Re: 산화질소 노화와 관계!!

[문형철]

J Geriatr Cardiol

. 2011 Dec;8(4):230–242. doi: 10.3724/SP.J.1263.2011.00230

Nitric oxide and geriatrics: Implications in diagnostics and treatment of the elderly

Ashley C Torregrossa 1, Mayank Aranke 2, Nathan S Bryan 1,3

• Author information
• Article notes
• Copyright and License information

PMCID: PMC3390088  PMID: 22783310

Abstract

The nation's aging population is growing rapidly. By 2030, the number of adults age 65 and older will nearly double to 70 million. Americans are living longer and older adults can now live for many years with multiple chronic illnesses but with a substantial cost to health care. Twenty percent of the Medicare population has at least five chronic conditions i.e., hypertension, diabetes, arthritis, etc. Studies in experimental models and even humans reveal that constitutive production of nitric oxide (NO) is reduced with aging and this circumstance may be relevant to a number of diseases that plague the aging population. NO is a multifunctional signaling molecule, intricately involved with maintaining a host of physiological processes including, but not limited to, host defense, neuronal communication and the regulation of vascular tone. NO is one of the most important signaling molecules in our body, and loss of NO function is one of the earliest indicators or markers of disease. Clinical studies provide evidence that insufficient NO production is associated with all major cardiovascular risk factors, such as hyperlipidemia, diabetes, hypertension, smoking and severity of atherosclerosis, and also has a profound predictive value for disease progression including cardiovascular and Alzheimers disease. Thirty plus years after its discovery and over 13 years since a Nobel Prize was awarded for its discovery, there have been no hallmark therapeutic breakthroughs or even NO based diagnostics. We will review the current state of the science surrounding NO in the etiology of a number of different diseases in the geriatric patient. From these observations, it can be concluded that enzymatic production of NO declines steadily with increasing age in healthy human subjects. Implementing strategies to diagnose and treat NO insufficiency may provide enormous benefit to the geriatric patient.

이 나라의 고령화 인구는 급속히 증가하고 있습니다.

2030년이 되면 65세 이상 성인의 수가 거의 두 배인

7천만 명에 달할 것입니다.

미국인들은 더 오래 살고 있으며,

고령자들은 여러 가지 만성 질환을 앓으면서도 건강 관리에 상당한 비용을 들이면서 오

랫동안 살 수 있게 되었습니다.

메디케어 가입자의 20%는

고혈압, 당뇨병, 관절염 등

5가지 이상의 만성 질환을 앓고 있습니다.

실험 모델과 인간을 대상으로 한 연구에 따르면,

노화에 따라 산화질소(NO)의 생성이 감소하며,

이러한 현상은 고령 인구를 괴롭히는 여러 질병과 관련이 있을 수 있습니다.

NO는

다기능 신호 전달 분자로,

숙주 방어, 신경 전달, 혈관 긴장 조절을 포함하되

이에 국한되지 않는 다양한 생리학적 과정을 유지하는 데 복잡하게 관여합니다.

NO는

우리 몸에서 가장 중요한 신호 전달 분자 중 하나이며,

NO 기능의 상실은 질병의 가장 초기 지표 또는 마커 중 하나입니다.

임상 연구에 따르면

NO 생산이 불충분하면

고지혈증, 당뇨병, 고혈압, 흡연, 동맥경화증의 중증도 등

모든 주요 심혈관 질환 위험 요인과 관련이 있으며,

심혈관 질환과 알츠하이머병을 포함한 질병 진행에 대한 예측 가치도 높습니다.

NO가 발견된 지 30년이 넘었고,

노벨상을 수상한 지 13년이 지났지만,

획기적인 치료법이나 NO 기반 진단법은 아직까지 없습니다.

노인의 여러 질병의 병인에서

NO를 둘러싼 과학의 현재 상태를 검토할 것입니다.

이러한 관찰을 통해 건강한 사람의 경우,

노화가 진행됨에 따라 NO의 효소 생산이 꾸준히 감소한다는 결론을 내릴 수 있습니다.

NO 부족을 진단하고 치료하기 위한 전략을 실행하면

노인 환자에게 큰 도움이 될 수 있습니다.

Keywords: nitrite, nitrate, cardiovascular disease, Alzheimer's disease, bloodflow, circulation

1. Introduction

The mammalian biosynthesis of nitric oxide (NO) discovered in the 1980′s for its roles in the immune,[1],[2] cardiovascular[3]–[5] and nervous[6] systems established a startling new paradigm in the history of cellular signaling mechanisms. Prior to this discovery, NO was widely recognized as a toxic molecule: a common air pollutant, a constituent of cigarette smoke, and a toxic gas, which appears in the exhaust of motor cars and jet airplanes, causes acid rain, and destroys the ozone layer. Thus, it was essentially inconceivable that cells would intentionally produce a toxic gas as part of normal physiology. NO is now recognized as one of the most important signaling molecules in the body, and is involved in virtually every organ system where it is responsible for modulating an astonishing variety of effects. The primary targets for NO are metals and thiols. NO can bind to soluble gualylyl cyclase (sGC) and cause an increase in second messenger cGMP,[3] and mediate a number of physiological functions. This pathway was considered the basis of NO based signaling until it was recognized that NO elicited a number of physiological and biological effects that were not dependent upon cGMP. It is now recognized that NO can react directly with thiyl radicals to form nitrosothiols or other reaction products of NO i.e., nitrite, N2O3, N2O4, which can post-translationally modify thiols to affect protein structure and function.[7] NO has been shown to be involved in and affect practically every organ system in the body.[8] One can then imagine a host of diseases or conditions and multi-systemic symptoms may be caused or affected by the body's dysregulation of NO production/signaling (Figure 1). Maintaining NO homeostasis is critical for optimal health and disease prevention. Developing novel NO based diagnostics and therapies is central to better patient care, especially in the geriatric patient.

1. 서론

1980년대에 발견된 산화질소(NO)의 포유류 생합성은

면역,[1],[2] 심혈관[3]-[5] 및 신경[6] 시스템에서의 역할로 인해

세포 신호 전달 메커니즘의 역사에 놀라운 새로운 패러다임을 확립했습니다.

이 발견이 있기 전까지 NO는 독성 분자로 널리 인식되어 왔습니다.

일반적인 대기 오염 물질,

담배 연기의 구성 성분,

자동차 배기 가스와 제트기 배기 가스에서 나타나는 독성 가스,

산성비를 유발하고 오존층을 파괴하는 물질로 알려져 왔습니다.

따라서

세포가 정상적인 생리 활동의 일환으로

독성 가스를 의도적으로 생성한다는 것은 상상할 수 없는 일이었습니다.

NO는

이제 신체에서 가장 중요한 신호 전달 분자 중 하나로 인식되고 있으며,

거의 모든 장기 시스템에 관여하여

놀라울 정도로 다양한 효과를 조절하는 역할을 합니다.

NO의 주요 표적은

금속과 티올입니다.

NO는

가용성 구아릴 사이클라제(sGC)에 결합하여

2차 메신저 cGMP의 증가를 유발하고[3]

여러 가지 생리 기능을 매개합니다.

이 경로는

NO가 cGMP에 의존하지 않는 여러 가지 생리적, 생물학적 효과를 유발한다는 사실이 밝혀질 때까지

NO 기반 신호 전달의 기초로 간주되었습니다.

현재 NO는

티일 라디칼과 직접 반응하여 니트로소티올 또는 NO의 다른 반응 생성물

즉, 아질산염, N2O3, N2O4를 형성할 수 있으며,

이는 번역 후 티올을 변형시켜 단백질 구조와 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. [7]

NO는

신체의 거의 모든 기관 시스템에 관여하고 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.[8] 

따라서

다양한 질병이나 상태를 상상할 수 있으며,

신체의 NO 생성/신호 조절의 장애로 인해

여러 시스템에 영향을 미치는 증상이 발생할 수 있습니다(그림 1).

NO 항상성을 유지하는 것은

최적의 건강과 질병 예방에 매우 중요합니다.

새로운 NO 기반 진단 및 치료법을 개발하는 것은

특히 노인 환자를 위한 더 나은 환자 치료의 핵심입니다.

Figure 1. An overview of nitric oxide (NO) in various physiological, biochemical and pathological systems.

