CAPÍTULO 19: Óxido nítrico

El óxido nítrico (NO, nitric oxide) es una molécula gaseosa de señalización que se difunde con facilidad a través de las membranas celulares y regula una amplia variedad de procesos fisiológicos y fisiopatológicos que incluyen funciones cardiovasculares, inflamatorias y neuronales. No debe confundirse con el óxido nitroso (N₂O), un gas anestésico, ni con el dióxido de nitrógeno (NO₂), un gas tóxico irritante pulmonar.

■ DESCUBRIMIENTO DEL ÓXIDO NÍTRICO DE PRODUCCIÓN ENDÓGENA

El óxido nítrico (NO) es un contaminante ambiental, por lo que fue inesperado descubrir que el NO es sintetizado por las células y que activa vías de señalización intracelulares específicas. El primer indicio de que se produce NO en las células provino de estudios en cultivos de macrófagos, que mostraron que el tratamiento con mediadores de inflamación, como las endotoxinas bacterianas producía nitrato y nitrito, moléculas que son subproductos de la degradación del NO. De manera similar, la inyección de una endotoxina en animales aumentaba la concentración de nitritos y nitratos en la orina.

El segundo indicio provino de estudios sobre la regulación vascular. Se sabía que varias moléculas, como la acetilcolina, causaban relajación de los vasos sanguíneos. Ese efecto ocurría sólo cuando los vasos estaban preparados de manera que se conservasen las células endoteliales luminales que cubrían al músculo liso de la pared vascular. Estudios posteriores mostraron que las células endoteliales responden a esos relajantes vasculares por liberación de un factor de relajación derivado del endotelio (EDRF, endothelial-derived relaxing factor) que actúa sobre el músculo vascular para lograr la relajación. Tales datos dieron pie a una búsqueda intensiva de la identidad del EDRF.

Al mismo tiempo, se observó que la aplicación exógena de NO o nitratos orgánicos, que son metabolizados hasta formar NO, provoca diversos efectos, incluidas la inhibición de la agregación plaquetaria y vasorrelajación. Estos efectos eran especialmente intrigantes, puesto que, al parecer, involucraban la activación de respuestas celulares muy específicas en lugar de respuestas citotóxicas más generales. Al comparar las propiedades bioquímicas y farmacológicas del EDRF y del NO se encontraron las primeras pruebas de que el NO constituye el principal componente bioactivo del EDRF. Además, dichos hallazgos aclararon que los compuestos exógenos de NO o que lo liberan (nitratos, nitritos, nitroprusiato; véanse caps. 11 y 12) producían sus efectos por reclutamiento de vías de señalización fisiológicas que normalmente regulan las acciones del NO endógeno.

■ SÍNTESIS, MECANISMOS DE SEÑALIZACIÓN E INACTIVACIÓN DE ÓXIDO NÍTRICO

Síntesis

El óxido nítrico, escrito como NO• para indicar que contiene un electrón impar en su estructura química, o simplemente como NO, es una molécula de señalización altamente reactiva formada por la acción de una de tres isoenzimas muy relacionadas entre sí: las NO sintetasas (NOS, EC 1.14.13.49), cada una de ellas codificada por un gen separado y nombrada por el tipo de célula del que se aisló inicialmente (cuadro 19-1). A pesar de sus nombres, estas enzimas —la NOS neuronal (nNOS o NOS-1), la NOS de macrófagos o inducible (iNOS o NOS-2) y la NOS endotelial (eNOS o NOS-3)— se expresan en una amplia variedad de células y a menudo con una distribución superpuesta. Tales isoformas generan NO en una reacción dependiente de O₂ y NADPH a partir del aminoácido L-arginina (fig. 19-1). La reacción enzimática involucra cofactores unidos a enzimas, como el grupo hem, la tetrahidrobiopterina y el dinucleótido de flavina y adenina (FAD, flavin adenine dinucleotide). En el caso de nNOS y eNOS, la síntesis de NO se desencadena por agentes y procesos que aumentan la concentración de calcio en el citosol. El calcio citosólico forma complejos con calmodulina, una abundante proteína de unión de calcio, que después se une y activa a eNOS y nNOS. Por otro lado, la iNOS no se regula por el calcio, más bien es activa de manera constitutiva. En los macrófagos y varios otros tipos celulares, los mediadores de inflamación producen activación transcripcional del gen de iNOS, lo que culmina con la acumulación de iNOS y la generación de mayores cantidades de NO.

