DE69534755T2 - Vorrichtung für die Verabreichung von Phosphodiesterase-Hemmern - Google Patents

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Description

  • Stand der Technik
  • Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Behandlung von pulmonaler Vasokonstriktion und die Behandlung von Asthma. Diese Erfindung wurde im Verlauf von Arbeiten gemacht, die von der U.S. Regierung gefördert wurden, welche bestimmte Rechte an der Erfindung hat.
  • Asthma ist eine chronische Krankheit, die durch eine periodisch auftretende, reversible und weit verbreitete Konstriktion der Atemwege der Lunge als Reaktion auf eines von zahlreichen möglichen Stimulantien gekennzeichnet ist, die die normale Lunge nicht beeinträchtigen. Schätzungen der Häufigkeit, mit der diese Krankheit in der Bevölkerung der Vereinigten Staaten vorkommt, liegen im Bereich von drei bis sechs Prozent.
  • In einem Versuch, die Pathogenese von Asthma aufzuklären, ist nach der zellulären und biochemischen Grundlage (sic) von drei wichtigen Merkmalen der Krankheit gesucht worden: Chronische Entzündung der Atemwege, reversible Obstruktion des Luftflusses sowie bronchiale Hyperreaktivität. Theorien haben verschiedentlich auf Abnormitäten des autonomen Nervensystems, das die Funktion der Atemwege regelt, der Kontraktionseigenschaften der glatten bronchialen Muskeln oder der Integrität der epithelialen Zellauskleidung (cell lining) als Eigenschaften hingewiesen, welche die asthmatischen Atemwege von den normalen Atemwegen unterscheiden. Befunde legen nahe, dass die normale Zellauskleidung als mehr als nur eine einfache Sperrschicht dient: Epitheliale Zellen können einen entspannenden Faktor produzieren, der aktiv die Durchgängigkeit (patency) der Atemwege aufrechterhält, indem er eine Entspannung der glatten Muskeln (smooth muscle) bewirkt. Epitheliale Desquamation könnte zu bronchialer Hyperreaktivität beitragen, weil eine geringere Menge an entspannendem Faktor produziert wird („Asthma", Ch. 14-II in Scientific American Medicine, Vol. 2; Scientific American, Inc.; 1988, Seiten 2 bis 4).
  • Zur Behandlung von Asthma verwendete Medikamente fallen allgemein unter zwei Kategorien: Solche, die hauptsächlich als entzündungshemmende Mittel fungieren, wie z.B. Kortikosteroide und Cromolynnatrium, und solche, die in erster Linie als Relaxantien der glatten tracheobronchialen Muskeln dienen, wie z.B. Theophyllin und seine Derivate, beta adrenergische Agonisten und Anticholinergika. Einige dieser Bronchodilatoren können oral verabreicht werden, während andere im allgemeinen durch intravenöse oder subkutane Injektion oder durch Inhalation des Medikaments in geeigneter Form zugeführt werden, wie z.B. als aerosolisiertes Pulver (d.h. in Form von fein verteilten Feststoffen, die in einem Gas, 5 wie z.B. Luft, suspendiert sind) oder als aerosolisierte Tröpfchen (die in Form eines feinen Nebels zugeführt werden). Asthmapatienten applizieren typischerweise bronchodilatorische Medikamente selbst mittels eines tragbaren dosierfähigen Inhalationsapparats, der benutzt wird, wenn er gebraucht wird, um periodische Asthmaanfälle zu dämpfen oder zu verhindern.
  • Konzeptionell ähnlich der Verengung der Atemwege der Lunge, die bei einem Asthmaanfall eintritt, ist die Vasokonstriktion, eine reversible Verengung der Blutgefäße, die auf eine Kontraktion der glatten Muskeln der Blutgefäße zurückgeht. Eine solche Vasokonstriktion kann zu einem abnorm hohen Blutdruck (Hypertonie) in dem betroffenen Teil des Kreislaufsystems führen.
  • Das Kreislaufsystem der Säugetiere besteht aus zwei getrennten Systemen, dem systemischen Kreislauf und dem pulmonalen Kreislauf, die parallel von der linken bzw. rechten Seite des Herzens angetrieben werden. Der pulmonale Kreislauf transportiert das Blut durch die Lungen, wo es mit Sauerstoff beladen wird und Kohlendioxid abgibt, indem sich ein Gleichgewicht mit den Konzentrationen von gasförmigem Sauerstoff und gasförmigem Kohlendioxid in den Alveolen einstellt. Das sauerstoffreiche Blut kehrt dann in die linke Seite des Herzens zurück, von wo aus es über den systemischen Kreislauf in alle Teile des Körpers verteilt wird.
  • Das systemische Kreislaufsystem des erwachsenen Menschen hat typischerweise einen mittleren systemischen arteriellen Blutdruck („SAP") von 80 bis 100 mm Hg, während ein typischer mittlerer pulmonaler arterieller Blutdruck („PAP") etwa 12 bis 15 mm Hg beträgt. Der normale pulmonale Kapillardruck beträgt etwa 7 bis 10 mm Hg. Wenn man den osmotischen Druck der interstitiellen kolloiden Flüssigkeit (interstitial fluid colloid osmotic pressure), der 14 mm Hg beträgt, und den onkotischen Druck des kolloiden Plasmas (plasma colloid oncotic pressure), der 28 mm Hg beträgt, und ebenso den Druck der interstitiellen freien Flüssigkeit von 1 bis 8 mm Hg bedenkt, dann hat die normale Lunge einen mittleren Nettofiltrationsdruck von +1 mm Hg (Guyton, Textbook of Medical Physiology, 6th Edition; W.B. Saunders Co., Philadekphia, PA, (1981), Seite 295). Dieser nahezu ausgeglichene Druckgradient halt die Alveolen einer gesunden Lunge frei von Flüssigkeit, die anderenfalls aus dem Kreislaufsystem in die Lunge einsickern könnte.
  • Eine Erhöhung des PAP über das normale Maß wird „pulmonaler Hochdruck" oder „pulmonale Hypertonie" genannt. Bei Menschen wird pulmonaler Hochdruck angenommen, wenn der PAP um mindestens 5 bis 10 mm Hg über dem normalen Wert liegt; von Messwerten so hoch wie 50 bis 100 mm Hg über normalen Werten ist berichtet worden. Wenn der PAP deutlich ansteigt, kann Plasma aus den Kapillaren in das Interstitium der Lunge und die Alveolen gelangen: Es kann zu einem Flüssigkeitsaufbau in der Lunge (pulmonales Oedem) und damit verbunden zu einer Verminderung der Lungenfunktion kommen, die in manchen Fällen tödlich ist.
  • Pulmonaler Hochdruck kann entweder akut oder chronisch sein. Akuter pulmonaler Hochdruck ist oft ein potentiell reversibles Phänomen, das im allgemeinen auf eine Konstriktion der glatten Muskeln der pulmonalen Blutgefässe zurückgeht, die durch Ereignisse, wie z.B. Hypoxie (wie z.B. bei der Höhenkrankheit), Acidose, Entzündungen oder pulmonale Embolie, ausgelöst werden können. Chronischer pulmonaler Hochdruck ist durch erhebliche strukturelle Veränderungen in der pulmonalen Vaskulatur charakterisiert, welche zu einem verringerten Querschnitt der pulmonalen Blutgefässe führen; dies kann beispielsweise durch chronische Hypoxie, Thromboembolie oder unbekannte Ursachen (idiopathischer oder primärer pulmonaler Hochdruck) verursacht werden.
  • Pulmonaler Hochdruck (Hypertonie) ist mit verschiedenen lebensbedrohlichen Zuständen in Verbindung gebracht worden, wie z.B. mit dem Atemnot-Syndrom des Erwachsenen (adult respiratory distress syndrome) („ARDS") und dem persistentem pulmonalen Hochdruck des Neugeborenen („PPHN"). Zapol et al., Acute Respirators Failure, Seiten 241 bis 273, Marcel Dekker, New York (1985); Peckham, J. Ped. 93:1005 (1978). PPHN ist eine Krankheit, die in erster Linie Kinder betrifft, die nach normaler Schwangerschaftsdauer geboren werden (fullterm infants). Sie ist charakterisiert durch erhöhten pulmonalen vaskulären Widerstand, pulmonalen arteriellen Hochdruck und rechts-nach-links Verschiebung (right-to-left shunting) von Blut durch den Duktus arteriosus und das Foramen ovale im Herz des Neugeborenen. Die Mortalitätsraten betragen 12 bis 50%. Fox, Pedriatics 59:205 (1977); Dworetz, Pedriatics, 84:1 (1989). Pulmonaler Hochdruck kann auch zu einem potentiell tödlichen Herzleiden führen, das als „Cor pulmonale" oder pulmonale Herzerkrankung bekannt ist. Fishman, „Pulmonary Diseases and Disorders", 2nd Ed., McGraw-Hill, New York (1988).
  • Man hat bereits Versuche unternommen, um pulmonale Hypertonie zu behandeln, indem man Medikamente mit bekannter systemischer vasodilatorischer Wirkung applizierte, wie z.B. Nitroprussid, Hydrazalin und Calciumkanal Blocker. Obwohl diese Medikamente wirksam sein können, indem sie den pulmonalen Blutdruck herabsetzen, üben sie typischerweise wahllos andere Wirkungen aus, indem sie nicht nur den pulmonalen, sondern auch den systemischen Blutdruck herabsetzen. Eine starke Verminderung des systemischen vaskulären Widerstands kann zu einer gefährlichen Ansammlung (pooling) des Blutes in der Venenzirkulation, zu peripherem Unterdruck (Schock), rechts-ventrikulärer Ischämie und nachfolgendem Herzversagen führen. Zapol (1985); Radermacher, Anaesthesiology, 68:152 (1988); Vlahakes, Circulation, 63:87 (1981). Als beispielsweise Nitroprussid 15 Patienten intravenös administriert wurde, um akute pulmonale Hypertonie infolge von ARDS zu behandeln, wurde der durchschnittliche PAP von 29,6 auf 24,2 mm Hg herabgesetzt, und der pulmonale vaskuläre Widerstand (PVR) sank um durchschnittlich 32%, aber der mittlere systemische arterielle Blutdruck wurde von 89,6 mm Hg auf den unakzeptabel niedrigen Wert von 70 mm Hg herabgesetzt (Zapol et al., 1985). Intravenös appliziertes Nitroprussid wurde nicht für die klinische Behandlung von pulmonalem Hochdruck empfohlen, weil es „in ausgeprägtem Maße den pulmonalen Gasaustausch verschlechtert, indem es den Wert des Quotienten QVA/QT erhöht" Radermacher (1988).
  • Es ist berichtet worden, dass die physiologische Entspannung von Blutgefässen durch die Freisetzung eines sehr labilen, nicht prostanoiden und aus dem Endothelium stammenden Entspannungsfaktors (EDRF) durch Endotheliumzellen, die die Blutgefässe auskleiden, bewirkt wird. EDRF stimuliert das Enzym Guanylatcyclase innerhalb der vaskulären glatten Muskeln was einen erhöhten zyklischen GMP Wert bewirkt und daher die Vasokonstriktion umkehrt. Ignarro et al., Proc. Natl. Acad. Sci USA, 84:9265 (1987) und Palmer et al., Nature 327:524 (1987) haben den die vaskulären glatten Muskeln entspannenden Faktor, der durch das Endothelium der Arterien und der Venen freigesetzt wird, als Stickstoffmonoxid („NO") identifiziert. Es wird vermutet, dass NO auch durch Zersetzung von organischen Nitraten, wie z.B. Nitroprussid oder Glycerintrinitrat, gebildet wird. Ignarro, Circ. Res., 65:1 (1989; Furchgott, FASEB J., 3:2007 (1989). Higenbottam et al., Ann. Rev. Resp. Dis. Suppl., 137:107 (1988) haben die vasodilatorische Wirkung von inhaliertem NO an sieben Patienten gemessen, die an einer primäre pulmonale Hypertonie genannten chronischen Krankheit litten. Der durchschnittliche PAP dieser Patienten beim Atmen von 40 ppm NO enthaltender Luft betrug 56,7 mm Hg, im Vergleich zu 59,6 mm Hg beim Atmen von Luft ohne Zusatz von NO, ein Unterschied von 2,9 mm Hg oder etwa 6% der Differenz („ΔPAP") zwischen dem PAP vor der Behandlung und einem normalen PAP. Higenbottam et al. berichteten von einer durchschnittliche Verminderung des PVR von 9% während der Inhalation von NO. Eine entsprechende Verminderung des SAP wurde nicht beobachtet.
  • Im Kontakt mit Sauerstoff ist NO gas instabil und unterliegt einer spontanen Oxidation zu NO2 und höheren Oxiden des Stickstoffs. Diese höheren Stickoxide sind toxisch für die Lunge und können in höheren Konzentrationen selbst pulmonale Ödeme erzeugen. NO ist „der am schnellsten an Hämoglobin bindende Ligand, der bislang entdeckt wurde" (Meyer, Eur. Resp. J., 2:494 (1988). In einer verdünnten wässrigen Lösung, die in Kontakt mit Sauerstoff steht, hat das gelöste NO eine Halbwertzeit von weniger als 10 Sekunden, infolge der schnellen Oxidation zu anorganischem Nitrit und Nitrat. Ignarro, FASEB. J., 3:31 (1989). Die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) hat den Zeit-gewogenen durchschnittlichen Inhalationsgrenzwert für NO auf 25 ppm über 10 Stunden festgesetzt. „NIOSH Recommendations for Occupational Safety and Health Standards", Morbidity and Mortality Weekly Report, Vol. 37, Nr. S-7, Seite 21 (1988).
