Bioaktivierung von Nitroglycerin

Nitroglycerin (Glyceroltrinitrat, GTN) wird seit mehr als 130 Jahren zur Therapie der Koronaren Herzkrankheit eingesetzt, die durch ungenügende Sauerstoff-Versorgung des Herzens entsteht. Die klinische Wirkung von GTN und anderer organischer Nitrate beruht auf der Erweiterung von Blutgefäßen. Bei niedriger Dosierung, werden vor allem Venen dilatiert, was zu einer Verminderung der kardialen Vorlast und des Sauerstoffverbrauchs führt. Höhere Dosen bewirken zusätzlich eine Erniedrigung des peripheren Widerstands und des Herzzeitvolumens, was eine Verminderung von diastolischem und systolischem Blutdruck zur Folge hat. Trotz der erheblichen therapeutischen Bedeutung der organischen Nitrate, ist deren molekularer Wirkmechanismus noch immer unklar und widersprüchlich. Es ist bekannt, dass durch Bioaktivierung von GTN Stickstoffmonoxid (NO) oder eine NO-artige Verbindung entsteht, die durch Aktivierung der löslichen Guanylyl-Cyclase (sGC) vermehrte Bildung von cGMP und damit eine Dilatation der glatten Gefäßmuskulatur auslöst. Keiner der in den vergangenen Jahrzehnten vorgeschlagenen Reaktionswege kann die vaskuläre NO-Freisetzung aus GTN ausreichend erklären. Kürzlich identifizierten aber Dr. Stamler und Mitarbeiter (Duke University, Durham, U.S.A.) mitochondriale Aldehyd- Dehydrogenase (mtALDH) als sehr effizientes GTN-metabolisierendes Enzym [Chen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 8306-11, 2002]. Da etablierte (allerdings nicht-selektive) mtALDH-Inhibitoren die GTN-induzierte cGMP-vermittelte Gefäßerweiterung verminderten, schlugen die Autoren mtALDH als Schlüsselenzym der GTN- Bioaktivierung vor. Trotz enthusiastischer Aufnahme dieser Arbeit, unter anderem durch den Nobelpreisträger Dr. Louis Ignarro [Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 7816-7, 2002], kann die Studie nicht erklären, wie die mtALDH- katalysierte Umsetzung von GTN zu biologisch inaktivem Nitrit eine sGC-Aktivierung zur Folge haben könnte. Diese Frage soll im Rahmen des vorliegenden Projektes beantwortet werden. Um der unklaren Identität des aktiven (NO-artigen) Intermediats Rechnung zu tragen, soll isolierte sGC als hochsensitiver Sensor für die Bioaktivität von GTN benutzt werden. Die Funktion von mtALDH wird durch Ko-Inkubation des rekombinanten menschlichen Leberenzyms (zur Verfügung gestellt von Dr. Wing Ming Keung, Harvard University, Boston, U.S.A.) mit sGC untersucht, wobei die cGMP-Bildung in Anwesenheit von unterschiedlichen mtALDH-Kofaktoren und -Substraten gemessen wird. Untersuchungen mit isolierten Mitochondrien sollen die mögliche Beteiligung der Atmungskette an der Umwandlung von Nitrit in die bioaktive Spezies klären. Die sGC-Aktivitäts-Daten sollen mit der Bildung von 1,2- und 1,3-Glyceroldinitrat und mit der unter identischen Bedingungen gemessenen NO-Freisetzung verglichen werden. Darüber hinaus sollen die Effekte potenter, selektiver mtALDH-Inhibitoren auf die glattmuskuläre Relaxation untersucht werden. Die vorgeschlagenen Arbeiten sollten neue Erkenntnisse über die der biologischen Wirkung von GTN und anderen organischen Nitraten zugrunde liegenden molekularen Mechanismen liefern. Diese Ergebnisse hätten weitreichende Implikationen für die Nitrattherapie und die Entwicklung neuer Medikamente zur Therapie der Angina pectoris und anderer kardiovaskulärer Erkrankungen.

Nitroglycerin (Glyceroltrinitrat, GTN) und andere organische Nitrate ("Nitrovasodilatatoren") werden seit mehr als 130 Jahren in der Therapie der Koronaren Herzkrankheit (Angina pectoris) und des akuten Herzinfarkts eingesetzt. Diese Krankheitsbilder enstehen durch ungenügende Sauerstoff-Versorgung des Herzmuskels. Der therapeutische Effekt der organischen Nitrate beruht auf Erweiterung großer Koronararterien und großer Venen, wodurch das Herz entlastet und dessen Durchblutung verbessert wird. Trotz der erheblichen therapeutischen Bedeutung der organischen Nitrate, ist deren molekularer Wirkmechanismus noch immer unklar und widersprüchlich. Es ist bekannt, dass durch Bioaktivierung von GTN Stickstoffmonoxid (NO) oder eine NO-artige Verbindung entsteht, die durch Aktivierung der löslichen Guanylyl-Cyclase (sGC) vermehrte Bildung von cGMP und damit eine Erweiterung der glatten Gefäßmuskulatur auslöst. Keiner der in den vergangenen Jahrzehnten vorgeschlagenen Reaktionswege kann allerdings die vaskuläre NO-Freisetzung aus GTN ausreichend erklären. Kürzlich identifizierten aber Dr. Stamler und Mitarbeiter in den U.S.A. mitochondriale Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH2) als sehr effizientes GTN-metabolisierendes Enzym, es blieb allerdings unklar, ob ALDH2 tatsächlich das Schlüsselenzym der GTN-Bioaktivierung ist. Im Zuge dieses Projekts benutzten wir gereinigte sGC als hochsensitiven Detektor für die mitochondriale Umsetzung von GTN zu NO oder einer NO-ähnlichen bioaktiven Spezies. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ALDH2 für den biologischen Effekt von niedrigen, therapeutisch relevanten Konzentrationen von GTN essentiell ist. Das Hauptprodukt der Reaktion ist anorganisches Nitrit, das vermutlich durch Cytochrom c-Oxidase, dem terminalen Enzym der mitochondrialen Atmungskette, zu bioaktivem NO reduziert wird. Wir konnten auch zeigen, dass ALDH2 im Zuge der katalytischen Reaktion mit GTN durch Oxidation kritischer Cystein-Reste inaktiviert wird. Diese Mechanismus-basierte Inaktivierung des Enzyms durch GTN und andere organische Nitrate bietet möglicherweise eine Erklärung auf molekularer Ebene für die Entstehung der Nitrattoleranz, einem Phänomen, dass durch Verlust der therapeutischen Wirkung organischer Nitrate nach kontinuierlicher Applikation charakterisiert ist. Die Ergebnisse dieses Projekts sollten daher neue therapeutische Möglichkeiten zur Verhinderung der Nitrattoleranz im Menschen aufzeigen und zur Entwicklung verbesserter Nitrovasodilatatoren beitragen.