoleranz bekannt ist. Eine Vielzahl von experimentellen und Humanstudien, die im Verlauf der letzten 10 bis 15 Jahre publiziert wurden, hat nunmehr gezeigt, dass sich Pentaerythrityltetranitrat (PETN) von anderen Nitraten unterscheidet. Toleranzeffekte wurden nicht oder nur in geringem Maße beobachtet. Ursache für die Toleranzfreiheit ist nach dem heutigen Wissensstand die Fähigkeit von PETN, die Synthese antioxidativ wirksamer Proteine zu induzieren. Über diese erst in jüngerer Zeit entdeckten und im Folgenden näher beschriebenen Signalwege scheinen auch andere vasoprotektive Effekte vermittelt zu werden, die für PETN spezifisch sind.

Die für die Hämoxygenase-1 (HO-1) und Ferritin kodierenden Gene sind induzierbar. Die beiden Proteine und ihre Produkte wirken antioxidativ und zellprotektiv. Dies konnte in Untersuchungen mit Antisense- und Knock-out-Modellen, aber auch in Studien mit Patienten mit entsprechenden Gendefekten gezeigt werden. Die protektive und antiinflammatorische Wirkung der Hämoxygenase-1 manifestiert sich in der Gefäßwand, aber auch in nicht vaskulärem Gewebe [1].

Die Hämoxygenase-1 katalysiert den Abbau von Häm (Abb. 1). Endprodukte dieser Reaktion sind Bilirubin und Kohlenmonoxid (CO). Bilirubin zeigt im Bereich physiologischer Plasmakonzentrationen antioxidative Wirkung. Neuere Arbeiten weisen Bilirubin eine dem High-Density-Lipoproteine vergleichbare Funktion als Marker und Mediator gefäßschützender, antiatherogener Effekte zu [2]. In Übereinstimmung mit diesen Befunden haben Patienten mit Gilbert’s Disease (Morbus Meulengracht), deren Bilirubin-Konzentration aufgrund einer Abbaustörung leicht erhöht ist, ein signifikant erniedrigtes kardiovaskuläres Risiko [3]. Eine pharmakologisch herbeigeführte Induktion des Hämoxygenase-1/Ferritin-Systems scheint vor diesem Hintergrund ein möglicher Ansatz zur Vermeidung und/oder unterstützenden Behandlung kardiovaskulärer sowie anderer Erkrankungen zu sein, bei denen oxidativer Stress oder inflammatorische Prozesse eine pathogenetisch bedeutsame Rolle spielen.

Als Langzeitnitrat besitzt der NO-Donor PETN antiischämische und gefäßerweiternde Wirkung. PETN entfaltet in biologischen Systemen darüber hinaus Substanzeigenschaften, die dem Funktionsprofil der Hämoxygenase-1 und von Ferritin ähneln: PETN induziert antiatherogene und antioxidative Effekte, wobei die zugrunde liegenden zellulären Mechanismen lange Zeit nicht geklärt werden konnten [4, 5]. Ergebnisse an kultivierten Endothelzellen durchgeführter In-vitro-Sudien zeigten, dass die Hämoxygenase-1 und Ferritin durch PETN und dessen aktive Metabolite induziert werden und als Mediatoren zellprotektiver PETN-Effekte fungieren [6, 7]. Andere Langzeitnitrate wie Isosorbiddinitrat (ISDN) blieben unter diesen Bedingungen wirkungslos. Dass PETN nicht nur in der Gefäßwand, sondern auch im Plasma im Gegensatz zu anderen Nitraten keine prooxidative, sondern eher antioxidative Wirkungen entfaltet, wurde bereits in den 1990er Jahren gezeigt [5]. Nach neueren Untersuchungen scheint PETN die Hämoxygenase-1 in Makrophagen zu induzieren [8], ein Befund, der mit den Ergebnissen von Dikalov et al. [5] im Einklang steht. Interessanterweise wurde die Hämoxygenase-1 in Makrophagen auch als Zielstruktur und Mediator gewebeprotektiver Effekte von CSE-Hemmern identifiziert [9]. Dieser Befund spricht für eine mögliche therapeutische Relevanz dieses Signalwegs bei der Prävention atherogener und anderer inflammatorischer Prozesse.