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft u.a. eine Vorrichtung für die Verabreichung eines Phosphodiesteraseinhibitors in einem Treibgas in den Respirationstrakt eines Patienten, wobei diese Vorrichtung (i) den Phosphodiesteraseinhibitor und (ii) das Treibgas in komprimierter oder flüssiger Form enthält. In einer anderen Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, welche umfasst: einen Behälter (12), der eine Phosphodiesteraseinhibitor Verbindung, suspendiert in einem komprimierten oder verflüssigten Treibgas enthält; ein Gehäuse (14), welches (a) einen Anschluss, an welchem der Behälter befestigt ist, und (b) einen Hohlraum (Lumen) (16), der mit dem Anschluss in Verbindung steht, definiert; und einen Mechanismus (18), um das Treibgas kontrolliert aus dem Behälter in den Hohlraum abzugeben, wodurch die suspendierte Verbindung aus dem Behälter in den Hohlraum abgegeben wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass die Verbindung, die in dem abgegebenen Treibgas suspendiert ist, in den Respirationstrakt einer Person geleitet wird. Der Phosphodiesteraseinhibitor kann in Pulverform oder in einem biologisch verträglichen Trägermaterial gelöst oder suspendiert vorliegen.
  • Eine andere, bevorzugte Vorrichtung nach der Erfindung umfasst einen Behälter (110), der ein komprimiertes oder verflüssigtes Treibgas enthält, ein Gehäuse (102), welches (a) eine Kammer (104), die eine Phosphodiesteraseinhibitor-Verbindung enthält, und (b) einen Hohlraum (108), der mit der Kammer in Verbindung steht, definiert; und einen Mechanismus (116), um das Gas kontrolliert aus dem Behälter in den Hohlraum abzugeben, wodurch die Verbindung in dem Gas suspendiert wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert wird, dass die Verbindung in den Respirationstrakt einer Person geleitet wird. Das Gas kann Stickstoff monoxid enthalten.
  • Eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung umfasst ein Gehäuse (102), welches (a) eine Kammer (104), die einen Phophodiesteraseinhibitor enthält, und (b) einen Hohlraum (108), der mit der Kammer in Verbindung steht, definiert; und einen Behälter (110), welcher ein Gas enthält, das unter Druck steht und mindestens 0,1 ppm Stickstoffmonoxid enthält, wobei der Behälter einen Mechanismus (116) aufweist, um das Gas kontrolliert in die Kammer abzugeben, wodurch der Inhibitor in dem abgegebenen Gas suspendiert wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass das abgegebene Gas in den Respirationsstrakt eines Patienten geleitet wird. Der Phosphodiesteraseinhibitor kann selektiv für zyklische GMP Phosphodiesterase (wie z.B: Zaprinast) sein. Der Behälter kann weiterhin zusätzlich einen Mechanismus (116, 120) aufweisen, um das Gas kontrolliert in den Hohlraum (108) abzugeben, so dass die Kammer (104) umgangen wird.
  • Die Vorrichtungen nach der Erfindung können verwendet werden für die Verhinderung und Behandlung von Asthmaanfällen oder anderen Formen von Bronchokonstriktion oder akutem Atemversagen oder von reversibler pulmonaler Vasokonstriktion (d.h. von akuter pulmonaler Vasokonstriktion oder chronischer pulmonaler Vasokonstriktion, die eine reversible Komponente aufweist) in Säugetieren (insbesondere in Menschen) durch eine Methode, bei der man in das Säugetier eine therapeutisch wirksame Menge eines Phosphodiesteraseinhibitors einführt, vorteilhaft einen Inhibitor (wie z.B. Zaprinast), der selektiv ist für (d.h. höchst aktiv ist gegen) eine zyklische, GMP-spezifische Phosphodiesterase.
  • Eine „therapeutisch wirksame Menge" eines Phosphodiesteraseinhibitors wird hierin definiert als eine solche Menge, die die Dauer (d.h. die Halbwertzeit) der therapeutischen Wirkung von gasförmigem NO oder einer NO freisetzenden Verbindung um mindestens 100% verlängern kann. Die Halbwertzeit der therapeutischen Wirkung ist die Zeit nach Beendigung der Behandlung mit NO (oder einer NO freisetzenden Verbindung), die verstreicht, bis die relevante Messung der Funktion (welche Vasokonstriktion oder Bronchokonstriktion anzeigt) einen Wert erreicht hat, der in der Mitte zwischen dem Basiswert und dem während der Behandlung erreichten Spitzenwert liegt. Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Verlängerung der Dauer des therapeutischen Effekts, die auf die Wirkung der Phosphodiesterase zurückzuführen ist, mindestens 200% und kann größer als 300% sein.
  • Die hierin beschriebenen Vorrichtungen eignen sich zur Verhinderung (sofern vor dem Einsetzen der Symptome appliziert) oder zur Beseitigung von akuter pulmonaler Vasokonstriktion, wie sie z.B. herrühren kann von einer Lungenentzündung, einer traumatischen Verletzung, einer Aspirations- oder Inhalationsverletzung, einer Fettembolie in der Lunge, einer Acidose (acidosis), einer Entzündung der Lunge, einem Atmungsstressyndrom des Erwachsenen, einem akuten Lungenödem, einer akuten Bergkrankheit, von Asthma, einer akuten pulmonalen Hypertonie nach Herzchirurgie, einer persistenten pulmonalen Hypertonie des Neugeborenen, einem perinatalen Aspirationssyndrom, einer Erkrankung der Hyalinmembran, einer akuten pulmonalen Thromboembolie, einer Heparin-Protamin-Reaktion, einer Sepsis, von Asthma, einem asthmatischen Status oder einer Hypoxie (einschließlich einer während einer Anaesthesie nur einer Lunge auftretenden Hypoxie) ebenso wie in solchen Fällen von chronischer pulmonaler Vasokonstriktion, die eine reversible Komponente aufweisen und die z.B. von chronischer pulmonaler Hypertonie, bronchopulmonaler Displasie, chronischer pulmonaler Thromboembolie, idiopathischer oder primärer pulmonaler Hypertonie oder chronischer Hypoxie herrühren können. Stickstoffmonoxid wird einem Säugetier mit pulmonaler Vasokonstriktion oder Asthma vorzugsweise nach einer der folgenden Methoden verabreicht:
    • (a) Zuführung während mindestens drei Minuten, vorteilhaft während mindestens sechs Minuten;
    • (b) Zuführung in Abwesenheit von Tabakrauch;
    • (c) die Konzentration des inhalierten Stickstoffmonoxids beträgt mindestens 0,001 ppm, vorteilhaft mindestens 0,01 ppm, vorteilhafter mindestens 0,5 ppm und insbesondere mindestens 1 ppm (z.B. 5, 10 oder 20 ppm). Die Konzentration sollte vorteilhaft 180 ppm Stickstoffmonoxid nicht übersteigen (die Konzentration wird mittels einer Methode wie z.B. Chemolumineszenz überwacht);
    • (d) das Stickstoffmonoxid wird in Form einer Mischung inhaliert, die Stickstoffmonoxid, Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) in Gasform enthält und vorteilhaft einen FIO2 (d.h. einen Volumenanteil von Sauerstoffgas) von 0,21 bis 0,99 aufweist; wobei der Sauerstoffanteil der Luft 0,21 beträgt; und
    • (e) die Konzentration von NO2 wird überwacht und innerhalb sicherer Grenzen gehalten (d.h. unterhalb von 1 ppm).
  • Die Inhalation von gasförmigem Stickstoffmonoxid stellt einen erheblichen Fortschritt in der Therapie von Asthma dar, weil das Gas keine festen Teilchen oder Tröpfchen hat, die dispergiert und zum Respirationstrakt transportiert werden müssen. Gase haben lange Wege mit freier Diffusion, umgehen ohne weiteres Hindernisse (wie z.B. verengte Luftröhren) und lösen sich direkt im Gewebe, ohne Bronchospasmen zu verursachen. Die vorteilhafte Wirkung von gasförmigem NO auf den Tonus von glatten Bronchialmuskeln tritt sofort nach der Inhalation ein, was NO zu einer brauchbaren ersten Abwehr gegen Bronchospasmen macht. Die Wirkung ist jedoch kurzfristig und endet bald nachdem die Inhalation von NO beendet wird, daher enthalten die Vorrichtungen nach der Erfindung einen Phosphodiesteraseinhibitor, der den Abbau von cyclischer GMP durch endogene Phosphodiesterase verhindert und dadurch den günstigen Effekt des NO auf glatte Muskeln verlängert.
  • Der Phosphodiesteraseinhibitor wird dem Säugetier durch Inhalation zugeführt, um ihn direkt in die betroffene Lunge gelangen zu lassen. In einem solchen Fall wird der Inhibitor vorteilhaft als trockenes Pulver oder als aerolisierte Lösung formuliert und kann wahlweise in einem Gas inhaliert werden, das Stickstoffmonoxid enthält.
  • Inhaliertes Stickstoffmonoxid stellt auch ein geeignetes Mittel zur Diagnose der Reversibilität einer chronischen pulmonalen Vasokonstriktion in einem Säugetier (insbesondere in einem Menschen) dar: Das betroffene Säugetier wird veranlasst, gasförmiges Stickstoffmonoxid zu inhalieren, und etwaige Veränderungen des PAP und der Herzleistung (cardiac output) vor und während der Inhalation werden festgestellt. Wenn der PAP auf die Inhalation von NO hin abfällt, während die Herzleistung konstant bleibt oder ansteigt, oder wenn der ΔPVR in erheblichem Maße vermindert wird (d.h. um mindestens 20% oder vorteilhaft um mindestens 30%), dann würde das bedeuten, dass die chronische pulmonale Vasokonstriktion des Säugetiers eine reversible Komponente enthält, die potentiell mit gasförmigem NO oder mit NO freisetzenden Verbindungen (oder mit anderen Arten von Vasodilatoren), die systemisch zugeführt werden, oder mit Inhalationstherapie behandelbar ist.
  • Bekannte Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindungen (auch als Stickstoffmonoxid-Spender oder als Stickstoffmonoxid generierende Verbindungen bezeichnet) können in drei Kategorien unterteilt werden: (a) Nitroso- oder Nitrosyl-verbindungen (wie z.B. S-Nitroso-N-acetylpenicillamin, S-Nitroso-L-cystein und Nitrosoguanidin), die durch einen -NO-Baustein charakterisiert sind, der unter physiologischen Bedingungen, wie sie in der Lunge herrschen, spontan freigesetzt oder auf andere Weise von der Verbindung übertragen wird; (b) Verbindungen, in denen NO ein Ligand in einem Komplex eines Übergangsmetalls ist und als solcher unter physiologischen Bedingungen ohne weiteres von der Verbindung freigesetzt oder übertragen wird (wie z.B. Nitroprussid, NO-Ferredoxin oder ein NO-Hämokomplex); und (c) Stickstoff enthaltende Verbindungen, die durch Enzyme metabolisiert werden, welche in dem Atmungs- und bzw. oder Vaskularsystem endogen sind, wodurch das NO-Radikal erzeugt wird (wie z.B. Arginin, Glycerintrinitrat, Isoamylnitrit, anorganische Nitrite, Azide und Hydroxylamin). Solche Typen von Stickstoffmonoxid freisetzenden Verbindungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der Technik gut bekannt (siehe z.B. die folgenden Publikationen: Edwards et al., Biochemical Pharmacology, 30:2531-2438, 1981; Schmidt und Kukovetz, Eur. J. Phamacol. 122:75-79, 1986; Curran et al., FASEB J. 5:2085-2092, 1991; Southern et al., FEBS Lett. 276:42-44, 1990; Garg et al., J. Clin. Invest. 83:1774-1777, 1989; Garg et al., Biochem Biophys. Res. Commun. 171:474-479, 1990; Boje et al.; J. Pharmacol. Exp. Ther. 253:20-26 1990: Bruene et al., J. Biol. Chem. 264:8455-8458, 1990; und McNamara et al., Can. J. Physiol. Pharmacol. 58: 1446-1456, 1980). Eine Verbindung, von der man weiß oder annimmt, dass sie eine solche NO freisetzende Verbindung ist, kann auf ihre Wirksamkeit durch Verwendung von Tiermodellen in einem der in vivo Assays direkt getestet werden, die in der Folge beschrieben werden. Alternativ kann eine solche Verbindung zuerst darauf untersucht werden, ob sie in der Lage ist, die Guanylatcyclase zu stimulieren, das Enzym, an das NO bindet und dadurch seine biologische Aktivität entfaltet. Dies kann in einem in vitro Assay geschehen, wie er von Ishii et al., Am. J. Physiol. 261:H598-H603, 1991 beschrieben wurde. Die Stabilität der Verbindung während der Lagerung kann z.B. dadurch überprüft werden, dass man die gelagerte Verbindung in Reihenmessungen auf ihre UV Absorption bei einer Wellenlänge untersucht, die für die NO enthaltende Verbindung charakteristisch ist (typischerweise 595 nm).
