Re: 니트로글리세린, 유기질산염 양약 --＞ Nitric Oxide — 심혈관질환 치료 2018년

[문형철]

One major problem with the use of nitrates is

the development of tolerance.

질산염 사용의 주요 문제 중 하나는 

내성 발생

--> 발효한 엔오 대사체는 관찰결과 내성이 거의 없다!!!

J Am Coll Cardiol

. Author manuscript; available in PMC: 2018 Nov 7.

Published in final edited form as: J Am Coll Cardiol. 2017 Nov 7;70(19):2393–2410. doi: 10.1016/j.jacc.2017.09.1064

The Role of Nitroglycerin and Other Nitrogen Oxides in Cardiovascular Therapeutics

Sanjay Divakaran 1, Joseph Loscalzo 1

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PMCID: PMC5687289  NIHMSID: NIHMS908101  PMID: 29096811

The publisher's version of this article is available at J Am Coll Cardiol

Abstract

The use of nitroglycerin in the treatment of angina pectoris began not long after its original synthesis in 1847. Since then, the discovery of nitric oxide as a biological effector and better understanding of its roles in vasodilation, cell permeability, platelet function, inflammation, and other vascular processes have advanced our knowledge of the hemodynamic (mostly mediated through vasodilation of capacitance and conductance arteries) and non-hemodynamic effects of organic nitrate therapy, via both nitric oxide-dependent and independent mechanisms. Nitrates are rapidly absorbed from mucous membranes, the gastrointestinal tract, and the skin, and, thus, nitroglycerin is available in several preparations for delivery via several routes: oral tablets, sublingual tablets, buccal tablets, sublingual spray, transdermal ointment, and transdermal patch; it is also available in intravenous formulations. The organic nitrates are commonly used in the treatment of cardiovascular disease, but clinical data limit their use mostly to the treatment of angina. They are also used in the treatment of subsets of patients with heart failure and pulmonary hypertension. One major problem with the use of nitrates is the development of tolerance. Although several agents have been studied for use in the prevention of nitrate tolerance, none are currently recommended owing to a paucity of supportive clinical data. Only one method of preventing nitrate tolerance remains widely accepted: the use of a dosing strategy that provides an interval of no or low nitrate exposure during each 24-hour period. Nitric oxide’s important role in several cardiovascular disease mechanisms continues to drive research toward finding novel ways to affect both endogenous and exogenous sources of this key molecular mediator.

초록

협심증 치료에 

니트로글리세린을 사용한 것은 

1847년 니트로글리세린이 처음 합성된 지 얼마 되지 않아 시작되었습니다. 

그 이후로, 

산화질소가 

생물학적 작용제라는 사실과 

혈관 확장, 세포 투과성, 혈소판 기능, 염증, 기타 혈관 과정에서의 역할에 대한 이해가 향상되면서, 

산화질소 의존적 메커니즘과 독립적 메커니즘을 통해 

유기 질산염 요법 organic nitrate therapy의 혈역학적(주로 용량과 전도성 동맥의 혈관 확장을 통해 매개됨) 및 

비혈역학적 효과에 대한 지식이 발전했습니다. 

질산염은 

점막, 위장관, 피부에서 빠르게 흡수되기 때문에, 

니트로글리세린은 

경구용 정제, 설하정, 구강용 정제, 설하 스프레이, 경피용 연고, 경피용 패치 등 

여러 가지 제형으로 제공됩니다. 

Nitrates are rapidly absorbed from mucous membranes, the gastrointestinal tract, and the skin, and, thus, nitroglycerin is available in several preparations for delivery via several routes: oral tablets, sublingual tablets, buccal tablets, sublingual spray, transdermal ointment, and transdermal patch

니트로글리세린

아밀 아질산염 nitrite

또한 정맥 주사 제형으로도 제공됩니다. 

유기 질산염은 

일반적으로 심혈관 질환 치료에 사용되지만, 

임상 데이터에 따르면 주로 협심증 치료에 사용됩니다. 

또한, 

심부전 및 폐고혈압 환자 치료에도 사용됩니다. 

질산염 사용의 주요 문제 중 하나는 

내성 발생입니다. 

질산염 내성 예방을 위해 여러 가지 약제가 연구되었지만, 현재로서는 임상 데이터가 부족하여 권장되는 약제가 없습니다. 

질산염 내성을 예방하는 방법은 

단 한 가지뿐입니다. 

24시간 동안 질산염에 노출되지 않거나 

노출이 적은 간격을 제공하는 투약 전략을 사용하는 것입니다. 

여러 심혈관 질환 메커니즘에서 산화질소의 중요한 역할은 

이 핵심 분자 매개체의 내인성 및 외인성 공급원에 영향을 미칠 수 있는 

새로운 방법을 찾기 위한 연구를 계속 주도하고 있습니다.

Keywords: nitroglycerin, nitrate, nitric oxide, soluble guanylyl cyclase, nitrate-nitrite-NO pathway, angina

Introduction

In this review, we detail the discovery of nitroglycerin and its early use in the treatment of angina; the history of the discovery of nitric oxide, its sources, and its roles; the mechanism of action, preparations, and hemodynamic and non-hemodynamic effects of the organic nitrates, as well as their biotransformation; and the clinical uses and adverse effects of nitrate therapy, including tolerance. We conclude by outlining current and future work investigating novel modulators of the NO-sGC-cGMP pathway that may result in new therapeutic options in the treatment of cardiovascular disease.

소개

이 리뷰에서는 

니트로글리세린의 발견과 협심증 치료에 대한 초기 사용, 

산화질소의 발견 역사, 

그 출처와 역할, 

유기질산염의 작용 메커니즘, 

제제, 혈역학 및 비혈역학 효과, 그리고 

생체 내 변화에 대해 자세히 설명합니다. 

또한, 

내성을 포함한 질산염 요법의 임상적 사용과 부작용에 대해서도 설명합니다. 

마지막으로, 

심혈관 질환 치료에 새로운 치료 옵션을 제공할 수 있는 

NO-sGC-cGMP 경로의 새로운 조절 인자를 조사하는 

현재와 미래의 연구에 대해 간략히 설명합니다.

Early History of the Use of Nitrates in Coronary Artery Disease

William Heberden, MD, is credited with coining the term “angina pectoris” in 1768. Joseph Priestley, an English theologian and chemist, discovered nitric oxide six years later. It would not be until the next century, however, that nitric oxide and its congeners, organic nitrates, would be linked to the treatment of angina (1). Glyceryl trinitrate, or nitroglycerin, was first synthesized by Ascanio Sombrero in Turin, Italy. In 1847, he noted that “a very minute quantity put on the tongue produced a violent headache for several hours” (2,3). Three year earlier, the French chemist Antoine Balard synthesized amyl nitrite (2). Frederick Guthrie, an English chemist, explored the actions of amyl nitrite and published in 1859 that when it was held near the nostrils, “after a lapse of about 50 seconds, a sudden throbbing of the arteries of the neck is felt, immediately followed by a flushing of neck, temples, and forehead and an acceleration action of the heart”(4).

T. Lauder Brunton, a Scottish physician and medical scientist, first described the clinical effectiveness of amyl nitrite (2,3,5). Brunton began caring for patients with angina pectoris as a house physician at the Edinburgh Royal Infirmary (5). At the time, many treatments, including therapeutic bleeding, were being used to treat angina, largely unsuccessfully. In 1867, Brunton published the first report of the use of amyl nitrite in the treatment of angina pectoris (5,6). He explain that he believed “the relief produced by [therapeutic] bleeding to be due to the diminution it occasioned in the arterial tension” and “that a substance which possesses the power of lessening it in such an eminent degree as nitrite of amyl would probably produce the same effect, and might be repeated as often as necessary without detriment to the patient’s health”(5,6). In 1903, Charles-Émile François-Franck, a French physiologist, first suggested that amyl nitrite was a coronary vasodilator in 1903 (5).

In 1879, William Murrell described the symptomatic effects of placing drops of one percent solution of nitroglycerin in alcohol on the tongue (7). In addition to reporting that it relieved angina and prevented subsequent attacks, he also reported the symptoms he felt when he “[tried] its action on [himself]” (7,8). He described a “violent pulsation in [his] head” and noticed that his pulse was “much fuller than natural” (7). In 1914, Brunton, who originally thought angina was caused by hypertension, acknowledged that the “dilating action of amyl nitrite and nitroglycerine upon the coronary vessels would readily explain the relief they offer in angina pectoris, even in cases where the blood-pressure is normal” (5).

관상동맥질환에 질산염을 사용한 초기 역사

윌리엄 헤버든(William Heberden, MD)은

1768년에 “협심증”이라는 용어를 처음으로 사용한 것으로 알려져 있습니다.

영국의 신학자이자 화학자인 조셉 프리스트리(Joseph Priestley)는

6년 후에 산화질소를 발견했습니다.

그러나

산화질소와 그 동족체인 유기질산염이

협심증 치료에 사용되기 시작한 것은 다음 세기가 되어서였습니다(1).

글리세릴 트리니트레이트(nitroglycerin)는

이탈리아 토리노의 아스카니오 솜브레로(Ascanio Sombrero)가 최초로 합성했습니다.

그는 1847년에

“혀에 아주 소량을 바르면 몇 시간 동안 심한 두통이 생겼다”고

기록했습니다(2,3).

3년 전,

프랑스의 화학자 앙투안 발라르(Antoine Balard)가

아밀 니트라이트(amyl nitrite)를 합성했습니다(2).

영국의 화학자 프레데릭 거스리(Frederick Guthrie)는

아밀 아질산염의 작용을 연구한 후 1859년에 이를 발표했습니다.

그는

“약 50초가 지난 후, 콧구멍 근처에 아밀 아질산염을 대면,

목의 동맥이 갑자기 욱신거리는 느낌이 들며,

그 직후 목, 관자놀이, 이마가 붉어지고 심장이 가속화되는 작용이 일어난다”고 말했습니다(4).

스코틀랜드의 의사이자 의학자였던 T. Lauder Brunton은

아밀 니트라이트의 임상적 효과를 최초로 기술했습니다(2,3,5).

Brunton은

에든버러 왕립 병원의 주치의로서

협심증 환자들을 돌보기 시작했습니다(5).

당시 협심증 치료에는 치료적 출혈을 포함한 많은 치료법이 사용되었지만, 대부분 효과가 없었습니다.

1867년, 브런튼은

협심증 치료에 아밀아질산염을 사용한 최초의 보고서를 발표했습니다(5,6).

그는 “[치료적] 출혈이 유발하는 동맥 긴장의 감소로 인한 안도감”과 “아밀의 아질산염처럼 출혈을 줄이는 능력이 있는 물질이 아마도 동일한 효과를 가져올 것이며, 환자의 건강에 해를 끼치지 않고 필요한 만큼 반복될 수 있을 것”이라고 믿었다고 설명합니다(5,6).

1903년 프랑스의 생리학자 샤를 에밀 프랑수아 프랑크는

아밀 니트라이트가 관상동맥 혈관 확장제라는 것을

처음으로 제안했습니다(5).

1879년 윌리엄 머렐은

니트로글리세린 1% 용액을 알코올에 녹여 혀에 떨어뜨렸을 때

나타나는 증상적 효과를 설명했습니다(7).

협심증을 완화하고 이후의 발작을 예방했다는 보고 외에도,

그는 “[자신에게] 그 작용을 [시도]했을 때” 느꼈던 증상도 보고했습니다(7,8).

그는 “머리에서 격렬한 맥동이 느껴졌다”고 묘사했고,

맥박이 “자연스러운 것보다 훨씬 더 컸다”는 것을 알아차렸습니다(7).

1914년,

협심증이 고혈압에 의해 유발된다고 생각했던 브런튼은

“아밀아질산과 니트로글리세린이 관상동맥에 미치는 확장 작용은

혈압이 정상인 경우에도 협심증에 대한 완화를 설명할 수 있다”고 인정했습니다(5).

Nitric Oxide in the Cardiovascular System

History of Nitric Oxide

In 1975, Diamond and Holmes showed that tissue levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP) were increased in rat myometrial strips maintained in a state of sustained contracture. They demonstrated that nitroglycerin was able to relax the depolarized muscles without significantly increasing cAMP levels and, therefore, concluded that changes in total tissue levels of cAMP were not responsible for the uterine relaxation caused by nitroglycerin (9). These investigators went on to show that nitroglycerin increased cyclic guanosine monophosphate (cGMP) levels in the depolarized muscles (9). The following year, Diamond and Blisard showed that 200 μM nitroglycerin increased levels of cGMP by more than 15-fold during relaxation of isolated strips of phenylephrine-contracted canine femoral arteries while having no significant effect on cAMP levels (10). In 1977, the pharmacologist, Ferid Murad, and his colleagues published their seminal work on modulating contractility in bovine tracheal smooth muscle showing that the guanylyl cyclase activators, sodium nitrite, nitroglycerin, and sodium nitroprusside, increased cGMP levels and relaxed tracheal smooth muscle (11). They went on to demonstrate that solutions of nitric oxide (NO) gas increased cGMP activity in soluble and particulate preparations from various tissues in a dose-dependent fashion, and that NO alone and in combination with sodium azide, sodium nitrite, hydroxylamine, and sodium nitroprusside increased cGMP levels to approximately the same degree and concluded that they activate guanylyl cyclase through a “similar but undefined mechanism” (12). Later, Murad and colleagues postulated that “while the precise mechanism of guanylate cyclase activation by these agents is not known, activation may be due to the formation of NO or another reactive material since NO also increased guanylate cyclase activity” (13).

Working independently, Robert Furchgott and John Zawadzki published their observations on the importance of the endothelium in blood vessel relaxation in 1980 (2,14). They reported that acetylcholine did not always produce blood vessel relaxation in vitro, even though it was a potent vasodilator in vivo. They found that loss of relaxation in vitro was due to “unintentional rubbing of [the rabbit thoracic aorta’s] intimal surface against foreign surfaces during its preparation.” When this mechanical injury was avoided during preparation of the tissue, it always relaxed in response to acetylcholine. Therefore, they concluded that acetylcholine-mediated relaxation of vascular smooth muscle required the presence of endothelial cells (14). Furchgott and his colleagues eventually proposed that bradykinin and other molecules acting on the endothelium caused relaxation of vascular smooth muscle via a substance they termed endothelium-derived relaxing factor (EDRF) (15). The link to NO, however, was not yet appreciated (2).

Louis Ignarro and Salvador Moncada independently discovered that EDRF is NO in 1987 (2,16). After a series of experiments, Ignarro and colleagues stated that “EDRF released from artery and vein possesses identical biological and chemical properties as NO” (17,18). Moncada and colleagues suggested that EDRF and NO were “identical” as “NO released from endothelial cells is indistinguishable from EDRF in terms of biological activity, stability, and susceptibility to an inhibitor and to a potentiator” (19). Based on their collective contributions to the field, the Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to Furchgott, Ignarro, and Murad in 1998 “for their discoveries concerning NO as a signaling molecule in the cardiovascular system” (2).

