概論#
一氧化氮（nitric oxide, NO）是一種氣態訊號分子，可自由穿越細胞膜，調節廣泛的生理與病理過程，包括心血管、炎症和神經功能。
一氧化氮（NO）不可與笑氣（nitrous oxide, N₂O，麻醉氣體）或二氧化氮（NO₂，毒性肺刺激物）混淆。
NO 的內源性發現#
對 NO 為內源性信號分子的認識，源自兩條研究線索：
- 巨噬細胞研究：炎症介質（內毒素）處理的巨噬細胞培養液中，亞硝酸鹽和硝酸鹽（NO 降解產物）升高；動物注射內毒素後尿中亞硝酸鹽/硝酸鹽也升高
- 血管組織研究：乙醯膽鹼引起的血管舒張依賴內皮細胞的存在；去除內皮後舒張反應消失 → 內皮釋放內皮衍生舒張因子（EDRF） → 後確認 EDRF 的主要成分為 NO
NO 的合成、訊號機制與失活#
合成#
NO 由三種**一氧化氮合成酶（NOS）**同工酶合成，各由不同基因編碼：
| 性質 | NOS-1（nNOS，神經型） | NOS-2（iNOS，誘導型） | NOS-3（eNOS，內皮型） |
|---|---|---|---|
| 主要組織 | 神經元、骨骼肌 | 巨噬細胞、平滑肌細胞 | 內皮細胞、神經元 |
| 表達方式 | 固有表達 | 轉錄誘導（炎症介質） | 固有表達 |
| 鈣調節 | 是（鈣調蛋白依賴） | 否（持續性活化） | 是（鈣調蛋白依賴） |
合成反應：L-精胺酸（L-arginine）＋ O₂ ＋ NADPH → L-瓜胺酸（L-citrulline）+ NO，需要輔因子：血紅素、四氫生物蝶呤（tetrahydrobiopterin）、FAD。
- nNOS 和 eNOS：細胞內 Ca²⁺ 升高 → 與鈣調蛋白（calmodulin）結合 → 酶活化 → NO 生成
- iNOS：不受鈣調節，但在靜止狀態下幾乎不表達；炎症介質誘導 iNOS 基因轉錄 → 大量 NO 持續生成
訊號機制#
NO 透過蛋白質共價修飾傳遞訊號：
Figure 19-1：NO 的合成與訊號路徑——NOS 催化精胺酸生成 NO，NO 可活化鳥苷酸環化酶（→ cGMP）、進行 S-亞硝基化（Cysteine），或與超氧陰離子反應形成過氧亞硝酸鹽（Tyrosine nitration）
1. 金屬蛋白（Metalloproteins）
NO 的最主要靶標是可溶性鳥苷酸環化酶（sGC）：NO 與 sGC 的血紅素鐵結合 → 酶活化 → GTP → cGMP 大量升高 → 活化蛋白激酶 G（PKG）→ 磷酸化使細胞內 Ca²⁺ 降低 → 血管平滑肌舒張
在血小板：NO-cGMP-PKG 路徑抑制血小板聚集和血栓形成
在高濃度（如活化巨噬細胞）：NO 與金屬蛋白形成複合物，使細胞呼吸相關酶（順烏頭酸酶、細胞色素氧化酶）失活 → 細胞毒性效應
2. 硫醇基（Thiols）— S-亞硝基化（S-nitrosylation）
NO 與蛋白質半胱胺酸殘基的巰基（-SH）反應形成亞硝基硫醇（nitrosothiols）→ 稱為 S-亞硝基化（S-nitrosation）。此翻譯後修飾具有高度特異性，可改變靶蛋白功能、穩定性或定位。
重要靶標：
- H-Ras：S-亞硝基化後活化（促細胞增殖）
- GAPDH（甘油醛-3-磷酸去氫酶）：S-亞硝基化後被抑制
- S-亞硝基麩胱甘肽（S-nitrosoglutathione）：體內 NO 的儲存或運輸形式；糖尿病和動脈粥樣硬化時血管麩胱甘肽減少
3. 酪胺酸硝化（Tyrosine Nitration）
當大量 NO 和超氧陰離子（O₂⁻）同時存在時，生成強氧化劑過氧亞硝酸鹽（peroxynitrite, ONOO⁻）：
- 蛋白質酪胺酸硝化（不可逆，通常抑制蛋白質功能）
- DNA 損傷
- 組織中酪胺酸硝化水平是 NO 過量生成的生物標記
- 超氧化物歧化酶（SOD）可清除 O₂⁻，延長 NO 的有益效應