  • Die als Phophodiesteraseinhibitor dienende Verbindung, die für die Verwendung in der Vorrichtung nach der Erfindung ausgewählt wurde, kann in Pulverform eingesetzt werden (d.h. als fein zerteilter Feststoff, entweder in reiner Form oder als Mischung mit einem biologisch verträglichen pulverförmigen Trägerstoff oder mit einer oder mehreren zusätzlichen therapeutisch wirksamen Stoffen) oder aber in flüssiger Form (d.h. gelöst oder suspendiert in einem biologisch verträglichen flüssigen Trägerstoff, wahlweise in Mischung mit einem oder mehreren zusätzlichen therapeutisch wirksamen Stoffen) oder kann in einfacher Weise in aerolisierter Form inhaliert werden (wobei das Aerosol vorzugsweise Teilchen oder Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm enthält). Als Trägerstoffe dienende Flüssigkeiten oder Pulver, die sich zur Inhalation eignen, werden weithin in üblichen Therapien für Asthma durch Inhalation verwendet und sind daher dem Fachmann, der solche Therapien entwickelt, gut bekannt. Die optimale Dosierung kann von einem Fachmann auf dem Gebiet der Pharmakologie durch Routinetests ermittelt werden.
  • Ebenfalls zum Bereich der vorliegenden Erfindung gehört ein für die Behandlung von oder Vorbeugung vor Bronchokonstriktion oder pulmonaler Vasokonstriktion geeigneter Inhalationsapparat (vorzugsweise von genügend leichtem Gewicht, so dass er als tragbar angesehen werden kann, d.h. mit einem Gewicht von weniger als 5 kg und vorteilhaft von weniger als 1 kg), wobei dieser Apparat von ähnlicher Konstruktion sein kann wie die Vorrichtungen, die gegenwärtig für die Behandlung von Asthmaanfällen in Gebrauch sind und einen Phosphodiesteraseinhibitor sowie unter Druck stehendes gasförmiges Stickstoffmonoxid enthalten. Ein solcher Apparat umfasst typischerweise ein Druckgefäß mit einem unter Druck stehenden Gas, das mindestens 0,1 ppm (vorteilhaft mindestens 1 ppm, vorteilhafter mindestens 5 ppm und insbesondere mindestens 20 ppm) Stickstoffmonoxid enthält; ein Gehäuse, welches einen Hohlraum und eine Kammer definiert, die eine inhalierbare Phosphodiesteraseinhibitor Verbindung enthält und in Verbindung mit dem Hohlraum steht; sowie einen Mechanismus, wie z.B. ein Absperrventil (valve), das sich durch einen Druck darauf öffnen lässt und dadurch in geregelter Weise das Gas freisetzt und in den Hohlraum oder die Kammer eintreten lässt (wodurch der pharmazeutisch wirksame Stoff in dem eingetreten Gas suspendiert wird); wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass das freigesetzte Gas (und gegebenenfalls der suspendierte Stoff) in das Atmungssystem eines Patienten geleitet wird. Der Hohlraum kann ein Rohr, eine Maske oder eine Beatmungskammer (rebreathing chamber) umfassen, wie diejenigen, welche man typischerweise bei gegenwärtig verfügbaren Inhalationsapparaten findet. Die Vorrichtung kann auch einen Mechanismus aufweisen, der wahlweise gestattet, das Gas auf eine solche Weise in den Hohlraum eintreten zu lassen, dass der Stoff in der Kammer umgangen wird. Dieser Mechanismus erlaubt, dass der Patient zunächst nur mit dem Stickstoffmonoxid enthaltenden Gas behandelt wird, worauf, falls erforderlich, eine in dem Stickstoffmonoxid enthaltenden Gas suspendierte Dosis Phosphodiesteraseinhibitor folgt. Der Apparat kann wahlweise noch einen anderen pharmazeutisch wirksamen Stoff enthalten, wie z.B. einen bronchodilatorisch wirksamen Stoff in flüssiger oder fester Form. Ein solcher Stoff kann ein beliebiger Stoff sein, von dem man derzeit weiß oder später wissen wird, dass er einer Bronchokonstriktion entgegenwirkt. Zu den Wirkstoffen, die als wirksam bei der Behandlung von Asthma durch Inhalation bekannt sind, zählen Cromolynnatrium; anticholinergisch wirkende Stoffe (wie z.B. Atropin und Ipratropiumbromid); β2-Agonisten (wie z.B. Adrenalin, Isoproterenol, Ephedrin, Salbutamol, Terbutalin, Orciprenalin, Fenoterol und Isoetharin); Methylxanthine (wie z.B. Theophyllin); Calciumkanal Blocker (wie z.B. Verapamil); und Glucokortikoide (wie z.B. Prednison, Prednisolon, Dexamethason, Beclomethasondiproprionat und Beclomethasonvalerat), wie in Kapitel 39 von Principles of Medical Phamacology, Fifth Edition, Kalant und Roschlau Ed. (B.C. Decker Inc., Philadelphia, 1989) beschrieben. Die Verwendung und Dosierung dieser und anderer bronchodilatorisch wirkender Stoffe in der Inhalationstherapie sind dem Praktiker, der routinemäßig Asthmapatienten behandelt, gut bekannt.
  • In einer anderen Ausführungsform, umfaßt die Vorrichtung der Erfindung
    einen Behälter, der einen Phosphodiesteraseinhibitor (z.B. in fester oder flüssiger Form) enthält, suspendiert in einem verflüssigten Treibmittel;
    ein Gehäuse, welches definiert (a) einen Anschluß (port), auf oder an dem der Behälter montiert ist und (b) einen Hohlraum, der mit dem Anschluß in Verbindung steht;
    einen Mechanismus zum geregelten Austritt des Treibmittels aus dem Behälter in den Hohlraum, wodurch der Stoff aus dem Behälter in den Hohlraum freigesetzt wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass der Stoff in das Respirationssystem einer Person gelangt.
  • Alternativ könnte der Apparat umfassen:
    einen Behälter, der ein komprimiertes oder verflüssigtes Gas enthält (welches wahlweise mindestens 0,1 ppm gasförmiges Stickstoffmonoxid enthält);
    ein Gehäuse, welches definiert (a) eine Kammer, die einen Phosphodiesteraseinhibitor enthält, und (b) einen Hohlraum, der mit der Kammer in Verbindung steht; und
    einen Mechanismus zum geregelten Austritt des Gases aus dem Behälter in die Kammer (z.B. in vorbestimmten Dosen), wodurch der Stoff in dem Gas suspendiert wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass der Stoff in das Respirationssystem einer Person gelangt.
  • Der Apparat würde vorzugsweise ein Inhalationsapparat mit gemessener Dosierung (metered dose inhaler) sein, der einer der vielen Konstruktionen entspricht, welche derzeit verfügbar sind und, nach Aktivierung durch den Patienten, der einer Behandlung bedarf, automatisch eine vorbestimmte Menge des gasförmigen NO und des Phosphodiesteraseinhibtors in eine Luftmenge einbringen, die für einen oder mehrere Atemzüge ausreicht. Ein einzelner Apparat kann wahlweise so konstruiert sein, dass er, auf Wunsch des Patienten, gasförmiges NO (verdünnt mit einem inerten Gas, wie z.B. Stickstoff), mit oder ohne den festen oder flüssigen Phosphodiesteraseinhibitor und bzw. oder einen anderen bronchodilatierenden Stoff, abgibt. Ein solches „zweistufiges" Design würde es dem Patienten gestatten, den Gebrauch des länger wirkenden festen oder flüssigen bronchodilatierenden Stoffs zurückzuhalten, bis seine oder ihre Atemwege durch das Einatmen des gasförmigen NO in Stickstoff geöffnet sind, und dadurch die Dosis des festen oder flüssigen pharmazeutischen Wirkstoffs, die für eine lang anhaltende Wirkung erforderlich ist, herabzusetzen. Die optimale Mengen an NO und bzw. oder NO freisetzendem Stoff, welche abgegeben werden sollen, können von einem Pharmakologen mit Hilfe der Methoden, wie sie zuvor erwähnt wurden, bestimmt werden. Es wird erwartet, dass eine brauchbare inhalierte Dosis von gasförmigem NO für die Behandlung von Asthma mindestens 0,1 ppm während einer halben Minute und vorteilhaft von 5 bis 300 ppm während einer Minute betragen würde. Dies könnte z.B. erreicht werden, indem das aus der Düse des Inhalationsapparats (oder in ein Atmungsrohr (rebreathing tube) bzw. einen Atmungsschlauch oder in eine Atemmaske) frei zu setzende komprimierte gasförmige NO mit mindestens 1.000 ppm in eine Mischung mit Stickstoff eingebracht wird. Die Behandlung von pulmonaler Vasokonstriktion durch Selbstmedikation könnte eine Konzentration von 1,000 bis 30,000 ppm NO in Stickstoff an der Düse erfordern, um 5 ml in ein Volumen (tidal volume) von 500 ml abzugeben und so eine wirksame Konzentration von 10 bis 300 ppm NO in der Lunge des Patienten einzustellen.
  • Gasförmiges NO könnte auch verwendet werden, um die Bronchien zu dilatieren und dadurch die Verteilung von anderen durch Inhalation verabreichten Wirkstoffen zu verbessern. Zu den Beispielen für solche Wirkstoffe, die häufig durch Inhalation verabreicht werden, gehören Antibiotika und andere antimikrobielle Stoffe (wie z.B. Pentamidin zur Behandlung von Pneumocytis pneumonia) und oberflächenaktive Stoffe, wie sie z.B. Kleinkindern oder Säuglingen mit Erkrankungen der Hyalinmembran verabreicht werden.
  • Die hierin beschriebene Erfindung stellt eine einfache, sichere, schnelle und wirksame Vorrichtung für die Behandlung oder präventive Therapie für Asthmaanfälle, für akutes Atemversagen (z.B. ARDS oder bei Lungenentzündung) und für vasokonstriktive pulmonale Hypertonie zur Verfügung. Bei einer Ausführungsform der Erfindung könnte ein tragbarer Inhalationsapparat, der mit einer Patrone mit komprimiertem NO und einem Aerosolbehälter mit einem Phosphodiesteraseinhibitor in pulverförmiger oder flüssiger Form versehen ist, verwendet werden, um eine Inhalationstherapie bei Asthma oder pulmonaler Vasokonstriktion durchzuführen, sei es in einem Krankenhaus oder in einer Notfallsituation. Ein solcher Inhalationsapparat könnte z.B. von einer Person mit einem Hypoxie-Risiko, wie z.B. ein Bergsteiger, oder von Mitgliedern eine Skipatrouille mitgeführt werden, die in Notfällen solchen Skiläufern eine Inhalationstherapie zuteil werden lassen können, die einen Anfall von hypoxischem pulmonalen Oedem erlitten haben. Ähnliche Inhalationsapparate mit bronchodilatorischen Wirkstoffen werden routinemäßig von Personen mit Asthma mitgeführt. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung könnten eine Patrone mit komprimiertem NO und ein Behälter mit einem Aerosol eines Phosphodiesteraseinhibitors mit einem Beatmungsgerät (ventilation circuit) verbunden werden, welches benutzt wird, um neugeborene Säuglinge während des Transports von dem Krankenhaus, in dem die Geburt stattgefunden hat, zu einem Krankenhaus mit einer Intensivstation mit PPHN zu behandeln und zu stabilisieren, oder sie könnten verwendet werden, um eine Lungenentzündung oder ARDS über eine Atemmaske oder mittels eines mechanischen Beatmungsgeräts in einem Krankenhaus oder einer Notfallstation zu behandeln.
  • Wenn eine Phosphodiesterase inhibierende Verbindung oder ein NO freisetzender Stoff in fester oder flüssiger Form inhaliert wird, werden die Teilchen oder Tröpfchen innerhalb des gesamten Atmungssystems verteilt und abgeschieden, wobei die größeren Teilchen oder Tröpfchen dazu neigen, in der Nähe des Eintrittspunkts abgeschieden zu werden (d.h. im Mund oder in der Nase), während kleinere Teilchen oder Tröpfchen im Atmungssystem fortschreitend weiter transportiert werden, bevor sie sich in den Trachäen, Bronchien und schließlich in den Alveolen absetzen (siehe z.B. Hounam & Morgan, „Particle Deposition", Kapitel 5 in Respiratory Defense Mechanisms, Part 1, Marcel Dekker, Inc., NY; Herausgeber Brain et al., 1977, Seite 125). Zur Verwendung in dem Verfahren nach der Erfindung wird ein Teilchen- bzw. Tröpfchendurchmesser von 10 μm oder weniger empfohlen. Wenn die Therapie auf pulmonale Vasokonstriktion abzielt, sollte die Größe der Teilchen bzw. Tröpfchen im allgemeinen eine Verteilung aufweisen, die für die Abscheidung in den Alveolen günstig ist (d.h. durchschnittlich weniger als 5 μm mit einer idealen Größe im Bereich von 1 bis 3 μm), während die Behandlung eines Asthmaanfalls, der überwiegend die Bronchien betrifft, vorteilhaft durch Verwendung eines Aerosols mit einer Teilchen- bzw. Tröpfchengröße von etwa 2 bis 8 μm erfolgt. Die Auswahl eines vorteilhaften Trägerstoffs (falls verwendet), eines Treibmittels (welches NO, verdünnt in einem inerten Gas, wie z.B. Stickstoff, einschließt), der Konstruktion des Inhalationsapparats und der Formulierung des Phosphodiesteraseinhibitors in seinem Trägerstoff gehören klar zu den Fähigkeiten eines Fachmanns auf dem Gebiet der Entwicklung von Inhalationstherapien für Asthma. Der tragbare Inhalationsapparat könnte einen Kanister für komprimiertes NO, vorteilhaft in einem inerten Trägergas, wie z.B. Stickstoff, oder irgendeine alternative Quelle für gasförmiges NO enthalten. Weiterhin könnte der Inhalationsapparat eine als Phosphodiesteraseinhibitor wirkende Verbindung enthalten, entweder in trockener Form, gemischt mit einem Treibmittel, oder in einer Kammer getrennt von dem Treibmittel aufbewahrt, oder aber mit einem flüssigen Trägerstoff gemischt, der zu einer geeigneten Tröpfchengröße „vernebelt" werden kann, oder in irgendeiner anderen Konfiguration, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Technologie der tragbaren Inhalationsapparate bekannt ist. Ein paar der verschiedenen Arten von Inhalationsapparaten, die bis heute entwickelt wurden, werden z.B. in den US-Patenten Nrn. 4,667,668; 4,592,348; 4,534,343 und 4,852,561 diskutiert. Andere Modelle von Inhalationsapparaten sind in dem Physician's Desk Reference. 45. Ausgabe, Edward R. Bernhart, Herausgeber (1991) beschrieben. Jeder dieser und auch andere Arten von Inhalationsapparaten vom Aerosol-Typ können angepasst werden, um die Abgabe von gasförmigem NO zu ermöglichen.