심혈관계에 있는 산화질소

산화질소의 역사

1975년, 다이아몬드와 홈즈는

지속적인 수축 상태에 있는 쥐의 자궁근막 스트립에서 조

직 수준의 사이클적 아데노신 모노포스페이트(cAMP)가 증가한다는 것을 보여주었습니다.

그들은

니트로글리세린이

cAMP 수준을 크게 증가시키지 않고

탈분극된 근육을 이완시킬 수 있다는 것을 증명했고,

따라서 cAMP의 총 조직 수준의 변화가

니트로글리세린에 의한 자궁 이완의 원인이 아니라고 결론을 내렸습니다(9).

이 연구자들은 니트로글리세린이 탈분극된 근육에서 순환 구아노신 모노포스페이트(cGMP) 수치를 증가시킨다는 것을 계속해서 보여주었습니다(9). 그 다음 해, 다이아몬드와 블리사드는 200μM 니트로글리세린이 페닐에프린으로 수축된 개 대퇴 동맥의 분리된 스트립을 이완하는 동안 cGMP 수치를 15배 이상 증가시키는 반면, cAMP 수치에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었습니다(10). 1977년, 약리학자 페리드 무라드와 그의 동료들은 소의 기관지 평활근의 수축 조절에 관한 중요한 연구 결과를 발표했습니다. 이 연구에 따르면 구아니릴 사이클라제 활성화제인 아질산나트륨, 니트로글리세린, 니트로프루시드산나트륨이 cGMP 수치를 증가시키고 기관지 평활근을 이완시킨다는 사실이 밝혀졌습니다(11).

그들은

질소산화물(NO) 가스의 용해성 및 미립자 제제의 cGMP 활성을 용량 의존적으로 증가시키고,

NO 단독 및 아지드화 나트륨, 아질산나트륨, 하이드록실아민, 니트로프루시드산나트륨과 함께 사용하면

cGMP 수준을 거의 같은 정도로 증가시킨다는 것을 입증했으며,

“유사하지만 정의되지 않은 메커니즘”을 통해 구아니릴 사이클라제를 활성화한다고 결론지었습니다(12).

나중에 무라드와 동료들은 “이 물질들에 의한 구아닐레이트 사이클라제의 활성화의 정확한 메커니즘은 알려져 있지 않지만, NO의 형성이나 다른 반응성 물질에 의한 활성화일 수 있다. 왜냐하면 NO도 구아닐레이트 사이클라제 활성을 증가시키기 때문이다”라고 가정했습니다(13).

로버트 퍼치고트와 존 자와즈키는 1980년에 혈관 이완에 있어 내피의 중요성에 대한 관찰 결과를 발표했습니다(2,14). 그들은 아세틸콜린이 체내에서 강력한 혈관 확장제임에도 불구하고 체외에서 항상 혈관 이완을 일으키는 것은 아니라고 보고했습니다. 그들은 체외에서 이완이 이루어지지 않는 이유는 “토끼의 흉부 대동맥을 준비하는 과정에서 이물질에 의도치 않게 마찰이 발생했기 때문”이라고 결론지었습니다. 조직을 준비하는 과정에서 이러한 기계적 손상을 피할 수 있다면, 아세틸콜린에 반응하여 항상 이완이 이루어질 것입니다. 따라서 그들은 아세틸콜린에 의해 매개되는 혈관 평활근의 이완에는 내피세포가 필요하다고 결론지었습니다(14). Furchgott와 그의 동료들은 결국 브래디키닌과 내피에 작용하는 다른 분자들이 내피 유래 이완 인자(EDRF)라고 불리는 물질을 통해 혈관 평활근의 이완을 유발한다고 제안했습니다(15). 그러나 NO와의 연관성은 아직 인식되지 않았습니다(2).

Louis Ignarro와 Salvador Moncada는

1987년에 EDRF가 NO라는 사실을 독립적으로 발견했습니다(2,16).

일련의 실험을 거친 후, 이그나로와 동료 연구자들은 “동맥과 정맥에서 방출된 EDRF는 NO와 동일한 생물학적, 화학적 특성을 가지고 있다”고 주장했습니다(17,18). 몬카다와 동료 연구자들은 EDRF와 NO가 “동일하다”고 주장했습니다. “내피 세포에서 방출된 NO는 생물학적 활성, 안정성, 억제제 및 촉진제에 대한 민감성 측면에서 EDRF와 구별할 수 없다”고 주장했습니다(19). 이 분야에 대한 그들의 공동 기여를 바탕으로, 1998년 노벨 생리학 또는 의학상은 “심혈관계에서 NO가 신호 전달 분자로서 갖는 역할에 대한 그들의 발견”을 인정받아 퍼치고트, 이그나로, 무라드에게 수여되었습니다(2).

Sources of Nitric Oxide

Nitric oxide is a free radical that is synthesized by the family of NO synthases from L-arginine and oxygen, yielding L-citrulline as a co-product (Figure 1) (20–22). In the blood vessel wall, NO is mainly produced by endothelial NO synthase (eNOS) (22,23). However, there are two other isoforms of NO synthase (NOS) that also produce NO from L-arginine: neuronal NOS (nNOS) and cytokine-inducible NOS (iNOS) (24–26). Although eNOS is the major NOS isoform that regulates vascular function, both nNOS and iNOS are implicated as sources in certain tissues and environments (22). For example, vascular injury induces expression‎ of nNOS in the neointima and medial smooth muscle cells, and the production of iNOS within vascular smooth muscle cells after exposure to pro-inflammatory cytokines is a major cause of vasodilation in sepsis (27,28).

산화질소의 발생원

산화질소는

L-아르기닌과 산소를 NO 합성효소 계열에 의해 합성되어

L-시트룰린이 부산물로 생성되는 자유 라디칼입니다(그림 1) (20-22).

혈관벽에서 NO는

주로 내피 NO 합성효소(eNOS)에 의해 생성됩니다(22,23).

그러나

L-아르기닌으로부터 NO를 생성하는 다른 두 가지 NO 합성효소(NOS) 이소형도 있습니다:

신경성 NOS(nNOS)와 사이토카인 유도성 NOS(iNOS) (24-26).

eNOS가 혈관 기능을 조절하는 주요 NOS 이소폼이지만,

nNOS와 iNOS는 특정 조직과 환경에서

그 원인으로 간주됩니다(22).

예를 들어,

혈관 손상은 내피와 내측 평활근 세포에서 nNOS의 발현을 유도하고,

전염증성 사이토카인에 노출된 후 혈관 평활근 세포 내에서

iNOS의 생성은 패혈증에서 혈관 확장의 주요 원인입니다(27,28).

Figure 1. Sources of Nitric Oxide.

Nitric oxide is a free radical that is synthesized by the family of NO synthases from L-arginine and oxygen, yielding L-citrulline as a co-product. In the blood vessel wall, NO is mainly produced by endothelial NOS (eNOS). There are two other isoforms of NOS that also produce NO from L-arginine: neuronal NOS (nNOS) and cytokine-inducible NOS (iNOS). Additionally, bacterial flora present in the mammalian oral cavity is rich in nitrate reductases and can convert dietary sources of nitrate to nitrite. In the extremely acidic environment (pH ≤ 3) of the gastric lumen, protonation of nitrite can, in turn, produce nitrous acid, which can spontaneously decompose to nitric oxide. This pathway of NO generation is referred to as the enterosalivary nitrate circulation (nitrate-nitrite-NO pathway). NOS, nitric oxide synthase; NO, nitric oxide; NO2−, inorganic nitrite; NO3−, inorganic nitrate.

산화질소는

L-아르기닌과 산소를 통해 NO 합성효소 계열에 의해 합성되는 자유 라디칼로,

L-시트룰린이 부산물로 생성됩니다.

혈관벽에서 NO는

주로 내피 NOS(eNOS)에 의해 생성됩니다.

L-아르기닌으로부터 NO를 생성하는 다른 두 가지 NOS 이소형도 있습니다:

신경성 NOS(nNOS)와 사이토카인 유도성 NOS(iNOS).

또한

포유류의 구강 내에 존재하는 세균은

질산 환원 효소 nitrate reductases가 풍부하여

식이성 질산염을 아질산염으로 전환할 수 있습니다.

위 내강의 극도로 산성 환경(pH ≤ 3)에서

protonation of nitrite 아질산염의 양성자가 전이되면

아질산 nitrous acid이 생성되어 자연적으로 산화질소로 분해될 수 있습니다.

Additionally, bacterial flora present in the mammalian oral cavity is rich in nitrate reductases and can convert dietary sources of nitrate to nitrite. In the extremely acidic environment (pH ≤ 3) of the gastric lumen, protonation of nitrite can, in turn, produce nitrous acid, which can spontaneously decompose to nitric oxide.

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8229785/

최근 수십 년 동안 비전염성 만성 질환의 유병률이 증가하고 있습니다. 이러한 질환으로 인한 사망 원인 중 심혈관 질환(CVD)이 가장 큰 비중을 차지합니다. 이러한 관점에서, 지중해식 식단과 DASH 식단과 같이 채소와 과일의 함량이 높은 식습관이 유익한 것으로 간주되어 광범위하게 연구되고 있습니다. 그 결과, 잠재적인 치료 효과가 있을 수 있는 식물성 원료와 식품 보조제에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그 중에서도 뿌리채소인 Beta vulgaris에서 추출한 비트 뿌리즙이 많은 관심을 받고 있습니다. 비트 뿌리즙에 대한 관심의 상당 부분은 심장혈관계에 생체활성을 보이는 질산염(NO3−) 함량 때문이지만, 폴리페놀, 색소, 유기산과 같은 잠재적인 유익한 성분을 가진 다른 성분들도 존재합니다. 이러한 맥락에서, 이 리뷰 기사의 목적은 비트 뿌리와 그 파생 식품 보조제 섭취와 관련된 이점에 관한 현재의 지식을 분석하는 것입니다. 따라서 이 기사에서는 비트 뿌리와 그 파생 식품 보조제에 존재하는 주요 생체 활성 화합물로 간주되는 질산염과 베타라인에 초점을 맞춥니다.

NO 생성의 이 경로는

장내 타액성 질산염 순환(질산염-아질산염-NO 경로)이라고 합니다.

This pathway of NO generation is referred to as the

enterosalivary nitrate circulation (nitrate-nitrite-NO pathway).

NOS, 산화질소 합성효소; NO, 산화질소; NO2−, 무기 아질산염; NO3−, 무기 질산염.

S-nitrosothiols, such as S-nitrosoglutathione and S-nitrosohemoglobin, are also sources of NO (22,23). Under certain conditions, such as in the presence of trace transition metal ions or photolysis, S-nitrosothiols decompose to liberate nitric oxide (29). In addition, S-nitrosothiols can undergo trans-S-nitrosation with other thiol groups and thereby modify cell or protein function (30–32).

Several proteins, such as hemoglobin, cytochrome P450 reductase, and cytochrome P450, can catalyze the reduction of nitrite or nitrate to generate NO (22). Hemoglobin has enzymatic behavior as a nitrite reductase under hypoxic conditions and is a sensor and effector of hypoxic vasodilatation (33). Hemoglobin’s maximal nitrite reduction rate occurs when hemoglobin is 40–60% saturated with oxygen (22,33). Cytochrome P450 reductase causes NO release by reducing nitrate, and can also facilitate generation of S-nitrosothiols (34).

Bacterial flora present in the mammalian oral cavity is rich in nitrate reductases and can convert dietary sources of nitrate to nitrite. In the extremely acidic environment (pH ≤ 3) of the gastric lumen, protonation of nitrite can, in turn, produce nitrous acid, which can spontaneously decompose to nitric oxide (35,36). This pathway of NO generation is referred to as the enterosalivary nitrate circulation (nitrate-nitrite-NO pathway) (Figure 1) (37,38).

S-니트로글루타티온과

S-니트로헤모글로빈과 같은

S-니트로소티올도 NO의 원천입니다(22,23).

미량의 전이 금속 이온이 존재하거나

광분해와 같은 특정 조건에서

S-니트로소티올은 분해되어

산화질소를 방출합니다(29).

또한,

S-니트로소티올은

다른 티올 그룹과 트랜스-S-니트로소화를 일으켜

세포 또는 단백질 기능을 변화시킬 수 있습니다(30-32).

헤모글로빈, 사이토크롬 P450 환원효소, 사이토크롬 P450과 같은 여러 단백질은

아질산염 또는 질산염의 환원을 촉매하여

NO를 생성할 수 있습니다(22).

헤모글로빈은

저산소 조건에서 아질산염 환원효소로서의 효소 작용을 하며,

저산소 혈관 확장의 센서이자 효과기입니다(33).

헤모글로빈의 최대 아질산염 환원율은

헤모글로빈이 40-60%의 산소로 포화되었을 때 발생합니다(22,33).

사이토크롬 P450 환원효소는

질산염을 환원시켜 NO를 방출하고,

S-니트로소티올의 생성을 촉진할 수도 있습니다(34).

포유류의 구강 내에 존재하는 세균총은

질산염 환원효소가 풍부하여

식이성 질산염을 아질산염으로 전환할 수 있습니다.

위 내강의 극도로 산성 환경(pH ≤ 3)에서 아질산염의 양성자가 전이되면

아질산이 생성될 수 있으며,

이 아질산은 자연적으로

산화질소로 분해될 수 있습니다(35,36).

이 NO 생성 경로를

장내 타액성 질산 순환(질산-아질산-NO 경로)이라고 합니다(그림 1)(37,38).

Nitric Oxide’s Roles

Nitric oxide is a powerful vasodilator that induces formation of cGMP by activating soluble gyanylyl cyclase (sGC) in vascular smooth muscle cells (Figure 2) (12). cGMP can bind to and enhance protein kinase G activity, cGMP-gated ion channels, and cGMP-sensitive phosphodiesterases (39). Protein kinase G promotes reuptake of cytosolic calcium into the sarcoplasmic reticulum, the movement of calcium from the intracellular to the extracellular environment, and the opening of calcium-activated potassium channels (22). These changes result in relaxation of vascular tone as the reduction in intracellular calcium impairs myosin light chain kinase’s ability to phosphorylate myosin, resulting in smooth muscle cell relaxation (40).

산화질소의 역할

산화질소는

혈관 평활근 세포(그림 2)에서 수용성 기닐릴 사이클라제(sGC)를 활성화하여

cGMP의 형성을 유도하는 강력한 혈관 확장제입니다(12).

cGMP는

단백질 키나아제 G 활성, cGMP-게이트 이온 채널, cGMP-민감성 포스포디에스터라아제(39)에 결합하여

그 활성을 향상시킬 수 있습니다.