Open in a new tab

2. Nitric oxide production pathways

The first pathway to be discovered for the endogenous production of NO was involving L-arginine,[2] from a group of enzymes call nitric oxide synthase (NOS). NOS enzymes produce NO by catalyzing a five electron oxidation of the guanidino nitrogen of L-arginine. Oxidation of L-arginine to L-citrulline occurs via two successive mono-oxygenation reactions producing NG-hydroxy-L-arginine as an intermediate. Two moles of O2 and 1.5 moles of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) are consumed per mole of NO formed.[9] NOS enzymes are the only enzymes known to simultaneously require multiple bound cofactors/prosthetic groups: flavin adenine dinucleotide (FAD), flavin mononucleotide (FMN), heme, glutathione, NADPH, tetrahydrobiopterin (BH4) and Ca2+-calmodulin. There are three isoforms of NOS, the genetic sequence of each residing on three distinct chromosomes. One type is constitutive, Ca2+/calmodulin dependent and releases NO for short time periods in response to receptor or physical stimulation. NO released by this enzyme acts as a transduction mechanism underlying several physiological responses. The other enzyme type is induced after activation of macrophages, endothelial cells and a number of other cells by cytokines and once expressed, synthesizes NO for long periods of time. Furthermore, this enzyme is Ca2+ independent since calmodulin is already bound to the enzyme, and its induction is inhibited by glucocorticoids.[8] Endothelial NOS (eNOS), neuronal NOS (nNOS) which are both constitutively expressed in mammalian cells have now been well characterized in the cardiovascular system and nervous system respectively, and an inducible NOS (iNOS) which was first believed to be expressed only when activated by an immune response. Now it is appreciated that eNOS is found in other cells and tissues besides the endothelium, iNOS is found constitutively in some tissues, and there are inducible forms of both eNOS and nNOS, adding confusion to the nomenclature as it was first described. In an attempt to clarify the nomenclature, the three different isoforms are now commonly referred to as NOSI, NOSII, and NOSIII for neuronal, inducible and endothelial isoforms, respectively, based on the order in which they were first purified and cloned.

For years, scientists and physicians have investigated L-arginine supplementation as a means to enhance NO production. This strategy has been shown to work effectively in young healthy individuals with functional endothelium or in older patients with high levels of asymmetric dimethyl L-arginine (ADMA) where the supplemental L-arginine could outcompete this natural inhibitor of NO production. Patients with endothelial dysfunction, however, by definition, are unable to convert L-arginine to NO and, therefore, this strategy has failed in clinical trials. Schulman et al.[10] found that L-arginine, when added to standard postinfarction therapies, did not improve vascular stiffness measurements or ejection fraction and was associated with higher postinfarction mortality. L-arginine should not be recommended following acute myocardial infarction (MI). However, there are also a number of studies showing benefit to patients taking L-arginine just as many showing no benefit, no harm.[11]

Understanding the complex and complicated reaction pathway for NOS mediated production of NO from L-arginine helps us define the context for rational interventions. Using L-arginine supplementation therapy alone may not be effective due to oxidative stress in geriatric patients resulting in constitutive NOS uncoupling by redox-based post translational modifications. Supplementing L-arginine with anti-oxidants to prevent oxidation of reduced co-factors such as BH4, might prevent NOS uncoupling and lead to better results. In a study by Taddei et al.[12], the role of oxidative stress on NO availability and endothelial dysfunction was examined in both younger and older aged populations. They found that NO availability was profoundly restored in older patients when oxidative stress is removed by antioxidants such as vitamin C. In older individuals (age > 60 years) characterized by a profound alteration in NO availability, vitamin C not only enhanced the response to the endothelial agonist but also restored the inhibitory effect of L-NMMA on vasodilation to acetylcholine. Although, it is demonstrated that anti-oxidant supplemen tation can be very beneficial for those experiencing oxidative stress and endothelial dysfunction, it showed no benefit in younger (age < 60) or healthy individuals with no endothelial dys func tion. Collectively, the literature suggests that strategies to enhance NO production through L-arginine supple mentation are equivocal at best.

Although the L-arginine-NO pathway was the first to be discovered, it does not necessarily mean it is the primary pathway for the endogenous production of NO. In fact nitrogen cycling in bacteria and production of NO as an intermediate in denitrification may be one of the most primitive pathways known, dating back to the Archaean era.[13] The now recognized human nitrate-nitrite-nitric oxide pathway that still relies on bacteria may be a redundant system for overcoming the body's inability to make NO from L-arginine.[14] It appears that we have at least two systems for affecting NO production/homeostasis. The first is through the classical L-arginine-NO pathway. This is a complex and complicated five-electron oxidation of L-arginine and if any of the co-factors become limiting, then NO production from NOS shuts down, and in many cases, NOS produces superoxide instead.[15] The enzymatic production of NO normally proceeds very efficiently. However, in disease characterized by oxidative stress where essential NOS cofactors become oxidized, NOS uncoupling, or conditions of hypoxia where oxygen is limiting, this process can no longer maintain NO production.[16] This process is illustrated in Figure 2. Therefore, one can argue saliently that there has to be an alternate route for NO production. It is highly unlikely that nature devised such a sophisticated mechanism of NO production as a sole source of a critical molecule. This alternate route involves the provision of nitrate and nitrite reductively recycled to NO (Figure 3). The two-electron reduction of nitrate to nitrite occurs through symbiosis with facultative anaerobic bacteria that reside in the crypts of our tongue.[17] Nitrite reduction to NO can occur in a much simpler mechanism than nitrate. The 1-electron reduction of nitrite can occur by ferrous heme proteins (or any redox active metal) through the following reaction: NO2− + Fe(II) + H+ ↔ NO + Fe(III) + OH−.

2. 산화질소 생성 경로

NO의 내인성 생성을 위한 첫 번째 경로가 발견된 것은

NOS(산화질소 합성효소)라고 불리는 효소 그룹의 L-아르기닌[2]과 관련이 있었습니다.

NOS 효소는

L-아르기닌의 구아니딘 질소에

5개의 전자를 산화시켜 NO를 생성합니다.

L-아르기닌이 L-시트룰린으로 산화되는 과정은

두 개의 연속적인 단일 산화 반응을 통해 중

간 생성물인 NG-하이드록시-L-아르기닌을 생성합니다.

NO가 생성될 때마다

2몰의 산소와 1.5몰의 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트(NADPH)가

소비됩니다. [9]

NOS 효소는

플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD),

플라빈 모노뉴클레오티드(FMN),

헴,

글루타티온,

NADPH,

테트라하이드로바이오프테린(BH4),

Ca2+-칼모둘린 등

여러 가지 결합된 보조인자/보조단백질을

동시에 필요로 하는 것으로 알려진 유일한 효소입니다.

NOS에는 세 가지 이소형이 있는데,

각각의 유전적 서열은 세 개의 다른 염색체에 존재합니다.

한 가지 유형은 구성적이며,

Ca2+/칼모둘린 의존적이며 수용체 또는

물리적 자극에 반응하여 짧은 시간 동안 NO를 방출합니다.

이 효소에 의해 방출된 NO는

여러 가지 생리적 반응의 기초가 되는 전달 메커니즘으로 작용합니다.

다른 효소 유형은

사이토카인에 의해 대식세포, 내피세포 및 기타 여러 세포가 활성화된 후에 유도되며,

일단 발현되면 장기간 동안 NO를 합성합니다.

또한,

칼모둘린이 이미 효소에 결합되어 있기 때문에

이 효소는 Ca2+에 독립적이며,

그 유도는 글루코코르티코이드에 의해 억제됩니다.[8]

포유류 세포에서 항상 발현되는

내피 NOS(eNOS)와 신경질 NOS(nNOS)는

현재 각각 심혈관계와 신경계에서 잘 특성화되어 있으며,

면역 반응에 의해 활성화될 때만 발현되는 것으로 처음 여겨졌던 유도성 NOS(iNOS)도

잘 특성화되어 있습니다.

이제 eNOS는

내피세포 이외의 다른 세포와 조직에서도 발견되고,

iNOS는 일부 조직에서 구성적으로 발견되며,

eNOS와 nNOS 모두 유도 가능한 형태가 존재한다는 사실이 인정되어,

처음에 설명된 명칭에 혼란이 가중되고 있습니다.

명칭을 명확히 하기 위해,

세 가지 다른 이소형은 이제 각각 신경, 유도, 내피 이소형으로,

처음 정제되고 복제된 순서에 따라 NOSI, NOSII, NOSIII로 통칭됩니다.

수년 동안,

과학자들과 의사들은 NO 생산을 향상시키는 수단으로

L-아르기닌 보충제를 연구해 왔습니다.

이 전략은

기능성 내피를 가진 젊은 건강한 개인이나 비대칭 디메틸 L-아르기닌(ADMA) 수치가 높은 고령 환자에서

L-아르기닌 보충제가 NO 생산의 자연적 억제제를 능가할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다.

그러나

내피 기능 장애가 있는 환자는

정의상 L-아르기닌을 NO로 전환할 수 없기 때문에

임상 시험에서 이 전략은 실패했습니다.

Schulman et al.[10]은

L-아르기닌을 표준적인 심근경색 후 치료에 추가할 경우,

혈관 경직도 측정이나 박출 분율을 개선하지 못하며,

심근경색 후 사망률 증가와 관련이 있다는 것을 발견했습니다.

L-아르기닌은

급성 심근경색(MI) 후에는 권장되지 않습니다.

