Der klinische Wert der Stickoxid-Systemkomponenten bei Asthma und COPD (ASCONO)

Chronisch obstruktive Lungenerkrankungen und Asthma bronchiale nehmen unter den Atemwegserkrankungen eine Spitzenstellung ein. Einen wesentlichen Beitrag zum Krankheitsbild und zur Langzeitprognose leisten Exazerbationen der COPD, weshalb es relevant ist, nach Methoden zu ihrer Vorhersage und Prävention zu suchen. Laut der Global Initiative on Bronchialasthma (GINA) zeichnet sich Asthma bronchiale durch eine hohe Heterogenität und das Vorhandensein vieler Phänotypen und Endotypen aus, was den Einsatz von Methoden der personalisierten Medizin im Patientenmanagement und insbesondere bei der Suche nach neuen Biomarkern relevant macht von Asthma. Derzeit sind in der klinischen Praxis einige Biomarker obstruktiver Lungenerkrankungen weit verbreitet. Darunter sind der Gehalt an Eosinophilen im Blut und Sputum, der Gehalt an Immunglobulin E und die ausgeatmete Fraktion von Stickstoffmonoxid (FeNO). Obstruktive Lungenerkrankungen sind durch anhaltende Entzündungen in den Atemwegen gekennzeichnet, die von der Manifestation von Elementen einer systemischen Entzündung und einer endothelialen Dysfunktion begleitet werden, die mit einer veränderten Freisetzung vasoaktiver Mediatoren verbunden ist, darunter Stickstoffmonoxid (NO). NO ist ein starker Vasodilatator, der mithilfe des Enzyms NO-Synthase (NOS) aus L-Arginin synthetisiert wird. Das NO-Molekül hat eine kurze Lebensdauer von 3 bis 30 s, weshalb die Suche nach Biomarkern mit einer stabileren Lebensdauer relevant ist. Einige davon sind Stickstoffmonoxid-Metabolite, wie Nitrate (NO3-), Nitrite (NO2-), S-Nitrosothiole, 3-Nitrotyrosin. Nitrate und Nitrite, die Metaboliten von Stickoxid sind, könnten als einer der vielversprechenden biochemischen Marker, die den NO-Stoffwechsel im menschlichen Körper widerspiegeln, von Interesse sein. Zu Beginn unserer Studie wurde die Beziehung zwischen dem Plasmaspiegel von Stickstoffmonoxid-Metaboliten und dem Schweregrad von Bronchialasthma gezeigt, was eine Voraussetzung für die weitere Untersuchung der Komponenten des Stickstoffmonoxid-Systems als potenzielle Biomarker von obstruktiven Bronchialerkrankungen sein kann.

Eine vielversprechende Richtung bei der Suche nach Biomarkern im Zusammenhang mit dem Stickoxidsystem ist die Untersuchung von L-Arginin, das als Substrat in der Reaktion der NO-Bildung fungiert. Die Bioverfügbarkeit von L-Arginin für NO-Synthasen bestimmt die Aktivität der Stickoxidbildung in den Atemwegen, wie durch die Wirkung von eingeatmetem L-Arginin auf das Niveau der ausgeatmeten Fraktion von Stickoxid belegt wird. Zuvor zeigten in einer US-amerikanischen Studie 26 Patienten mit Bronchialasthma eine signifikante Abnahme der Plasma-L-Arginin-Spiegel im Vergleich zu gesunden Probanden, und Labortiermodelle zeigten, dass eine Abnahme der L-Arginin-Spiegel zu einer Hyperreaktivität der Atemwege führt. Derzeit wurde eine Reihe klinischer Interventionsstudien durchgeführt, in denen die Verabreichung von L-Arginin die Manifestationen von Asthma bronchiale bei einigen Patienten verbesserte, aber die Häufigkeit von Exazerbationen in der Gesamtstichprobe von Patienten nicht veränderte. Dies weist auf die mögliche Existenz eines Endotyps von Bronchialasthma hin, der mit einer gestörten Funktion des Stickoxidsystems verbunden ist, und macht es vielversprechend, den L-Argininspiegel im Blut als potenziellen Biomarker für obstruktive Lungenerkrankungen zu untersuchen.

Neben der Untersuchung von Stickstoffmonoxid-Metaboliten sollten Substanzen, die die Bildung von NO beeinflussen, als potenzielle Biomarker der Krankheit in Betracht gezogen werden. Eine solche Substanz ist Arginase, unter deren Einfluss L-Arginin in L-Ornithin und Harnstoff umgewandelt wird. Beim Menschen wurden zwei Isoenzyme der Arginase, Arginase 1 und Arginase 2, identifiziert, die sich in der zellulären Lokalisierung und Gewebeverteilung unterscheiden. Beide Arginase-Enzyme werden in den Atemwegen exprimiert und können in Endothel- und Epithelzellen, Fibroblasten, Makrophagen und glatten Muskelzellen der Atemwege gefunden werden. Die weitere Metabolisierung von L-Ornithin führt zur Bildung von Polyaminen und L-Prolin, die an der Zellproliferation und -differenzierung sowie an der Produktion von Kollagen beteiligt sind. Wissenschaftler haben gezeigt, dass eine erhöhte Arginase-Aktivität in den Atemwegen zu Atemwegsobstruktion und Hyperreaktivität beiträgt, indem sie das verfügbare Substrat für NOS verringert. Infolgedessen nimmt die Produktion von NO ab und es bilden sich Superoxide, die mit NO zu Peroxynitrit reagieren und dadurch die Kontraktilität und Entzündung der Atemwege erhöhen. Darüber hinaus führt eine erhöhte Atemwegs-Arginase-Aktivität zu einer Erhöhung der L-Ornithin-Produktion, die aufgrund der Stimulierung der Zellproliferation und der Kollagenbildung möglicherweise zur Umgestaltung der Atemwege beiträgt.