  • Weil das gasförmige NO, das in den Blutkreislauf eintritt, durch Kombination mit Hämoglobin rasch inaktiviert wird, ist der bronchodilatorische Effekt des inhalierten NO auf die belüfteten (ventilated) Bronchien und der vasodilatorische Effekt des inhalierten NO auf die Blutgefässe in der Nähe des Eintrittspunkts des NO in den Blukreislauf begrenzt: also auf die pulmonalen Mikrogefäße. Daher besteht ein wichtiger Vorteil sowohl der bronchodilatorischen als auch der vasodilatorischen Anwendungen gemäß der Erfindung darin, dass man Bronchospasmen und bzw. oder pulmonale Hypertonie selektiv verhindern oder behandeln kann, ohne damit gleichzeitig eine Erniedrigung des systemischen Blutdrucks auf einen potentiell gefährlichen Level zu verursachen. Die Erfindung erlaubt eine wirksame Absenkung von pulmonaler Hypertonie ohne das Risiko einer ungenügenden Durchblutung (underperfusion) von lebenswichtigen Organen, von venöser Ansammlung (venous pooling), Ischämie und Herzversagen, was alles im Zusammenhang mit einer systemischen Vasodilatation auftreten kann. Eine solche isolierte Vasodilatation ist auch für die Behandlung von neugeborenen Säuglingen mit PPHN wichtig, weil eine systemische Vasodilatation die unerwünschte Mischung von sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Blut durch den Ductus arteriosus oder das Foramen ovale des Neugeborenen verstärkt. Weiterhin verbessern die Vorrichtungen nach der Erfindung den Sauerstofftransport in Patienten mit Asthma oder akutem Atmungsversagen, indem sie eine Bronchodilatation und gleichzeitig eine Steigerung des Blutflusses zu den belüfteten Alveolen bewirken, wodurch ein zusätzlicher Nutzen eintritt, den typische bronchodilatorische Therapien nicht bringen.
  • Die Erfindung stellt auch in vorteilhafter Weise eine einfache, rasche, nichtinvasive Möglichkeit zur Diagnose von jenen Formen von chronischer pulmonaler Hypertonie zur Verfügung, die auf eine Inhalationstherapie mit NO ansprechen. Diese Patienten können Nutzen aus einer Langzeitinhalations-Therapie gemäß der Erfindung ziehen, oder Nutzen aus einer chronischen systematischen Behandlung mit NO freisetzenden vasodilatorischen Wirkstoffen ziehen, wie z.B. mit Nitroprussid und Glycerintrinitrat, mit Calciumkanal Blockern oder mit anderen Arten von Vasodilatoren.
  • Andere Merkmale, und Vorzüge der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den experimentellen Beispielen und den Patentansprüchen hervorgehen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine graphische Darstellung der Reaktion von Lämmern mit einer durch U46619 induzierten pulmonalen Vasokonstriktion auf verschiedene NO Dosen.
  • 2 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkungen der Inhalation von verschiedenen Konzentrationen an NO im Gemisch mit Sauerstoff, alternierend mit Perioden, in denen 60 bis 70% Sauerstoff ohne Zusatz von NO geatmet wurde, auf den PAP von Lämmern zeigt, während ihnen kontinuierlich U46619 infundiert wurde.
  • 3 ist eine Aufzeichnung (strip chart), die die Reaktion eines Lamms mit durch U46619 induzierter pulmonaler Vasokonstriktion auf die Inhalation von 80 ppm NO während 6 Minuten zeigt.
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung einer Inhalation von verschiedenen Konzentrationen an NO im Gemisch mit Sauerstoff, alternierend mit Perioden, in denen 60 bis 70% Sauerstoff ohne Zusatz von NO geatmet wurde, auf den pulmonalen vaskulären Widerstand (PVR) von Lämmer zeigt, denen kontinuierlich U46619 infundiert wurde.
  • 5A und 5B sind ein Paar von graphischen Darstellungen, in denen die Wirkung von 180 ppm inhaliertem NO auf die PAP- und PVR-Werte von Schafen, in denen eine Heparin-Protamin Reaktion erhöhte PAP- und PVR-Werte induziert hatte, im Vergleich mit unbehandelten, Luft atmenden Schafen dargestellt ist.
  • 6 ist eine Aufzeichnung, die einen Vergleich einer Behandlung eines erwachsenen, an schwerem ARDS leidenden Menschen mit PGI2 und mit Inhalation von NO wiedergibt.
  • 7 ist die schematische Darstellung des Apparats und der Bedingungen, welche angewandt wurden, um gasförmiges NO den Lungen von Meerschweinchen im Verlauf von Experimenten zur Bronchodilatation zuzuführen, sowie eine Zusammenfassung von Daten zur Chemolumineszenz, die an jeder von drei Stellen (sites) des Apparats gewonnen wurden.
  • 8 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung der Inhalation von 300 ppm gasförmigem NO auf die Lungen von neun normalen Meerschweinchen (d.h. ohne Bronchokonstriktion) zeigt.
  • 9 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung des Lungenwiderstands (lung resistance) zeigt, die an neun experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen während der Behandlung mit verschiedenen Konzentrationen von gasförmigem NO beobachtet wurde.
  • 10 ist eine graphische Darstellung, die den Lungenwiderstand bei der Behandlung von acht experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen mit verschiedenen Konzentrationen von gasförmigem NO vergleicht.
  • 11 und 12 sind graphische Darstellungen, die die Kurve der Wirkungen (response) zeigt, die bei der Behandlung von neun experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen mit verschiedenen Konzentrationen von gasförmigem NO beobachtet wurden, wobei die Wirkung als Lungenwiderstand (11) oder als Prozentsatz des maximal beobachteten Lungenwiderstands (12) gemessen wurde.
  • 13 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung auf die Lungen von acht experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen bei Langzeitinhalation (eine Stunde) von 100 ppm NO oder von Metacholin allein illustriert.
  • 14 ist eine graphische Darstellung, die die zusätzliche Wirkung der Inhalation sowohl von Terbutalin als auch von NO auf den Lungenwiderstand von drei experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen illustriert.
  • 15 ist eine graphische Darstellung, die die zusätzliche Wirkung der Inhalation sowohl von Terbutalin als auch von NO auf die Lungenverträglichkeit (lung compliance) von drei experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen illustriert.
  • 16 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung des Lungenwiderstands illustriert, die an fünf experimentell mit Bronchokonstriktion versehenen Meerschweinchen beobachtet wurden, als sie S-Nitroso-N-acetylpenicillamin (SNAP) in Nebelform inhalierten.
  • 17 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines für die Praxis der Erfindung geeigneten Inhalationsapparats.
  • 18 ist ein Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines für die Praxis der Erfindung geeigneten Inhalationsapparats.
  • 19A ist eine graphische Darstellung, die den Einfluss einer kontinuierlichen intravenösen Infusion von Zaprinast (0,1 mg·kg–1 min–1) auf die Größenordnung der Absenkung des Spitzenwerts des durchschnittlichen pulmonalen arteriellen Drucks als Reaktion auf die Inhalation von NO bei pulmonaler Hypertonie, die durch Infusion von U46619 induziert wurde, zeigt. Die Werte sind Mittelwerte plus/minus SE.
  • 19B ist eine graphische Darstellung, die den Einfluss einer kontinuierlichen intravenösen Infusion von Zaprinast (0,1 mg·kg–1 min–1) auf die Halbwerte der vasodilatorischen Wirkung als Reaktion auf die Inhalation von NO bei pulmonaler Hypertonie zeigt, die durch Infusion von U46619 induziert wurde. Die Werte sind Mittelwerte plus/minus SE. * bedeutet erhebliche Abweichung vom Vergleich.
  • 20 ist eine graphische Darstellung, die den Einfluss von Zaprinast auf die Gehalte an Plasma-cyclischer GMP (plasma cyclic GMP levels) beim Grundzustand (at baseline condition) (Grundlinie; baseline) nach einer Belastung mit Zaprinast von 2 mg·kg–1 (Zaprinast), auf die pulmonale Hypertonie bei der Grundlinie (U46619) sowie während einer Inhalation von NO innerhalb von sechs Minuten zeigt. Die Werte sind Mittelwerte plus/minus SE. ** bedeutet erhebliche Abweichung vom Vergleich. * bedeutet erhebliche Abweichung von der Grundlinie.
  • 21 ist eine graphische Darstellung (bar graph), die den Einfluss von Zaprinast auf die gemischte venös-aortische Differenz der Konzentration von cGMP im Plasma im Grundzustand (during baseline conditions), auf die stabile, durch U46619 induzierte pulmonale Hypertonie sowie während der stufenweise geänderten (incremental) Konzentrationen von inhaliertem NO illustriert. Die Werte sind Durchschnitte von Daten von zwei Tieren.
  • 22 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung von intermittierender Inhalation von NO auf den durchschnittlichen PAP eines wachen Lamms mit durch U46619 induzierter pulmonaler Hypertonie zeigt. Stickstoffmonoxid (40 ppm) wurde über Zeiträume von 4 Minuten inhaliert, mit und ohne gleichzeitige Infusion von Zaprinast. Eine nachfolgende Infusion von Zaprinast fand jedes Mal statt, wenn der Wert des ΔPAP um 50 Prozent herabgesetzt war.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Vorrichtungen mit NO und Phosphodiesteraseinhibitor für pulmonale Vasokonstriktion
  • Die Erfindung stellt eine einfache, rasche, selektive und wirksame Vorrichtung zur Behandlung und Verhinderung sowohl von akuter als auch von bestimmten Formen von chronischer pulmonaler Hypertonie zur Verfügung, ohne dass durch diese Mittel der systemische Blutdruck des Patienten herabgesetzt wird. Pulmonale Hypertonie ist eine weit verbreitete klinische Erscheinung, die mehrere Gruppen von Patienten befällt. Die Verwendung von inhaliertem NO, verbunden mit der Behandlung mit einem Phosphodiesteraseinhibitor (PDE Inhibitor), wird gegenwärtig, wenn auch nicht ausschließlich, in Aussicht genommen für Patienten, die an den folgenden Krankheiten leiden oder ein entsprechendes Risiko tragen: ARDS, Lungenentzündung, Asthma, akute pulmonale Ödeme, akute oder chronische Hypoxie, Zustände alveolärer Unterbelüftung, pulmonale Ödeme in großer Höhe („Bergkrankheit"), PPHN, Krankheit der Hyalinmembran, Azidose, idiopathische pulmonale Hypertonie, Sepsis, pulmonale Thromboembolie, Cor pulmonale infolge von pulmonaler Hypertonie, perinatales Aspirationssydrom und akute pulmonale Vasokonstriktion als Reaktion auf Protaminumkehr (protamine reversal) der Heparin-Antikoagulation („Heparin-Protamin Reaktion").
  • Verfahren zur Zuführung (oder Verabreichung)
  • Komprimiertes gasförmiges NO kann von einem kommerziellen Lieferanten, wie z.B. Air Products and Chemicals, Inc. (Allentown, PA) oder Airco (Murray Hill, NJ) bezogen werden, typischerweise als eine Mischung mit 200-800 ppm in reinem gasförmigen Stickstoff. Es ist sehr wichtig, dass das NO frei von verunreinigendem Sauerstoff oder höheren Oxiden des Stickstoffs bezogen und aufbewahrt wird, da solche höheren Oxide des Stickstoffs (die sich durch Reaktion von O2 mit NO bilden können) potentiell schädlich für das Lungengewebe sind. Auf Wunsch kann die Reinheit des NO vor der Verabreichung an den Patienten mittels Chemolumineszenz-Analayse nach bekannten Methoden demonstriert werden. Das Gemisch aus NO und N2 kann beispielsweise mittels kalibrierter Rotameter, die zuvor mit einem Spirometer validiert worden waren, mit Luft oder Sauerstoff vermischt werden. Die endgültige Konzentration des NO in der Atmungsmischung kann mittels dem Fachmann gut bekannter chemischer oder Chemolumineszenzmethoden ermittelt werden (siehe z.B. Fontijin et al., Anal. Chem.. 42:575-579, 1970). Etwaige Verunreinigungen, wie z.B. NO2, können durch Einwirkung von NaOH-Lösung, Baralyme oder Natronkalk entfernt werden. Als zusätzliche Kontrolle kann auch der FiO2-Wert der endgültigen Gasmischung bestimmt werden. Auf Wunsch kann das Beatmungsgerät eine an den Auslass angefügte Gasfalle haben, um sicher zu stellen, dass keine erheblichen Mengen an NO in die Umgebung gelangen.