그러나

L-아르기닌을 복용하는 환자에게 유익하다는 것을 보여주는 연구도 많지만,

유익이 없고 해가 없다는 연구도 많습니다.[11]

Nitric oxide and geriatrics: Implications in diagnostics and treatment of the elderly - PMC

L-아르기닌으로부터 NOS가 매개하는 NO 생성에 대한

복잡하고도 복잡한 반응 경로를 이해하면

합리적인 개입의 맥락을 정의하는 데 도움이 됩니다.

L-아르기닌 보충 요법만으로는

노인 환자의 산화 스트레스 때문에 산화 환원 기반의 번역 후 변형에 의해

NOS의 결합이 해제되어 효과가 없을 수 있습니다.

BH4와 같은 환원된 보조 인자의 산화를 방지하기 위해

L-아르기닌에 항산화제를 보충하면

NOS의 결합 해제를 방지하고 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

Taddei 등의 연구[12]에서는

젊은 층과 고령층을 대상으로 산화 스트레스가

NO 가용성과 내피 기능 장애에 미치는 영향을 조사했습니다.

그들은 비타민 C와 같은 항산화 물질에 의해

산화 스트레스가 제거될 때

노년층 환자의 NO 가용성이 크게 회복된다는 것을 발견했습니다.

NO 가용성의 현저한 변화를 특징으로 하는 노년층(60세 이상)에서 비타민 C는

내피 작용제에 대한 반응을 향상시킬 뿐만 아니라

L-NMMA가 아세틸콜린에 대한 혈관 확장에 미치는 억제 효과를 회복시킵니다.

항산화 보충제가

산화 스트레스와 내피 기능 장애를 겪는 사람들에게 매우 유익할 수 있다는 사실이 입증되었지만,

젊은 연령대(60세 미만) 또는 내피 기능 장애가 없는 건강한 개인에게는 아무런 이점이 없었습니다.

종합적으로,

문헌에 따르면 L-아르기닌 보충제를 통한

NO 생산을 향상시키는 전략은 모호한 수준에 그칩니다.

L-아르기닌-NO 경로가 최초로 발견된 경로이지만,

이것이 반드시 NO의 내생적 생산을 위한 주요 경로라는 것을 의미하지는 않습니다.

사실 박테리아의 질소 순환과 탈질화 과정에서

NO가 생성되는 과정은 고생대 시대로 거슬러 올라가는

가장 원시적인 경로 중 하나일 수 있습니다.[13]

현재 알려진 인체의 질산염-아질산염-산화질소 경로는

여전히 박테리아에 의존하고 있으며,

이는 L-아르기닌으로부터 NO를 생성할 수 없는 신체의 능력을 극복하기 위한

중복 시스템일 수 있습니다.[14]

NO 생산/항상성에 영향을 미치는 시스템이 적어도 두 개 있는 것으로 보입니다.

첫 번째는

고전적인 L-아르기닌-NO 경로를 통한 것입니다.

이것은 L-아르기닌의 복잡하고 까다로운 5전자 산화이며,

보조 인자가 제한적이면 NOS로부터의 NO 생성이 중단되고,

많은 경우 NOS는 대신 슈퍼옥사이드를 생성합니다.[15]

NO의 효소적 생성은 일

반적으로 매우 효율적으로 진행됩니다.

그러나

산화 스트레스가 특징인 질병에서 필수적인 NOS 보조 인자가 산화되거나,

NOS가 분리되거나, 산소가 제한적인 저산소증의 조건에서는

이 과정이 더 이상 NO 생성을 유지할 수 없습니다.[16]

이 과정은 그림 2에 설명되어 있습니다.

따라서

NO 생성을 위한 대체 경로가 있어야 한다고

주장할 수 있습니다.

자연이 중요한 분자의 유일한 공급원으로 NO 생성을 위한

이렇게 정교한 메커니즘을 고안했을 가능성은 거의 없습니다.

이 대체 경로는

질산염과 아질산염을 환원적으로 재활용하여

NO로 만드는 과정을 포함합니다(그림 3).

질산염이 아질산염으로 2전자 환원되는 과정은

혀의 움푹 파인 부분에 서식하는

통성 혐기성 세균과의 공생을 통해 이루어집니다.[17]

아질산염이

NO로 환원되는 과정은 질산염보다 훨씬 간단한 메커니즘으로 일어날 수 있습니다.

아질산염의 1전자 환원은

철 헴 단백질(또는 산화 환원 활성 금속)에 의해

다음 반응을 통해 일어날 수 있습니다:

NO2− + Fe(II) + H+ ↔ NO + Fe(III) + OH−.

Figure 2. NO production and biochemistry. There are a number of critical steps for the NOS production of NO from L-arginine. Under healthy conditions (top), enzymatic function proceeds normally. Under disease conditions (bottom), there can be a number of problems with L-arginine availability, transport and conversion to NO due to enzyme uncoupling or insufficient co-factor availability. Once produced, NO can form nitrosothiols or become oxidized to nitrite and nitrate which now recognized can be recycled to regenerate NO. NO: nitric oxide; NOS: nitric oxide synthase; FAD: flavin adenine dinucleotide; FMN: flavin mononucleotide; GSH: glutathione; GSSG: oxidized glutathione; GSNO: nitrosoglutathione; NADPH: nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; ADMA: asymmetric dimethyl L-arginine.

그림 2. NO 생산과 생화학. L-아르기닌으로부터 NO를 생산하는 데는 여러 가지 중요한 단계가 있습니다. 건강한 상태(위)에서는 효소 기능이 정상적으로 진행됩니다. 질병 상태(아래)에서는 효소 결합 해제 또는 불충분한 보조 인자 가용성으로 인해 L-아르기닌 가용성, 수송 및 NO로의 전환에 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 일단 생성된 NO는 니트로소티올을 형성하거나 아질산염과 질산염으로 산화될 수 있으며, 현재는 NO를 재생하기 위해 이들을 재활용할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 

NO: 산화질소; NOS: 산화질소 합성효소; FAD: 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드; FMN: 플라빈 모노뉴클레오티드; GSH: 글루타티온; GSSG: 산화 글루타티온; GSNO: 니트로소글루타티온; NADPH: 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트; ADMA: 비대칭 디메틸 L-아르기닌.

Open in a new tab

Figure 3. Two pathways for endogenous nitric oxide (NO) production. The L-arginine NO pathway can be enhanced through regular exercise, which becomes dysfunctional with age. The dietary pathway through reduction of nitrate and nitrite is not affected by age but is dependent on specific foods and diets. Both systems work in concert to maintain NO homeostasis.

Open in a new tab

This is the same biologically active NO as that produced by NOS, with nitrite rather than L-arginine as the precursor and is a relatively inefficient process.[18] Much of the recent focus on nitrite physiology is due to its ability to be reduced to NO during ischemic or hypoxic events.[19]–[21] Nitrite reductase activity in mammalian tissues has been linked to the mitochondrial electron transport system,[22],[23] protonation,[20] deoxyhemoglobin,[24] and xanthine oxidase.[25],[26] Therefore, for this reaction to occur, the tissues or biological compart ment must have a sufficient pool of nitrite stored. Since plasma nitrite is a direct measure of NOS activity,[27] a compromised NOS system can also affect downstream nitrite production and metabolism, which can perhaps exacerbate any condition associated with decreased NO bioavailability. Considerable published data support the notion that exogenous nitrite contributes to whole body NO production: NO produced from nitrite in the upper intestine is up to 10,000 times the concentrations that occur in tissues from enzymatic synthesis,[28] nitrite can act as a circulating NO donor,[29] and nitrite can itself perform many actions previously attributable to NO[30] without the intermediacy of NO.[31] Experiments in primates revealed a beneficial effect of long-term application of nitrite on cerebral vasospasm.[32] Moreover, inhalation of nitrite selectively dilates the pulmonary circulation under hypoxic conditions in vivo in sheep.[33] Topical application of nitrite improves skin infections and ulcerations.[34]

Replenishing nitrate and nitrite through dietary means may then act as a protective measure to compensate for insufficient NOS activity under conditions of hypoxia or in a number of conditions characterized by NO insufficiency. Since a substantial portion of steady state nitrite concen trations in blood and tissue are derived from dietary sources,[31] modulation of nitrite and/or nitrate intake may provide a first line of defense for conditions associated with NO insufficiency.[21] The recognition of this mammalian nitrogen cycle has led researchers to explore the role of dietary nitrate and nitrite in physiological processes that are known to be regulated by NO.[35] Nitrite can transiently form nitrosothiols (RSNOs) under both normoxic and hypoxic conditions[19],[31] and a recent study by Bryan et al.[31] demonstrates that steady state concentrations of tissue nitrite and nitroso are affected by changes in dietary nitrite and nitrate (collectively, NOx) intake. Furthermore, enriching dietary intake of nitrite and nitrate translates into significantly less injury from heart attack.[36] 

Previous studies demonstrated that nitrite therapy given intravenously prior to reperfusion protects against hepatic and myocardial ischemia/reperfusion (I/R) injury.[37] Additionally, oral nitrite has also been shown to reverse L-NAME induced hypertension and serve as an alternate source of NO in vivo.[38] These results have since been corroborated in humans. In fact, it has been reported that dietary nitrate reduces blood pressure in healthy volunteers.[39],[40] Commercial development of nitrite and nitrate enriched dietary supplements has been shown to impact important cardiovascular risk factors in the aging population leading to a reduction in triglycerides and restoration of NO homeostasis.[41] Furthermore, in the stomach, nitrite-derived NO seems to play an important role in host defense[42] and in regulation of gastric mucosal integrity.[43] However, this is pH dependent. Since stomach acid production declines with age and many patients are prescribed proton pump inhibitors, this pathway may be disrupted in the geriatric patient causing additional problems with maintaining NO homeostasis.