단백질 키나아제 G는

세포질 내 칼슘을 근질 소포로 재흡수하고,

세포 내 환경에서 세포 외 환경으로 칼슘을 이동시키며,

칼슘 활성화 칼륨 채널을 여는 것을 촉진합니다(22).

이러한 변화는

혈관 긴장을 완화시키는 결과를 가져옵니다.

세포 내 칼슘의 감소가

미오신 경쇄 키나아제의 미오신 인산화 능력을 손상시켜,

평활근 세포의 이완을 초래하기 때문입니다(40).

Figure 2. Regulation of Vascular Tone by Nitric Oxide.

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Nitric oxide is a powerful vasodilator that induces formation of cGMP by activating soluble sGC in vascular smooth muscle cells. cGMP can bind to and enhance protein kinase G activity, cGMP-gated ion channels, and cGMP-sensitive phosphodiesterases. Protein kinase G promotes reuptake of cytosolic calcium into the sarcoplasmic reticulum, the movement of calcium from the intracellular to the extracellular environment, and the opening of calcium-activated potassium channels. These changes result in relaxation of vascular tone as the reduction in intracellular calcium impairs myosin light chain kinase’s ability to phosphorylate myosin, resulting in smooth muscle cell relaxation.

산화질소는 

혈관 평활근 세포에서 수용성 sGC를 활성화하여 

cGMP의 형성을 유도하는 강력한 혈관 확장제입니다. 

cGMP는 

단백질 키나아제 G 활성, cGMP-게이트 이온 채널, cGMP-민감성 포스포디에스터라아제에 결합하여 

그 활성을 향상시킬 수 있습니다. 

단백질 키나아제 G는 세포질 내 칼슘을 근질성 소포체로 재흡수하고, 세포 내 환경에서 세포 외 환경으로 칼슘을 이동시키며, 칼슘 활성화 칼륨 채널을 개방하는 것을 촉진합니다. 이러한 변화는 혈관 긴장을 완화시키는 결과를 가져옵니다. 세포 내 칼슘의 감소가 미오신 경쇄 키나아제의 미오신 인산화 능력을 손상시켜, 평활근 세포의 이완을 초래하기 때문입니다.

eNOS, endothelial nitric oxide synthase; NO, nitric oxide; sGC, soluble guanylyl cyclase; GTP, guanosine triphosphate; cGMP, cyclic guanosine monophosphate; GMP, guanosine monophosphate; PDE, phosphodiesterase; Ca2+, calcium ion; cGMP-dep Kinase I, cyclic guanosine monophosphate-dependent protein kinase I; MLCK, myosin light-chain kinase; MLCP, myosin-light-chain phosphatase; MLC-Pi, phosphorylated myosin light chain; MLC, myosin light chain.

Nitric oxide has several other important roles in the vasculature. For example, when vascular endothelial growth factor (VEGF) binds to VEGF receptor-2, eNOS is activated and NO is formed (41–43). This NO is essential for VEGF function as eNOS-deficient mice have markedly reduced vascular permeability and angiogenesis (44). S-nitrosylation of β-catenin by NO modulates intercellular contacts between endothelial cells likely accounting for NO-dependent changes in endothelial permeability (41). Nitric oxide and organic nitrates also impair platelet activation and aggregation by activating platelet guanylyl cyclase and increasing intraplatelet cGMP (45–48).

Finally, better understanding of the consequences of impaired NO synthesis can yield more information regarding the importance of NO’s role in a well-functioning cardiovascular system. For example, when low levels of its essential cofactor (6R)-5,6,7,8-tetrahydrobiopterin are present, eNOS produces superoxide anion instead of NO in a process denoted enzymatic uncoupling (49). eNOS uncoupling has been observed in animal models of cardiovascular disease and in patients with cardiovascular risk factors, such as hypertension and diabetes mellitus (50,51).

산화질소는

혈관계에서 여러 가지 중요한 역할을 합니다.

예를 들어,

혈관 내피 성장 인자(VEGF)가 VEGF 수용체-2에 결합하면

eNOS가 활성화되고

NO가 형성됩니다(41-43).

eNOS가 결핍된 마우스는

혈관 투과성과 혈관 신생이 현저하게 감소하기 때문에(44),

이 NO는 VEGF 기능에 필수적입니다.

NO에 의한 β-catenin의 S-니트로실화는

내피 세포 사이의 세포 간 접촉을 조절하여

내피 투과성의 NO 의존적 변화를 설명할 수 있습니다(41).

산화질소와 유기 질산염은

또한 혈소판 구아니릴 사이클라제를 활성화하고

혈소판 내 cGMP를 증가시킴으로써 혈소판 활성화와 응집을 손상시킵니다(45-48).

마지막으로,

NO 합성 장애의 결과에 대한 이해가 깊어질수록,

잘 작동하는 심혈관계에서 NO의 역할이 얼마나 중요한지에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

예를 들어,

필수 보조인자(6R)-5,6,7,8-테트라하이드로비오테린이 낮은 수준일 때,

eNOS는 효소적 결합 해제(49)라는 과정에서

NO 대신 슈퍼옥사이드 음이온을 생성합니다.

eNOS 결합 해제는

심혈관 질환의 동물 모델과

고혈압, 당뇨병과 같은 심혈관 위험 요인이 있는 환자에서 관찰되었습니다(50,51).

Mechanism of Action of Nitrates

Organic nitrates, such as nitroglycerin, isosorbide dinitrate, and isosorbide mononitrate, are rapidly absorbed from several sites, such as the gastrointestinal tract, mucous membranes, and skin, depending on the preparation. These compounds are prodrugs with a nitrooxy (-O-NO2) moiety and are metabolized to produce bioactive metabolites (52,53). The bioactivation of organic nitrates causes liberation of NO, allowing them to serve as NO donors (53,54). Nitric oxide then causes vasodilation via its effect on vascular smooth muscle cells, and impairs platelet activation as previously discussed (12).

Nitrates also cause vasodilation by other indirect mechanisms. For example, recent data have shown that there is epigenetic regulation of organic nitrate-induced smooth muscle cell relaxation (55,56). Nitroglycerin has been shown to increase the activity of histone acetylases with nitroglycerin-dependent vascular responses influenced by Nε-lysine acetylation of contractile proteins (56).

질산염 작용 메커니즘

니트로글리세린, 이소소르비드 디니트레이트, 이소소르비드 모노니트레이트와 같은

유기질 질산염은 제제에 따라

위장관, 점막, 피부 등 여러 부위에서 빠르게 흡수됩니다.

이 화합물은

니트로옥시(-O-NO2) 부분이 있는 전구약물이며,

생체 활성 대사 산물을 생성하기 위해 대사됩니다(52,53).

유기 질산염의 생체 활성화는

NO의 방출을 일으켜

NO 기증자 역할을 할 수 있게 합니다(53,54).

그런 다음 산화질소는

혈관 평활근 세포에 미치는 영향을 통해 혈관 확장을 일으키고,

앞서 논의한 바와 같이 혈소판 활성화를 방해합니다(12).

질산염은

다른 간접적인 메커니즘을 통해 혈관 확장을 유발합니다.

예를 들어, 최근의 데이터에 따르면 유기 질산염에 의해 유발되는 평활근 세포 이완에 대한 후성적 조절이 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다(55,56). 니트로글리세린은 수축성 단백질의 Nε-라이신 아세틸화에 의해 영향을 받는 니트로글리세린 의존성 혈관 반응과 함께 히스톤 아세틸화 효소의 활성을 증가시키는 것으로 나타났습니다(56).

Preparations

Nitrates are rapidly absorbed from mucous membranes, the gastrointestinal tract, and the skin (53). Thus, nitroglycerin is available in several preparations for delivery via several routes: oral tablets, sublingual tablets, buccal tablets, sublingual spray, transdermal ointment, and transdermal patch; it is also available in intravenous formulations, which are used in hospitalized patients with angina, hypertension, or heart failure (Figure 3, Table 1) (8,57). Nitroglycerin has a plasma half-life of approximately one to four minutes; following hepatic and intravascular metabolism, its biologically active metabolites have a half-life of approximately 40 minutes (8,58).

준비

질산염은

점막, 위장관, 피부에서 빠르게 흡수됩니다(53).

따라서

니트로글리세린은

경구용 정제, 설하정, 구강용 정제, 설하 스프레이, 경피용 연고, 경피용 패치 등

여러 가지 제형으로 제공됩니다.

또한 협심증, 고혈압, 심부전으로 입원한 환자에게 사용되는 정맥 주사 제형으로도 제공됩니다(그림 3, 표 1) (8,57).

니트로글리세린의 혈장 반감기는 약 1~4분이고,

간 및 혈관 내 대사 후 생물학적 활성 대사 산물의 반감기는 약 40분입니다(8,58).

Figure 3.

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Chemical Structures of Key Nitrovasodilators.

Table 1.

Properties of Key Nitrovasodilators.

DrugRoute/FormulationDoseTime until onset of actionDuration of action

SL, sublingual; TD, transdermal; IV, intravenous; mg, milligram; mcg, microgram; PO, oral; IR, immediate release; SR, sustained release; mL, milliliter; kg, kilogram.

Isosorbide dinitrate is rapidly absorbed and undergoes extensive first-pass metabolism by the liver, which results in low bioavailability (8,53). Sustained-release formulations have a slower rate of absorption and can provide therapeutic plasma concentrations of the drug for up to 12 hours (8). Oral isosorbide mononitrate is completely absorbed and has 100% bioavailability as it avoids first pass metabolism. This leads to a more predictable dose-response and plasma levels with less variation when compared to other nitrates (53,59). Pentaerythrityl tetranitrate is a long-acting organic nitrate available in an oral formulation that acts within 10 to 20 minutes and has a duration of action of eight to 12 hours (55). Pre-clinical data suggested that pentaerythrityl tetranitrate may not cause nitrate tolerance (see below) or endothelial dysfunction. However, the drug is not currently commonly used as clinical studies have not shown any clear benefit in patients with chronic, stable angina (60).

Nicorandil is a nicotinamide-nitrate ester whose chemical structure consists of a nicotinamide derivative combined with a nitrate moiety (53). Nicorandil acts as both a NO donor and a K+ATP channel opener to provide anti-anginal effects (61). The bioactivation of nicorandil occurs via the nicotinamide/nicotinic acid pathway and involves NO generation via denitration (62). Nicorandil also dilates the coronary microvasculature and peripheral resistance arterioles by causing vascular smooth cell hyperpolarization and closure of L-type voltage-gated calcium channels via its action on K+ATP channels; it is rapidly absorbed via the gastrointestinal tract, does not undergo first-pass metabolism, reaches maximal plasma concentration after 30 to 60 minutes, and has a half-life of approximately 52 minutes (53,63,64). Nicorandil has an oral bioavailability of >75%, and its anti-anginal effects last approximately 12 hours (53,62,65).

Sodium nitroprusside, which is 44% cyanide by weight, is comprised of a ferrous ion center complexed with five cyanic moieties and a nitrosyl group (66). It is available intravenously and interacts with oxyhemoglobin to produce methemoglobin and spontaneously release NO and cyanide (67,68). Sodium nitroprusside causes direct venous and arterial vasodilation, is a potent pulmonary vasodilator, and is an inhibitor of hypoxia-induced pulmonary vasoconstriction (66). It has an almost immediate onset of action and a very short half-life, its effects dissipating within one to two minutes (66).

Finally, there are several direct NO donors that are already being used clinically, or have been synthesized and studied for use particularly in biomaterials. Inhaled NO gas diffuses rapidly across the alveolar-capillary membrane and activates sGC in the subjacent smooth muscle cells in the pulmonary vasculature (69). N-diazeniumdiolates (NONOates) are NO donors that are synthesized by reacting primary or secondary amines with NO gas at high pressure and low temperatures; hydrolysis causes spontaneous decomposition under physiological conditions and releases NO (70–72). Nitric oxide (as N2O3 or −ONOO) can react with thiols in vivo to form S-nitrosothiols, such as S-nitrosocysteine and S-nitrosoglutathione (73). S-nitrosothiol compounds can also be synthesized chemically by reacting thiols with nitrous acid. When exposed to physiological fluids, S-nitrosothiols decompose to release NO (70). Other newer classes of direct NO donors that are actively being studied include furoxans, benzofuroxans, and zeolites (74,75).

이소소르비드 디니트레이트는 빠르게 흡수되고 간에서 광범위한 첫 번째 통과 대사를 거치기 때문에 생체 이용률이 낮습니다(8,53). 서방성 제형은 흡수 속도가 느리고 최대 12시간 동안 혈장 내 치료 농도를 제공할 수 있습니다(8). 경구 이소소르비드 모노니트레이트는 완전히 흡수되고 첫 번째 통과 대사를 피하기 때문에 생체 이용률이 100%입니다. 이것은 다른 질산염에 비해 예측 가능한 용량-반응 및 혈장 농도 수준을 가져다 줍니다(53,59). 펜타에리트리틸 테트라니트레이트는 10~20분 내에 작용하고 8~12시간 동안 지속되는 경구 투여용 장기 작용 유기 질산염입니다(55). 임상 전 데이터에 따르면 펜타에리트리틸 테트라니트레이트는 질산염 내성(아래 참조)이나 내피 기능 장애를 유발하지 않을 수 있습니다. 그러나 만성 안정 협심증 환자(60명)에 대한 임상 연구에서 뚜렷한 이점이 나타나지 않았기 때문에 현재 이 약물은 일반적으로 사용되지 않습니다.

니코란딜은 니코틴아미드-질산염 에스테르로서, 니코틴아미드 유도체와 질산염 부분이 결합된 화학 구조를 가지고 있습니다(53). 니코란딜은 NO 기증자이자 K+ATP 채널 개방자로서 작용하여 항협심증 효과를 제공합니다(61). 니코란딜의 생체 활성화는 니코틴아미드/니코틴산 경로를 통해 이루어지며, 탈질화를 통한 NO 생성과 관련이 있습니다(62). 니코란딜은 또한 K+ATP 채널에 작용하여 혈관 평활근 세포의 과분극과 L형 전압-게이트 칼슘 채널의 폐쇄를 유발함으로써 관상동맥 미세혈관 및 말초 저항성 세동맥을 확장시킵니다. 위장관을 통해 빠르게 흡수되고, 첫 번째 통과 대사를 거치지 않으며, 30~60분 후에 최대 혈장 농도에 도달하고, 반감기는 약 52분입니다(53,63,64). 니코란딜의 경구 생체 이용률은 75% 이상이고, 항협심증 효과는 약 12시간 지속됩니다(53,62,65).