  • In einem Krankenhaus oder in Notfallsituationen könnte die Verabreichung von gasförmigem NO z.B. durchgeführt werden, indem man einen Tank mit komprimiertem gasförmigem NO in Stickstoff und einen zweiten Tank mit Sauerstoff oder einer Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff an einem Inhalationsapparat anbringt, der für die Mischung von Gasen aus zwei Quellen konzipiert ist. Durch Regelung der Gasströme aus jeder Quelle kann die Konzentration des von dem Patienten inhalierten NO auf einer optimalen Höhe gehalten werden.
  • NO kann Säugetieren in einer Konzentration von 0,001 ppm bis 40 ppm in Luft, reinem Sauerstoff oder einem anderen geeigneten Gas oder einer anderen geeigneten Gasmischung verabreicht werden, so lange ein Verdacht auf akute pulmonale Vasokonstriktion besteht. Die Konzentration kann für kurze Zeiträume bis auf 80 bis 180 ppm erhöht werden: z.B. für 5 Minuten auf 180 ppm NO, wenn ein sofortiger dramatischer Effekt gewünscht wird. Eine gleichzeitige Behandlung mit einem PDE-Inhibitor setzt die gesamte Dosis von NO herab, die erforderlich ist, um ein befriedigendes Maß an Vasodilatation für einen adäquaten Zeitraum zu erzielen.
  • Phosphodiesterase (PDE)-Inhibitoren
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor, während oder unmittelbar nach der Inhalation von NO eine therapeutisch wirksame Menge PDE-Inhibitor verabreicht. In vorteilhafter Weise inhibiert der PDE-Inhibitor selektiv die Hydrolyse von cGMP, mit minimalen Wirkungen auf die Zersetzung von cAMP in glatten Muskelzellen. Der PDE- Inhibitor wird dem Säugetier durch Inhalation zugeführt. Für die Inhalation wird der PDE-Inhibitor zur optimalen Abscheidung in den Alveolen vorteilhaft als trockenes Pulver oder als aerolisierte Lösung mit einer Teilchen- oder Tröpfchengröße von weniger al 10 μm formuliert. Wahlweise kann der PDE-Inhibitor in einem NO enthaltenden Gas inhaliert werden.
  • Ein bevorzugter PDE-Inhibitor ist ®Zaprinast (M&B 22948; 2-o-Propoxyphenyl-8-azapurin-6-on; Rhone-Poulenc Rorer, Dagenham, Essex, UK). Beispiele für andere PDE-Inhibitoren, die in der Praxis der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden können, sind:
    WIN 58237 (1-Cyclopentyl-3-methyl-6-(4-pyridyl)pyrazolo[3,4-d]pyrimidin-4-(5H)-on, siehe z.B. Silver et al., J. Pharmacol. Exp. Ther., 271:1143 (1994);
    SCH 48936 ((+)–6a,7,8,9,9a,10,11,11a-Octahydro-2,5-dimethyl-3H-pentalen(6a,1,4,5)imidazo-[2,1-b]purin-4(5H)-on, siehe z.B. Chatterjee et al., Circulation, 90:I627 (Abstract Nr. 3375) (1994);
    KT2-734 (2-Phenyl-8-ethoxycycloheptimidazol), siehe z.B. Satake et al., Eur. J. Pharmacol., 251:1 (1994); und
    E4021 (Natrium-1-[6-chlor-4-(3,4-methylendioxybenzyl)-aminochinazolin-2-y]piperidin-4-Carboxylat-Sesquihydrat) siehe z.B. Saeki et al., J. Pharmacol. Exp. Ther., 272:825 (1995).
  • Der geeignete Bereich der Dosierung von ®Zaprinast oder anderer PDE-Inhibitoren kann durch den Fachmann bestimmt werden.
  • Bestimmung des pulmonalen vaskulären Drucks und Flusses (oder Stroms)
  • Der pulmonale arterielle Druck wird am genauesten mit einem in Fließrichtung positionierten (flow-directed) pulmonalen Arterienkatheter (PA) überwacht, der perkutan über eine Vene des Patienten unter Betäubung platziert wird. Der PA Fluss wird üblicherweise mittels des Katheters anhand von Thermodilution gemessen. Es gibt alternative Methoden zur indirekten, nicht invasiven Bestimmung, wie z.B. kardialer (cardiac) Ultraschall, Überwachung der systolischen Zeitintervalle sowie Doppler-Verfahren (range-gated Doppler techniques). Diese alternativen Methoden können vorzuziehen sein, wenn eine Katheterisierung nicht praktikabel ist, wie z.B. in Notfällen, bei Patienten, die keine guten Kandidaten für eine Katheterisierung sind oder bei fortdauernder Behandlung oder etablierten Protokollen.
  • Pharmakologische Wirkung von Stickstoffmonoxid
  • Es ist wahrscheinlich, dass das inhalierte NO wirkt, indem es in den den Alveolen benachbarten vaskulären Raum diffundiert und eine Entspannung der pulmonalen vaskulären glatten Muskeln bewirkt, wodurch eine Steigerung des pulmonalen Blutflusses und des Gasaustausches ermöglicht wird. Vorläufige Ergebnisse, die von fünf menschlichen Patienten mit schwerem akutem Atmungsversagen erhalten wurden, zeigen, dass mittels mechanischer Belüftung innerhalb von Zeiträumen von bis zu einem Monat inhaliertes NO (etwa 20 ppm) sowohl der pulmonale arterielle Druck als auch das Verhältnis QVA/QT (die rechts-nach-links Verschiebung: ein Maß für Ineffizienz des pulmonalen Sauerstofftransports) vermindert wird, wodurch ein erheblicher Anstieg des Sauerstoffgehalts im Blut des Patienten erzielt wird. Dies lässt vermuten, dass eine Vasodilatation durch NO nur in belüfteten Alveolen und nicht in nicht belüfteten, kollabierten Alveolen stattfindet, in scharfem Gegensatz zu den Resultaten, die nach Verabreichung von intravenös zugeführten Vasodilatoren, wie z.B. Nitroprussid, erhalten wurden. Da das in Gasform zugeführte NO direkt in die Lunge gelangt, kann das gelöste NO sofort seine pharmakologische Wirkung auf das Ziel, die vaskulären glatten Muskeln, ausüben, bevor das NO durch Bindung an Hämoglobin inaktiviert wird. Gleichzeitig stellt die schnelle Bindung des NO an Hämoglobin sicher, dass die vasodilatorische Wirkung des inhalierten NO nur eine lokale oder selektive Wirkung in den Blutgefäßen der Lunge ist, ohne nachfolgende Vasodilatation im systemischen Kreislauf.
  • Diagnose und Behandlung von chronischer pulmonaler Hypertonie
  • Chronische pulmonale Hypertonie ist durch eine Obstruktion oder strukturelle Verengung von Blutgefäßen in der Lunge charakterisiert. In dem Maße, in dem der chronische Zustand eines bestimmten Patienten durch spastische Konstriktion der pulmonalen glatten Muskeln oder durch Bronchokonstriktion verursacht oder erschwert wird, kann er zumindest teilweise durch Inhalation von NO gebessert werden: Solche Fälle, die für eine Behandlung mit NO und potentiell mit systemischen Vasodilatoren, geeignet sind, können unschwer durch ihre Reaktion auf einen kurzen Inhalationstest mit NO (wie z.B. sechs Minuten Inhalieren von 80 ppm NO, alternierend mit sechs Minuten Inhalieren von Luft ohne Zusatz von NO, wiederholt mit zwei bis vier Cyclen) identifiziert werden, indem man den PAP, PCWP und die Herzleistung misst. Wenn der Patient darauf anspricht (wenn beispielsweise der PVR um 20% oder mehr vermindert wird) kann er entweder mittels tragbarer NO-Inhalationsapparate durch Inhalation von NO freisetzenden Stoffen in fester oder flüssiger Form oder mit NO freisetzenden systemischen vasodilatorischen Wirkstoffen, wie z.B. Glycerintrinitrat oder andere nicht spezifische systemische Dilatoren (wie z.B. Calciumkanal-Blocker), therapiert werden.
  • Therapie von pulmonaler Vasokonstriktion durch Inhalation von NO freisetzenden Stoffen
  • Die Entdeckung, dass die Inhalation von gasförmigem NO bestimmte Formen von pulmonaler Vasokonstriktion zurückbilden kann, legt noch eine andere Art und Weise der Inhalationstherapie von pulmonaler Vasokonstriktion nahe, in der ein NO freisetzender Stoff an Stelle von gasförmigem NO inhaliert wird. Diese Methode bringt eine länger anhaltende günstige Wirkung hervor als eine kurze Inhalation von gasförmigem NO, da der abgeschiedene NO freisetzende Stoff NO langsam und über einen relativ langen Zeitraum freisetzen würde. Die Formulierung und die Dosierung eines ausgewählten NO freisetzenden Stoffs können von einem Fachmann ohne ungebührlichen experimentellen Aufwand festgelegt werden. Beispielsweise könnte eine typische einzelne inhalierte Dosis eines NO freisetzenden Stoffs, wie z.B. S-Nitroso-N-acetylpenicillamin (SNAP) oder S-Nitrosocystein, in Form eines trockenen Pulvers im Bereich von 60 bis 650 μg aktiver Stoff (NO) pro kg Körpergewicht für etwa eine Stunde Dilatation liegen. In Schafen mit experimentell erhöhtem PA Druck erbrachte die Inhalation von SNAP in einer Menge von 1,3 mg/kg eine ausgeprägte Verminderung des PA Drucks.
  • Inhalationstherapie für Asthma
  • Wie die pulmonale Vasokonstriktion, so kann auch die spastische Konstriktion der Atemwege, wie sie bei Asthmaanfällen vorkommt, durch Inhalation entweder von NO oder von NO freisetzenden Stoffen in fester oder in flüssiger Form aufgehoben werden. Gasförmiges NO würde den Vorteil einer schnellen Diffusion ohne feste Teilchen haben und würde auch die Gefäße in der Bronchoregion dilatieren, wodurch der arterielle Sauerstoffdruck verbessert würde. Eine gleichzeitige Behandlung mit einem PDE-Inhibitor (zugeführt durch Inhalation oder auf eine andere akzeptable Weise) verlängert den Zeitraum, in dem eine gegebene Dosis NO klinisch wirksam ist. Die Administration würde wie zuvor beschrieben sein und würde typischerweise nach dem Einsetzen eines Anfalls beginnen, oder wenn man annimmt, dass ein Anfall droht. Wenn eine chronische Bronchodilatation eines bestimmten Patienten nötig ist, kann die gesamte Umgebungsluft mit gasförmigem NO in einer geringen Dosis dotiert werden (bei hohem Gasaustausch), wie z.B. mit einer Maske oder in einem Zelt.
  • Inhalationsapparate
  • Die Vorrichtungen nach der Erfindung können für die zuvor beschriebene Inhalationstherapie benutzt werden. Einer dieser Apparate 10 ist in 17 im Querschnitt dargestellt. Die Figur zeigt ein Gehäuse 14, das eine Kammer 20 definiert, die in Verbindung mit einem Hohlraum 16 steht; einen Behälter 12, der ein unter Druck stehendes Gas mit mindestens 1 ppm Stickstoffmonoxid, gelöst in einem verflüssigten Treibmittel, oder ein komprimiertes Inertgas, in dem ein fester oder flüssiger PDE-Inhibitor suspendiert ist, enthält, wobei der Behälter 12 gleitfähig in der Kammer 20 montiert ist; einen durch Druck aktivierten Ventilmechanismus 18 zum geregelten Einführen der unter Druck stehenden Inhalte des Behälters 12 in den Hohlraum 16; und eine Atmungskammer (rebreathing Chamber) 22, die das eine Ende des Hohlraumes 16 darstellt, mit Einwegventilen 24, durch die Luft 28 in die Atmungskammer 22 eintreten kann, durch die das therapeutische Gas jedoch nicht entweichen kann. Ein Patient verwendet den Inhalator, indem er auf das obere Ende 26 des Behälters 12 drückt, das aus dem Gehäuse 14 hervorsteht, wodurch der Behälter in der Kammer 20 nach unten gleitet und auf den Ventilmechanismus 18 drückt. Dieser lässt den unter Druck stehenden Inhalt des Behälters 12 in den Hohlraum 16 und die Atmungskammer 22 eintreten. Der Patient inhaliert dann einen Teil des Inhalts der Atmungskammer 22, zieht dadurch Luft 28 durch das Einwegventil 24 in die Atmungskammer 22, um den von dem Patienten inhalierten Anteil des Inhalts der Atmungskammer 22 zu ersetzen. Eine einzelne Dosis des therapeutischen Wirkstoffs, der aus dem Behälter 12 in die Atmungskammer 22 freigesetzt wurde, kann für mehrere Atemzüge reichen, die der Patient inhaliert. Das Gesamtgewicht eines Inhalationsapparats 10 könnte weniger als 200 g betragen, so dass er ohne weiteres tragbar ist.