Nitrite and nitrate therapy may then offer an all natural, over the counter and cost effective regimen for conditions associated with NO insufficiency. This has the potential to provide the basis for new preventive or therapeutic strategies and new dietary guidelines for optimal health. From a public health perspective, we may be able to make better recommendations on diet and dramatically affect the incidence and severity of cardiovascular disease and the subsequent clinical events.

이것은 NOS에 의해 생성되는 생물학적으로 활성적인 NO와 동일하며, L-아르기닌이 아닌 아질산염을 전구체로 사용하며, 상대적으로 비효율적인 과정입니다.[18] 최근 아질산염 생리학에 대한 많은 관심은 허혈 또는 저산소증 발생 시 NO로 환원될 수 있는 능력 때문입니다. [19]–[21] 포유류 조직의 아질산염 환원효소 활성은 미토콘드리아 전자 수송 시스템,[22],[23] 양성자화,[20] 탈옥소헤모글로빈,[24] 및 크산틴 산화효소와 관련이 있습니다.[25],[26] 따라서, 이 반응이 일어나기 위해서는 조직이나 생물학적 구획에 충분한 양의 아질산염이 저장되어 있어야 합니다. 플라즈마 아질산염은 NOS 활성을 직접 측정하는 지표이기 때문에, NOS 시스템이 손상되면[27] 하류 아질산염 생성 및 대사에도 영향을 미칠 수 있으며, 이는 NO 생체 이용률 감소와 관련된 모든 상태를 악화시킬 수 있습니다. 외인성 아질산염이 전신 NO 생성에 기여한다는 개념을 뒷받침하는 상당한 양의 데이터가 발표되었습니다. 위장에서 아질산염으로부터 생성된 NO는 효소 합성으로부터 조직에서 발생하는 농도의 최대 10,000배에 달합니다[28]. 아질산염은 순환하는 NO 기증자 역할을 할 수 있으며[29], 아질산염 자체는 NO의 중개 작용 없이 이전에 NO에 기인하는 많은 작용을 수행할 수 있습니다[30].[31] 영장류에 대한 실험에서 아질산염의 장기적인 적용이 대뇌 혈관 경련에 유익한 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다. [32] 또한, 아질산염을 흡입하면 생체 내 양의 저산소 상태에서 폐 순환이 선택적으로 확장됩니다.[33] 아질산염을 국소적으로 도포하면 피부 감염과 궤양이 개선됩니다.[34]

식이 요법을 통해 질산염과 아질산염을 보충하면 저산소 상태 또는 NO 부족이 특징인 여러 조건에서 NOS 활동이 불충분한 것을 보상하는 보호 수단으로 작용할 수 있습니다. 혈액과 조직의 정상적인 아질산염 농도의 상당 부분이 식이성 원천에서 비롯되기 때문에,[31] 아질산염 및/또는 질산염 섭취 조절은 NO 부족과 관련된 질환에 대한 첫 번째 방어선을 제공할 수 있습니다.[21] 이 포유류 질소 순환의 인식은 연구자들이 NO에 의해 조절되는 것으로 알려진 생리학적 과정에서 식이성 질산염과 아질산염의 역할을 탐구하도록 이끌었습니다. [35] 아질산염은 정상 산소 상태와 저산소 상태 모두에서 일시적으로 니트로소티올(RSNO)을 형성할 수 있습니다[19],[31] 그리고 최근 Bryan 등의 연구에 따르면[31] 조직 내 아질산염과 니트로소의 정상 상태 농도는 식이 아질산염과 질산염(통칭 NOx) 섭취량의 변화에 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 또한, 아질산염과 질산염의 섭취를 늘리면 심장마비로 인한 부상이 현저히 줄어듭니다.[36]

이전 연구에 따르면 재관류 전에 정맥으로 아질산염을 투여하면 간 및 심근 허혈/재관류(I/R) 손상을 예방할 수 있는 것으로 나타났습니다.[37] 또한, 경구 아질산염은 L-NAME로 유발된 고혈압을 역전시키고 생체 내에서 NO의 대체 공급원 역할을 하는 것으로 나타났습니다.[38] 이러한 결과는 이후 인간을 대상으로 한 연구에서도 확인되었습니다. 실제로, 건강한 지원자를 대상으로 한 연구에서 식이성 질산염이 혈압을 낮추는 것으로 보고되었습니다. [39],[40] 아질산염과 질산염이 풍부한 건강 보조 식품의 상업적 개발은 노령 인구의 중요한 심혈관 위험 요인에 영향을 미쳐 트리글리세리드를 감소시키고 NO 항상성을 회복시키는 것으로 나타났습니다.[41] 또한, 위장에서 아질산염에서 유래된 NO는 숙주 방어[42]와 위 점막 완전성 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 보입니다.[43] 그러나, 이것은 pH에 의존적입니다. 나이가 들면 위산 분비가 감소하고 많은 환자들이 양성자 펌프 억제제를 처방받기 때문에, 노년층 환자에서 이 경로가 중단되어 NO 항상성 유지에 추가적인 문제가 발생할 수 있습니다.

아질산염과 질산염 요법은 NO 부족과 관련된 질환에 대해 처방전 없이 구입할 수 있는 비용 효율적인 자연 요법을 제공할 수 있습니다. 이것은 새로운 예방 또는 치료 전략과 최적의 건강을 위한 새로운 식이 지침의 기초를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 공중 보건의 관점에서, 우리는 식이 요법에 대해 더 나은 권장 사항을 제시하고 심혈관 질환의 발생률과 심각성, 그리고 그에 따른 임상적 사건에 극적인 영향을 미칠 수 있습니다.

3. NO diagnostics

The major pathway for NO metabolism is the stepwise oxidation to nitrite and nitrate. For years, both nitrite (NO2−) and nitrate (NO3−) have been used as surrogate markers of NO production in biological tissues, but there have not been any new developments in the use of NO biomarkers in the clinical setting for diagnostic or prognostic utility. In fact, NO status is still not part of the standard blood chemistry routinely used for diagnostic purposes. This is simply unacceptable given the critical nature of NO in many disease processes and new technologies should be developed.[44] The only true measure of endothelial NO production (endothelial function) is through flow mediated dilatation (FMD). FMD is a non-invasive ultrasound-based method where arterial diameter is measured in response to an increase in shear stress, which causes release of NO from the endothelium and consequent endothelium dependent dilatation. FMD has been shown to correlate with invasive measures of endothelial function, as well as with the presence and severity of the major traditional vascular risk factors.[45] Nitrite and nitrate have recently been shown to be biomarkers for cardiovascular and other diseases from both diagnostic and therapeutic aspects.[46] However, it is not known if levels of NOx correlate with FMD. In addition to blood, urinary levels of NOx provide a means to assess systemic NO production in vivo, or renal handling of these anions which may be compromised in the geriatric patient.[47] A report by Kleinbongard et al.[48] demonstrated that plasma nitrite levels in humans progressively decrease with increasing cardiovascular risk load. Risk factors included age, hypertension, smoking, and hyperchole sterolemia, conditions all known to reduce the bioavai lability of NO. Although a correlation exists in the plasma, it is not known whether the situation is mirrored in the heart or other tissue of interest in specific disease. The recent recognition of a human nitrogen cycle whereby nitrate and nitrite are reduced to NO by an enterosalivary circulation of nitrate[14] now opens up the potential for using saliva as a potential biomarker for NO status in certain diseases.

3. NO 진단

NO 대사의 주요 경로는

아질산염과 질산염으로의 단계적 산화입니다.

수년 동안 아질산염(NO2-)과 질산염(NO3-)은

생물학적 조직에서 NO 생산의 대리 지표로 사용되어 왔지만,

임상 환경에서 진단 또는 예후 유용성을 위해 NO 바이오마커를 사용하는 데 있어

새로운 발전은 없었습니다.