Mecanismos de señalización

El NO media sus efectos por la modificación covalente de las proteínas. Hay tres sitios efectores principales de NO (fig. 19-1):

1. Metaloproteínas. El NO interactúa con los metales, en especial el hierro del grupo hem. El sitio efector principal del NO es la guanililciclasa soluble (sGC, soluble guanylyl cyclase), una enzima con hem que genera monofosfato de guanosina cíclico (cyclic guanosine monophosphate, cGMP) a partir del trifosfato de guanosina (GTP, guanosine triphosphate). El NO se fija a hem en sGC, provocando activación enzimática y elevación de la concentración intracelular de cGMP. El cGMP activa a la proteína cinasa G (PKG, protein kinase G), que fosforila proteínas específicas. En los vasos sanguíneos, el aumento dependiente de NO de la actividad de cGMP y PKG resulta en la fosforilación de proteínas que generan una menor concentración citosólica de calcio y posteriormente una reducción en la contracción del músculo liso vascular. La interacción de NO con otras metaloproteínas gobierna algunos de los efectos citotóxicos del NO cuando éste se produce en exceso, por ejemplo, por los macrófagos activados. Por ejemplo, el NO inhibe a las metaloproteínas que participan en la respiración celular, como la aconitasa, una enzima del ciclo del ácido cítrico y a la citocromo oxidasa, una proteína de la cadena de transporte de electrones. La inhibición por el NO de las enzimas del citocromo P450 que contienen grupos hem es un mecanismo patógeno de importancia en la hepatopatía inflamatoria.

2. Tioles. El NO reacciona con los tioles (compuestos que contienen un grupo –SH) para formar nitrotioles. En las proteínas, la porción tiol se encuentra en el aminoácido cisteína. Esa modificación postraducción, denominada S-nitrosilación o S-nitrosación, requiere metales u oxígeno para catalizar la formación del aducto nitrosotiol. La S-nitrosilación es muy específica y sólo determinados residuos de cisteína de las proteínas se S-nitrosilan. La S-nitrosilación puede modificar la función, estabilidad o ubicación de las proteínas diana. Aunque no se ha dilucidado por completo la función fisiológica de la nitrosilación de proteínas, los sitios principales de la reacción de S-nitrosilación son H-ras, un regulador de la proliferación celular que es activado por la S-nitrosilación, y la enzima metabólica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, que es inhibida cuando es S-nitrosilada. La desnitrosilación de las proteínas se conoce poco pero quizás incluye enzimas, como tiorredoxina, o reducción química a través de elementos reductores intracelulares como glutatión, un compuesto intracelular abundante que contiene sulfhidrilo. El glutatión también se puede S-nitrosilar en situaciones fisiológicas para generar S-nitrosoglutatión, que funciona como forma estabilizada endógena de NO o como portador de NO. El glutatión vascular disminuye en la diabetes mellitus y la ateroesclerosis, y la deficiencia resultante de S-nitrosoglutatión puede contribuir a la mayor incidencia de complicaciones cardiovasculares en esas enfermedades.

3. Nitrosilación de la tirosina. El NO sufre reacciones tanto de oxidación como de reducción, generando diversos óxidos de nitrógeno que nitrosilan tioles y nitratotirosinas (descritas más adelante) o bien constituyen productos estables de la oxidación (cuadro 19-2). El NO reacciona de manera eficaz con el superóxido para formar peroxinitrito (ONOO^-), un oxidante altamente reactivo que lleva a daño del DNA, nitrosilación de la tirosina y oxidación de la cisteína a disulfuros o diversos óxidos de azufre (SO_x). Varias enzimas celulares sintetizan el superóxido y la actividad de esas enzimas, así como la síntesis de NO, incrementa en numerosas enfermedades inflamatorias y degenerativas, lo que resulta en un aumento de la concentración de peroxinitrito. Numerosas proteínas son susceptibles a la nitrosilación de la tirosina catalizada por el peroxinitrito, y esa modificación irreversible se puede vincular con activación o inhibición de la función de la proteína. La detección de nitrosilación de la tirosina en los tejidos se correlaciona con su daño, aunque no se ha establecido de manera definitiva una relación causal directa de la nitrosilación de la tirosina en la patogenia de alguna enfermedad. La modificación proteínica mediada por el peroxinitrito se regula por las concentraciones intracelulares de glutatión, que puede proteger contra el daño hístico al eliminar el peroxinitrito. Los factores que regulan la biosíntesis y descomposición de glutatión pueden tener consecuencias importantes sobre la toxicidad del NO.