  • Bei einem anderen bevorzugten geeigneten Inhalationsapparat 100, der in 18 dargestellt ist, definiert das Gehäuse 102 (a) eine erste Kammer 104, die einen inhalierbaren PDE-Inhibitor 106 enthält, und (b) einen Holraum 108, der mit der ersten Kammer 104 in Verbindung steht. Ein Behälter 110, der ein komprimiertes Gas oder ein verflüssigtes Treibgas enthält, jeweils mit mindestens 0,1 ppm Stickstoffmonoxid, ist gleitfähig in einer zweiten Kammer 112 des Gehäuses 102 montiert, so dass ein Druck, der auf den oberen Teil des Behälters 114 ausgeübt wird, so wirkt, dass ein Druckentlastungsventil 116, das am Boden des Behälter 116 angeordnet wird, gegen die Wand des Gehäuses 102 gedrückt und dadurch geöffnet wird, wodurch ein Teil des unter Druck stehenden Inhalts des Behälters 110 in die erste Kammer 104 gelangt. Das so frei gewordene unter Druck stehende Gas mischt sich mit dem Stoff 106 und suspendiert ihn zu einem aerolisierten Nebel in der ersten Kammer 104. Dieser Nebel wird dann von dem Patienten durch das offene Ende des Mundstücks 118 des Hohlraumes 108 inhaliert. Auf Wunsch des Patienten kann die Klappe 120, die mit dem mit einer Feder versehenen Scharnier 122 verbunden ist, vor oder während der Öffnung des Druckentlastungsventils 116 von dem Patienten manuell herunter gedrückt werden; dies wirkt dahingehend, dass die erste Kammer 104 zeitweilig von dem Weg des freigesetzten unter Druck stehenden Gases abgeschlossen wird, welches dann direkt in den Hohlraum 108 gelangt und die erste Kammer 104 umgeht, in der sich der PDE-Inhibitor 106 befindet. Wenn der Patient zuerst das Stickstoffmonoxid enthaltende Gas ohne den darin suspendierten Stoff 106 inhaliert, werden die Atemwege des Patienten genügend weit geöffnet, so dass der Patient einen maximalen potentiellen Vorteil aus der nachfolgenden Inhalation des PDE-Inhibitors 106 zieht. So gibt der Patient dann die Klappe 120 frei, drückt erneut of den oberen Teil des Behälters 114, um das Ventil 116 zu öffnen, und inhaliert aus dem Mundstück 118 des Hohlraumes 108 den Stoff 106, der in dem so frei gesetzten unter Druck stehenden Gas suspendiert ist.
  • Experimentelle Information
  • Die Anmelder legen die folgenden, an Tieren und Menschen gewonnenen experimentellen Daten sowie ein genehmigtes Protokoll für Studien an Menschen vor, als Beispiele zur Unterstützung der Anmeldung.
  • 1. PULMONALE VASODILATION
  • A. Verabreichung von gasförmigem Stickstoffmonoxid an Lämmer
  • (i) Methoden
  • Chirurgische Vorbereitung des Tiermodells
  • Acht Suffolk Lämmer mit Gewichten von 25 bis 35 kg wurden drei Tage vor der Studie unter allgemeiner endotrachealer Anaesthesie mit Halothane/Sauerstoff einer sterilen Thorakotomie unterzogen, um eine linke atriale Linie (atrial line), eine Tracheotomie und eine Oberschenkelarterien-Linie (femoral artery line) zu platzieren. Nach drei Tagen Erholung wurde den Lämmern unter örtlicher Betäubung ein 7 French Beobachtungskatheter für thermische Verdünnung in die pulmonale Arterie (thermal dilution pulmonary artery monitoring catheter) gelegt.
  • Studienbedingungen
  • Wache, nicht anaesthetisierte Lämmer wurden studiert, um eine allgemeine Anaesthesie zu vermeiden, die eine hypoxische Vasokonstriktion abmildern (blunt) kann. Die Lämmer wurden in einem Babraham-Käfig gehalten, und man ließ sie nach Belieben trinken und fressen. Zwei Studien wurden im Abstand von zwei Tagen mit jedem der sechs Lämmer durchgeführt. Nach den Studien wurden die Lämmer mit einer Überdosis Barbiturat getötet, und ihre Lungen wurden fixiert, eingefärbt (stained) und unter dem Lichtmikroskop auf pathologische Veränderungen untersucht.
  • Verabreichung von NO an Lämmer mit durch U46619 induzierter pulmonaler
  • Vasokonstriktion
  • Am ersten Tag der Studie erhielten die Lämmer, die 60 bis 70% Sauerstoff atmeten, eine Infusion eines potenten pulmonale Vasokonstriktion erzeugenden Stoffs, das stabile Endoperoxid-Analogon (5Z, 9α, 13E, 15S)-11,9-(Epoxymethano)prosta-5,13-dien-1-oic- Säure; U46619, The Upjohn Company, Kalamazoo, MI) von Thromboxan mit einer Rate von 0,4-0,8 μg/kg/min. Die Tracheotomie wurde mit einem Beatmungsgerät ohne Rückströmung (non-rebreathing circuit) verbunden, das aus einem 5 l Reservoirbehälter und Einwegventilen bestand, um einzuatmendes und ausgeatmetes Gas zu trennen. Das ausgeatmete Gas wurde entfernt und verworfen. Das einzuatmende Gas war eine genaue Mischung von Sauerstoff und Stickstoff, die sofort mit NO verdünnt wurde, um die korrekte Konzentration im einzuatmenden Gas einzustellen. Unter Verwendung von volumetrisch kalibrierten Fließmengenmessgeräten wurden variierende Mengen NO mit Stickstoff gemischt, um die gewünschte eingeatmete NO Konzentration bei einer eingeatmeten Sauerstoffkonzentration (FiO2) von 0.6-0,7 einzustellen. Der Reservoirbehälter wurde nach jeder Stufe der Inhalation von NO geleert. Die Halbwertsverweilzeit des NO in dem Gasreservoir betrug 15 Sekunden oder weniger, um die Umwandlung in NO2 zu minimieren. NO wurde von Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA als Mischung von 235 ppm NO in reinem Stickstoff bezogen. Die Analyse mittels Chemolumineszenz ergab weniger als 12 ppm NO2 in dieser Mischung. Fontijin, Anal. Chem.. 27:1903 (1981).
  • Zur Prüfung der Abhängigkeit der pulmonalen vasodilatorischen Wirkung von NO von dessen Dosierung wurde eine Kurve aufgezeichnet, die die Veränderungen des PAP von acht Lämmern wiedergibt, die jeweils 6 Minuten lang Mischungen von NO und Sauerstoff mit ansteigenden Konzentrationen von 5, 10, 20, 40 und 80 ppm NO bei gleichzeitiger Infusion von U46619 atmeten (1). Nach jeder Stufe der Exposition mit einer bestimmten NO-Konzentration folgte eine Periode von ebenfalls 6 Minuten, in denen die Lämmer die Sauerstoffmischung ohne NO atmeten (2). Eine zweite Einwirkung von NO wurde während entsprechender Zeiträume studiert. Danach wurde 6 Minuten nach Beendigung der Infusion von U46619 ein Vergleichszeitraum studiert, in dem die Lämmer die Sauerstoffmischung atmeten. Während der Studie haben wir nach jeweils drei und sechs Minuten nach Beginn oder Beendigung der Zuführung von NO den mittleren und den phasischen (phasic) pulmonalen arteriellen Druck (PAP), den Druck im linken Vorhof (LAP), den systemischen arteriellen Druck (SAP) und den zentralen Venendruck (CVP) gemessen. Alle Drücke wurden auf einem Hewlett Packard Recorder mit mehreren Kanälen festgehalten, wobei die Transducer am Mittelpunkt (mid point) des Thorax bei Atmosphärendruck auf null gestellt wurden (zeroed to atmosperic pressure) (siehe z.B. 3). Die Herzleistung (cardiac Output) (CO) wurde durch thermische Verdünnung als Durchschnitt von zwei Messungen nach Injektion von 5 ml Ringer's Lactat von 0°C bestimmt. Der pulmonale vaskuläre Widerstand (PVR) und der systemische vaskuläre Widerstand (SVR) wurden nach Standardformeln berechnet; der nach jeder inhalierten NO Konzentration gemessene PVR ist in 4 dargestellt. Angemessene statistische Analysen wurden durchgeführt, und alle Daten wurden als Mittelwerte plus/minus Standardabweichung ausgedrückt.
  • Verabreichung von NO an Lämmer mit durch Hypoxie induzierter pulmonaler
  • Vasokonstriktion
  • Fünf wache Lämmer wurden während eines Zeitraums untersucht, in dem sie eine hypoxische Gasmischung atmeten, um akute hypoxische pulmonale Hypertonie zu generieren. Drei Lämmer wurden wegen Sepsis und Herzversagens ausgeschlossen. Es wurden hämodynamische Überwachungsmethoden angewandt, die den zuvor beschriebenen entsprachen. Wir verwendeten eine Anordnung ohne Rückmischung (non-rebreathing circuit), die einen Reservoirbehälter von 25 Litern enthielt, und der FiO2 wurde auf 0,06-0,08 reduziert, um einen mittleren PAP von etwa 25 mm Hg bei einem PaO2 von etwa 30 mm Hg einzustellen. Entweder 40 oder 80 ppm NO wurden dann dem eingeatmeten Gas zugesetzt. Die gesamten Gasströme wurden auf 35 l/min eingeregelt, um ein Rückströmen von Atmungsgas (rebreathing) infolge von Hyperventilation zu vermeiden Der eingeatmete FiO2 wurde mit einer Elektrode (Modell 5590, Hudson Co., Temecala, CA) überwacht, und reines CO2 wurde dem einzuatmenden Gas zugesetzt, um die Endkonzentration von CO2 auf 4,5-6% zu halten. Die Messungen der zentralen Hämodynamik und des Gasaustausches wurden im Grundzustand (at baseline), während der Hypoxie sowie nach drei und sechs Minuten Einatmen von NO während der Hypoxie durchgeführt. Die Vergleiche wurden unter Verwendung von gepaarten t-Tests durchgeführt.
  • (ii) Resultate
  • Zum Vergleich atmeten zwei Lämmer ohne Infusion von Wirkstoff 80 ppm NO bei einem FiO2 von 0,6-0,7. Bei diesen Lämmern wurden keine Veränderungen der mittleren Werte von PAP, SAP, CO oder SVR festgestellt.
  • Bei acht Lämmern zeigten Regressionsanalysen der NO Konzentration während der Infusion von U46619 vs. SVR, CO oder mittleren SAP keine signifikante Veränderung. Alle Stufen der Dosierung von NO brachten jedoch eine prompte Reduktion der pulmonalen Vasokonstriktion und der durch die Infusion von U64419 generierten pulmonalen Hypertonie (1 und 2). Der Beginn der pulmonalen Vasodilatation lag innerhalb von Sekunden nach Beginn der Inhalation von NO. Der vasodilatorische Effekt war nahezu maximal innerhalb von drei Minuten (3). Ein Stopp der Inhalation von NO ergab einen Rückfall der Vasokonstriktion auf den vorherigen Level innerhalb von drei bis sechs Minuten. Die Kurve der pulmonalen Vasodilatation bei acht Lämmern als Reaktion auf das inhalierte NO ist in 1 dargestellt. 5 ppm NO (eine inhalierte Lungendosis von 0,89 μg/kg/min) reduzierte den PA Druck signifikant, und eine fast vollständige vasodilatorische Reaktion erfolgte bei Inhalation von 40 oder 80 ppm. Wenn man die geringe Reduktion des PAP im Grundzustand (baseline PAP) während der Infusion von U46619 bedenkt, zeigte der Vergleich des vasodilatorischen Effekts bei der zweiten Periode, in der 5, 10 und 20 ppm NO eingeatmet wurden, keine erhebliche Reduktion gegenüber der ersten Versuchsreihe, in der die gleichen Konzentrationen eingeatmet wurden (2). Eine weitere Studie mit vier Lämmern, die eine Stunde lang bei Infusion von U46619 80 ppm NO einatmeten, ergab eine pulmonale Vasodilatation auf einen normalen PAP, wobei die pulmonale Hypertonie nach der NO Inhalation zurückkehrte.
  • Alle fünf Lämmer, in denen akute hypoxische pulmonale Hypertonie induziert worden war, zeigten einen deutlichen Anstieg der Herzleistung. In allen Fällen stellte sich der pulmonale arterielle Druck auf das Vergleichsniveau ein, wenn dem einzuatmenden hypoxischen Gas 40 oder 80 ppm NO zugesetzt wurden, obwohl die erhöhte Herzleistung erhalten blieb; der mittlere PVR fiel um 33% (Tabelle 1). Die Werte von PaO2 und PvO2 während der Hypoxie waren mit und ohne NO ähnlich. TABELLE 1 Veränderungen der Hämodynamik und des Gasaustausches
    Figure 00260001
    • n = 5, Mittelwert ± Standardabweichung (S.E.)