사실,

NO 상태는 진단 목적으로

일상적으로 사용되는 표준 혈액 화학 검사의 일부가 아닙니다.

이는 많은 질병 과정에 있어 NO의 중요성을 고려할 때 용납할 수 없는 일이며,

새로운 기술이 개발되어야 합니다.[44]

내피 NO 생산(내피 기능)을 측정하는 유일한 방법은

혈류 매개 팽창(FMD)을 이용하는 것입니다.

FMD는 비침습적 초음파 기반 방법으로,

전단 응력 증가에 대한 반응으로 동맥 직경을 측정하는 방법입니다.

이로 인해 내피에서 NO가 방출되고,

결과적으로 내피 의존성 팽창이 일어납니다.

FMD는 내피 기능의 침습적 측정과 주요 전통적 혈관 위험 요인의 존재 및 심각도와 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다.[45] 최근에 아질산염과 질산염이 진단 및 치료 측면에서 심혈관 질환 및 기타 질병의 바이오마커로 밝혀졌습니다.[46] 그러나 NOx 수치가 FMD와 상관관계가 있는지는 알려지지 않았습니다. 혈액 외에, 소변 내 NOx 수치는 노년층 환자에서 손상될 수 있는 이러한 음이온의 생체 내 NO 생산 또는 신장 처리를 평가하는 수단을 제공합니다.[47] Kleinbongard 등의 연구 보고서에 따르면[48] 인간의 혈장 아질산염 수치는 심혈관 위험 부하가 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 것으로 나타났습니다. 위험 요인에는 나이, 고혈압, 흡연, 고콜레스테롤혈증 등이 포함되는데, 이 모든 조건은 NO의 생체 이용률을 감소시키는 것으로 알려져 있습니다. 혈장 내에는 상관관계가 존재하지만, 이러한 상황이 심장이나 특정 질병에 관련된 다른 조직에서도 동일하게 나타나는지는 알려지지 않았습니다. 최근에 발견된 인체 내 질소 순환 과정에 따르면, 질산염과 아질산염은 침샘-위액 순환을 통해 NO로 환원됩니다[14]. 이 발견은 특정 질병에서 NO 상태의 잠재적 바이오마커로 타액을 사용할 수 있는 가능성을 열어 줍니다.

4. Aging and NO production

Aging and hypertension are well-documented cardio vascular risk factors.[49],[50] Most of the functional and structural vascular alterations that lead to cardiovascular complications are similar in aging and hypertension.[51] Moreover, these vascular changes associated with essential hypertension are generally considered to be an accelerated form of the changes seen with aging.[52] When we are young and healthy, the endothelial production of NO through L-arginine is efficient and sufficient; however, as we age we lose our ability to synthesize endothelial derived NO. Most of the works on the activity of NO in cells and tissues agree that the bioavailability or the generation of NOS derived NO decreases with aging. It has been proposed that superoxide can scavenge NO to form peroxynitrite and thereby reduce its effective concentrations in cells.[53] It has also been reported that there is decreased NOS expression‎ with aging both in constitutive and inducible isoforms.[54],[55] Berkowitz et al.[56] observed the upregulation of arginase (an enzyme that degrades the natural substrate for NOS, L-arginine) in aged blood vessels and the corresponding modulation of NOS activity. Taddei et al.[12] have shown that there is a gradual decline in endothelial function due to aging with greater than 50% loss in endothelial function in the oldest age group tested as measured by forearm blood flow assays. Egashira et al.[57] reported more dramatic findings in the coronary circulation of aging adults whereby there was a loss of 75% of endothelium-derived nitric oxide in 70-80 year old patients compared to young, healthy 20 year olds. Vita et al.[58] demonstrated that increasing age was one predictor of abnormal endothelium-dependent vasodilation in atherosclerotic human epicardial coronary arteries. Gerhard et al.[59] concluded from their 1996 study that age was the most significant predictor of endothelium-dependent vasodilator responses by multiple stepwise regression analysis. Collectively, these important findings illustrate that endothelium-dependent vasodilation in resistance vessels declines progressively with increasing age. This is illustrated in Figure 4. This abnormality is present in healthy adults who have no other cardiovascular risk factors, such as diabetes, hypertension, or hypercholesterolemia. Most of these studies found that impairment of endothelium-dependent vasodilation was clearly evident by the fourth decade. In contrast, endothelium-independent vasodilation does not change significantly with aging, demonstrating that the responsiveness to NO does not change only the ability to generate it. These observations enable us to conclude that reduced availability of endothelium-derived NO occurs as we age, and to speculate that this abnormality may create an environment that is conducive to atherogenesis and other vascular disorders, including Alzheimers disease. It appears that aging interrupts NO signaling at every conceivable level, from production to inactivation. Given that NO is a necessary molecule for maintenance of health and prevention of disease, restoration of NO homeostasis may provide a new treatment modality for age and age related disease.

4. 노화와 NO 생산

노화와 고혈압은 잘 알려진 심혈관 질환의 위험 요소입니다.[49],[50] 심혈관 질환을 유발하는 기능적, 구조적 혈관 변화의 대부분은 노화와 고혈압에서 유사하게 나타납니다.[51] 더욱이, 이러한 필수 고혈압과 관련된 혈관 변화는 일반적으로 노화에 따른 변화의 가속화된 형태로 간주됩니다. [52]

우리가 젊고 건강할 때는

L-아르기닌을 통한 내피세포의 NO 생성이 효율적이고 충분하지만,

나이가 들면서 내피세포에서 NO를 합성하는 능력이 떨어집니다.

세포와 조직에서 NO의 활동에 관한 대부분의 연구 결과는

노화가 진행됨에 따라 생체 이용률 또는

NOS에서 생성된 NO의 생성이 감소한다는 데 동의합니다.

슈퍼옥사이드가

NO를 제거하여 퍼옥시니트라이트를 형성함으로써

세포 내의 유효 농도를 감소시킬 수 있다는 주장이 제기되었습니다. [53]

또한

노화에 따라 NOS 발현이 감소한다는 보고가 있습니다.

구성적 및 유도성 이소형 모두에서 감소합니다.[54],[55]

Berkowitz et al.[56]은 노화된 혈관에서 아르기나제(NOS의 천연 기질인 L-아르기닌을 분해하는 효소)의 상향 조절과 이에 상응하는 NOS 활동의 조절을 관찰했습니다. Taddei 외[12]는 팔뚝 혈류량 분석을 통해 테스트한 가장 나이 많은 연령대에서 내피 기능의 50% 이상 손실이 발생한다는 것을 보여줌으로써, 노화에 따른 내피 기능의 점진적인 감소가 있음을 보여주었습니다.

Egashira et al.[57]은 노화 성인의 관상동맥 순환에 대한 보다 극적인 연구 결과를 보고했는데,

70-80세 환자들의 내피 유래 산화질소(nitric oxide)가

20세 젊은 사람들에 비해 75% 감소한 것으로 나타났습니다.

Vita et al.[58]은 나이가 증가하면 죽상경화성 인간 심외막 관상동맥의 내피 의존성 혈관확장 이상에 대한 예측변수가 된다는 것을 증명했습니다. Gerhard et al.[59]은 1996년 연구에서 다단계 회귀분석을 통해 나이가 내피 의존성 혈관확장 반응에 대한 가장 중요한 예측변수라는 결론을 내렸습니다. 이 중요한 연구 결과들을 종합해 보면, 저항성 혈관의 내피 의존성 혈관 확장은 나이가 들면서 점진적으로 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 그림 4에 그 내용이 나와 있습니다. 이 이상은 당뇨, 고혈압, 고콜레스테롤혈증과 같은 다른 심혈관 위험 요인이 없는 건강한 성인에게서도 나타납니다. 이러한 연구의 대부분은 내피 의존성 혈관 확장의 장애가 40대가 되면 분명하게 나타난다는 것을 발견했습니다.

반면에 내피세포와 무관한 혈관 확장은 노화에 따라 크게 변하지 않는데, 이는 NO에 대한 반응성이 NO 생성 능력에만 영향을 미치지 않는다는 것을 보여줍니다. 이러한 관찰을 통해 우리는 노화가 진행됨에 따라 내피세포에서 NO의 가용성이 감소한다는 결론을 내릴 수 있으며, 이러한 이상이 죽상경화증과 알츠하이머병을 포함한 다른 혈관 질환에 도움이 되는 환경을 조성할 수 있다고 추측할 수 있습니다. 노화는 생산에서 비활성화에 이르기까지 모든 가능한 수준에서 NO 신호를 방해하는 것으로 보입니다. NO가 건강 유지와 질병 예방에 필요한 분자라는 점을 감안할 때, NO 항상성 회복은 노화와 노화 관련 질병에 대한 새로운 치료 방법을 제공할 수 있습니다.

Figure 4. Hypothetical representation of nitric oxide (NO) produc tion based on diet and lifestyle.