NO 的各種氮氧化物形式：
| 化合物 | 結構 | 已知功能 |
|---|---|---|
| 一氧化氮（NO） | N=O• | 血管舒張、血小板抑制、免疫調節、神經傳遞 |
| 過氧亞硝酸鹽（ONOO⁻） | O=N-O-O⁻ | 氧化劑和硝化劑 |
| 亞硝基陰離子（NO⁻） | N⁻=O | 可能被金屬氧化為 NO |
| 笑氣（N₂O） | N⁻=N⁺=O | 麻醉劑 |
| 亞硝酸鹽（NO₂⁻） | O=N=O⁻ | NO 的穩定氧化產物；酸性條件下分解為 NO |
| 硝酸鹽（NO₃⁻） | — | NO 的穩定氧化產物 |
Figure 19-2：內皮細胞 eNOS 訊號軸——乙醯膽鹼/缓激肽刺激內皮細胞 Ca²⁺ 升高，鈣調蛋白活化 eNOS，NO 擴散至鄰接血管平滑肌細胞，活化可溶性鳥苷酸環化酶，cGMP 上升使 PKG 活化、Ca²⁺ 降低，造成血管舒張
NO 的失活#
NO 因與金屬、O₂ 和活性氧（ROS）快速反應而被迅速失活：
- 與血紅蛋白鐵結合 → 氧化為硝酸鹽（肺外 NO 清除機制）
- 紅血球中的 NO-血紅素複合物可能將 NO 生物活性輸送至全身血管
- 與 O₂ 反應生成 NO₂
- 與 O₂⁻ 反應生成過氧亞硝酸鹽
NO 的藥理學操控#
一、NOS 酶抑制劑#
目前未有 NOS 抑制劑核准用於任何臨床適應症，但正評估用於：
- 過度低血壓（eNOS 抑制）
- 病理性炎症（iNOS 抑制）
多數 NOS 抑制劑為精胺酸類似物（非選擇性，抑制所有三種 NOS 同工酶），可能引起有害效應。選擇性 NOS 同工酶抑制劑正在研發，包括利用各同工酶底物結合位點的細微差異，或透過阻斷 NOS 二聚化（酶活性所需構象）。
常用研究工具：L-NMMA（競爭性 NOS 抑制劑，非選擇性）；7-硝基吲唑（7-nitroindazole，體內部分 NOS-1 選擇性）；甲藍（methylene blue，sGC 抑制劑）。
二、NO 供體（NO Donors）#
NO 供體藥物釋放 NO 或相關 NO 物種，用於引起平滑肌舒張。多數為前藥，在特定組織中代謝活化。
1. 有機硝酸鹽（Organic Nitrates）
- 硝化甘油（Nitroglycerin）：由粒線體醛去氫酶-2（ALDH2，靜脈平滑肌富含）代謝 → NO → 擴張靜脈（降低心臟前負荷）和冠狀動脈 → 抗心絞痛（見第 12 章）
- 異山梨醇二硝酸酯（Isosorbide dinitrate）：透過未完全闡明的酶途徑代謝
- 耐受性（Tolerance）：持續給予後迅速出現，可能與活性氧抑制 ALDH2、內源性 NO 合成及其他途徑有關
2. 有機亞硝酸酯（Organic Nitrites）
- 亞硝酸戊酯（Amyl nitrite）：動脈舒張劑，不出現快速耐受性；曾用作抗心絞痛吸入劑，現已基本被硝酸鹽取代
- 安全警告：與 PDE-5 抑制劑（如矽地那非）合用可引起致命性低血壓
3. 硝普鈉（Sodium Nitroprusside）
- 化學或酶促反應分解 → 釋放 5 個氰化物分子 + 1 個 NO
- 舒張動脈和靜脈 → 用於高血壓急症快速降壓（詳見第 11 章）
4. 吸入性 NO 氣體
- 直接治療用：吸入 NO（最高至 80 ppm）選擇性舒張肺血管，不明顯影響全身循環
- 適應症：
- 新生兒低氧性呼吸衰竭合併肺動脈高壓
- 成人肺動脈高壓、急性低氧血症
- 以含氮氣的壓縮氣體儲存，使用前稀釋至目標濃度
- 監測：NO₂（肺刺激物）及高鐵血紅蛋白（methemoglobin，不能攜帶 O₂）
三、增強內源性 NO 訊號#
1. 磷酸二酯酶 5（PDE-5）抑制劑
PDE-5 將 cGMP 水解為 GMP，終止 NO 訊號。PDE-5 富集於：
- 血管平滑肌（尤其肺血管床）