    • * p <. 01 Wert weicht vom Vergleich ab
    • # p<. 01 NO + Hypoxiewert weicht von der Hypoxie ab
  • (iii) Weitere Experimente
  • Die 5a und 5b illustrieren, dass 180 ppm inhaliertes NO die erhöhten PAP- und PVR-Werte, die durch die Heparin-Protamin-Reaktion in neun Schafen im Vergleich zu normale Luft atmenden Schafen induziert wurden, zu verhindern vermag. Die Heparin-Protamin-Reaktion wurde in diesen neun Schafen ausgelöst, indem zuerst Heparin verabreicht wurde (200 U/kg; Elkins-Sinn, Cherry Hill, NJ), worauf fünf Minuten später (zur Zeit null) Protamin (2 mg/kg; Elkins-Sinn) folgte. Jedes dieser Schafe diente auch als Vergleich. Sechs weiteren Schafen wurde eine intravenöse Infusion von Natriumnitroprussid verabfolgt (40 μg pro kg Körpergewicht und Minute; Elkins-Sinn), während sie Luft atmeten (die Daten sind nicht angegeben). Es zeigte sich, dass die Dosis von 180 ppm inhaliertem NO den erhöhten PAP dieser Schafe, der durch Heparin-Protamin induziert worden war, auf einen Level abzusenken vermochte, der einer Infusion von SNP von 40 μg/kg/min vergleichbar war, und zwar ohne die Neigung des letztgenannten Wirkstoffs, einen ausgeprägten systemischen Unterdruck zu erzeugen.
  • Die Lungen von drei Lämmern, welche 180 Minuten lang 80 ppm NO geatmet hatten, wurden mittels Lichtmikroskopie auf morphologische Veränderungen durch das eingeatmete NO untersucht. Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen diesen Lungen und Vergleichslungen festgestellt.
  • B. Protokoll für die Verabreichung von gasförmigem NO an Säuglinge mit persistenter pulmonaler Hypertonie des Neugeborenen
  • In der Folge wird eine Beschreibung eines genehmigten experimentellen Protokolls für die Verabreichung von NO an Neugeborene im Massachusetts General Hospital gegeben:
    Zehn Patienten mit persistenter pulmonaler Hypertonie des Neugeborenen (PPHN) wurden in die Studie einbezogen.
    • a. Kriterien für die Einbeziehung – Alter der Säuglinge weniger als eine Woche – Säuglinge mit arteriellen Stellen zur Blutprobensammlung (blood sampling sites) in der prä- und postduktalen Verteilung – Säuglinge mit Bedarf an Unterstützung durch mechanische Beatmung (ventilation) – Atemversagen, wie definiert durch die Kriterien von Short, Clin. Perinatol. 14:737-748, 1987 – die Säuglinge können Infusionen von systemischen Vasodilatoren und bzw. oder Puffern (Bicarbonat) erhalten
    • b. Ausschlusskriterien – Frühgeburt, wie definiert durch ein gestationales Alter von < 37 Wochen gemäß Untersuchung, Ultraschalluntersuchung der Mutter während der Schwangerschaft und Daten – Geburtsgewicht < 2.500 g – pulmonale Hypoplasie, vermutet auf Grund einer Vorgeschichte von Oligohydramnie, kongenitaler diaphragmatischer Hernie, kongenitaler Skoliose oder von Symptomen, die auf eine asphyxiatische Dystrophie des Thorax hinweisen – trotz Bruströhrchen (chest tube) nicht evakuierter Pneumothorax – Pneumopericard oder Pneumodiastinum mit Hypotonie – fixierte vaskuläre oder das Herz betreffende (cardiac) Läsionen (mit Ausnahme von isoliertem offensichtlichem (patent) Ductus arteriosus und offensichtlichem Foramen ovale) – aktive pulmonale Hämorrhagie oder eine Blutplättchenzahl von < 50.000 pro mm3 – cranialer Ultraschall innerhalb von 24 Stunden nach Beginn der Studie als Evidenz für intercraniale Hämorrhagie – Hyperviskosität, definiert durch einen venösen Hämatokrit-Wert von ≥ 70% innerhalb von 24 Stunden nach der Geburt – Sepsis, definiert durch positive Blutkulturen von pathogenen Organismen – Säuglinge, deren Eltern oder gesetzliche Vertreter der Teilnahme nicht zugestimmt haben
  • Verlauf der Studie
  • Die ausgewählten Patienten werden in Rückenlage gehalten und erhalten zur Beruhigung 3 μg/kg Fentanyl, und zur Muskelentspannung 0,1 mg/kg Pancuroniumbromid (sofern sie nicht innerhalb der vorhergehenden Stunde auf diese Weise behandelt worden waren). Der Säugling wird in Begleitung eines pedriatischen Anaesthesisten in die Katheterisierungs-Station transportiert, wo ihm unter lokaler Betäubung über eine femorale Vene ein in Fließrichtung weisender Katheter in die pulmonale Arterie gesetzt wird. Der Katheter misst direkt den Blutdruck in der pulmonalen Arterie und ermittelt so exakt den Grad der pulmonalen Hypertonie und die vasodilatorische Reaktion auf die Inhalation von NO. Wenn der Neonatale ICU wieder erreicht ist, wird der FiO2 auf 0,90 eingestellt. Man gibt dem Patienten während dieser Kontrollphase 20 Minuten lang Gelegenheit, sich ins Gleichgewicht zu bringen (to equilibrate), nachdem alle pflegerischen und medizinischen Maßnahmen beendet sind. Wenn keine Verbesserung, wie später definiert, erreicht wird, wird eine Probe arteriellen Bluts von einer postduktalen Stelle entnommen. Dann wird NO in Stickstoff in kontinuierlichem Strom in das Beatmungsgerät eingeführt. Ein Einwegventil verhindert ein Rückströmen von Sauerstoff in den NO Tank. Der selbe FiO2 (0,90) und dieselbe Strömungsrate werden aufrecht erhalten. Die anfängliche Konzentration des eingeatmeten NO beträgt 20 ppm. Eine Verbesserung wird definiert als ein PaO2 von > 100 mm Hg und ein A-aDO2 von < 570 mm Hg (postduktale Probe). Wenn keine Veränderung beobachtet wird, erhöht man die Konzentration des inhalierten NO auf 40 ppm bei konstantem FiO2 und konstanter Strömungsrate. Eine Probe von Gas aus postduktalem arteriellem Blut (post-ductal arterial blood) wird erneut gemessen. Wenn die selben Kriterien erneut nicht erfüllt werden, wird die Konzentration des eingeatmeten NO auf 80 ppm erhöht und eine dritte Probe von arteriellem Blutgas entnommen. Die Atmungsperiode für jede Konzentration von NO beträgt 10 Minuten
  • Nach Beendigung der Behandlungsperiode wird erneut Blut für die Analyse des arteriellen Blutgases entnommen. Weiterhin werden vor und nach der Einwirkung von NO Proben für die Bestimmung von Methämoglobin und Hämoglobin sowie für die Zählung der Reticulocyten gezogen. Ein Blutabstrich (blood smear) wird auf die Anwesenheit von Heinz-Körpern untersucht. Diese Untersuchungen werden 24 Stunden nach der Behandlung wiederholt, um etwaige Veränderungen im Zusammenhang mit der NO Atmung festzustellen. Das Gesamtvolumen aller Blutproben beträgt weniger als 5 ml.
  • Statistische Methodologie:
  • Die Daten werden mittels Varianzanalyse mit wiederholten Messungen von Gruppen ungleicher Größe bewertet. Winer, "Single factor experiments having repeatable measures on the same elements" in Statistical Principles in Experimental Design, 2. Auflage, NY, MacGraw-Hill, (1971), Seiten 261-308. Post hoc-Tests wurden mit einem Mann-Whitney U durchgeführt. Die Signifikanz wird mit dem 5% Level beurteilt.
  • C. Resultate der Administration von NO an Säuglinge mit persistenter pulmonaler Hypertonie des Neugeborenen (PPHN)
  • Erster Patient.
  • Aus Gründen des Mitgefühls wurde einem Säugling, der an persistenter pulmonaler Hypertonie sowie an einer kongenitalen Herzkrankheit litt, Stickstoffmonoxid verabreicht. Infolge von verlängerter Sauerstoffzufuhr, des Fehlens einer Stelle für die Abnahme von präduktalem arteriellem Blut (preductal arterial blood sampling site) und der Existenz des atrial-ventricularen (AV) Kanals wurde der Patient nicht in die zuvor erwähnte PPHN Studie einbezogen.
  • Der Patient war ein 3.225 g schwerer, voll ausgetragener Junge, der wegen der Schwere seiner kongenitalen Herzkrankheit und seiner ausgeprägten Hypoxie mit extrakorporaler Membranoxygenation (ECMO) behandelt worden war. Er war aus der ECMO herausgenommen und in der Intensivstation für Neugeborene intubiert und mit Sauerstoff beatmet worden. Danach wurde er mehr und mehr hypoxämisch, was seine Werte der postduktalen Pulsoximetrie (POX-Werte) anzeigten. Zu der Zeit wurde er in die Katheterisierungsstation überführt, um die Existenz des A-V Kanals zu verifizieren und um festzustellen, ob eine Herzoperation als Notfallmaßnahme angezeigt war. Er erhielt maximale medizinische Hilfe und Sauerstoffbeatmung und blieb gefährlich hypoxämisch. Unter diesen Umständen erhielten wir die Erlaubnis, den Patienten mit Stickstoffmonoxid zu behandeln.
  • Bei der Ankunft in der Katheterisierungsstation war der Patient in hohem Maße cyanotisch. Er wurde mit Fentanyl, Sauerstoff, Hyperventilation und intravenös im Schuss injizierten flüssigen Mitteln (fluid boluses) behandelt, um ihn vor der Verabreichung von NO zu stabilisieren. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, zeigte die Katheterisierung eine schwere pulmonale Hypertonie und einen A-V-Kanal. Es sah nicht so aus, als ob der Querstrom (shunting) durch Behandlung mit Sauerstoff oder Hyperventilation zu korrigieren wäre. TABELLE 2 Hämodynamik und Blutgaswerte bei NO Behandlung eines Säuglings mit PPNH
    Figure 00300001
    Figure 00310001
    • POX = Pulsoximeter
  • Wir verwendeten eine Regulierungsvorrichtung, um den Druck des NO in einen Mischer herab zu setzen, was uns erlaubte, die relativen Mengen der 800 ppm NO in Stickstoff und des 100% N2 zu adjustieren. Während wir den Patienten mit reinem Sauerstoff behandelten, steigerten wir den Strom des N2 in den Einatmungsteil des Beatmungsgeräts mittels eines Durchflussregulators, bis der FiO2 0,9 betrug. Die Wirkungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Dies ergab eine Verdünnung des Stickstoffgases von 1:10. Wir verwendeten dann den Mischer, um die relativen Mengen von Stickstoff und NO/NO2 so zu adjustieren, dass dies 0 bis 80 ppm NO ergab.
  • Die Daten in Tabelle 2 zeigen, dass die Einwirkung des NO keinen ungünstigen Effekt auf den systemischen Blutdruck („mittlerer Druck ART") hatte, während sie einen mäßigen Anstieg der arteriellen Sättigung, der Werte der Pulsoximetrie und des arteriellen Sauerstoffpartialdrucks bewirkte. Dies kann einen stabilisierenden Effekt des Gases während dieses Zeitraumes reflektieren. Nachdem die Zufuhr von Stickstoffmonoxid beendet worden war und die zentralen Katheter entfernt worden waren, fielen die arterielle Sättigung und der Sauerstoffgasdruck sehr schnell ab. Die Werte für RA und PA konnten nicht bestimmt werden, da die Katheter entfernt worden waren. Weil andere Versuche fehlschlugen, die Lebensgeister des Patienten zu wecken (to resuscitate), wurde die Zufuhr von Stickstoffmonoxid wieder aufgenommen, um den Zustand des Babies zu verbessern. Dies gelang hinsichtlich der Sauerstoffsättigung und des Blutgasdrucks. Bei einem weiteren Versuch, den Patienten von Stickstoffmonoxid zu entwöhnen, fiel der Sauerstoffgehalt im Blut des Patienten erneut auf bedrohlich niedrige Werte. Der Patient wurde unter Stickstoffmonoxid gehalten und in die Intensivstation für Neugeborene zurückgebracht.
  • In der Intensivstation wurde dem Patienten Prostaglandin E1 infundiert, in einem Versuch, die pulmonale Vaskulatur zu dilatieren. Trotz einer Standarddosis Prostaglandin konnte die Zufuhr von Stickstoffmonoxid nicht eingestellt werden, ohne dass sich wiederum gefährlich niedrige Sauerstoffsättigungen einstellten. Der Patient erhielt weiter Stickstoffmonoxid, bis er wieder auf ECMO umgestellt werden konnte. Dieser Fall zeigte die Nützlichkeit von Stickstoffmonoxid zur Verbesserung des Gasaustausches bei diesem Patienten mit pulmonaler Hypertonie und kongenitaler Herzkrankheit.
  • Weitere Patienten.
  • Zwei weitere Säuglinge mit PPHN sind durch Inhalation von NO behandelt worden. Beide zeigten eine ausgezeichnete Reaktion auf Beatmung mit 20-80 ppm, indem sich ein Anstieg der präductalen Sauerstoffsättigung einstellte, und beide überlebten lange Zeit. Einer der Säuglinge zeigte eine so rasche Verbesserung allein durch Inhalation von NO, dass ECMO überhaupt vermieden werden konnte.
  • D. Resultate der Administration von NO an Erwachsene mit Atemnotsyndrom der Erwachsenen
  • Erster Patient.
  • Die Patientin, eine 42 Jahre alte Frau, hatte drei Wochen lang an Atemnotsyndrom der Erwachsenen (ARDS) infolge einer Lungenentzündung gelitten. Es bestanden diffuse pulmonale Ödeme und ein hoher Quotient QVA/QT (30%). Nach 21 Tagen einer unterstützenden Behandlung mit einem extrakorporalen Membranoxygenator (Blutstrom von 3 Liter/min) betrug der mittlere PAP 55 mm Hg.