질산니트로프루시드는 무게 기준으로 44%의 시안화물을 함유하고 있으며, 5개의 시안화 작용기와 니트로실기(nitrosyl group)로 복합화된 철 이온 중심(66)으로 구성되어 있습니다. 이 물질은 정맥 주사로 투여할 수 있으며, 옥시헤모글로빈과 상호 작용하여 메트헤모글로빈을 생성하고, NO와 시안화물을 자발적으로 방출합니다(67,68). 니트로프루시드 나트륨은 직접적인 정맥 및 동맥 혈관 확장을 유발하고, 강력한 폐 혈관 확장제이며, 저산소증으로 인한 폐 혈관 수축 억제제입니다(66). 거의 즉각적인 작용 개시와 매우 짧은 반감기를 가지고 있으며, 그 효과는 1~2분 내에 사라집니다(66).

마지막으로, 이미 임상적으로 사용되고 있거나, 특히 생체 재료에 사용하기 위해 합성 및 연구된 몇 가지 직접적인 NO 기증자가 있습니다.

흡입된 NO 가스는

폐포-모세혈관 막을 통해 빠르게 확산되어 폐 혈관계의 기저 평활근 세포에서 sGC를 활성화합니다(69).

N-디아제늄디올레이트(NONOates)는 1

차 또는 2차 아민을 고압 및 저온에서 NO 가스와 반응시켜 합성되는

NO 공여체입니다.

가수분해는

생리학적 조건에서 자발적인 분해를 일으켜

NO를 방출합니다(70-72).

산화질소(N2O3 또는 −ONOO)는

생체 내에서 티올과 반응하여 S-니트로시스테인 및 S-니트로글루타티온(73)과 같은

S-니트로티올을 형성할 수 있습니다.

S-니트로티올 화합물은

티올과 아질산을 반응시켜 화학적으로 합성할 수도 있습니다.

생체액에 노출되면

S-니트로티올이 분해되어 NO(70)가 방출됩니다.

최근 활발하게 연구되고 있는 직접 NO 기증자의 다른 종류로는

푸록산, 벤조푸록산, 제올라이트(74,75)가 있습니다.

Biotransformation of Organic Nitrates

Organic nitrates must undergo biotransformation to release a vasoactive molecule (76). The detailed study of the biotransformation of nitroglycerin has suggested a high potency pathway mediated by aldehyde dehydrogenase-2 (ALDH-2) and a low potency pathway mediated by other enzymes or low-molecular-weight reductants (Figure 4) (76).

유기 질산염의 생체 변형

유기 질산염은

혈관 활성 분자를 방출하기 위해

생체 변형을 거쳐야 합니다(76).

니트로글리세린의 생체 변형에 대한 자세한 연구에 따르면,

알데하이드 탈수소효소-2(ALDH-2)에 의해 매개되는 고효능 경로와

다른 효소 또는 저분자량 환원제에 의해 매개되는 저효능 경로가 존재한다고 합니다(그림 4)(76).

Figure 4. Bioactivation of Organic Nitrates.

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Organic nitrates must undergo biotransformation to release a vasoactive molecule via one of two pathways: a high potency pathway mediated by ALDH-2, or a low potency pathway mediated by other enzymes or low-molecular-weight reductants. The high potency pathway is important at clinically relevant nitroglycerin concentrations (< 1 μM) and is localized to the mitochondria. The mitochondrial isoform of aldehyde dehydrogenase, ALDH-2, was found to be a key enzyme in the biotransformation of nitroglycerin via this pathway as it generates inorganic nitrite (NO2−) and 1,2-glyceryl dinitrate from nitroglycerin. There are three proposed mechanisms for the release of the vasoactive molecule via this pathway: nitrogen oxide(s) is(are) formed via reduction of inorganic nitrite; nitric oxide is formed directly in response to interaction with ALDH-2; and inorganic nitrite released from mitochondria may be reduced by xanthine oxidase in the cytoplasm to form NO. The low potency pathway is important at suprapharmacological nitroglycerin concentrations (> 1 μM), is found in the smooth endoplasmic reticulum, and leads to formation of measurable amounts of NO in vascular tissues. In this pathway, nitroglycerin is biotransformed by proteins such as deoxyhemoglobin, deoxymyoglobin, cytrochrome P450, xanthine oxidase, glutathione-S-transferase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, or other ALDH isoforms; and by low-molecular-weight reductants such as cysteine, N-acetyl-cysteine, thiosalicylic acid, and ascorbate.

유기 질산염은 

혈관 활성 분자를 방출하기 위해 

두 가지 경로 중 하나를 통해 생체 변형을 거쳐야 합니다. 

하나는 

ALDH-2에 의해 매개되는 고효능 경로이고, 

다른 하나는 

다른 효소 또는 저분자량 환원제에 의해 매개되는 저효능 경로입니다. 

높은 효능 경로는 임상적으로 관련된 

니트로글리세린 농도(1μM 미만)에서 중요하며, 

미토콘드리아에 국한되어 있습니다. 

미토콘드리아 알데히드 탈수소효소 이소형인 ALDH-2는 니

트로글리세린으로부터 무기질 아질산염(NO2-)과 1,2-글리세릴 디니트레이트를 생성하기 때문에, 

이 경로를 통한 니트로글리세린의 생체 내 전환에 핵심적인 효소로 밝혀졌습니다. 

이 경로를 통해 혈관활성 분자를 방출하는 

세 가지 메커니즘이 제안되었습니다: 

무기 아질산염의 환원을 통해 

질소산화물이 형성됩니다; 

ALDH-2와의 상호작용에 직접적으로 반응하여 

산화질소가 형성됩니다; 

미토콘드리아에서 방출된 무기 아질산염은 

세포질 내의 크산틴 산화효소에 의해 환원되어 NO를 형성할 수 있습니다. 

낮은 효능 경로는 

초약리학적인 니트로글리세린 농도(1μM 이상)에서 중요하며, 

평활근 소포체에서 발견되며, 혈관 조직에서 측정 가능한 양의 NO를 형성하게 합니다. 

이 경로에서, 

니트로글리세린은 

데옥시헤모글로빈, 데옥시미오글로빈, 사이토크롬 P450, 크산틴 옥시다제, 글루타티온-S-트랜스퍼라제, 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소, 또는 기타 ALDH 이소형과 같은 단백질과 시스테인, N-아세틸-시스테인, 티오살리실산, 아스코르베이트와 같은 저분자량 환원제에 의해 생체 내 변형됩니다.

GTN, glyceryl trinitrate (nitroglycerin); PETN, pentaerythrityl tetranitrate; ALDH2, aldehyde dehydrogenase-2; NO2−, inorganic nitrite; H+, hydrogen ion; Cyt Ox, cytochrome c oxidase; XO, xanthine oxidase; NOx, nitrogen oxides; ·NO, nitric oxide; PETriN, pentaerythrityl trinitrate; GDN, 1,2-glyceryl dinitrate; PEDN, pentaerythrityl dinitrate; sGC, soluble gyanylyl cyclase; cGMP, cyclic guanosine monophosphate; cGK-I, cyclic guanosine monophosphate-dependent protein kinase I; ISDN, isosorbide dinitrate; ISDM, isosorbide mononitrate; P450, cytochrome P450 enzyme(s); GMN, 1,2-glyceryl mononitrate; PEMN, pentaerythrityl mononitrate. Reproduced with permission from Munzel, T., Daiber, A. Pharmacology of Nitrovasodilators. In: Bryan, N., and Loscalzo, J., editors. Nitrite and Nitrate in Human Health and Disease. 2nd Ed., New York, Humana Press, 2017.

The high potency pathway is important at clinically relevant nitroglycerin concentrations (< 1 μM) and is localized to the mitochondria. The mitochondrial isoform of aldehyde dehydrogenase, ALDH-2, was found to be a key enzyme in the biotransformation of nitroglycerin via this pathway as it generates inorganic nitrite (NO2−) and 1,2-glyceryl dinitrate from nitroglycerin (77). There are three proposed mechanisms for the release of the vasoactive molecule via this pathway: nitrogen oxide(s) is(are) formed via reduction of inorganic nitrite; nitric oxide is formed directly in response to interaction with ALDH-2; and inorganic nitrite released from mitochondria may be reduced by xanthine oxidase in the cytoplasm to form NO (76).

The low potency pathway is important at suprapharmacological nitroglycerin concentrations (> 1 μM), is found in the smooth endoplasmic reticulum, and leads to formation of measurable amounts of NO in vascular tissues (78,79). In this pathway, nitroglycerin is biotransformed by proteins such as deoxyhemoglobin, deoxymyoglobin, cytrochrome P450, xanthine oxidase, glutathione-S-transferase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, or other ALDH isoforms; and by low-molecular-weight reductants such as cysteine, N-acetyl-cysteine, thiosalicylic acid, and ascorbate (55,80–82).

높은 효능 경로는 임상적으로 관련된 니트로글리세린 농도(1μM 미만)에서 중요하며, 미토콘드리아에 국한되어 있습니다. 미토콘드리아 알데히드 탈수소효소 이소형인 ALDH-2는 니트로글리세린을 통해 무기질 아질산염(NO2-)과 1,2-글리세릴 디니트레이트를 생성하는 이 경로를 통해 니트로글리세린의 생체 변형에 중요한 효소로 밝혀졌습니다(77). 이 경로를 통해 혈관활성 분자를 방출하는 세 가지 메커니즘이 제안되었습니다: 무기질 아질산염의 환원을 통해 질소산화물이 형성됩니다; ALDH-2와의 상호작용에 직접적으로 반응하여 산화질소가 형성됩니다; 미토콘드리아에서 방출된 무기질 아질산염은 세포질 내의 크산틴 산화효소에 의해 환원되어 NO를 형성할 수 있습니다(76).

낮은 효능 경로는 초약리학적 농도의 니트로글리세린(1μM 이상)에서 중요하며, 평활근 소포체에서 발견되며, 혈관 조직에서 측정 가능한 양의 NO를 형성하게 합니다(78,79). 이 경로에서 니트로글리세린은 데옥시헤모글로빈, 데옥시미오글로빈, 사이토크롬 P450, 크산틴 산화효소, 글루타티온-S-트랜스퍼라제, 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소, 또는 기타 ALDH 이소형; 그리고 시스테인, N-아세틸-시스테인, 티오살리실산, 아스코르브산과 같은 저분자량 환원제(55,80–82).

Hemodynamic Effects of Nitrates

The organic nitrates have several hemodynamic effects that are mostly mediated through vasodilation of capacitance veins and conductance arteries (Central Illustration) (8). In 1971, Parker and colleagues published the results of a study of hemodynamic indices and coronary blood flow at rest and during exercise before and after administration of nitroglycerin in 15 patients with coronary artery disease. With nitroglycerin, they found that only two of these patients had angina, and their hemodynamic response to exercise was normal; however, coronary blood flow was normal at rest and during exercise in both groups of patients before and after nitroglycerin. They, therefore, concluded that nitroglycerin acted primarily by reducing left ventricular oxygen requirements through a reduction in left ventricular volume (83). Nitric oxide-mediated dilation of capacitance veins decreases ventricular preload, which results in reduction in myocardial oxygen demand. In 1975, Greenberg and colleagues, after angiographic and hemodynamic assessment of ten patients, concluded that the mechanism of action of nitroglycerin “seems to relate best to the decrease in systolic wall tension” (84). They also found that the end-diastolic wall tension decreased by 57%, “suggesting the possibility that diastolic coronary blood flow may be augmented by diminished extravascular resistance to flow” (84).

질산의 혈류역학적 효과

유기질산은

주로 정맥과 동맥의 혈관 확장을 통해

여러 가지 혈류역학적 효과를 나타냅니다(중앙 그림) (8).

1971년, 파커와 동료 연구자들은 관상동맥 질환 환자 15명을 대상으로

질산글리세린 투여 전후의 휴식 상태와 운동 중의 혈류역학적 지표와 관상동맥 혈류에 대한 연구 결과를 발표했습니다.

니트로글리세린을 투여한 결과, 이들 환자 중 2명만이 협심증을 앓고 있었고, 운동에 대한 혈역학 반응은 정상적인 것으로 나타났습니다. 그러나 니트로글리세린 투여 전후의 두 환자 그룹 모두에서 휴식 상태와 운동 중의 관상동맥 혈류는 정상적이었습니다. 따라서 그들은 니트로글리세린이 좌심실 부피의 감소를 통해 좌심실 산소 요구량을 줄이는 작용을 주로 한다고 결론을 내렸습니다(83). 산화질소에 의해 확장된 심실의 정맥은 심실의 사전 부하를 감소시켜, 심근의 산소 요구량을 감소시킵니다. 1975년, 그린버그와 동료들은 10명의 환자에 대한 혈관 조영술과 혈역학 평가를 실시한 후, 니트로글리세린의 작용 기전이 “수축기 벽 긴장의 감소와 가장 관련이 있는 것으로 보인다”고 결론을 내렸습니다(84). 그들은 또한 이완기 말기 벽 장력이 57% 감소했다는 사실을 발견했습니다. “이는 혈관 외 흐름에 대한 저항이 감소함으로써 이완기 관상동맥 혈류가 증가할 가능성이 있음을 시사합니다” (84).

Central Illustration. Hemodynamic Effects of Nitroglycerin.

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The organic nitrates have several hemodynamic effects that are largely mediated through vasodilation of capacitance veins and conductance arteries. Seminal work in the 1970s, as detailed in the main text, showed that nitroglycerin acted primarily by reducing left ventricular oxygen requirements through a reduction in left ventricular volume. Nitric oxide-mediated dilation of capacitance veins decreases ventricular preload, which results in reduction in myocardial oxygen demand and left ventricular wall tension. This results in an increase in subendocardial myocardial blood flow. Nitrates also dilate large and medium sized coronary arteries and arterioles > 100 micrometers in diameter. This effect reduces left ventricular systolic wall tension via decreasing afterload and, therefore, also decreases myocardial oxygen demand. The hemodynamic effects of nitrates on the coronary vasculature also relieve angina. Nitrates dilate the epicardial coronary arteries, including stenotic segments, and also improve blood flow in coronary collaterals via decreasing resistance to collateral flow. Nitrates, particularly sodium nitroprusside, can also dilate the systemic arterial bed, and NO gas and sodium nitroprusside dilate the pulmonary vascular bed and inhibit hypoxia-induced pulmonary vasoconstriction.