Open in a new tab

5. Consequences of NO insufficiency in the aging population

Aging is considered the single largest risk factor related to cardiovascular related diseases and deaths. Cardio-protection decreases with increasing age and is attributed to a decline in NO. The lack of NO production can lead to hypertension, atherosclerosis, peripheral artery disease, heart failure, and thrombosis leading to heart attack and stroke, the leading cause of death for all Americans, especially in geriatrics. Remarkably, all of these conditions have been shown to be positively affected by dietary nitrite and nitrate interventions.[14],[35],[60]

5. 노화 인구에서 NO 부족의 결과

노화는 심혈관 질환 및 사망과 관련된 가장 큰 위험 요소로 간주됩니다. 심혈관 보호는 나이가 들면서 감소하며, 이는 NO의 감소에 기인합니다. NO 생산의 부족은 고혈압, 죽상 동맥 경화증, 말초 동맥 질환, 심부전, 그리고 심장 마비와 뇌졸중을 유발하는 혈전증으로 이어질 수 있으며, 이는 모든 미국인의 주요 사망 원인이며, 특히 노인에게서 두드러집니다. 놀랍게도, 이러한 모든 조건은 식이성 아질산염과 질산염의 개입에 의해 긍정적인 영향을 받는 것으로 나타났습니다.[14],[35],[60]

5.1. Hypertension and NO

Hypertension, along with aging is a well-known cardiovascular risk factor that leads to functional and structural alterations in the heart and vasculature.[12] Vascular changes associated with hypertension, such as endothelial dysfunction, are an accelerated form of the type of changes seen with aging.[12] Additionally, the presence of acetyl choline alongside a NO synthase inhibitor (L-NMMA) was tested for NO availability in the vasculature. A noteworthy finding is that after the age of 60 years old, the inhibiting effect of L-NMMA on response to acetylcholine was extremely weak, suggesting that NO availability is completely compromised in older populations. These results indicate that essential hypertension is characterized by an age-related reduction of endothelial function by mechanisms that appear to be similar to those observed in older normotensive individuals. NO based therapies can reduce blood pressure. Transdermal nitroglycerin has been shown to reduce blood pressure in patients with recent stroke.[61] Dietary intervention with nitrite and nitrate has been shown to modestly reduce blood pressure in humans[39]–[41],[62] showing remarkable efficacy using this approach.

5.1. 고혈압과 NO

고혈압은 노화와 함께 잘 알려진 심혈관 질환의 위험 요소로, 심장 및 혈관계의 기능적, 구조적 변화를 초래합니다.[12] 내피 기능 장애와 같은 고혈압과 관련된 혈관 변화는 노화와 함께 나타나는 변화의 가속화된 형태입니다.[12] 또한, 아세틸콜린과 NO 합성 억제제(L-NMMA)의 존재가 혈관계에서 NO 가용성을 테스트하는 데 사용되었습니다. 주목할 만한 사실은 60세 이후에는 L-NMMA가 아세틸콜린에 대한 반응에 미치는 억제 효과가 극도로 약해져 노년층에서 NO 가용성이 완전히 손상된다는 것을 시사한다는 것입니다. 이러한 결과는 본태성 고혈압이 노년층에서 정상 혈압을 가진 노년층에서 관찰되는 것과 유사한 메커니즘에 의해 내피 기능의 연령 관련 감소가 특징임을 나타냅니다. NO 기반 치료는 혈압을 낮출 수 있습니다. 경피성 니트로글리세린은 최근 뇌졸중 환자의 혈압을 낮추는 것으로 나타났습니다.[61] 아질산염과 질산염을 이용한 식이요법은 인간의 혈압을 약간 낮추는 것으로 나타났습니다[39]-[41],[62] 이 접근법을 사용하면 놀라운 효과를 볼 수 있습니다.

5.2. Atherosclerosis and NO

Atherosclerosis is the major source of morbidity and mortality in the developed world. The magnitude of this problem is profound, as atherosclerosis claims more lives than all types of cancer combined and the economic costs are considerable.[63] Reduced NO availability is a hallmark of atherosclerosis. The endothelium-derived NO plays a crucial role in regulating a wide spectrum of functions in the cardiovascular system, including vasorelaxation, inhibition of leukocyte-endothelial adhesion, vascular smooth muscle cell (SMC) migration and proliferation, as well as platelet aggregation.[8] The concept of endothelial dysfunction arises from variations in blood flow observed in patients with atherosclerosis compared with healthy subjects. In healthy subjects, activation of eNOS causes vasodilation in both muscular conduit vessels and resistance arterioles. In contrast, in subjects with atherosclerosis, similar stimulation yields attenuated vasodilation in peripheral vessels and causes paradoxical vasoconstriction in coronary arteries, thus indicating a decrease in the production and/or bioavailability of NO.[64],[65] Interestingly, endothelial dysfunction can be demonstrated in patients with risk factors for atherosclerosis in the absence of atherosclerosis itself.[66],[67] These observations lend credence to the concept that endothelial dysfunction is integral to the development and progression of disease. Impaired endothelium may abnormally reduce vascular perfusion, produce factors that decrease plaque stability, and augment the thrombotic response to plaque rupture.[68] There are a number of studies showing that insufficient NO production from the endothelium is associated with all major cardiovascular risk factors, such as hyperlipidemia, diabetes, hypertension, smoking and severity of atherosclerosis, and importantly also has a profound predictive value for the future atherosclerotic disease progression.[69]–[72] Augmentation of NO or restoration of NOS function seems a logical means to inhibit atherosclerosis. Absence of eNOS in apoE-knockout mice accelerates atherosclerosis that is not caused by hypertension.[73],[74] Paradoxically, however, overexpression‎ of endothelial NOS accelerates lesion formation in apoE-deficient mice[75] demonstrating that enhanced NOS derived NO may not always be beneficial. Supplementation with tetrahydrobiopterin (BH4) reduced the lesion size to those seen in Apo E knockout mice revealing the requirement of enzyme cofactors. Even with BH4 supplementation there was still no effect on lesion development. These studies demonstrate the complexity of endothelium derived NO in the setting of atherosclerosis but clearly illustrate the dysfunctional eNOS/NO pathway as an early marker or a common mechanism for various cardiovascular disorders and therefore provides an ideal target for therapeutic or preventive intervention including alternative NOS independent sources of NO. Stokes et al.[76] have demonstrated that supplementing nitrite in the drinking water inhibits the adhesion and emigration of leukocytes to the vascular endothelium, one of the earliest events of atherogenesis suggesting this nitrate-nitrite-NO pathway may be useful in preventing chronic vascular disease.[77]

5.2. 죽상 동맥 경화증과 NO

죽상 동맥 경화증은 선진국에서 사망률과 이환율의 주요 원인입니다. 죽상 동맥 경화증은 모든 유형의 암을 합친 것보다 더 많은 생명을 앗아가는 심각한 문제이며, 경제적 비용도 상당합니다.[63] NO 가용성의 감소는 죽상 동맥 경화증의 특징입니다. 내피세포에서 유래된 NO는 혈관 이완, 백혈구-내피세포 부착 억제, 혈관 평활근 세포(SMC) 이동 및 증식, 혈소판 응집 등 심혈관계의 다양한 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.[8] 내피 기능 장애의 개념은 건강한 사람과 비교했을 때, 죽상경화증 환자의 혈류 변화에서 비롯됩니다. 건강한 피실험자의 경우, eNOS의 활성화는 근육관 혈관과 저항성 세동맥 모두에서 혈관 확장을 유발합니다. 이와는 대조적으로, 죽상동맥경화증 환자의 경우, 유사한 자극이 말초 혈관에서 혈관 확장을 약화시키고 관상동맥에서 역설적인 혈관 수축을 유발하여, NO의 생산 및/또는 생체 이용률의 감소를 나타냅니다.[64],[65] 흥미롭게도, 죽상동맥경화증 자체는 없지만 죽상동맥경화증의 위험 요소가 있는 환자에서 내피 기능 장애가 나타날 수 있습니다. [66],[67] 이러한 관찰 결과는 내피 기능 장애가 질병의 발생과 진행에 필수적이라는 개념을 뒷받침합니다. 내피 기능 장애는 혈관 관류를 비정상적으로 감소시키고, 플라크 안정성을 감소시키는 요인을 생성하며, 플라크 파열에 대한 혈전 반응을 증가시킬 수 있습니다. [68] 내피세포에서 NO 생성이 불충분하다는 사실이 고지혈증, 당뇨병, 고혈압, 흡연, 죽상동맥경화증의 중증도 등 모든 주요 심혈관 위험 요인과 관련이 있다는 것을 보여주는 여러 연구가 있으며, 중요한 것은 NO가 미래의 죽상동맥경화증의 진행에 대한 심오한 예측치를 가지고 있다는 것입니다.[69]-[72] NO의 증가 또는 NOS 기능의 회복은 죽상동맥경화증을 억제하는 논리적인 수단으로 보입니다. apoE-knockout 마우스에서 eNOS가 없으면 고혈압으로 인한 것이 아닌 죽상동맥경화증이 가속화됩니다.[73],[74] 그러나 역설적이게도 내피 NOS의 과발현은 apoE 결핍 마우스에서 병변 형성을 가속화합니다[75]. 이는 NOS에서 생성된 NO가 항상 유익한 것은 아니라는 것을 보여줍니다. 테트라하이드로바이오테린(BH4)을 보충하면 병변의 크기가 Apo E 결핍 마우스에서 보이는 크기로 줄어들었는데, 이는 효소 보조인자의 필요성을 보여줍니다. BH4를 보충해도 병변의 발달에는 아무런 영향을 미치지 않았습니다. 이 연구들은 죽상경화증의 맥락에서 내피세포에서 유래된 NO의 복잡성을 입증하지만, 다양한 심혈관 질환의 초기 지표 또는 공통적인 메커니즘으로서 기능 장애가 있는 eNOS/NO 경로를 명확하게 설명하고, 따라서 대체 NOS 독립적인 NO 공급원을 포함한 치료적 또는 예방적 개입에 이상적인 표적을 제공합니다. Stokes et al.[76]은 식수에 아질산염을 보충하면 백혈구가 혈관 내피에 부착 및 이동하는 것을 억제한다는 것을 입증했습니다. 이는 아질산염-아질산염-NO 경로가 만성 혈관 질환 예방에 유용할 수 있음을 시사하는 죽상경화증의 초기 증상 중 하나입니다.[77]