Inactivación

El NO es muy lábil por su reacción rápida con los metales, O₂ y especies reactivas de oxígeno. El NO reacciona con el grupo hem y las hemoproteínas, incluida la oxihemoglobina, que oxida al NO hasta formar nitrato. La reacción del NO con hemoglobina también provoca S-nitrosilación de la hemoglobina, que tiene como resultado el transporte de NO a través de la vasculatura. El NO también es desactivado por la reacción con O₂ para formar bióxido de nitrógeno. El NO reacciona con el superóxido, provocando la formación de la especie oxidante altamente reactiva, peroxinitrito. Los antioxidantes del anión superóxido, como la superóxido dismutasa, protegen al NO, incrementando su potencia y prolongando la duración de su acción.

■ MANIPULACIÓN FARMACOLÓGICA DEL ÓXIDO NÍTRICO

Inhibidores de la síntesis del óxido nítrico

La estrategia primaria para disminuir la generación de NO en las células es utilizar inhibidores de la NO sintetasa. La mayor parte de estos inhibidores son análogos de la arginina que se unen al sitio de unión de arginina de la NOS. Puesto que las tres isoformas de la NOS tienen una elevada similitud estructural, casi ningún inhibidor muestra selectividad específica por alguna isoforma. En trastornos inflamatorios e infecciones (véase más adelante), la inhibición de la isoforma iNOS es potencialmente beneficiosa, mientras que los inhibidores específicos para eNOS pueden ser útiles en el tratamiento de los trastornos neurodegenerativos. No obstante, la administración de inhibidores no selectivos de la NOS lleva a la inhibición concomitante de la eNOS, lo que altera sus señales homeostáticas y también produce vasoconstricción y daño isquémico potencial. Por ello, se encuentran en proceso de diseño nuevos inhibidores selectivos de isoformas de la NOS para aprovecharse de diferencias sutiles en los sitios de unión de sustratos, así como inhibidores más recientes que previenen la dimerización de la NOS, un cambio de conformación requerido para su actividad enzimática. Se está investigando la eficacia de los inhibidores selectivos de isoformas de la NOS en trastornos médicos.

Donadores de óxido nítrico

Los donadores de NO, que liberan esa sustancia o especies relacionadas, se utilizan para producir relajación del músculo liso. Distintas clases de donadores de NO tienen propiedades biológicas diferentes entre sí y dependientes de la naturaleza de la especie de NO que liberan y del mecanismo que es responsable de su liberación.

1. Nitratos orgánicos. La nitroglicerina, que dilata las venas y arterias coronarias, es degradada hasta formar NO por la aldehído reductasa mitocondrial, una enzima abundante en el músculo liso venoso que contribuye a la potente actividad de venodilatación de esa molécula. La venodilatación reduce la precarga cardiaca que, aunada a la dilatación coronaria, explica los efectos antianginosos de la nitroglicerina. Otros nitratos orgánicos, como el dinitrato de isosorbida, se degradan hasta especies liberadoras de NO a través de una vía enzimática aún no identificada. A diferencia del NO, los nitratos orgánicos tienen efectos menos significativos sobre la agregación plaquetaria, que parece carecer de las vías enzimáticas necesarias para la activación rápida del metabolismo. Los nitratos orgánicos muestran tolerancia rápida durante la administración continua. Esta tolerancia se deriva de la generación de especies de oxígeno reactivas que inhiben a la aldehído reductasa mitocondrial, síntesis endógena de NO y otras vías (cap. 12).