- 陰莖海綿體平滑肌
PDE-5 抑制劑（矽地那非 sildenafil、他達拉非 tadalafil、伐地那非 vardenafil）使 NO 誘導的 cGMP 升高維持更久，用於：
- 勃起功能障礙（陰莖海綿體平滑肌舒張 → 勃起）
- 肺動脈高壓（肺血管舒張，顯著降低肺動脈壓力）
2. sGC 刺激劑（sGC stimulators）
- Riociguat：直接結合 sGC，使之對 NO 的親和力更高且增強 cGMP 合成速率；可獨立於 NO 或協同強化 NO 效應
- 核准適應症：肺動脈高壓
NO 在疾病中的角色#
心血管效應#
- 血管舒張：eNOS 為血管張力的基礎調節者；eNOS 基因敲除小鼠表現血管張力升高和平均動脈壓升高
- 抗血栓：NO（eNOS 來源）抑制血小板活化和血栓形成
- 抗動脈粥樣硬化：NO 抑制血管平滑肌細胞增殖和遷移、減少單核球和白血球黏附、抗 LDL 氧化、降低內皮通透性
動脈粥樣硬化的危險因子（吸菸、高脂血症、糖尿病、高血壓）均與內皮 NO 生成減少有關，喪失 NO 的多種抗動脈粥樣硬化效應。
感染性休克#
細菌內毒素及 TNF-α 等細胞激素誘導巨噬細胞、中性球、T 細胞和其他細胞大量表達 iNOS → 過量 NO 生成 → 誇大的低血壓和休克。NOS 抑制劑可改善感染性休克的低血壓，但在臨床試驗中未能改善革蘭氏陰性菌感染患者的整體生存率，可能因抑制了 iNOS 的有益免疫功能。
炎症#
- 保護性：iNOS 誘導的 NO 為重要的殺菌物質；TH1 細胞在外來抗原刺激下合成 NO 調節免疫反應
- 有害性：慢性過量 NO 可加重組織損傷；牛皮癬、氣喘氣道上皮及炎症性腸病均顯示 iNOS 及酪胺酸硝化升高
中樞神經系統#
- NO 為非典型神經傳遞物質：不儲存在突觸囊泡，按需合成後立即擴散
- NMDA 受體活化（突觸後 Ca²⁺ 內流）→ nNOS 活化 → NO 合成 → 逆行訊號（retrograde messenger）到突觸前末梢 → 增強神經傳遞物質釋放 → 突觸增強（synaptic plasticity，學習和記憶）
- 異常 NMDA 受體活化和 NO 過量與神經毒性（腦中風、ALS、帕金森症）相關
外周神經系統#
- NANC（非腎上腺素、非膽鹼）神經元廣布於胃腸道和生殖道
- 陰莖勃起由骨盆神經 NANC 神經元釋放 NO 介導 → 舒張陰莖海綿體平滑肌 → 啟動勃起
呼吸系統#
吸入 NO 用於：
- 新生兒低氧性呼吸衰竭：舒張肺血管 → 降低肺血管阻力和肺動脈壓 → 改善通氣/灌流比
- NO 優先舒張通氣較好肺區的血管，重新分配肺血流至良好通氣區 → 改善氧合
吸入 NO 的安全問題
- NO 與 O₂ 反應生成 NO₂（肺刺激物），治療中需持續監測 NO₂ 濃度
- 高鐵血紅蛋白（methemoglobin）：NO 誘導血紅蛋白 Fe²⁺ 氧化為 Fe³⁺，後者無法攜帶 O₂；需監測高鐵血紅蛋白水平
臨床用藥摘要#
| 藥物類別 | 代表藥 | 機制 | 適應症 | 主要毒性 |
|---|---|---|---|---|
| NO 氣體（吸入） | INOmax | sGC 活化 → ↑cGMP → 舒血管 | 新生兒低氧性呼吸衰竭、肺動脈高壓 | 高鐵血紅蛋白血症 |
| PDE-5 抑制劑 | 矽地那非、他達拉非 | 抑制 cGMP 降解 | 勃起功能障礙、肺動脈高壓 | 低血壓（尤其合用硝酸鹽） |
| sGC 刺激劑 | Riociguat | 直接活化 sGC，↑cGMP | 肺動脈高壓 | 低血壓、胃腸不適 |
| 有機硝酸鹽 | 硝化甘油、ISDN | 轉化為 NO → ↑cGMP | 心絞痛、急性心衰 | 頭痛、低血壓、耐受性 |
| 硝普鈉 | 硝普鈉 | 化學分解釋放 NO | 高血壓急症 | 氰化物中毒、低血壓 |