Der Metabolismus von L-Arginin hängt nicht nur von Arginase ab, sondern auch vom Methyltransferase-Enzym, das L-Arginin-Reste methyliert, die einer Proteolyse unter Bildung von asymmetrischem und symmetrischem Dimethylarginin (ADMA und SDMA) unterliegen. Diese Aminosäuren hemmen die NOS-Aktivität, da ADMA ein kompetitiver Inhibitor des Enzyms ist, während SDMA ein Konkurrent des L-Arginin-Transports ist. Serum-ADMA- und -SDMA- sowie L-Arginin-Konzentrationen steigen mit COPD und steigen weiter mit der Entwicklung einer Exazerbation. Es ist wichtig zu beachten, dass die Konzentration von ADMA im Blutserum wahrscheinlich ein unabhängiger Risikofaktor für die langfristige Mortalität aller Ursachen bei obstruktiven Lungenerkrankungen ist und mit einem erhöhten Atemwegswiderstand verbunden ist. In den letzten Jahren wurden mehrere Studien durchgeführt, die den Zusammenhang von ADMA mit obstruktiven Lungenerkrankungen untersuchten. Zuvor wurde der Zusammenhang von ADMA mit der Entwicklung von obstruktiven Lungenerkrankungen, Atemwegswiderstand und Indikatoren der Funktion der äußeren Atmung bei Patienten mit obstruktiven Lungenerkrankungen gezeigt.

Damit sind Voraussetzungen geschaffen, um die Komponenten des Stickstoffmonoxid-Systems, wie Metaboliten von Stickstoffmonoxid, L-Arginin, Arginase und asymmetrisches Dimethylarginin, als Biomarker obstruktiver Lungenerkrankungen zu untersuchen. Darauf aufbauend ist geplant, Stickoxid-Metabolite (Nitrate und Nitrite), L-Arginin, Arginase-1 und asymmetrisches Dimethylarginin bei Patienten mit Bronchialasthma und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung zu untersuchen, gefolgt von einer Beobachtung zur Beurteilung der Prognose Krankheit.

Ziel der Studie ist es, den klinischen Wert der Stickoxid-Synthese-Modulatoren (L-Arginin, Arginase-1 und asymmetrisches Dimethylarginin) bei Patienten mit Asthma bronchiale und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung zu untersuchen sowie deren Einfluss auf die Prognose und den Verlauf zu beurteilen von Krankheiten.

Das Studienziel ist

1. Es sollten die Spiegel von Modulatoren der Stickoxidsynthese (L-Arginin, Arginase-1 und asymmetrisches Dimethylarginin) im Blut von Patienten mit Asthma und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und deren Zusammenhang mit dem klinischen Verlauf der Erkrankung beurteilt werden.
2. Bewertung des klinischen Wertes des Verhältnisses der Niveaus von Modulatoren der Synthese von Stickoxid (L-Arginin, Arginase-1 und asymmetrisches Dimethylarginin) und des Niveaus von Metaboliten von Stickoxid (Nitrate und Nitrite) bei Patienten mit Bronchialasthma und chronisch obstruktive Lungenerkrankung.
3. Bewertung der Möglichkeit, die Bestimmung der Niveaus von Modulatoren der Stickoxidsynthese zu verwenden, um den Verlauf obstruktiver Lungenerkrankungen vorherzusagen und die Entwicklung von Exazerbationen von Asthma bronchiale und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung zu verhindern.
4. Bewertung der Möglichkeit, personalisierte Behandlungsschemata für obstruktive Lungenerkrankungen zu entwickeln, basierend auf der Bewertung der Niveaus von Modulatoren der Stickoxidsynthese (L-Arginin, Arginase-1 und asymmetrisches Dimethylarginin) im Blut von Patienten mit Asthma und chronisch obstruktive Lungenerkrankung.

Es ist geplant, in den drei Studiengruppen eine prospektive Fall-Kontroll-Studie durchzuführen. Bei allen Patienten werden durchgeführt: allgemeine klinische Untersuchung; Test der Einhaltung von Inhalatoren; klinische und biochemische Analyse des Blutes; Spirometrie; Bestimmung des Gehalts an Stickstoffmonoxid-Metaboliten im Serum unter Verwendung der photokolorimetrischen Methode in der Griss-Reaktion; Bestimmung des Spiegels von L-Arginin, Arginase-1 und asymmetrischem Dimethylarginin im Serum durch Enzymimmunoassay unter Verwendung des Laborkits Immundiagnostik (Deutschland). In der zweiten Phase der Studie, die 2 Jahre dauert, werden die prognostischen Fähigkeiten zur Beurteilung der Niveaus von Modulatoren der Stickoxidsynthese unter Verwendung eines kombinierten Endpunkts bewertet, der eine Erhöhung des Niveaus der Basistherapie, Exazerbation, Krankenhausaufenthalt und mit Asthma und Asthma verbundene Morbus beinhaltet COPD.