2. Nitritos orgánicos. Los nitritos orgánicos como el nitrito de amilo, un inhalante antianginoso, también requieren activación metabólica para producir vasorrelajación, aunque no se ha identificado la enzima encargada de la activación. Los nitritos son vasodilatadores arteriales y no muestran la rápida tolerancia observada con los nitratos. Se abusa del nitrito de amilo por sus efectos eufóricos. Al combinarlo con algún inhibidor de la fosfodiesterasa como sildenafilo genera hipotensión mortal. El nitrito de amilo ha sido sustituido en gran parte por nitratos, como nitroglicerina, que son más fáciles de administrar.

3. Nitroprusiato de sodio. El nitroprusiato de sodio dilata las arteriolas y vénulas y se utiliza para reducir rápidamente la presión en caso de hipertensión arterial. En respuesta a la luz, así como a diversos mecanismos químicos o enzimáticos en las membranas celulares, el nitroprusiato de sodio se degrada hasta formar cinco moléculas de cianuro y una de NO. Véase el capítulo 11 para más detalles.

4. Inhalación del NO gaseoso. El NO mismo puede usarse de manera terapéutica y su inhalación produce disminución de la presión de la arteria pulmonar y mejora la perfusión de las zonas ventiladas del pulmón. El NO inhalado se utiliza durante la reanimación cardiopulmonar y para tratar la hipertensión pulmonar y la hipoxemia aguda; hay evidencias de mejoría a corto plazo de la función pulmonar. El NO inhalado es almacenado como una mezcla de gas comprimido con nitrógeno, que no reacciona fácilmente con NO y se diluye hasta obtener la concentración deseada durante su administración. El NO reacciona con el O₂ para formar bióxido de nitrógeno, irritante pulmonar que provoca deterioro de la función pulmonar (cap. 56). Además, el NO induce la formación de metahemoglobina, variedad de hemoglobina que contiene Fe³⁺ en lugar de Fe²⁺ y que no fija al O₂ (véase también capítulo 12). Por lo tanto, durante el tratamiento con NO inhalado es importante vigilar la concentración de bióxido de nitrógeno y metahemoglobina.

5. Otras estrategias. Otro mecanismo que resulta en potenciación de las acciones del NO es inhibir las enzimas fosfodiesterasas que degradan el cGMP. Los inhibidores de la fosfodiesterasa de tipo 5, como el sildenafilo, causan prolongación de la elevación de la concentración de cGMP provocada por el NO en una variedad de tejidos (cap. 12).

■ ÓXIDO NÍTRICO EN LAS ENFERMEDADES

EFECTOS VASCULARES

El NO tiene un efecto significativo sobre el tono del músculo liso vascular y la presión arterial. Numerosos vasodilatadores supeditados al endotelio, como acetilcolina y bradicinina, actúan incrementando la concentración intracelular de calcio en las células endoteliales, lo que provoca la síntesis de NO. El NO se difunde al músculo liso vascular generando vasorrelajación (fig. 19-2). Los ratones con una mutación por inactivación del gen eNOS exhiben mayor tono vascular y presión arterial media elevada, lo que indica que el eNOS es un regulador fundamental de la presión arterial.

Además de ser vasodilatador y regulador de la presión arterial, el NO posee efectos antitrombóticos. Tanto las células endoteliales como las plaquetas contienen eNOS, que actúa a través de la vía NO-cGMP para inhibir la activación plaquetaria, que es un iniciador de la formación de trombos. Por lo tanto, en enfermedades que se acompañan de disfunción endotelial, la reducción concomitante en la producción de NO aumenta la predisposición a una función plaquetaria anormal y trombosis. El NO posee un efecto inhibidor adicional sobre la coagulación sanguínea al incrementar la fibrinólisis a través de su efecto sobre el plasminógeno.

El NO también protege contra la aterogénesis. Uno de los principales mecanismos antiaterógenos del NO es la inhibición de la proliferación y migración de las células musculares lisas vasculares. En modelos animales, la proliferación de la mioíntima después de la angioplastia puede ser bloqueada por los donadores de NO, por la transferencia del gen de la NOS y por inhalación de NO. El NO disminuye la adhesión endotelial de monocitos y leucocitos, características clave del desarrollo temprano de placas ateromatosas. Dicho efecto se debe a la inhibición del NO sobre la expresión de moléculas de adhesión en la superficie endotelial. Además, el NO puede actuar como antioxidante al bloquear la oxidación de las lipoproteínas de baja densidad y evitar o disminuir así la formación de células espumosas en la pared vascular. También se afecta la formación de la placa por la disminución (dependiente del NO) de la permeabilidad de las células endoteliales a las lipoproteínas. La importancia de la eNOS en las enfermedades vasculares se respalda por los experimentos que muestran aumentos de la ateroesclerosis en animales tratados con inhibidores de eNOS. Los factores de riesgo de ateroesclerosis, como tabaquismo, hiperlipidemia, diabetes e hipertensión, se vinculan con una disminución de la producción de NO endotelial y, por tanto, incrementan la aterogénesis.