Ergebnisse in jüngerer Zeit durchgeführter Studien haben bestätigt, dass die Wirkung von PETN weitgehend toleranzfrei ist. Als Ursache für die nachlassende vasodilatierende und antianginöse Wirkung unter einer Therapie mit organischen Nitraten gilt die vermehrte Bildung von Sauerstoffradikalen im Endothel und die beschleunigte NO-Inaktivierung. Im Gegensatz zu anderen Nitraten führt PETN nicht zu einer Stimulation der Radikalbildung. Dieser Befund wurde in vitro, in vivo und in mehreren Humanstudien dokumentiert [10–16]. Offenbar kommt der Hämoxygenase-1 hierbei eine Schlüsselfunktion zu: Die kausale Verknüpfung von Hämoxygenase-1-Expression und Toleranzvermeidung lässt sich aus einer im August 2007 publizierten Arbeit von Wenzel et al. ableiten [15]. Unter dem Einfluss von Hemmstoffen der Hämoxygenase-1 kommt es auch nach Gabe von PETN zu Toleranzeffekten, während Hämoxygenase-1-Induktoren wie auch beispielsweise Häm (Abb. 1) eine Toleranzentwicklung durch Glyceroltrinitat verhindern. Zusätzlich zur antioxidativen Wirkung des Hämoxygenase-1-Produkts Bilirubin können die cGMP-stimulierenden und vasodilatierenden Eigenschaften des Hämoxygenase-1-Produkts CO (Abb. 1) einer vaskulären Toleranzentwicklung entgegenwirken. Antiatherogene und antioxidative Effekte lassen sich ebenfalls durch Hämoxygenase-1-Gentransfer induzieren, während die Abwesenheit eines funktionalen für Hämoxygenase-1 kodierenden Gens massive vaskuläre Schäden und Fehlfunktionen zur Folge hat [1, 17].

Diese Befunde weisen der Hämoxygenase-1 eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gefäßintegrität zu und lassen die zukünftige Bedeutung dieses Proteins als Zielstruktur bei der Prävention und Therapie entzündlicher Gefäßerkrankungen erkennen. Es wäre vorstellbar, dass die Aktivierung dieser zell- und gefäßprotektiven Signalwege durch PETN auch die Progredienz der koronaren Herzkrankheit beeinflusst (siehe Kasten).

Als endotheliale Vorläufer- oder Progenitorzellen werden im Blut zirkulierende Zellen bezeichnet, die die Fähigkeit besitzen, zu Endothelzellen zu differenzieren. Endotheliale Vorläuferzellen tragen die für Vorläuferzellen spezifischen Oberflächenmarker und besitzen charakteristische Endothelzellproteine. Schädigungen der Endothelschicht durch kardiovaskuläre Risikofaktoren führen bei fehlender Regeneration der Endothelzelle zur Entstehung atherosklerotischer Läsionen. Aus dem Knochenmark stammende endotheliale Progenitorzellen sind an der Regeneration der Endothelzellschicht (Reendothelialisierung) und an der Neubildung von Blutgefäßen (Neovaskularisation, Vaskulogenese) beteiligt. Eine rasche Reendothelialisierung führt zu einer Hemmung der Proliferation von Gefäßmuskelzellen und begünstigt so die Prognose nach Stenting oder Ballonkatheterverletzung. Kardiovaskuläre Risikofaktoren wie Diabetes mellitus oder Hypercholesterolämie haben einen negativen Effekt auf Anzahl und Funktion von endothelialen Vorläuferzellen. In Übereinstimmung mit diesen Befunden weisen Patienten mit einer sehr niedrigen Blutkonzentration an endothelialen Vorläuferzellen ein erhöhtes kardiovaskuläres Risiko auf.

Neben der Anzahl endothelialer Vorläuferzellen ist deren Funktion ein wichtiger Parameter für die Regenerationsfähigkeit des Endothels. In einer vergleichenden tierexperimentellen Studie wurden die Wirkungen von PETN und ISDN auf endotheliale Vorläuferzellen untersucht. Beide Nitrate führten zu einer Steigerung der Blutkonzentration endothelialer Vorläuferzellen, unterschieden sich aber in ihrer Wirkung auf die Funktion dieser Zellen. Unter dem Einfluss von PETN wurde eine vermehrte Migration und Inkorporation von endothelialen Vorläuferzellen in Gefäßwandstrukturen beobachtet, während sich diese Parameter nach Behandlung mit ISDN verschlechterten [18]. Die Beeinträchtigung der Funktion endothelialer Vorläuferzellen durch ISDN scheint eine Folge von oxidativem Stress zu sein, der bei PETN aufgrund der spezifischen Aktivierung antioxidativer Signalwege nicht zum Tragen kommt [18].