Nitric oxide and geriatrics: Implications in diagnostics and treatment of the elderly - PMC

5.3. Thrombosis and NO

Thrombosis affects nearly 1 million patients in the United States annually. Out of those million, nearly 300,000 are reported as thrombosis related deaths. A majority of current treatment options are centered on preventative anticoagulants, such as warfarin but with risk of bleeding. NO inhibits platelet activation, adhesion, and aggregation by influencing several signaling pathways, including activation of sGC and increasing intracellular cGMP;[78] inhibition of phosphatidylinositol-3 kinase;[79] and inhibition of capacitative cation influx and agonist-dependent increases in intracellular calcium.[80] These molecular events lead to an impairment of platelet activation, adhesion, secretion, fibrinogen-binding to glycoprotein lib/IIIa,[81] and, ultimately, aggregation. In addition, NO promotes platelet disagg regation. In conjunction with its vasorelaxing actions, these anti-platelet effects of NO maintain blood fluidity and tissue perfusion. A constitutive NO synthase has been found in both human platelets and megakaryocytic cells[82] and this isoform is active[83]. Using an NO-selective microelectrode adapted to a platelet aggregometer, Freedman et al.[84] recently showed that this platelet-derived NO not only modestly modulates platelet activation to strong and weak agonists but, more importantly, markedly inhibits platelet recruitment to the growing platelet thrombus. NO, derived both from the endothelial cell and the platelet, modulates platelet activation, adhesion, and aggregate formation, thereby serving as an important deterrent to platelet-mediated arterial thrombosis.[85] NO insufficiency, either through reduced production or oxidative inactivation leads to thrombotic events.[85] Efforts to restore the normal vascular redox balance and/or to restore normal NO availability may provide one therapeutic avenue for reducing platelet-dependent arterial thrombosis in older patients. In fact, recent studies have shown that dietary nitrate can inhibit platelet aggregation[40] again demonstrating this dietary approach to replete NO may provide first line of defense for NO insufficiency.

5.4. Alzheimers disease and NO

The most feared disease of the geriatric population is Alzheimer's disease (AD). In the United States, around 5.4 million people live with AD, a type of dementia.[86] Patients with AD lose brain function, resulting in problems with language, perception and memory. AD can start before age 60 (early onset) or after age 60 (late onset). The risk for AD increases as a person ages—and that rising risk is being seen as the baby boomers start turning 65 years old. Out of every eight baby boomers, one will get AD after she turns 65 years old; at age 85, that risk grows to one in two. With the 65 and over population in the United States expected to double by 2030, there may be up to 16 million people with AD by 2050; there may be almost one million new AD cases diagnosed each year. Each year in the United States, more than 800,000 people die from this neurological disease. It is the sixth leading cause of death, with the number of deaths rising 66 percent from 2000 to 2008.

There is becoming a clear and convincing association with AD and NO. Decreased levels of NOx has been detected in patients with different forms of dementia especially AD.[87] The exact etiology of sporadic AD is unclear, but it is interesting that cardiovascular risk factors including hypertension, hypercholesterolemia, diabetes mellitus, aging, and sedentary lifestyle are associated with higher incidence of AD.[88] The link between cardiovascular risk factors and AD has yet to be identified; however, a common feature is endothelial dysfunction, specifically, decreased bioavailability of NO.[89] The pathogenesis of Alzheimer's disease is closely associated with the accumulation of amyloid-β (Aβ) peptides, which eventually form neuronal deposits known as senile plaques on the outside surface of the neurons[90] and lead to neuron death. AD is characterized by progressive loss of neurons, cognitive decline, and two defining histopathologies: extracellular amyloid plaques and intracellular tangles composed primarily of Aβ peptide and hyperphosphorylated tau, respectively.[91] Furthermore, AD is often accompanied by cerebrovascular dysfunction, as well as amyloid deposition within the cerebral vessels, termed cerebral amyloid angiopathy.[92] NO in the brain can be produced either by iNOS in microglia and astrocytes, or by constitu tive NOS in neurons and endothelial cells (nNOS and eNOS). A large body of evidence suggests that the NO produced by neuronal and endothelial constitutive NOS is responsible for neuroprotection during Aβ-induced cell death, while NO production in the case of iNOS activation plays a neurotoxic role due to the inflammatory response caused by the over generation of other reactive nitrogen species from NO.[93] A decrease in nNOS and an increase in hippocampal iNOS have been demons trated in aged rats,[94] suggesting the dual roles and complexity of NO signaling in the brain and during AD. In mice, higher levels of constitutive NO produced by NOS protects beta-amyloid transgenic mice from developing most typical human symptoms of AD.[95] The protective role of NO in AD pathogenesis has been linked to NO/sGC/cGMP/Protein Kinase G (PKG) signaling cascades. Treatment with NO donors and cGMP analogues suppresses cell death,[96] and increasing intracellular cGMP levels prevents inflammatory responses in brain cells.[97] Moreover, the use of the NO donors, sGC stimulators, and cGMP-analogs reverses learning and memory impairment through PKG activation, in part by reestablishing the enhancement of the transcrip tion factor cAMP-responsive element binding protein (CREB), which is phosphorylated during long term poten tia tion.[98] It has also been shown that NO modulates expression‎ and processing of amyloid beta precursor protein.[99]

However, an accumulation of Aβ inhibits the NO signaling pathway and therefore may suppress the protective effects of endogenous NO in the brain. Chronic adminis tration of fibrillar Aβ decreases the expression‎ of sGC in cultured rat astrocytes, desensitizing them to treatment with sodium nitroprusside.[100] Acute Aβ administration blocks NO-induced vasoactivity in rats[101] and inhibits NO-stimulated phosphorylation of CREB.[98] In postmortem temporal cortex from a series of AD patients there was reduced NO responsive sGC providing the first evidence for a loss of NO responsive sGC activity in AD brain.[102]

Alternatively, current research suggests S-nitroslylation, may be responsible for cGMP independent mechanisms of NO and can contribute to neurotoxicity in neurogenerative diseases such as AD. Consequently, NO does not always protect against disease and may help facilitate neurode generative disorders through nitrosative stress and dysregulation of production. A common theme in many neurodegenerative disorders is the finding of abnormal aggregates of misfolded proteins. Recent findings have implied that NO-related species may significantly participate in the process of protein misfolding through protein S-nitrosylation under degenerative conditions. Qu et al.[103] demonstrate that Cdk5 activity, a cyclin dependent kinase responsible for neuronal functions, is regulated by S-nitroslylation. They found significantly increased S-nitrosylated Cdk5 (SNO-Cdk5) levels in postmortem human brain tissues of patients with AD compared to control brain tissue. Significantly, SNO-Cdk5 was not detectable in control human brains, thus indicating that measurable levels of SNO-Cdk5 are representative of a diseased state. Additionally, researchers reported that formation of SNO-Cdk5 contributes to NMDA-induced spine loss, neuronal damage, and to Aβ-induced loss of synaptic spines. In conclusion, the SNO-Cdk5 mediated pathway may contribute to the path ogenesis of AD and serve as a unique therapeutic for restoring spine damage in AD and other neurodegenerative diseases.