ESTADO DE CHOQUE SÉPTICO

La septicemia es una respuesta inflamatoria sistémica causada por una infección. Los componentes endotoxínicos de la pared bacteriana junto con el factor α de necrosis tumoral —de producción endógena— y otras citocinas, inducen la síntesis de iNOS en macrófagos, neutrófilos y células T, así como en hepatocitos, células de músculo liso, endoteliales y fibroblastos. La generación amplia de NO produce hipotensión intensa, estado de choque y, en algunos casos, la muerte. La hipotensión se revierte con el uso de inhibidores de la NOS en los seres humanos, así como en modelos animales (cuadro 19-3). Se produce una reversión similar de la hipotensión por compuestos que impiden la acción del NO, como el azul de metileno, inhibidor de la guanililciclasa soluble. Los ratones con bloqueo génico que carecen de un gen de iNOS funcional son más resistentes a las endotoxinas que los ratones genéticamente intactos. No obstante, pese al potencial de los inhibidores de NOS para contrarrestar la hipotensión en los casos de septicemia, la supervivencia de los pacientes con septicemia por gramnegativos que reciben inhibidores de NOS no mejora. La ausencia de beneficio puede reflejar la incapacidad de los inhibidores de la NOS para diferenciar entre sus isoformas o reflejar la inhibición concomitante de aspectos beneficiosos de la señalización de la iNOS.

INFECCIÓN E INFLAMACIÓN

La producción de NO tiene efectos tanto benéficos como nocivos en la respuesta inmunitaria del hospedador y en la inflamación. La respuesta del hospedador a la infección o lesión implica el reclutamiento de leucocitos y la liberación de mediadores de inflamación, como el factor de necrosis tumoral y la interleucina I. Dicho reclutamiento conduce a la producción de la iNOS en leucocitos, fibroblastos y otros tipos celulares. El NO que se produce, aunado al peroxinitrito que se forma por su interacción con el superóxido, constituye un microbicida importante. Además, al parecer, el NO tiene una función protectora importante en el cuerpo a través de la función inmunitaria celular. Si se les provoca con antígenos extraños, las células TH1 (cap. 55) responden sintetizando NO, que tiene funciones dentro de las mismas. La importancia del NO en la función celular de TL1 se demuestra por la respuesta protectora deficiente a los parásitos inyectados en los modelos animales después de inhibir al iNOS. El NO también estimula la síntesis de prostaglandinas inflamatorias al activar a la ciclooxigenasa 2 (COX-2, cyclooxygenase 2). A través de sus efectos sobre COX-2, sus efectos vasodilatadores directos y otros mecanismos, el NO generado durante la inflamación contribuye al eritema, la permeabilidad vascular y el edema ulterior que acompaña a la inflamación aguda.

Sin embargo, las situaciones inflamatorias tanto agudas como crónicas con producción prolongada o excesiva de NO exacerban el daño hístico. De hecho, las lesiones de psoriasis, el epitelio de las vías respiratorias en el asma y las lesiones intestinales inflamatorias en el ser humano, exhiben una concentración elevada de NO e iNOS, lo que sugiere que la producción persistente de iNOS contribuye a la patogenia de las enfermedades. Además, estos tejidos exhiben una mayor concentración de nitrotirosina, lo que indica la formación excesiva de peroxinitrito. En diversos modelos animales de artritis, el hecho de incrementar la producción de NO por medio de complementos alimenticios de L-arginina exacerba la artritis, mientras que la inhibición de la iNOS tiene un efecto opuesto. Por lo tanto, quizá la inhibición de la vía del NO tiene efectos favorables sobre diversas enfermedades inflamatorias agudas y crónicas.