유기 질산염은 정맥과 전도성 동맥의 혈관 확장을 통해 주로 매개되는 여러 가지 혈역학 효과를 가지고 있습니다. 본문에 자세히 설명되어 있는 1970년대의 중요한 연구 결과에 따르면, 니트로글리세린은 주로 좌심실 부피를 줄임으로써 좌심실 산소 요구량을 감소시키는 작용을 한다고 합니다. 산화질소에 의해 매개되는 정맥의 확장은 심실의 사전 부하를 감소시켜, 심근 산소 요구량과 좌심실 벽 긴장을 감소시킵니다. 그 결과 심내막하 심근 혈류가 증가합니다. 질산염은 또한 직경이 100마이크로미터 이상인 큰 크기와 중간 크기의 관상동맥과 세동맥을 확장시킵니다. 이 효과는 후부하를 감소시킴으로써 좌심실 수축기 벽 긴장을 감소시키고, 따라서 심근 산소 요구량도 감소시킵니다. 니트레이트가 관상동맥 혈관에 미치는 혈역학적 효과는 협심증 완화에도 도움이 됩니다. 니트레이트는 협착 부위를 포함한 심외막 관상동맥을 확장시키고, 부수 혈관에 대한 저항을 감소시켜 부수 혈관의 혈류도 개선합니다. 특히 나트륨 니트로프루시드는 전신 동맥층을 확장시킬 수 있으며, NO 가스와 나트륨 니트로프루시드는 폐 혈관층을 확장시키고 저산소증으로 인한 폐 혈관 수축을 억제합니다.

NO, nitric oxide; O2, oxygen.

Nitrates also dilate large and medium sized coronary arteries and arterioles > 100 micrometers in diameter. This effect reduces left ventricular systolic wall tension via decreasing afterload and, therefore, also decreases myocardial oxygen demand (8,85). The hemodynamic effects of nitrates on the coronary vasculature of atherosclerotic patients also relieve angina. Nitrates dilate the epicardial coronary arteries, including stenotic segments, and also improve blood flow in coronary collaterals via decreasing resistance to collateral flow (85,86). Importantly, the organic nitrates do not dilate coronary microvessels that are < 100 micrometers in diameter, which reduces the risk of ischemia from coronary steal (87). Nitrates, particularly sodium nitroprusside, can also dilate the systemic arterial bed, and NO gas and sodium nitroprusside dilate the pulmonary vascular bed and inhibit hypoxia-induced pulmonary vasoconstriction (66).

Non-Hemodynamic Effects of Nitrates

The organic nitrates have also been found to have several important, non-hemodynamic effects. Inhibition of platelet function by organic nitrates was first reported in 1967 by Hampton and colleagues, who showed that nitroglycerin impairs platelet aggregation in vitro (88). Subsequently, the organic nitrates have been shown to inhibit platelet aggregation and function by increasing intracellular cGMP and forming S-nitrosothiols, which are potent activators of sGC and inhibitors of platelet aggregation (45,89). Organic nitrates also have other antithrombotic effects as activation of sGC is accompanied by inhibition of agonist-mediated calcium flux, which results in a reduction of fibrinogen binding to the glycoprotein Ilb/IIIa receptor of platelets (90).

Nitrates have also been found to have anti-inflammatory effects via NO’s role in the inflammatory process (91). Nitric oxide inhibits neutrophil adhesion and chemotaxis in acute inflammation and modulates microvascular permeability (92–95). However, increased expression‎ of iNOS has been implicated in chronic inflammatory conditions, as high-flux NO from iNOS or its derivates in the inflammatory milieu (e.g., peroxynitrite) promotes adhesion molecule expression‎ and leukocyte-endothelial cell interactions, among other pro-inflammatory mechanisms (95).

Finally, nitroglycerin has been shown to induce a protective phenotype that limits damage after ischemia and reperfusion. Nitroglycerin protects against post-ischemic endothelial dysfunction in particular, in part, by impairing the opening of the mitochondrial permeability transition pore (96,97).

질산의 비혈류학적 효과

유기질산은 또한 몇 가지 중요한 비혈류학적 효과를 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 1967년 햄튼(Hampton)과 동료 연구자들은 유기 질산염이 혈소판 기능을 억제한다는 사실을 최초로 보고했습니다. 그들은 질산글리세린이 시험관 내에서 혈소판 응집을 저해한다는 사실을 밝혀냈습니다(88). 그 후, 유기 질산염이 세포 내 cGMP를 증가시키고 sGC의 강력한 활성화제이자 혈소판 응집 억제제인 S-니트로소티올을 형성함으로써 혈소판 응집과 기능을 억제한다는 사실이 밝혀졌습니다(45,89). 유기 질산염은 또한 sGC의 활성화가 작용제 매개 칼슘 플럭스의 억제를 동반하기 때문에 항혈전 효과가 있으며, 이로 인해 혈소판의 당단백질 Ilb/IIIa 수용체에 결합하는 피브리노겐의 양이 감소합니다(90).

질산염은 또한 염증 과정에서 NO의 역할을 통해 항염증 효과가 있는 것으로 밝혀졌습니다(91). 산화질소는 급성 염증에서 호중구 부착과 화학주성을 억제하고 미세혈관 투과성을 조절합니다(92-95). 그러나 iNOS의 발현 증가는 만성 염증 상태와 관련이 있는데, 염증 환경(예: 퍼옥시니트라이트)에서 iNOS 또는 그 유도체로부터의 고속 NO가 부착 분자 발현과 백혈구-내피 세포 상호작용을 촉진하는 등 다른 전염증성 메커니즘을 촉진하기 때문입니다(95).

마지막으로, 니트로글리세린은 허혈과 재관류 후 손상을 제한하는 보호 표현형을 유도하는 것으로 나타났습니다. 니트로글리세린은 특히 허혈 후 내피 기능 장애를 방지하는데, 이는 부분적으로 미토콘드리아 투과성 전이 기공(96,97)의 개방을 방해함으로써 이루어집니다.

Clinical Uses of Nitrates

Organic nitrates, in intravenous, sublingual, and oral formulations, are often used in the management of acute coronary syndrome. Treatment with nitrates causes vasodilatation of the capacitance veins and results in reduced ventricular filling pressure, wall tension, and myocardial oxygen demand (8). As previously discussed, nitrates also dilate the epicardial coronary arteries, improving coronary blood flow, particularly in ischemic zones (85,86,98,99).

These well-demonstrated physiological effects notwithstanding, randomized control data supporting a clinical outcome benefit for the use of nitrates in acute coronary syndrome are lacking. The GISSI-3 trial randomly assigned 19,394 patients with acute myocardial infarction in a two-by-two factorial design to intravenous nitroglycerin followed by a nitrate patch or placebo, as well as to lisinopril or placebo. The primary study end point of mortality at six weeks demonstrated no significant benefit of nitrate therapy. The subset of patients receiving combination therapy with lisinopril and nitrates, however, had the lowest mortality in the trial (100). At six months, there was no difference in mortality in patients who received nitrate therapy (101). The ISIS-4 trial randomized 58,050 patients presenting up to 24 hours after the onset of a suspected acute myocardial infarction in a two-by-two factorial design that involved treatment with captopril, isosorbide mononitrate, magnesium sulfate, and/or placebo. There was no significant reduction in mortality attributed to nitrate therapy (102). Of note, both the GISSI-3 and ISIS-4 trials were conducted in the fibronolytic era (i.e., prior to the percutaneous coronary intervention era). However, in the pre-fibrinolytic era, meta-analyses show of ten trials predating the GISSI-3 and ISIS-4 trials of patients randomized to intravenous nitroglycerin or sodium nitroprusside in acute myocardial infarction showed a reduction in mortality of 35% associated with nitrate therapy with the greatest reduction in mortality occurring during the first week of follow-up (103).

Nitroglycerin is the most frequently used drug to treat acute episodes of angina. It is usually given as a sublingual tablet, but is also available as a sublingual spray. Sublingual nitroglycerin or nitroglycerin oral spray can also be used prior to angina-inducing activities to prevent the occurrence of acute angina (8,104,105).

Winsor and Berger studied 53 patients with documented angina and concluded in 1975 that controlled-release oral nitroglycerin provided statistically significant clinical improvement of angina (106). In 1974, Reichek and colleagues published their work on 14 patients with angina pectoris and concluded that nitroglycerin ointment produced a significant increase in exercise capacity which persisted for at least 3 hours (107). Several studies have also shown an improvement in exercise capacity without angina via use of transdermal preparations (108–112). Taken together, these many studies support the use of oral organic nitrates to increase exercise tolerance, prevent angina, and improve chronic stable angina. In current practice, isosorbide dinitrate and isosorbide mononitrate are often used for these indications (8).

Although not available in the United States, nicorandil is used in the treatment of chronic, stable angina in other countries. In the Impact of Nicorandil in Angina (IONA) trial, treatment with nicorandil in patients with stable angina statistically significantly reduced the primary end point of coronary death, non-fatal myocardial infarction, or unplanned hospitalization for angina (113).

The established treatment for Prinzmetal variant angina, or coronary artery spasm, is therapy with calcium-channel blockers. Long-acting oral nitrates have also been found to be helpful, and it is thought that their vasodilatory effects are additive to calcium-channel blockade in this setting (114,115).

Intravenous nitroglycerin and sodium nitroprusside are used to treat patients hospitalized with hypertensive urgency and emergency with preference to sodium nitroprusside as it induces more arterial vasodilatation than nitroglycerin. Although nitrates have generally not been shown to be of use in the management of hypertension, they are considered the drug class-of-choice for patients with hypertension and stable angina (116). They should ideally be used in combination with beta-blockers, or alone if beta-blockers are contraindicated or cause unacceptable side effects (116).

Nitrates were previously considered first-line therapy for patients with acute heart failure with normal or high blood pressures due to their previously described hemodynamic effects on the venous and arterial systems, preload, and afterload (117). A recent Cochrane review, however, concluded that there appears to be no significant difference between nitrate vasodilator therapy and alternative interventions for the treatment of acute heart failure syndromes with regard to symptom relief and hemodynamic variables (118). However, due to the striking results of the African-American Heart Failure Trial, the combination of hydralazine and isosorbide dinitrate is recommended together with angiotensin converting enzyme inhibitors, beta-blockers, and aldosterone antagonists by current guidelines for African-Americans who require further blood pressure control and relief of symptoms from New York Heart Association Class III or Class IV heart failure (116,119,120).

Inhaled NO gas has several clinical uses in adults. It has a well-established role in vasoreactivity testing in patients with pulmonary arterial hypertension. This testing is helpful in identifying patients who may respond to therapy with calcium-channel blockers (69,121). Although robust data are lacking, it is also used in patients both with and without a prior diagnosis of pulmonary hypertension with acute hypoxemic respiratory failure to improve ventilation-perfusion matching (122). Inhaled NO has an established role in the treatment of severe persistent pulmonary hypertension of the newborn, and a recently published Cochrane review also supports its use in the treatment of term and near-term infants with hypoxic respiratory failure who do not have a diaphragmatic hernia (123,124). By contrast, a recent Cochrane review does not support its use for respiratory failure in preterm infants (125).

질산염의 임상적 사용

정맥, 설하, 경구 투여 제형의 유기 질산염은 급성 관상동맥증후군 관리에 자주 사용됩니다. 질산염을 이용한 치료는 심실 충진 압력, 벽 긴장, 심근 산소 요구량을 감소시키는 정맥의 혈관 확장을 유발합니다(8). 앞서 논의한 바와 같이, 질산염은 또한 심외막 관상동맥을 확장시켜, 특히 허혈성 영역에서 관상동맥 혈류를 개선합니다(85,86,98,99).

이러한 생리학적 효과가 잘 입증되었음에도 불구하고, 급성 관상동맥증후군에서 질산염 사용의 임상적 결과 이점을 뒷받침하는 무작위 대조군 데이터는 부족합니다. GISSI-3 임상시험은 급성 심근경색증 환자 19,394명을 2x2 요인 설계에 따라 정맥 내 니트로글리세린 투여 후 질산염 패치 또는 위약 투여군과 리시노프릴 또는 위약 투여군으로 무작위 배정했습니다. 6주 사망률의 주요 연구 결과에서는 질산염 치료의 유의미한 이점이 없음을 입증했습니다. 그러나 리시노프릴과 질산염을 병용하는 환자 집단은 임상시험에서 가장 낮은 사망률을 보였습니다(100). 6개월 후, 질산염 치료를 받은 환자들 사이에서 사망률에 차이가 없었습니다(101). ISIS-4 임상시험에서는 급성 심근경색이 의심되는 증상이 나타난 후 24시간 이내에 58,050명의 환자를 캡토프릴, 이소소르비드 모노니트레이트, 황산마그네슘, 그리고/또는 위약 치료를 포함한 2x2 요인 설계에 따라 무작위로 배정했습니다. 질산염 요법으로 인한 사망률의 현저한 감소는 없었다(102). 주목할 만한 점은, GISSI-3과 ISIS-4 임상시험이 모두 섬유소 용해제 시대(즉, 경피적 관상동맥 중재술 시대 이전)에 실시되었다는 점입니다. 그러나, 섬유소 용해제 사용 이전의 시대에는 급성 심근 경색증 환자들을 대상으로 한 GISSI-3 및 ISIS-4 임상시험보다 앞선 10건의 임상시험에 대한 메타 분석에 따르면, 정맥 내 니트로글리세린 또는 나트륨 니트로프루시드를 투여한 환자들에서 사망률이 35% 감소한 것으로 나타났으며, 사망률 감소는 추적 관찰 첫 주에 가장 크게 나타났습니다(103).

니트로글리세린은 협심증의 급성 발작을 치료하는 데 가장 많이 사용되는 약물입니다. 보통 설하정 형태로 투여되지만, 설하 스프레이 형태로도 제공됩니다. 설하 니트로글리세린 또는 니트로글리세린 경구 스프레이는 협심증을 유발하는 활동을 하기 전에 급성 협심증의 발생을 예방하기 위해 사용할 수도 있습니다(8,104,105).

윈저와 버거는 협심증으로 기록된 53명의 환자를 연구한 결과, 1975년에 서방성 경구 니트로글리세린이 통계적으로 유의미한 협심증의 임상적 개선을 제공한다는 결론을 내렸습니다(106). 1974년에 라이히와 동료들은 협심증 환자 14명에 대한 연구를 발표하고, 니트로글리세린 연고가 적어도 3시간 동안 지속되는 운동 능력을 유의미하게 증가시킨다는 결론을 내렸습니다(107). 여러 연구에 따르면 경피 투여제를 사용하면 협심증 없이 운동 능력이 향상되는 것으로 나타났습니다(108-112). 종합해 보면, 이러한 많은 연구들은 운동 내성을 높이고, 협심증을 예방하며, 만성 안정 협심증을 개선하기 위해 경구 유기 질산염을 사용하는 것을 지지합니다. 현재 임상에서, 이러한 적응증에 이소소르비드 디니트레이트와 이소소르비드 모노니트레이트가 자주 사용됩니다(8).

미국에서는 사용할 수 없지만, 니코란딜은 다른 나라에서 만성 안정 협심증 치료에 사용되고 있습니다. 니코란딜의 협심증 치료 효과(Impact of Nicorandil in Angina, IONA) 임상시험에서, 안정 협심증 환자를 대상으로 한 니코란딜 치료는 관상동맥 사망, 치명적이지 않은 심근경색, 또는 협심증으로 인한 계획되지 않은 입원이라는 1차 평가변수를 통계적으로 유의미하게 감소시켰습니다(113).