Collectively, the literature demonstrates a critical role for NO in the development of AD. It appears that normal and sufficient NO production/availability can modulate and inhibit the expression‎ and formation of Aβ but once Aβ becomes present it further compromises NO activity. This creates a perpetual system of NO insufficiency and a feed forward mechanism that may accelerate AD progression. The NO pathway (both cGMP and through S-nitrosylation) may be an important therapeutic target in preventing and treating mild cognitive impairment, as well as AD. In fact, a high nitrate diet has been shown to increase regional cerebral blood flow to the frontal lobe in older patients.[104]

6. Conclusions

It appears that the inability to produce sufficient NO under the right preclinical conditions enhances the risk for a number of diseases that plague the older population. If true, then there exist an opportunity to intervene early during this process, implement strategies to restore NO homeostasis, and, perhaps, delay or prevent the onset and progression of certain diseases. This gradual loss of NO activity with age can be sped up or slowed down based on individual lifestyle and diet. This idea is illustrated in the hypothetical graphical representation in Figure 4. Adopting healthy habits such as a good diet and exercise can prolong the precipitous drop in NO production with age. To the contrary a poor diet along with physical inactivity can accelerate the process and lead to a faster decline in NO production at a younger age. Therapeutic strategies directed at improving endothelial function or providing an alternative source of NO should be the primary focus because they may reduce the incidence of atherosclerosis or other diseases that occur with aging, even perhaps AD.

The role of diet in the prevention and control of morbidity and premature mortality due to non-commu nicable diseases has been well established by vast population-based epi demio logical studies carried out during the last decade.[105] NO is essential for maintaining normal blood pressure, preventing adhesion of blood cells to the endothelium, and preventing platelet aggregation; it may, therefore, be argued that this single abnormality, the inability to generate NO, puts us at risk for diseases that plague us later in life, such as atherosclerosis, myocardial infarction, stroke, and peripheral vascular disease. Are dietary and nutritional strategies utilizing nitrite and/or nitrate to restore NO homeostasis the best approach? More clinical trials are needed to define the context for risks vs. benefit. Although modestly increased associations between consumption of foods containing nitrite and nitrate and certain cancers have been reported in some prospective epidemiologic studies,[106]–[108] findings across studies have been largely inconsistent and equivocal[109]–[112] and thus the overall burden of proof remains inconclusive.[113]–[119] As with any therapy or treatment regimen, a risk benefit eval‎uation should be considered and understood for certain persons or patient populations. However, given the emerging data on the growing number of benefits from diets and foods enriched in nitrite and nitrate, we predict the benefits will far outweigh any risks. What remains clear is developing strategies and new technologies designed to restore NO availability is essential for inhibiting the progression of certain common chronic diseases.

6. 결론

적절한 전임상 조건에서 충분한 NO를 생산하지 못하면 고령 인구를 괴롭히는 여러 질병의 위험이 높아지는 것으로 보입니다. 이것이 사실이라면, 이 과정에서 조기에 개입하여 NO 항상성을 회복하는 전략을 실행하고, 특정 질병의 발병과 진행을 지연시키거나 예방할 수 있는 기회가 존재합니다. 노화에 따른 NO 활동의 점진적인 감소는 개인의 생활 방식과 식습관에 따라 가속화되거나 느려질 수 있습니다. 이 아이디어는 그림 4의 가상의 그래픽 표현으로 설명할 수 있습니다. 좋은 식습관과 운동과 같은 건강한 습관을 채택하면 노화에 따른 NO 생산량의 급격한 감소를 늦출 수 있습니다. 반대로, 식습관이 좋지 않고 신체 활동이 부족하면 그 과정이 가속화되어 더 어린 나이에 NO 생산량이 더 빨리 감소할 수 있습니다. 내피 기능을 개선하거나 NO의 대체 공급원을 제공하는 치료 전략이 주된 초점이 되어야 합니다. 왜냐하면 이러한 전략은 노화와 함께 발생하는 죽상동맥경화증이나 다른 질병, 심지어는 알츠하이머병의 발생률을 감소시킬 수 있기 때문입니다.

지난 10년 동안 수행된 대규모 인구 기반 역학 연구에 의해 비전염성 질병으로 인한 이환율과 조기 사망을 예방하고 통제하는 데 있어 식단의 역할이 잘 밝혀졌습니다. [105] NO는 정상적인 혈압을 유지하고, 혈소판이 내피에 부착되는 것을 방지하며, 혈소판 응집을 방지하는 데 필수적입니다. 따라서 NO를 생성할 수 없는 이 하나의 이상은 죽상경화증, 심근경색, 뇌졸중, 말초혈관질환과 같은 노년기에 우리를 괴롭히는 질병에 걸릴 위험을 높인다고 주장할 수 있습니다. 아질산염 및/또는 질산염을 활용하는 식이 및 영양 전략이 NO 항상성을 회복하는 최선의 접근법일까요? 위험과 편익의 맥락을 정의하기 위해서는 더 많은 임상 시험이 필요합니다. 일부 전향적 역학 연구에서 아질산염과 질산염이 함유된 식품의 섭취와 특정 암의 연관성이 약간 증가하는 것으로 보고되었지만, 연구 전반에 걸친 결과[106]-[108]는 대체로 일관성이 없고 모호하며, 따라서 전반적인 입증의 부담은 결정적이지 않은 상태로 남아 있습니다[109]-[112]. [113]-[119] 다른 치료법이나 처방과 마찬가지로, 특정 개인이나 환자 집단에 대한 위험-편익 평가를 고려하고 이해해야 합니다. 그러나 아질산염과 질산염이 풍부한 식단과 식품의 이점이 점점 더 많아지고 있다는 새로운 데이터를 감안할 때, 그 이점이 위험을 훨씬 능가할 것으로 예상됩니다. 분명한 것은 NO 가용성을 회복하기 위한 전략과 새로운 기술을 개발하는 것이 특정 만성 질환의 진행을 억제하는 데 필수적이라는 것입니다.

Footnotes

Bryan NS has a financial interest in Neogenis, Inc., as a paid consultant and stockowner. Bryan NS also has stock options in SAJE Pharma and has received honoraria for consulting services to Bristol-Myers Squibb. His financial and research conflicts of interest are managed by UTHSCH. Conflicts of Interest Management Plans, developed from and reviewed by the Research Conflicts of Interest Committee and approved by the Executive Vice President for Research at the University of Texas Health Science Center at Houston.

References

• 1.Stuehr D, Marletta MA. Mammalian nitrate biosynthesis: mouse macrophages produce nitrite and nitrate in response to Escherichia coli lipopolysaccharide. Proc Natl Acad Sci USA. 1985;82:7738–7742. doi: 10.1073/pnas.82.22.7738. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 2.Hibbs JB, Jr, Taintor RR, Vavrin Z. Macrophage cytotoxicity: role for L-arginine deiminase and imino nitrogen oxidation to nitrite. Science. 1987;235:473–476. doi: 10.1126/science.2432665. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 3.Arnold WP, Mittal CK, Katsuki S, et al. Nitric oxide activates guanylate cyclase and increases guanosine 3′:5′-cyclic mono phosphate levels in various tissue preparations. Proc Natl Acad Sci USA. 1977;74:3203–3207. doi: 10.1073/pnas.74.8.3203. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 4.Ignarro LJ, Buga GM, Wood KS, et al. Endothelium-derived relaxing factor produced and released from artery and vein is nitric oxide. Proc Natl Acad Sci USA. :9265–9269. doi: 10.1073/pnas.84.24.9265. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 5.Furchgott RF, Zawadzki JV. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetycholine. Nature. 1980;288:373–376. doi: 10.1038/288373a0. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 6.Garthwaite J, Charles SL, Chess-Williams R. Endothelium-derived relaxing factor release on activation of NMDA receptors suggests role as intercellular messenger in the brain. Nature. 1988;336:385–388. doi: 10.1038/336385a0. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 7.Foster MW, McMahon TJ, Stamler JS. S-Nitrosylation in health and disease. Trends Mol Med. 2003;9:160–168. doi: 10.1016/s1471-4914(03)00028-5. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 8.Moncada S, Palmer RM, Higgs EA. Nitric oxide: physiology, pathophysiology and pharmacology. Pharmacol Rev. 1991;43:109–142. [PubMed] [Google Scholar]
• 9.Liu Q, Gross SS. Binding sites of nitric oxide synthases. Methods Enzymol. 1996;268:311–324. doi: 10.1016/s0076-6879(96)68033-1. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 10.Schulman SP, Becker LC, Kass DA. L-arginine therapy in acute myocardial infarction: the Vascular Interaction With Age in Myocardial Infarction (VINTAGE MI) randomized clinical trial. JAMA. 2006;295:58–64. doi: 10.1001/jama.295.1.58. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 11.Cylwik D, Mogielnicki A, Buczko W. L-arginine and cardiovascular system. Pharmacol Rep. 2005;57:14–22. [PubMed] [Google Scholar]