Oxid dusnatý jako signální molekula

Loni 12. října se uzavřela 91. kapitola oceňování výzkumné práce a zásadních objevů v medicíně a fyziologii Nobelovou cenou. Na stupních slávy se vystřídalo již 167 badatelů. Za rok 1998 tuto cenu obdrželi tři američtí farmakologové: Robert F. Furgott, Louis J. Ignarro a Ferid Murad. Byla jim udělena za objev oxidu dusnatého jako signální molekuly v kardiovaskulárním systému. Společné ocenění tří badatelů potvrdilo, že soudobý výzkum se bez kolektivní práce neobejde. Zatímco v prvním desetiletí nobelovské éry (1901–1910) převažovali mezi odměněnými úspěšní jednotlivci (bylo jich 80 %), v závěrečné dekádě (1989–1998) zastupuje jednotlivce pouze Stanley B. Prusiner (1997).

Historie oxidu dusnatého

Až do poloviny 80. let se o oxidu dusnatém (NO) mluvilo především jako o škodlivé složce výfukových plynů, fotochemického smogu a kyselých dešťů, či katalyzátoru zániku ozonové vrstvy ve vysokých hladinách atmosféry. Přitom jde o sloučeninu známou již drahnou dobu.

Prvním, kdo určil oxid dusnatý, byl John Mayow (1669) a o sto let později jej Joseph Priestley (1772) popsal jako bezbarvý plyn, který při –151 °C kondenzuje na bezbarvou kapalinu. Je až anekdotické, že sir Humphrey Davy (1778–1829), anglický chemik a vynálezce bezpečnostního důlního kahanu, sice objevil podivuhodné účinky oxidu dusného N2O (rajského plynu), ale málem zemřel, když se nadechl malého množství oxidu dusnatého NO.

Sám Alfréd Nobel, objevitel nitroglycerinu, stál i u kolébky objevu biologického významu oxidu dusnatého. Když však byl nemocen se srdcem a jeho lékař mu předepsal nitroglycerin, odmítl Nobel tento lék užívat, jelikož o něm dobře věděl, že vyvolává bolesti hlavy. V jednom ze svých dopisů se zmínil: „Jaká ironie, že podle mého lékaře bych měl užívat právě nitroglycerin.“

Tři fáze objevu signální molekuly NO

Přes sto let trvalo, než se objasnilo, proč nitroglycerin zmírňuje srdeční bolesti – že uvolňuje oxid dusnatý, který vyvolá rozšíření koronárního řečiště.

Oxid dusnatý je jednou z deseti nejmenších molekul mezi stovkami milionů molekul, které se v přírodě vyskytují. Je to molekula velice nestabilní, takže se po svém vzniku během několika sekund změní na nitrát nebo nitrit. Jak vlastně výzkum biologických účinků NO začal?

• Ferid Murad se zabýval příčinami vazodilatačního efektu nitroglycerinu a jeho derivátů. R. 1977 objasnil, že se z těchto látek uvolňuje NO, který vyvolává relaxaci hladkého svalstva.
• R. F. Furgott s Johnem Zawadskim v Downstate Medical Center v Brooklynu r. 1980 experimentovali s vazodilatačními látkami, které rozšiřují průsvit cév. Zjistili, že účinek těchto látek mizí, když se cévní stěna mechanicky zbaví vnitřní výstelky – endotelu. Tento výsledek znamenal, že vazodilatační látky (především acetylcholin) nepůsobí relaxačně přímo na svalstvo cév, nýbrž prostřednictvím nějakého faktoru, vázaného právě na buňky cévního endotelu. Furgott se Zawadskim došli k závěru, že tyto buňky produkují endoteliální relaxační faktor (EDRF) neznámé povahy.
• L. J. Ignarro po rozsáhlé analytické práci r. 1986 usoudil, že onen neznámý faktor je shodný s oxidem dusnatým, který v dané reakci funguje jako signální molekula mezi endotelovou buňkou a buňkou hladkého svalu cév.

Později byl odhalen také fyziologický enzymatický mechanizmus vzniku i likvidace molekuly NO. Na tvorbě endogenního oxidu dusnatého, který je konečným produktem konverze L-argininu na L-citrulin, se podílí jako biologický katalyzátor speciální enzym NO-syntáza.

Využití objevu ve fyziologii

Objev vyprovokoval kaskádu výzkumných prací, v nichž se mnohostranná signální úloha NO v mezibuněčném přenosu informací dodnes blíže objasňuje. Česká pracoviště, jak akademická, tak univerzitní, tento výzkumný trend zachytila velice brzy. Není snad oblasti fyziologie a medicíny, v níž by nebyla identifikována stopa účasti NO v komunikačních procesech organizmu. Dnešní badatelský zájem o molekulu NO je zaměřen především na kardiovaskulární systém – se zvláštním zřetelem na regulaci krevního tlaku, na imunitní systém a mechanizmus zánětu, a konečně na centrální nervový systém.

Každá z těchto oblastí představuje soubor problémů. Vliv NO na hladké svalstvo znamená regulační zásahy do funkce cév, do motoriky dýchacích cest či do složitých pohybových pochodů v gastrointestinálním systému a urogenitální soustavě.

Podobně účinek NO na jeden funkční ukazatel (např. na krevní tlak) znamená zásah nejen do srdeční a cévní činnosti, ale i do funkce ledvin.

Při pátrání po úloze NO ve funkcích centrálního nervového systému jde o dva základní problémy: o úlohu NO v reakcích centrálních neuronů na excitační aminokyseliny a o úlohu NO v glutamátové neurotoxicitě. Při neurotoxickém poškození nervových buněk excitačními aminokyselinami během nedostatku kyslíku a při neuronální degeneraci rozbíhá sérii těchto dějů právě oxid dusnatý.

Zkoumání úlohy NO posunuje jednotlivé obory o krok kupředu. Zmiňme se alespoň o tom, že objev signálního významu NO vyvolal v badatelských kruzích zájem o další možné kandidáty. Dnes se uvažuje o signálním významu oxidu uhelnatého nebo kyseliny arachidonové. Ve všech třech případech jde o nový typ komunikace a přenosu informací v biologických systémech, podstatně odlišný od dosud známých kategorií biologických působků typu hormonů, neurotransmiterů a neuromodulátorů.

Nobelova cena za medicínu 1998 tedy nebyla udělena jen proto, že se jedna kapitola vývoje vědy uzavřela, ale také proto, že objev fyziologické úlohy oxidu dusnatého otevřel nové možnosti výzkumu.