프린츠메탈 변형 협심증 또는 관상동맥 경련에 대한 기존의 치료법은 칼슘 채널 차단제를 이용한 치료입니다. 지속성 경구 질산염도 도움이 되는 것으로 밝혀졌으며, 이러한 상황에서 혈관 확장 효과가 칼슘 채널 차단 효과를 강화하는 것으로 생각됩니다(114,115).

정맥 주사용 니트로글리세린과 니트로프루시드 나트륨은 고혈압으로 긴급 입원한 환자를 치료하는 데 사용됩니다. 니트로프루시드 나트륨은 니트로글리세린보다 동맥 혈관 확장을 더 많이 유도하기 때문에 니트로프루시드 나트륨을 우선적으로 사용합니다. 질산염이 고혈압 관리에 도움이 된다는 사실은 일반적으로 입증되지 않았지만, 고혈압과 안정 협심증 환자에게 가장 선호되는 약물 종류로 간주됩니다(116). 이상적으로는 베타 차단제와 함께 사용해야 하며, 베타 차단제가 금기이거나 허용할 수 없는 부작용을 유발하는 경우에는 단독으로 사용해야 합니다(116).

질산염은 이전에 정맥 및 동맥 시스템, 사전 부하, 사후 부하에 대한 혈역학적인 영향으로 인해 정상 또는 고혈압을 동반한 급성 심부전 환자를 위한 1차 치료제로 간주되었습니다(117). 그러나 최근 코크란 리뷰에서는 증상 완화 및 혈역학적인 변수와 관련하여 질산염 혈관 확장제 치료와 급성 심부전 증후군 치료를 위한 대체 중재 사이에 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났다고 결론지었습니다(118). 그러나, 아프리카계 미국인 심부전 시험의 놀라운 결과로 인해, 현재 뉴욕 심장 협회(New York Heart Association)의 III등급 또는 IV등급 심부전으로 인해 혈압 조절과 증상 완화가 필요한 아프리카계 미국인을 위한 지침에 따라, 하이드랄라진과 이소소르비드 디니트레이트의 병용은 안지오텐신 전환 효소 억제제, 베타 차단제, 알도스테론 길항제와 함께 권장됩니다(116,119,120).

흡입된 NO 가스는 성인에게 여러 가지 임상적 용도로 사용됩니다. 폐동맥 고혈압 환자의 혈관 반응성 검사에서 확립된 역할을 합니다. 이 검사는 칼슘 채널 차단제 치료에 반응할 수 있는 환자를 식별하는 데 도움이 됩니다(69,121). 확실한 데이터가 부족하지만, 급성 저산소성 호흡 부전으로 폐 고혈압 진단을 받은 적이 있거나 없는 환자 모두에게 환기-관류 일치도를 개선하기 위해 사용되기도 합니다(122). 흡입된 NO는 신생아의 심각한 지속성 폐고혈압 치료에 확립된 역할을 하고 있으며, 최근에 발표된 코크란 리뷰도 횡격막 탈장이 없는 저산소성 호흡부전으로 인한 만삭아 및 조산아의 치료에 NO의 사용을 지지합니다(123,124). 이와는 대조적으로, 최근에 발표된 코크란 리뷰는 미숙아의 호흡부전에 대한 NO의 사용을 지지하지 않습니다(125).

Nitrate Tolerance

One major problem with the use of nitrates is the development of tolerance, which is defined as “the loss of hemodynamic and anti-anginal effects during sustained therapy” (8). Tolerance occurs following chronic exposure to all nitrates and results in “complete or markedly diminished anti-anginal and anti-ischemic effects throughout the 24-hour period of long-term therapy” (126). In 1980, Thadani and colleagues reported their studies of tolerance to oral isosorbide dintrate and showed that both partial circulatory tolerance to isosorbide dinitrate and cross-tolerance to nitroglycerin developed rapidly during treatment with isosorbide dinitrate given every 6 hours (127). They went on to report similar findings with regard to its anti-anginal effect two years later (128). Subsequent studies would report similar findings to different formulations of nitrate therapy (59,111,126,129–134).

The cause of nitrate tolerance is still incompletely understood, but several hypotheses exist. One hypothesis argues that chronic treatment with organic nitrates triggers supersensitivity to vasoconstrictors, which attenuates the vasodilator effects of nitrates. This action is mediated by increased autocrine levels of endothelin within the vasculature, with the subsequent activation of phospholipase C and protein kinase C. These pathways lead to increased actomyosin activity and myocyte contractility. Additionally, agonist-driven calcium-dependent activation of the RhoA/Rho kinase pathway contributes to vasoconstriction via inhibition of myosin light chain phosphatase (135–137).

Another hypothesis for the mechanism of nitrate tolerance is that chronic therapy with organic nitrates desensitizes sGC (138,139). S-nitrosylation of sGC is a means by which “memory” of NO exposure is retained in smooth muscle cells, resulting in decreased responsiveness to NO, and could be a mechanism of NO tolerance (135,140). Nitroglycerin metabolism also promotes the production of reactive oxygen species. Oxidation of thiol groups in the active site of ALDH-2 by these reactive derivatives has been observed during chronic nitroglycerin treatment. This post-translational modification may cause inhibition of ALDH-2 enzyme activity, which can lead to both reduced nitroglycerin biotransformation and efficacy (135,141–143).

Additionally, continuous treatment with nitroglycerin has been shown to cause nitric oxide synthase dysfunction, likely through the reduced bioavailability of tetrahydrobiopterin (144). Nitric oxide synthase dysfunction can cause superoxide anion formation. If not effectively mitigated by superoxide dismutases, increased superoxide anion formation can lead to the formation of peroxynitrite anion (through reaction with NO), which is a highly reactive intermediate that promotes oxidant stress and reduces NO bioavailability (135,145,146).

Nitrate therapy-induced increases in phosphodiesterase activity have also been implicated in the development of tolerance (147). As previously discussed, nitroglycerin is metabolized to NO, which activates sGC to increase cGMP. Phosphodiesterase decreases cGMP levels, and, therefore, NO-induced vasodilation is attenuated by its activity.

Finally, pseudotolerance is also an issue complicating chronic treatment with organic nitrates. This adaptive phenomenon is not considered true vascular tolerance because it occurs in response to every form of vasodilator therapy. Pseudotolerance is marked by neurohormonal activation, increased catecholamine release rates and circulating catecholamine levels, sodium retention, and intravascular volume expansion (135,148).

Although several agents have been studied for use in the prevention of nitrate tolerance, none are currently recommended owing to a paucity of supportive clinical data (126,132,149–156). Only one method of preventing nitrate tolerance remains widely accepted: the use of a dosing strategy that provides an interval of no or low nitrate exposure during each 24-hour period (112,126,133,157–159). Nitrate tolerance is rapidly reversed during a nitrate-free interval (8,160).

질산염 내성

질산염 사용의 주요 문제 중 하나는 내성 발달입니다. 내성은 “지속적인 치료 동안의 혈역학 및 협심증 치료 효과의 상실”로 정의됩니다(8).

내성은 모든 질산염에 대한 만성 노출에 따라 발생하며,

“장기 치료의 24시간 동안 협심증 및 허혈성 치료 효과가 완전히 사라지거나 현저하게 감소하는” 결과를 초래합니다(126).

1980년, 타다니와 동료들은 경구용 이소소르비드 디트레이트에 대한 내성에 대한 연구를 보고했고, 6시간마다 이소소르비드 디트레이트를 투여하는 치료 과정에서 이소소르비드 디트레이트에 대한 부분 순환 내성과 니트로글리세린에 대한 교차 내성이 빠르게 발달한다는 것을 보여주었습니다(127). 그들은 2년 후, 협심증 치료 효과에 대한 유사한 연구 결과를 발표했습니다(128). 이후의 연구에서도 질산염 요법의 다른 방식에 대해 유사한 결과가 보고되었습니다(59,111,126,129-134).

질산염 내성의 원인은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 몇 가지 가설이 존재합니다. 한 가설은 유기질 질산염을 만성적으로 투여하면 혈관 수축제에 대한 과민성이 유발되어 질산염의 혈관 확장 효과가 약화된다고 주장합니다. 이 작용은 혈관 내 엔도텔린의 자가분비 수준 증가에 의해 매개되며, 그 결과 포스포리파제 C와 단백질 키나아제 C가 활성화됩니다. 이러한 경로는 액토미오신 활성과 근세포 수축성을 증가시킵니다. 또한, 작용제-구동 칼슘 의존성 활성화는 미오신 경쇄 포스파타제(135-137)의 억제를 통해 혈관 수축에 기여합니다.

질산염 내성에 대한 또 다른 가설은 유기 질산염을 이용한 만성 치료가 sGC를 둔감하게 만든다는 것입니다(138,139). sGC의 S-니트로실화(S-nitrosylation)는 NO 노출의 “기억”이 평활근 세포에 유지되어 NO에 대한 반응성이 감소하는 것을 의미하며, NO 내성의 메커니즘일 수 있습니다(135,140). 니트로글리세린 대사는 또한 활성 산소 종의 생성을 촉진합니다. 이러한 반응성 유도체에 의한 ALDH-2 활성 부위의 티올 그룹의 산화는 만성 니트로글리세린 치료 중에 관찰되었습니다. 이러한 번역 후 변형은 ALDH-2 효소 활성을 억제하여 니트로글리세린 생체 전환 및 효능을 감소시킬 수 있습니다(135,141-143).

또한, 니트로글리세린을 지속적으로 사용하면 테트라하이드로비오테린(tetrahydrobiopterin)의 생체 이용률이 감소하여 산화질소 합성효소 기능 장애가 발생할 가능성이 있는 것으로 나타났습니다(144). 산화질소 합성효소 기능 장애는 슈퍼옥사이드 음이온 형성을 유발할 수 있습니다. 슈퍼옥사이드 디스뮤타제에 의해 효과적으로 완화되지 않으면, 슈퍼옥사이드 음이온의 증가로 인해 퍼옥시니트라이트 음이온(NO와의 반응을 통해 형성됨)이 형성될 수 있으며, 이는 산화 스트레스 촉진 및 NO 생체 이용률 감소에 기여하는 반응성이 매우 높은 중간체입니다(135,145,146).

질산염 요법으로 인한 포스포디에스터라아제 활성의 증가는 내성 발달과도 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다(147). 앞서 논의한 바와 같이, 니트로글리세린은 NO로 대사되어 sGC를 활성화시켜 cGMP를 증가시킵니다. 포스포디에스터라아제는 cGMP 수치를 감소시킵니다. 따라서, NO로 인한 혈관 확장은 포스포디에스터라아제의 활동에 의해 약화됩니다.

마지막으로, 가성 내성은 유기 질산염을 이용한 만성 치료의 복잡한 문제이기도 합니다. 이 적응 현상은 모든 형태의 혈관 확장 요법에 반응하여 발생하기 때문에 진정한 혈관 내성으로 간주되지 않습니다. 가성 내성은 신경 호르몬 활성화, 카테콜아민 방출 속도 증가 및 순환 카테콜아민 수치, 나트륨 보유, 혈관 내 체적 증가로 특징지어집니다(135,148).

질산염 내성 예방을 위해 여러 가지 약제가 연구되었지만, 현재까지 임상 데이터가 부족하여 권장되는 약제는 없습니다(126,132,149-156). 질산염 내성을 예방하는 방법은 단 한 가지뿐입니다. 24시간 동안 질산염 노출이 없거나 낮은 간격을 제공하는 투약 전략을 사용하는 것입니다(112,126,133,157-159). 질산염 내성은 질산염이 없는 간격 동안에 빠르게 회복됩니다(8,160).

흡입된 NO 가스는 성인에게 여러 가지 임상적 용도로 사용됩니다. 폐동맥 고혈압 환자의 혈관 반응성 검사에서 확립된 역할을 합니다. 이 검사는 칼슘 채널 차단제 치료에 반응할 수 있는 환자를 식별하는 데 도움이 됩니다(69,121). 확실한 데이터가 부족하지만, 급성 저산소성 호흡 부전으로 폐 고혈압 진단을 받은 적이 있거나 없는 환자 모두에게 환기-관류 일치도를 개선하기 위해 사용되기도 합니다(122). 흡입된 NO는 신생아의 심각한 지속성 폐고혈압 치료에 확립된 역할을 하고 있으며, 최근에 발표된 코크란 리뷰도 횡격막 탈장이 없는 저산소성 호흡부전으로 인한 만삭아 및 조산아의 치료에 NO의 사용을 지지합니다(123,124). 이와는 대조적으로, 최근에 발표된 코크란 리뷰는 미숙아의 호흡부전에 대한 NO의 사용을 지지하지 않습니다(125).

Adverse Effects of Nitrates

In addition to the development of tolerance, there are other important considerations to treatment with organic nitrates. Common side effects of nitrate therapy include headache, flushing, lightheadedness, and postural hypotension. When sodium nitroprusside is infused, it interacts with oxyhemoglobin to form methemoglobin and releases NO and cyanide. Therefore, patients receiving sodium nitroprusside must be monitored for manifestations of both cyanide toxicity, such as altered mental status, seizure, and metabolic acidosis, and methemoglobinemia, such as cyanosis, headache, fatigue, and lethargy (66,67,161,162). Cyanide toxicity from sodium nitroprusside therapy is rare and is unlikely if the cumulative dose of nitroprusside does not exceed 0.5 mg/kg/hr. Large infusion doses of nitroglycerin can also cause methemoglobinemia (163). There are several antidotes available to treat cyanide toxicity, including sodium thiosulfate, sodium nitrite, amyl nitrite, and hydroxycobalamin, as well as potential antidotes that are undergoing development, such as sulfanegen sodium. Sodium thiosulfate is available intravenously, and by increasing thiosulfate concentration in plasma, acts as a sulfur donor to rhodanase, an enzyme that transforms cyanide to thiocyanate, which is non-toxic (164). Intravenous sodium nitrite and inhaled amyl nitrite are methemoglobin generators, and methemoglobin’s strong affinity for cyanide binding is the rationale for their use as antidotes (165). Hydroxycobalamin is a vitamin B derivative that is available intravenously and contains a cobalt moiety that avidly binds to intracellular cyanide forming cyanocobalamin (165–167). Sulfanegen sodium is a prodrug of 3-mercaptopyruvate that converts cyanide to thiocyanate (164,168). It was shown to be effective in reversing cyanide toxicity in a juvenile pig model, but work is ongoing to develop it into a antidote that is safe for use in humans (169).

Additionally, there are certain clinical situations in which nitrates should not be used, or should be used with extreme caution. Nitrates should not be given to patients who have used a phosphodiesterase inhibitor, such as sildenafil or tadalafil, within 24–48 hours owing to the risk of severe hypotension (170,171). Nitrates should also be avoided in suspected causes of right ventricular infarction as nitrate-induced dilatation of the venous capacitance beds could cause hypotension given the need for high filling pressures in this setting (172). Patients with hypertrophic cardiomyopathy should not be placed on nitrate therapy as it can increase outflow tract obstruction by decreasing preload and ventricular volumes (173).