SISTEMA NERVIOSO CENTRAL

El NO tiene una función importante en el sistema nervioso central como neurotransmisor (cap. 21). A diferencia de los transmisores clásicos, como el glutamato o la dopamina, que se almacenan en las vesículas sinápticas y se liberan en la hendidura sináptica durante la fusión de vesículas, el NO no se almacena sino que se sintetiza según la demanda y de inmediato se difunde a las células vecinas. La síntesis de NO se da en los sitios presinápticos de las neuronas, sobre todo durante activación del subtipo NMDA del receptor del glutamato, lo que produce ingreso de calcio y activación de la nNOS. En varios subtipos neuronales, también está presente la eNOS y se activa por vías de neurotransmisión que conducen al ingreso de calcio. El NO sintetizado después de la sinapsis funciona como mensajero retrógrado y se difunde hasta la terminal presináptica para incrementar la eficacia de la liberación de neurotransmisores, regulando de esta manera la plasticidad sináptica, esto es, el reforzamiento de las sinapsis que constituye la base del aprendizaje y de la memoria. La activación aberrante de receptores de NMDA y la síntesis excesiva de NO se relacionan con muerte neuronal excitotóxica en diversas enfermedades neurológicas, incluida la apoplejía, esclerosis lateral amniotrófica y enfermedad de Parkinson, por lo que el tratamiento con inhibidores de NOS probablemente disminuya el daño neuronal en estas enfermedades. Sin embargo, en los estudios clínicos no ha sido posible comprobar claramente los beneficios de la inhibición de NOS, lo que refleja la falta de selectividad de estos inhibidores, que tiene como resultado la inhibición de los efectos favorables de eNOS.

SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO

Las neuronas no adrenérgicas o no colinérgicas (NANC, nonadrenergic, noncholinergic) están distribuidas ampliamente en los tejidos periféricos, en especial en el tubo digestivo y órganos reproductivos (cap. 6). Numerosas pruebas identifican al NO como mediador de ciertas reacciones NANC y algunas neuronas de ese tipo parecen liberarlo. Se cree que la erección peniana es causada por la liberación de NO por neuronas NANC; el NO promueve la relajación del músculo liso en los cuerpos cavernosos, el factor de inicio de la erección peniana, y los inhibidores de la NOS han mostrado impedir la erección causada por estimulación de nervios pélvicos en ratas. Una estrategia establecida para el tratamiento de la disfunción eréctil es resaltar el efecto de la señalización de NO al inhibir la degradación de cGMP a través de la fosfodiesterasa (isoforma 5 de PDE) presente en el músculo liso de los cuerpos cavernosos con fármacos como sildenafilo, tadalafilo y vardenafilo (cap. 12).

ENFERMEDADES RESPIRATORIAS

El NO se administra por inhalación (véase Preparaciones disponibles) a los recién nacidos con insuficiencia respiratoria hipóxica vinculada con hipertensión pulmonar. El tratamiento actual contra el intercambio de gases notoriamente defectuoso en el recién nacido es mediante oxigenación con membrana extracorpórea (extracorporeal membrane oxygenation, ECMO), que no modifica en forma directa las presiones vasculares pulmonares. La inhalación de NO dilata los vasos pulmonares y da como resultado una menor resistencia vascular pulmonar y disminución de la presión arterial pulmonar. El NO inhalado también mejora la oxigenación al disminuir el desequilibrio entre la ventilación y la perfusión en el pulmón. La inhalación de NO produce dilatación de los vasos pulmonares en zonas del pulmón con mejor ventilación, redistribuyendo así el riego sanguíneo pulmonar lejos de las zonas mal ventiladas. La inhalación de NO por lo común no ejerce efectos notorios sobre la circulación sistémica. El NO inhalado ha mostrado mejorar la función cardiopulmonar en pacientes adultos con hipertensión arterial pulmonar.

Otra estrategia para el tratamiento de la hipertensión pulmonar es reforzar las acciones del NO en los lechos vasculares pulmonares. Gracias al enriquecimiento de PDE-5 en los lechos vasculares pulmonares, los inhibidores de PDE-5, como sildenafilo y tadalafilo, inducen vasodilatación y reducción considerable de la hipertensión pulmonar (cap. 12).