Protektive und funktionsverbessernde Effekte gegenüber endothelialen Vorläuferzellen könnten bei einer Vielzahl von kardiovaskulären Erkrankungen, die mit unterschiedlichen Ausprägungen von endothelialer Dysfunktion einhergehen, therapierelevant sein.

Der Begriff Vaskulogenese beschreibt die Neubildung von Gefäßen aus sich in situ differenzierenden Angioblasten und zirkulierenden endothelialen Vorläuferzellen. Daneben gibt es auch die Gefäßneubildung durch Teilungsaktivitäten bereits differenzierter Endothelzellen, beispielsweise durch Aussprossen von Kapillaren (Angiogenese). Ergebnisse von In-vitro-Studien haben gezeigt, dass PETN die Teilungsaktivität kultivierter Endothelzellen steigert (Abb. 2), während ISDN unter diesen Bedingungen wirkungslos ist (Abb. 3).

Bestätigen sich diese Befunde in Humanstudien, würde dies bedeuten, dass PETN über zwei unabhängige Wege eine Regenerierung des Endothels bewirken kann. Neben der Vermehrung und Funktionsverbesserung von endothelialen Vorläuferzellen käme es auch zu einer Reendothelialiserung durch Proliferation adulter, differenzierter Endothelzellen [19]. Eine Mediatorfunktion der Hämoxygenase-1 bei angiogenetischen Prozessen wurde in unterschiedlichen In-vitro- und In-vivo-Modellen beschrieben [20–22]. Zukünftige Studien werden zeigen, ob eine Induktion der Hämoxygenase-1 auch für die PETN-vermittelten Effekte auf endotheliale Vorläuferzellen und die endotheliale Proliferation verantwortlich ist.

Experimentelle Untersuchungen und Humanstudien haben ergeben, dass PETN im Gegensatz zu anderen NO-Donoren die Funktion des Endothels sowie endothelialer Progenitorzellen verbessert und frei von Toleranzentwicklung ist. Die Induktion des für die Hämoxygenase-1 kodierenden Gens ist ein möglicher Mechanismus für die vasoprotektiven Effekte von PETN. Ein kausaler Zusammenhang zwischen Hämoxygenase-1 und Toleranzfreiheit bzw. -armut konnte in jüngster Zeit dokumentiert werden. Es ist denkbar, dass die Aktivierung der Hämoxygenase-1 durch PETN auch einen günstigen Einfluss auf die Progredienz der koronaren Herzkrankheit ausübt.

Literatur

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Prof. Dr. Henning Schröder, Department of Pharmaceutics, College of Pharmacy, University of Minnesota, Weaver-Densford Hall, Room 7-101, 308 Harvard St., S.E. Minneapolis, MN 55455, USA, E-Mail: schro601@umn.edu
Dr. Stefanie Oberle-Plümpe, Institut für Pharmakologie, Toxikologie und Klinische Pharmazie, Technische Universität Braunschweig, Mendelssohnstr. 1, 38106 Braunschweig
Dr. Dirk Stalleicken, Actavis Deutschland GmbH & Co. KG, Elisabeth-Selbert-Str. 1, 40764 Langenfeld

Abb. 1. Abbau von Häm und funktionelle Bedeutung der Abbauprodukte

Potenzielle Indikationen für Hämoxygenase-1-Induktoren

• Atherosklerose
• Koronare Herzkrankheit
• Inflammatorische Prozesse
• Transplantatabstoßung
• Ischämie und Reperfusionsschäden
  
  

Abb. 2. Zeitverlauf der proliferationssteigernden Wirkung von Pentaerythrityltetranitrat (PETN) in kultivierten Endothelzellen. Die Zellzahl wurde kolorimetrisch bestimmt [nach 6, 7, 19].

Abb. 3. Effekt von Pentaerythrityltetranitrat (PETN) und Isosorbiddinitrat (ISDN) auf die Proliferation kultivierter Endothelzellen. Die Zellzahl wurde kolorimetrisch bestimmt [nach 6, 7, 19].