질산염의 부작용

내성 발달 외에도 유기질산염 치료에 있어 고려해야 할 중요한 사항들이 있습니다. 질산염 치료의 일반적인 부작용으로는 두통, 홍조, 현기증, 기립성 저혈압 등이 있습니다. 니트로프루시드 나트륨이 주입되면, 옥시헤모글로빈과 상호 작용하여 메트헤모글로빈을 형성하고, NO와 시안화물을 방출합니다. 따라서 니트로프루시드 나트륨을 투여받는 환자는 정신 상태 변화, 발작, 대사성 산증과 같은 시안화물 독성 증상과 청색증, 두통, 피로, 무기력증과 같은 메트헤모글로빈혈증의 증상을 모니터링해야 합니다(66,67,161,162).

니트로프루시드 나트륨 치료로 인한 청산염 중독은 드물고, 니트로프루시드의 누적 투여량이 0.5mg/kg/hr를 초과하지 않는다면 발생 가능성이 낮습니다. 니트로글리세린을 대량으로 주입하면 메트헤모글로빈혈증(163)을 유발할 수도 있습니다. 시안화물의 독성을 치료하기 위해 사용할 수 있는 해독제는 티오황산나트륨, 아질산나트륨, 아밀아질산나트륨, 하이드록시코발라민 등을 포함해 여러 가지가 있으며, 설파제네나트륨과 같은 잠재적인 해독제도 개발 중에 있습니다. 티오황산나트륨은 정맥 주사로 투여할 수 있으며, 혈장 내 티오황산염 농도를 증가시켜 로다나아제(rhodanase)에 유황을 공급하는 역할을 합니다. 로다나아제는 시안화물을 독성이 없는 티오시안산염으로 전환하는 효소입니다(164). 정맥 내 아질산나트륨과 흡입 아질산아밀은 메트헤모글로빈 생성 물질이며, 메트헤모글로빈의 시안화물과 결합하는 강한 친화력은 해독제로 사용되는 근거가 됩니다(165). 하이드록시코발라민은 비타민 B 유도체로, 정맥 주사로 투여할 수 있으며, 세포 내 시안화물과 결합하여 시아노코발라민을 형성하는 코발트 성분을 포함하고 있습니다(165-167). 설파네진 나트륨은 시안화물을 티오시안산염으로 전환하는 3-메르캅토피루브산염의 전구 약물입니다(164,168). 이 약물은 어린 돼지 모델에서 시안화물 독성을 역전시키는 데 효과가 있는 것으로 나타났지만, 인간에게 사용하기에 안전한 해독제로 개발하기 위한 연구가 진행 중입니다(169).

또한, 특정 임상 상황에서는 질산염을 사용해서는 안 되거나, 매우 주의해서 사용해야 합니다. 질산염은 심각한 저혈압의 위험이 있으므로 실데나필이나 타다라필과 같은 포스포디에스터라아제 억제제를 24-48시간 이내에 사용한 환자에게 투여해서는 안 됩니다(170,171). 또한, 우심실 경색의 의심되는 원인에서 질산염을 피해야 합니다. 질산염으로 인한 정맥 내 혈관 용적의 확장은 이 상황에서 높은 충진 압력이 필요하기 때문에 저혈압을 유발할 수 있기 때문입니다(172). 비대성 심근병증 환자는 질산염 요법을 시행하면 사전 부하와 심실 용적을 감소시켜 유출로 폐쇄를 증가시킬 수 있으므로 질산염 요법을 시행해서는 안 됩니다(173).

Novel Modulators of the NOsGC-cGMP Pathway

The organic nitrates have been and continue to be mainstays in the treatment of several acute and chronic cardiovascular conditions. Although many of the organic nitrates have been used clinically for decades, there are several new drugs and drug classes that have been approved recently or are currently being studied that have the potential to add to the list of modulators of the NO-sGC-cGMP pathway (174). Their methods of modulation of this pathway are summarized in Figure 5.

NO-GC-cGMP 경로의 새로운 조절제

유기 질산염은 여러 가지 급성 및 만성 심혈관 질환의 치료에 있어 지금까지도 여전히 주축을 이루고 있습니다. 많은 유기 질산염이 수십 년 동안 임상적으로 사용되어 왔지만, 최근에 승인되었거나 현재 연구 중인 몇 가지 새로운 약물과 약물 종류가 NO-sGC-cGMP 경로의 조절제 목록에 추가될 가능성이 있습니다(174). 이 경로의 조절 방법에 대한 요약은 그림 5에 나와 있습니다.

Figure 5. Novel Ways of Modulating the NOsGC-cGMP Pathway.

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Several novel modulators of the NO-sGC-cGMP pathway are undergoing active investigation, and the details are summarized in the main text. Methods of increasing endogenous cavnoxin production or introducing synthesized cavnoxin-like peptides could increase endogenous NO production. Transcriptional enhances of eNOS, the small molecules AVE3085 and AVE9488, have increased endogenous NO production, reversed eNOS uncoupling, and decreased eNOS production of superoxide anion in mice. The enterosalivary nitrate circulation (nitrate-nitrite-NO pathway) is a source of NO that is derived from dietary inorganic nitrate intake and production of NO from this pathway is enhanced by hypoxia and acidosis. Research dedicated to exploring therapeutic options, such as prebiotics, probiotics, and antimicrobial agents, that can modulate the microbiome and the nitrate-nitrite-NO pathway in heart failure, pulmonary hypertension, hypertension, obesity, and other cardiovascular disease states is ongoing. Increasing the bioavailability of endogenous NO is another potential approach to modulating the NO-sGC-cGMP pathway. The oxidized form of hemoglobin-α has a much lower affinity for NO than the reduced form, and, therefore, allows eNOS-generated NO to diffuse to underlying vascular smooth muscle cells. Since NADH-cytrochrome b5 reductase 3 reduces Fe3+-hemoglobin-α to Fe2+-hemoglobin-α, a potential way to increase NO bioavailability would be to inhibit NADH-cytochrome b5 reductase 3. Another possible strategy would be to disrupt the binding site of hemoglobin-α for eNOS, and a small peptide has been developed, hemoglobin-αX, as just such an inhibitor. Finally, modulating the NO-sGC-cGMP pathway in an NO-independent fashion is also being study. The ciguats modulate sGC activity to increase cGMP production independently of NO. The phosphodiesterases hydrolyze the phosphodiester bond of cGMP. Inhibition of these enzymes decreases cGMP breakdown.

NO-sGC-cGMP 경로의 몇 가지 새로운 조절 인자가 활발히 연구되고 있으며, 자세한 내용은 본문에 요약되어 있습니다. 내인성 카브녹신 생산을 늘리거나 합성된 카브녹신 유사 펩타이드를 도입하는 방법은 내인성 NO 생산을 증가시킬 수 있습니다. eNOS의 전사적 강화, 작은 분자 AVE3085와 AVE9488은 생체 내 NO 생산을 증가시키고, eNOS의 결합 해제를 역전시키며, 마우스에서 eNOS의 슈퍼옥사이드 음이온 생산을 감소시킵니다. 장내 타액성 질산염 순환(질산염-아질산염-NO 경로)은 식이 무기질 질산염 섭취에서 파생된 NO의 공급원이며, 이 경로에서 NO의 생산은 저산소증과 산증에 의해 강화됩니다. 심부전, 폐고혈압, 고혈압, 비만, 기타 심혈관 질환 상태에서 미생물 군집과 질산염-아질산염-NO 경로를 조절할 수 있는 프리바이오틱스, 프로바이오틱스, 항균제와 같은 치료 옵션을 탐구하는 연구가 진행되고 있습니다. 내인성 NO의 생체 이용률을 높이는 것은 NO-sGC-cGMP 경로를 조절하는 또 다른 잠재적 접근법입니다. 산화된 형태의 헤모글로빈-α는 환원된 형태보다 NO에 대한 친화성이 훨씬 낮기 때문에, eNOS가 생성한 NO가 기저의 혈관 평활근 세포로 확산될 수 있도록 합니다. NADH-사이토크롬 b5 환원효소 3가 Fe3+-헤모글로빈-α를 Fe2+-헤모글로빈-α로 환원하기 때문에, NO 생체 이용률을 높일 수 있는 잠재적인 방법은 NADH-사이토크롬 b5 환원효소 3를 억제하는 것입니다. 또 다른 가능한 전략은 eNOS에 대한 헤모글로빈-α의 결합 부위를 방해하는 것이며, 작은 펩타이드인 헤모글로빈-αX가 바로 그러한 억제제로 개발되었습니다. 마지막으로, NO-sGC-cGMP 경로를 NO와 무관하게 조절하는 방법도 연구되고 있습니다. ciguats는 NO와 무관하게 sGC 활동을 조절하여 cGMP 생산을 증가시킵니다. phosphodiesterases는 cGMP의 phosphodiester 결합을 가수분해합니다. 이러한 효소를 억제하면 cGMP 분해가 감소합니다.

eNOS, endothelial nitric oxide synthase; NO, nitric oxide; NADH, nicotinamide adenine dinucleotide; Fe, iron; sGC, soluble gyanylyl cyclase; cGMP, cyclic guanosine monophosphate.

Caveolin-1 (CAV1) is the main coat protein of caveolae, invaginations in the plasma membrane implicated in several biological processes, including signaling, in endothelial cells (174–178). eNOS activity is decreased when bound to CAV1 (179,180). Cavnoxin, a peptide that activates eNOS, was identified by studying the key residues in CAV1 responsible for inhibition of eNOS function (181). In wild-type mice, cavnoxin increases NO levels, causes a reduction in vascular tone, and lowers systemic blood pressure (181). Therefore, novel methods of increasing endogenous cavnoxin production or introducing synthesized cavnoxin-like peptides could be a promising way to increase endogenous NO production.

Another approach to increasing endogenous NO is to increase NO bioavailability by affecting hemoglobin-α’s ability to complex with eNOS. In the microcirculation, hemoglobin α forms a macromolecular complex with eNOS and controls the flux of bioavailable NO (174,182). The reduced Fe2+-O2-hemoglobin-α reacts with NO rapidly and generates nitrate and the oxidized Fe3+-hemoglobin-α. This oxidized form of hemoglobin-α has a much lower affinity for NO than the reduced form, and, therefore, allows eNOS-generated NO to diffuse to underlying vascular smooth muscle cells (174,183). Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH)-cytrochrome b5 reductase 3 reduces Fe3+-hemoglobin-α to Fe2+-hemoglobin-α. Therefore, yet another potential way to increase NO bioavailability would be to inhibit NADH-cytochrome b5 reductase 3. Still another possible strategy would be to disrupt the binding site of hemoglobin α for eNOS, and a small peptide has been developed, hemoglobin-αX, as just such an inhibitor. Hemoglobin αX has been found to decrease blood pressure in mice and dilate constricted arterioles isolated from patients with hypertension (182,184).

Modulating the transcription, and, therefore, translation, of NOS is another focus of research and development efforts to augment levels of endogenous NO. Two small molecules, AVE3085 and AVE9488, have been identified as transcriptional enhancers of eNOS that bind its promoter (174,185). In apolipoprotein E-knockout mice, 12 weeks of treatment with AVE9488 or AVE3085 reduced atherosclerotic plaque formation. Treatment of these mice with AVE9488 also reversed eNOS uncoupling, increased vascular content of the essential eNOS cofactor BH4, and reduced vascular cuff-induced neointima formation (185). Four weeks of treatment with AVE3085 was shown to attenuate cardiac remodeling in an experimental mouse model involving aortic banding to induce remodeling (186). Finally, nine weeks of treatment with AVE9488 was shown to improve left ventricular remodeling and contractile dysfunction in an experimental myocardial infarction rat model (187).

As referred to above with regard to treatment with AVE9488, reversing eNOS uncoupling is desired as it decreases eNOS production of superoxide anion (49). Tetrahydrobiopterin has been shown to improve endothelial dysfunction in patients with type II diabetes mellitus and in patients on cyclosporine A after cardiac transplantation (51,188). However, a study of 49 patients randomized to receive 400 mg/day of BH4, 700mg/day of BH4, or placebo for two to six weeks before coronary artery bypass graft surgery found no effect of BH4 treatment on vascular function or superoxide production (189). More research is needed to explore alternative ways to reverse eNOS uncoupling and, thereby, increase NO production and decrease superoxide anion production.

Ignarro and colleagues showed that sGC activity could be modulated in an NO-independent fashion by protoporphyrin IX, an sGC activator (190). Protoporphyrin IX was never used clinically owing to its severe photosensitizing effect (174). However, a recently developed class of drugs called the ciguats also modulate the NO-sGC-cGMP pathway similarly in an NO-independent fashion (174). There are two subgroups of ciguats: NOsGC stimulators (which bind NOsGC and act through allosteric regulation) and NOsGC activators (which occupy the heme binding site of NOsGC and work additively with NO) (174). Lificiguat was the first NOsGC stimulator that was identified when it was found to stimulate sGC in rabbit platelets during a small molecule screen designed to identify novel platelet aggregation inhibitors (191). Further work to improve the solubility and efficacy of lificiguat led to the development of riociguat, which is the only NOsGC stimulator that is approved for clinical use (192). Riociguat is currently approved for the treatment of pulmonary arterial hypertension and inoperable chronic thromboembolic pulmonary hypertension (174,193,194). There are ongoing trials of riociguat’s potential role in the treatment of pulmonary hypertension and heart failure. Other NOsGC-stimulating ciguats that are being studied include vericiguat, which was shown to decreased circulating levels of N-terminal pro-B-type natriuretic peptide (NT-proBNP) in patients with worsening chronic systolic heart failure, as well as nelociguat, IW-1973, and IW-1701 (174,195,196).

Cinaciguat was identified as a NOsGC activator via high-throughput screening (197,198). Its clinical use has been limited due to significant hypotension. In a placebo-controlled trial of 139 patients admitted with acute, decompensated, systolic heart failure, cinaciguat significantly decreased pulmonary capillary wedge pressure, right atrial pressure, pulmonary vascular resistance, and systemic vascular resistance, and also significantly increase cardiac index. However, the trial was stopped prematurely due to an increased occurrence of hypotension at cinaciguat doses greater than 200 micrograms/hour (199). At lower doses, cinaciguat has been shown to decrease systemic blood pressure without improving dyspnea or cardiac index in patients with acute heart failure, therefore limiting its use in this population (200). Another NOsGC activator that is under development is ataciguat (174).

