Einfluss von Kohlenmonoxid und Carbon Monoxide-Releasing Molecules auf die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion in der isolierten, ventilierten und perfundierten Mauslunge

Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion ist ein Mechanismus zur pulmonalen Blutflussregulation, der zu einer Umverteilung der Perfusion aus hypoxischen alveolären Bereichen in besser ventilierte Alveolen der Lunge führt und so eine Optimierung der Oxygenierung des zirkulierenden Blutes garantiert. Trotz intensiver Forschung ist der genaue Sauer-stoffsensor und der grundlegende Signaltransduktionsweg noch nicht vollständig identifiziert, aber es ist bereits bekannt, dass der pulmonalvaskuläre Tonus und die HPV durch NO/cGMP-abhängige Mechanismen, Cytochrom P450 (CYP450)-abhängige Metaboliten oder mitochondriale Signale reguliert werden kann, die alle Angriffspunkte von Kohlenmonoxid (CO) sind.
CO hat in den letzten Jahren trotz seiner bekannten toxischen Eigenschaften immer mehr an Bedeutung als mögliches Therapeutikum gewonnen. Endogen wird CO durch die Hämoxygenase während des Abbaus von Hämproteinen produziert und es können ihm antioxidative, antiinflammatorische, antiproliferative, antiapoptotische und vasoregulatorische Eigenschaften zugeschrieben werden. So kam es in den letzten zwei Dekaden zur Entwick-lung sogenannter Carbon Monoxide-Releasing Molecules (CORMs), die im Stande sind, kleinere, kontrollierte Mengen an CO freizusetzen. In der Lunge scheinen CO und die CORMs der Entstehung einer pulmonalen Hypertonie (PH) entgegenzuwirken. Der direkte Effekt von CORMs auf die pulmonale Vasoreagibilität und HPV wurde bisher jedoch noch nicht in isolierten Lungen erprobt.
In dieser Arbeit wurden die Effekte von 10% CO Inhalation und der Applikation der Sub-stanzen CORM-2 und CORM-3 auf den pulmonalen Gefäßtonus unter Normoxie und akuter Hypoxie (1% O2 für 10 min) in isolierten, ventilierten und perfundierten Mauslungen untersucht. Dabei wurde gleichzeitig mittels Remissionsspektrophotometrie die Interaktion von CO sowie von CORM-2 mit den pulmonalen Cytochromen erfasst. So konnten Rück-schlüsse auf mögliche Bindungspartner von CO gezogen werden, die im Zusammenhang mit der Regulation des pulmonalen Vasotonus stehen könnten.
Inhaliertes CO schwächte sowohl die HPV als auch die durch das Thromboxananalogon U-46619 induzierte Vasokonstriktion ab, nicht jedoch die KCl-induzierte Vasokonstriktion. Im Gegensatz dazu induzierten CORM-2 und CORM-3 in hohen Konzentrationen, die zu einer messbaren in vitro Freisetzung von CO führte, einen kontinuierlichen Anstieg des pulmonalvaskulären Tonus, der durch die Anwesenheit von Erythrozyten noch verstärkt wurde. Inhaliertes CO führte zu spektrometrischen Veränderungen, die mit einer Inhibierung von CYP450 vereinbar sind. Im Unterschied dazu konnten während der Applikation von CORM-2 keine spektrometrischen Zeichen einer Blockade von CYP450 detektiert werden.
Inhalatives CO in supraphysiologischen Konzentrationen hat einen vasodilatorischen Effekt in der isolierten, ventilierten und perfundierten Lunge und ist mit einer Inhibierung von CYP450 assoziiert. Die Applikation von CORMs in hohen Konzentrationen lösen dagegen eine pulmonale Vasokonstriktion im Modell der isolierten, ventilierten und perfundierten Lunge aus. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Diskrepanz der Ergebnisse zwischen inhalativem CO bzw. in vivo verabreichten CORMs und den CORMs-Effekten in der isolierten Lunge zu eruieren. Hypoxic Pulmonary Vasoconstriction (HPV) is a mechanism for regulating pulmonary blood flow that leads to a redistribution of perfusion from hypoxic alveolar areas to better ventilated alveoli of the lung, thus ensuring an optimized oxygenation of the circulating blood. Despite intensive research, the exact oxygen sensor and the underlying signal trans-duction pathway have not yet been fully identified. However, it is already known that pul-monary vascular tone and HPV can be regulated by nitric oxide (NO/cGMP-dependent mechanisms), cytochrome P450 (CYP450)-dependent metabolites or mitochondrial signals, all of which are targets of carbon monoxide (CO).
In recent years, CO has gained more importance as a possible therapeutic agent despite its well known toxic effects. Endogenously produced by hemeoxygenase through degradation of heme proteins CO is accredited with antioxidative, anti-inflammatory, antiproliferative, antiapoptotic and vasoregulatory properties. In the last two decades, this has led to the de-velopment of so-called carbon monoxide-releasing molecules (CORMs), which are capable of releasing smaller, controlled amounts of CO. In the lung, CO and CORMs appear to counteract the development of pulmonary hypertension (PH). However, the direct effect of CORMs on the pulmonary vascular reactivity and HPV in isolated lungs has not yet been investigated.
In this study, the effects of 10% CO inhalation and the application of the substances CORM-2 and CORM-3 on pulmonary vascular tone during normoxia and acute hypoxia (1% O2 for 10 min) in isolated ventilated and perfused mouse lungs were assessed. The interaction of CO as well as CORM-2 with pulmonary cytochromes was detected simulta-neously by tissue spectrophotometry. This allowed conclusions to be drawn about possible binding partners of CO that could be related to the regulation of pulmonary vasoreactivity.
Inhaled CO decreased both HPV and the vasoconstriction induced by the thromboxane mi-metic U-46619 but did not alter KCL-induced vasoconstriction. In contrast, high concentra-tions of CORM-2 and CORM-3, which led to a measurable release of CO in vitro, induced a continuous increase in normoxic tone, which was even augmented in the presence of erythrocytes. Inhaled CO caused spectral alterations that were compatible with the inhibi-tion of CYP450. In contrast, during application of CORM-2 spectrophotometric signs of interaction with CYP450 could not be detected.
Inhaled CO at supraphysiological concentrations has a vasodilatory effect in the isolated, ventilated and perfused mouse lung and is associated with an inhibition of CYP450. Appli-cation of CORMs at high concentrations in the model of the isolated, ventilated and per-fused lung however caused a pulmonary vasoconstriction. Further investigations are neces-sary to elucidate the discrepancy between the results of inhaled CO or in vivo administered CORMs and the effects of CORMs in the isolated lung.