Another class of NOsGC-cGMP pathway modulators is the phosphodiesterases. These enzymes inhibit the pathway by hydrolyzing the phosphodiester bond of cGMP (174,201). There are four phosphodiesterase 5 inhibitors in current clinical use that inhibit cGMP breakdown: sildenafil, vardenafil, tadalafil, and avanafil. All four are approved for use in erectile dysfunction. Sildenafil and tadalafil are also used for pulmonary arterial hypertension, and tadalafil is approved for use in benign prostatic hyperplasia (174). Work is ongoing to develop additional phosphodiesterase inhibitors, including inhibitors of non-selective phosphodiesterases and cGMP-selective phosphodiesterases (phosphodiesterase 5, phosphodiesterase 6, and phosphodiesterase 9) (174).

Finally, as discussed above, the enterosalivary nitrate circulation (nitrate-nitrite-NO pathway) is a source of NO that is derived from dietary inorganic nitrate intake (37,38,202). Production of NO from this pathway is enhanced by hypoxia and acidosis (203,204). Therefore, there is interest in studying the use of inorganic nitrates to improve exercise capacity, particularly in patients with heart failure with preserved left ventricular ejection fraction (202). There is also ongoing research dedicated to exploring therapeutic options, such as prebiotics, probiotics, and antimicrobial agents, that can modulate the microbiome and the nitrate-nitrite-NO pathway in heart failure, pulmonary hypertension, hypertension, obesity, and other cardiovascular disease states (38).

케이블린-1(CAV1)은 세포 내피 세포에서 신호 전달을 포함한 여러 생물학적 과정에 관여하는 세포막의 침투 구조인 카베올라의 주요 코팅 단백질입니다(174-178). eNOS의 활동은 CAV1에 결합할 때 감소합니다(179,180). eNOS를 활성화하는 펩타이드인 카브녹신은 eNOS 기능 억제를 담당하는 CAV1의 핵심 잔기를 연구함으로써 확인되었습니다(181). 야생형 마우스에서 카브녹신은 NO 수치를 증가시키고, 혈관 긴장도를 감소시키며, 전신 혈압을 낮춥니다(181). 따라서 내인성 카브녹신 생산을 증가시키는 새로운 방법이나 합성 카브녹신 유사 펩타이드를 도입하는 것이 내인성 NO 생산을 증가시키는 유망한 방법이 될 수 있습니다.

내생적 NO를 증가시키는 또 다른 접근법은 헤모글로빈-α가 eNOS와 복합체를 형성하는 능력에 영향을 미쳐 NO 생체 이용률을 높이는 것입니다. 미세순환계에서 헤모글로빈 α는 eNOS와 거대 분자 복합체를 형성하고 생체 이용 가능한 NO의 흐름을 조절합니다(174,182). 감소된 Fe2+-O2-헤모글로빈-α는 NO와 빠르게 반응하여 질산염과 산화된 Fe3+-헤모글로빈-α를 생성합니다. 산화된 형태의 헤모글로빈-α는 환원된 형태보다 NO에 대한 친화성이 훨씬 낮기 때문에, eNOS가 생성한 NO가 기저 혈관 평활근 세포로 확산될 수 있도록 합니다(174,183). 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH)-사이토크롬 b5 환원효소 3은 Fe3+-헤모글로빈-α를 Fe2+-헤모글로빈-α로 환원합니다. 따라서, NO 생체 이용률을 높일 수 있는 또 다른 방법은 NADH-사이토크롬 b5 환원효소 3을 억제하는 것입니다. 또 다른 가능한 전략은 eNOS에 대한 헤모글로빈 α의 결합 부위를 방해하는 것이며, 이러한 억제제로서 작은 펩타이드인 헤모글로빈-αX가 개발되었습니다. 헤모글로빈 αX는 생쥐의 혈압을 낮추고 고혈압 환자로부터 분리된 수축된 세동맥을 확장시키는 것으로 밝혀졌습니다(182,184).

NOS의 전사, 그리고 따라서 번역의 조절은 내인성 NO 수준을 높이기 위한 연구 및 개발 노력의 또 다른 초점입니다. 두 개의 작은 분자, AVE3085와 AVE9488이 eNOS의 전사 촉진제로서 그 프로모터에 결합하는 것으로 확인되었습니다(174,185). 아포지단백질 E 결핍 마우스에서 AVE9488 또는 AVE3085를 12주 동안 투여한 결과, 죽상경화성 플라크 형성이 감소했습니다. 이 마우스에 AVE9488을 투여한 결과, eNOS의 결합 해제가 역전되고, 필수적인 eNOS 보조인자 BH4의 혈관 함량이 증가했으며, 혈관 커프에 의한 내피 신생 형성이 감소했습니다(185). 대동맥 밴딩을 통해 리모델링을 유도하는 실험용 마우스 모델에서 AVE3085를 4주 동안 투여한 결과, 심장 리모델링이 완화되는 것으로 나타났습니다(186). 마지막으로, AVE9488을 9주 동안 투여한 결과, 실험용 심근경색 쥐 모델에서 좌심실 리모델링과 수축 기능 장애가 개선되는 것으로 나타났습니다(187).

위에서 AVE9488 치료에 관해 언급한 바와 같이, eNOS의 결합 해제를 역전시키는 것이 바람직합니다. eNOS는 슈퍼옥사이드 음이온(49)의 생성을 감소시키기 때문입니다. 테트라하이드로비오테린은 제2형 당뇨병 환자 및 심장 이식 후 사이클로스포린 A를 투여하는 환자의 내피 기능 장애를 개선하는 것으로 나타났습니다(51,188). 그러나 관상동맥 우회로 이식 수술을 받기 전 2~6주 동안 400mg/일의 BH4, 700mg/일의 BH4, 또는 위약을 무작위로 투여한 49명의 환자를 대상으로 한 연구에서 BH4 치료가 혈관 기능이나 슈퍼옥사이드 생성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다(189). eNOS의 결합 해제를 역전시켜 NO 생성을 증가시키고 슈퍼옥사이드 음이온 생성을 감소시키는 다른 방법을 찾기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

Ignarro와 동료 연구자들은 sGC 활동이 NO-독립적인 방식으로 프로토포르피린 IX(sGC 활성화제)에 의해 조절될 수 있음을 보여주었습니다(190). 프로토포르피린 IX는 심각한 광과민성 효과 때문에 임상적으로 사용된 적이 없습니다(174). 그러나 최근에 개발된 시구아트(ciguats)라는 약물은 NO-독립적인 방식으로 NO-sGC-cGMP 경로를 유사하게 조절합니다(174). NO-GC 자극제(NO-GC를 결합하고 알로스테릭 조절을 통해 작용)와 NO-GC 활성화제(NO-GC의 헴 결합 부위를 점유하고 NO와 함께 작용)의 두 가지 하위 그룹이 있습니다(174). 리피기구아트는 새로운 혈소판 응집 억제제를 찾기 위해 설계된 저분자 스크리닝 과정에서 토끼 혈소판의 sGC를 자극하는 것으로 밝혀졌을 때 최초로 확인된 NO-GC 자극제입니다(191). 리피기구아트의 용해도와 효능을 개선하기 위한 추가 연구로 임상 사용이 승인된 유일한 NO-GC 자극제인 리오기구아트가 개발되었습니다(192). 리오시구아트는 현재 폐동맥 고혈압과 수술 불가능한 만성 혈전색전성 폐고혈압(174,193,194)의 치료제로 승인되었습니다. 폐고혈압과 심부전 치료에 있어서 리오시구아트의 잠재적 역할에 대한 임상시험이 진행되고 있습니다. 연구 중인 다른 NO-GC 자극제에는 만성 수축기 심부전이 악화되는 환자에서 순환하는 N-말단 프로-B형 나트륨 이뇨 펩티드(NT-proBNP)의 수치가 감소하는 것으로 나타난 베리시구아트(vericiguat)와 넬로시구아트(nelociguat), IW-1973, IW-1701(174,195,196) 등이 있습니다.

시나키구아트는 고처리량 스크리닝을 통해 NOsGC 활성화제로 확인되었습니다(197,198). 그러나 심각한 저혈압 때문에 임상적 사용이 제한되었습니다. 급성, 비보상성, 수축기 심부전으로 입원한 139명의 환자를 대상으로 한 위약 대조 시험에서, 시나키구아트는 폐 모세혈관 쐐기압, 우심방 압력, 폐혈관 저항, 전신혈관 저항을 현저하게 감소시켰고, 심장 지수도 현저하게 증가시켰습니다. 그러나 시나키구아트의 용량이 시간당 200마이크로그램을 초과할 경우 저혈압이 증가하는 것으로 나타나, 임상시험이 조기에 중단되었습니다(199). 저용량 시나키구아트는 급성 심부전 환자의 호흡곤란이나 심장 지수를 개선하지 않고 전신 혈압을 낮추는 것으로 나타났기 때문에, 이 환자 집단에 대한 사용이 제한되었습니다(200). 개발 중인 또 다른 NO-GC 활성화제는 아타키구아트(174)입니다.

NO-cGMP 경로 조절제의 또 다른 종류는 포스포디에스터라아제입니다. 이 효소들은 cGMP의 포스포디에스터 결합을 가수분해함으로써 경로를 억제합니다(174,201). 현재 임상적으로 사용되고 있는 cGMP 분해를 억제하는 포스포디에스터라아제 5 억제제는 실데나필, 바르데나필, 타다라필, 아바나필 등 4가지입니다. 이 4가지 약물은 모두 발기부전 치료제로 승인되었습니다. 실데나필과 타다라필은 폐동맥 고혈압에도 사용되며, 타다라필은 양성 전립선 비대증(174)에 사용하도록 승인되었습니다. 비선택적 포스포디에스터라아제 억제제와 cGMP 선택적 포스포디에스터라아제(포스포디에스터라아제 5, 포스포디에스터라아제 6, 포스포디에스터라아제 9)를 포함한 추가적인 포스포디에스터라아제 억제제를 개발하기 위한 작업이 진행 중입니다(174).

마지막으로, 위에서 논의한 바와 같이, 장내 타액 순환(질산염-아질산염-NO 경로)은 식이 무기질 질산염 섭취에서 유래된 NO의 원천입니다(37,38,202). 이 경로에서 NO의 생성은 저산소증과 산증에 의해 강화됩니다(203,204). 따라서 운동 능력을 향상시키기 위해 무기 질산염의 사용을 연구하는 데 관심이 있습니다. 특히 좌심실 박출 비율이 보존된 심부전 환자(202)에게 관심이 있습니다. 또한 심부전, 폐고혈압, 고혈압, 비만 및 기타 심혈관 질환 상태에서 미생물 군집과 질산염-아질산염-NO 경로를 조절할 수 있는 프리바이오틱스, 프로바이오틱스 및 항균제와 같은 치료 옵션을 탐구하는 연구가 진행되고 있습니다(38).

Conclusion

The use of nitrates in cardiovascular disease has a long and storied history. They continue to play a major role in current clinical practice to improve symptoms despite the paucity of evidence of benefit on hard clinical endpoints. As research and development of new ways to modulate the NO-sGC-cGMP pathway continue, it may be time to revisit the study of nitrates in large, prospective clinical trials in the percutaneous coronary intervention era.

Perspectives.

Nitric oxide is an important biological effector with roles in vasodilation, cell permeability, platelet function, inflammation, and other vascular processes. The organic nitrates, as sources of nitric oxide, are commonly used in the treatment of cardiovascular disease, but clinical data limit their use primarily to the treatment of angina. As research and development of new ways to modulate the NO-sGC-cGMP pathway continue, it may be time to revisit the study of nitrates in large, prospective clinical trials in the percutaneous coronary intervention era.

결론
심혈관 질환에 질산염을 사용하는 것은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 현재 임상 실습에서, 확실한 임상적 평가 지표에 대한 이점이 거의 입증되지 않았음에도 불구하고, 질산염은 증상을 개선하는 데 중요한 역할을 계속하고 있습니다. NO-sGC-cGMP 경로를 조절하는 새로운 방법에 대한 연구와 개발이 계속됨에 따라, 경피적 관상동맥 중재술 시대에 대규모 전향적 임상 시험에서 질산염에 대한 연구를 다시 검토해야 할 때가 된 것 같습니다.


전망.
산화질소는 혈관 확장, 세포 투과성, 혈소판 기능, 염증, 그리고 다른 혈관 과정에 관여하는 중요한 생물학적 작용제입니다. 산화질소의 원천인 유기 질산염은 일반적으로 심혈관 질환 치료에 사용되지만, 임상 데이터에 따르면 주로 협심증 치료에 사용됩니다. NO-sGC-cGMP 경로를 조절하는 새로운 방법에 대한 연구와 개발이 계속됨에 따라, 경피적 관상동맥 중재술 시대에 대규모 전향적 임상 시험에서 질산염에 대한 연구를 재검토할 때가 된 것 같습니다.

Acknowledgments

Funding: This work was supported in part by NIH grants HL61795 and GM107618 to J.L. The authors have no relationship with industry relevant to this work.

The authors wish to thank Ms. Stephanie Tribuna for expert technical assistance. This work was supported in part by NIH grants HL61795 and GM107618 to J.L.

AbbreviationsALDH-2

Aldehyde dehydrogenase-2

Ca2+

Calcium ion

CAV1

Caveolin-1

cAMP

Cyclic adenosine monophosphate

cGMP

Cyclic guanosine monophosphate

cGK-I

Cyclic guanosine monophosphate-dependent protein kinase I

iNOS

Cytokine-inducible NOS

Cyt Ox

Cytochrome c oxidase

P450

Cytochrome P450 enzyme(s)

eNOS

Endothelial nitric oxide synthase

EDRF

Endothelium-derived relaxing factor

eNOS

Endothelial NO synthase

GDN

1,2-glyceryl dinitrate

GMN

1,2-glyceryl mononitrate

GTN

Glyceryl trinitrate (nitroglycerin)

GTP

Guanosine triphosphate

GMP

Guanosine monophosphate

H+

Hydrogen ion

NO3−

Inorganic nitrate

NO2−

Inorganic nitrites

ISDN

Isosorbide dinitrate

ISDM

Isosorbide mononitrate

MLC

Myosin light chain

MLCK

Myosin light-chain kinase

MLCP

Myosin-light-chain phosphatase

nNOS

Neuronal NOS

NO

Nitric oxide

NOx

Nitrogen oxides

NOS

NO synthase

NONOates

N-diazeniumdiolates

NT-proBNP

N-terminal pro-B-type natriuretic peptide

PEDN

Pentaerythrityl dinitrate

PEMN

Pentaerythrityl mononitrate

PETN

Pentaerythrityl tetranitrate

PETriN

Pentaerythrityl trinitrate

PDE

Phosphodiesterase

MLC-Pi

Phosphorylated myosin light chain

sGC

Soluble gyanylyl cyclase

BH4

Tetrahydro-L-biopterin

VEGF

Vascular endothelial growth factor

XO

Xanthine oxidase

Footnotes

Publisher's Disclaimer: This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final citable form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

References

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