  • Die Kurzzeitwirkung von inhaliertem Stickstoffmonoxid wurde verglichen mit derjenigen von intravenös appliziertem Prostacyclin (PGI2; 5 ng/kg/min). Der mittlere pulmonale arterielle Druck (PAP), die rechte ventrikulare ejizierte Fraktion (RVEF) sowie Gasaustauschvariable wurden evaluiert. Die RVEF wurde durch Thermodilution bestimmt, und die Veränderungen im Gasaustausch wurden unter Verwendung des Verfahrens der multiplen Inertgaselimination (multiple inert gas elimination) (MIGET) analysiert. Daten der MIGET und hinsichtlich der RVEF wurden bei zwei verschiedenen Gelegenheiten ermittelt. Die Einstellungen des Beatmungsgeräts waren: Volumen (tidal volume) 6 ml/kg, Atmungsrate 14 pro Minute, FiO2 0,4-0,48 und 5 cm H2O PEEP (positiver Endausatmungsdruck). TABELLE 3 Hämodynamische Resultate der Behandlung eines Erwachsenen mit pulmonalem Hochdruck
    Figure 00320001
    Figure 00330001
  • Wie in 6 und Tabelle 3 illustriert wird, erniedrigte inhaliertes NO den PAP und verbesserte den RVEF-Wert, wie dies auch intravenöses PGI2 tat, im Gegensatz zu PGI2 erhöhte NO jedoch den PaO2 und verminderte die rechts-nach-links-Strömung sowie den Quotienten VD/VT. Die Inhalation von 18 ppm NO in Sauerstoff bewirkte eine Reduktion des mittleren PAP auf 38-42 mm Hg (eine Verminderung um 12-14 mm Hg) und reduzierte den PVR-Wert um 44%, wobei der Keildruck (wedge pressure) konstant blieb und etwa 15 mm Hg betrug und die Herzleistung mit etwa 7 Litern pro Minute unverändert blieb. Es wurde eine kleine zusätzliche Vasodilatation von 2-5 mm Hg beobachtet, die durch einen Anstieg der Konzentration des Stickstoffmonoxids auf 36 mm Hg zurückzuführen ist. Die Vasodilatation durch NO blieb etwa 1 ½ Stunden aufrecht erhalten, nachdem die Verabreichung von NO absichtlich beendet wurde. Während der Inhalation von NO sank der Quotient QVA/QT, gemessen mit Schwefelhexafluorid, von 38% auf 26% (bei 18 ppm NO) und auf 33% (bei 36% NO) ab. Es wurde keine Veränderung des systemischen arteriellen Drucks infolge der Einwirkung von NO beobachtet: anders als der systemische Vasodilator PGI2, der den Quotienten QVA/QT auf 57% steigert, erweitert inhaliertes NO vorwiegend die Vaskulatur der belüfteten Lungenregionen. Dieser Fall ist ein klarer Beweis dafür, dass geringe Dosen (18-36 ppm) von inhaliertem NO in einem Patienten mit schwerem akuten Lungenleiden (ARDS) als starker pulmonaler Vasodilator wirken können, ohne die Querströmung zu verstärken.
  • Weitere Patienten.
  • Neun weitere Patienten sind wegen ARDS in Zeiträumen von bis zu 28 Tagen durch Inhalation von NO behandelt worden. Sieben überlebten trotz ihrer schweren Atemnotsyndrome, wobei sie eine ausgeprägte Verminderung des Quotienten QVA/QT sowie einen verminderten PAP während des Einatmens von NO zeigten. Es wurde kein wichtiger Anstieg des Methhämoglobin-Spiegels beobachtet. Diese Resultate zeigen an, dass eine Inhalation von NO über mehrere Wochen eine hoffnungsvolle Therapie für akutes Atemversagen ist.
  • E. Resultate der Verabreichung von NO an Menschen mit normalen (nicht verengten) und hypoxämischen (verengten) Lungen
  • Die Wirkung von 40 ppm NO in der Atemluft wurde an fünf wachen, gesunden Freiwilligen studiert, die verschiedene Gasmischungen jeweils 10 Minuten lang einatmeten, wobei die Messungen nach 6 Minuten begannen. Aus Tabelle 4 geht hervor, dass NO bei Personen, welche Luft mit einer normalen Sauerstoffkonzentration (21 Vol.-%) atmeten und deren Lungen daher nicht vasokonstringiert waren, keinen pulmonalen oder systemischen vasodilatorischen Effekt bringt. TABELLE 4 Wirkung von 40 ppm NO auf die nicht eingeengte menschliche Lunge
    Figure 00340001
    • Werte sind angegeben als X ± Standardabweichung. n = 5
  • Im Gegensatz dazu entwickelten die selben Patienten, als sie Luft mit einem relativ geringen Gehalt an Sauerstoff atmeten (12 Vol.-%), eine durch Hypoxie induzierte pulmonale Vasokonstriktion mit erhöhten PAP- und PVR-Werten, ein Effekt, der durch Zusatz von 40 ppm NO zu der geatmeten Gasmischung vollständig umgekehrt werden konnte (Tabelle 5). TABELLE 5 Wirkung von 40 ppm NO auf die hypoxische, vasokonstringierte (eingeengte) Lunge
    Figure 00340002
    Figure 00350001
    • n = 5, X ± Standardabweichung, # p < 0,01 Wert weicht erheblich von dem Wert in der ersten Spalte ab, * p < 0,01 Wert weicht von dem der vorhergehenden Situation ab
  • 2. DILATATION DER GLATTEN MUSKELN DER ATEMWEGE
  • A. Methoden
  • Vorbereitung der Versuchstiere
  • Männliche Meerschweinchen der Rasse Hartley (Körpergewicht 300-440g) wurden mit α-Chloralose (50 mg/kg) und Urethane (500 mg/kg) anaesthetisiert (Drazen et al., J. Appl. Physiol., 48:613-618, 1980). Eine Tracheotomie wurde vorgenommen, und die Tiere wurden mit einem Rohradapter (innerer Durchmesser 1,65 mm) intubiert und mittels eines kleinen Tierbeatmungsgeräts (Harvard Apparatus, eine Division von Ealing Scientific, Natick, MA) mit 8 ml/kg und 60 Atemzügen pro Minute beatmet (ventilated). Eine Jugularvene wurde für die intravenöse Administration von Wirkstoffen kanüliert (cannulated). Zuvor wurde die Brust durch bilaterale Excision eines Teils der Rippen geöffnet, so dass die Lungen dem Atmosphärendruck ausgesetzt waren (Shore and Drazen, J. Appl. Physiol., 67:2504-2511, 1989). Es wurde ein positiver Ausatmungsenddruck von 3-4 cm H2O eingestellt.
  • Material
  • Die Meerschweinchen wurden dann innerhalb eines Plethysmographen (Amdur and Mead, Am. J. Physiol., 192:363-368, 1958) platziert, der mit einem großen Reservoir verbunden war, das Maschendraht aus Kupfer (copper mesh) enthielt, um den Plethysmographen isotherm zu halten. Der Druck des Plethysmographen wurde mit einem Differentialdrucktransducer (Celesco, Canoga Park, CA) gemessen; die entgegengesetzte Seite des Transducers war mit einem entsprechenden Reservoir verbunden. Der Druck an der Luftwegöffnung wurde an einem seitlichen Auslass (tap) der trachealen Kanüle gemessen. Der transpulmonale Druck wurde mit einem Differentialdrucktransducer (Celesco) als die Differenz zwischen dem Luftwegöffnungsdruck und dem Druck innerhalb des Plethysmographen gemessen. Der Gasstrom wurde durch elektrische Differentiation des Volumensignals (Plethysmograph-Druck) erhalten. Das Volumen (tidal volume) wurde gemessen, indem die Druckänderungen im Plathysmographen aufgezeichnet wurden. Volumen-, Gasstrom- und transpulmonale Drucksignale wurde auf einem Strip Chart (General Scanning, Watertown, MA) aufgezeichnet. Der pulmonale Widerstand und die dynamische Compliance wurden nach der Methode von Neergard und Wirz (Z. Klin. Med., 105:35-50, 1927; Z. Klin. Med., 105:52-82, 1927) durch ein Computerprogramm berechnet.
  • Der Apparat und die angewandten Bedingungen sind in 7 als Diagramm dargestellt. Das eingeatmete Gas war eine genaue Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff, die über ein Y-förmiges Rohr gemischt wurden und sofort mit Stickstoffmonoxid (NO) verdünnt wurden, um die korrekte eingeatmete Konzentration in einem 5 Liter Gasmischungsbehälter einzustellen. Mit volumetrisch kalibrierten Gasstrommessern wurde reiner Stickstoff durch variierende Mengen NO, die mit Stickstoff gemischt waren, ersetzt, um die gewünschte Konzentration des NO bei einer eingeatmeten Sauerstoffkonzentration (FIO2) von 0,30-0,32 einzustellen. Die Rate des gesamten einströmenden Gases wurde auf 2,5 l/min gehalten. Die Gasmischung wurde dann durch ein mit 90 ml Natronkalk (soda lime) gefülltes Rohr von 3 cm lichter Weite geleitet, um NO2 zu entfernen (Stavert und Lehnert, Inhal. Toxicol. 2:53-67, 1990), und dann durch ein Filter vor dem Beatmungsgerät geleitet. Unmittelbar nach dem Einströmungsrohr des Beatmungsgeräts wurde ein Unterdruck eingestellt, um den Behälter für die Gasmischung annähernd leer zu halten und ständig frisches Gas in das Beatmungsgerät einzuführen. Das ausgeatmete Gas des Beatmungsgeräts wurde mit Unterdruck abgefangen, der so eingestellt war, dass ein Ausatmungsdruck von 3-4 cm H2O aufrechterhalten wurde. NO wurde von Air Products and Chemicals, Allentown, Penn.) als eine Mischung von 1.034 ppm NO in reinem Stickstoff bezogen. Eine Chemoluminescenz-Analyse auf NO/NO2 (Fontijn et al., Anal. Chem. 42:575-579, 1970) wurde vor und nach dem mit Natronkalk gefüllten Rohr durchgeführt sowie unmittelbar vor dem Einatmungsrohr des Beatmungsgeräts (siehe 7), um die Konzentration des NO2 zu bestimmen und die Gasstrommessgeräte zu adjustieren, um die verschiedenen Stufen der Konzentration an NO einzustellen.
  • Protokoll
  • Die Studie umfasste vierundzwanzig Meerschweinchen. Drei Reihen von Studien wurden mit drei getrennten Gruppen von Tieren durchgeführt und vollendet.
  • Gruppe A
  • Neun Meerschweinchen wurden jeweils drei Messreihen unterworfen.
  • (i). Wirkung von NO auf den normalen Bronchialtonus.
  • Nach Grundzustandsmessungen des Volumens (tidal volume) wurden der Lungenwiderstand und die dynamische Compliance sowie die Wirkungen auf den Grundzustand des bronchialen Tonus bei Inhalation von 300 ppm NO bei FIO2 0,30-0,32 über 6 bis 10 Minuten evaluiert (8).
  • (ii). Studie zur Dosis-Abhängigkeit der Wirkung einer periodischen Inhalation von NO während der Infusion von Methacolin.
  • Nach Grundzustandsmessungen wurde den selben Meerschweinchen eine intravenöse Infusion eines potenten Bronchokonstriktors, Methacholin, mit einer Rate von 2,5-7,5 μg/kg/min verabfolgt, um einen mittleren Grad von Bronchokonstriktion (das 3- bis 4-fache des Lungenwiderstands im Grundzustand) einzustellen. Nach einer stabilen Periode wurde jedes Tier jeweils 10 Minuten lang mit einer Reihe von Gasmischungen mit 5, 10, 25, 50, 100 und 300 ppm NO bei konstantem FIO2 (0,30-0,32) beatmet. Nach jeder Stufe der Einwirkung von NO wurden die Lungen bis zu ihrer vollen Kapazität aufgepumpt, um die Wirkung des Verschlusses der Luftwege zu minimieren. Eine zweite, 10 Minuten dauernde Einwirkung von 10 und 50 ppm NO fand statt, und jedes Meerschweinchen wurde darauf untersucht, ob akute Toleranz auftrat. Nach der letzten Stufe der Beatmung mit NO, wurde die Infusion von Methacholin beendet, und nach einer Periode mit stabiler Lungenfunktion wurden Messungen durchgeführt, um den Referenzpunkt für die Dosis-Wirkungs-Studie zu ermitteln. Erst dann wurden die Lungen bis zu ihrer vollen Kapazität aufgepumpt, um einen neuen stabilen Grundzustandswert zu erreichen (9 bis 12).
  • (iii) Studie der Toleranz gegenüber einer einstündigen Inhalation von NO bei gleichzeitiger Infusion von Methacholin
  • Die Meerschweinchen erhielten eine Infusion von Methacholin, um ihren Bronchialtonus auf das 3- bis 4-Fache zu erhöhen, wonach die Tiere eine Stunde lang bei einem FIO2 von 0,30-0,32 mit einer 100 ppm NO enthaltenden Gasmischung beatmet wurden. Wiederholte Luftwegmessungen wurden alle 5 Minuten durchgeführt, und dann 5 und 10 Minuten nach Beendigung der Inhalation von NO. Die Infusion von Methacholin wurde dann beendet, und nach einer Periode mit stabiler Lungenatmung wurden wiederholte Messungen durchgeführt, und noch einmal, nachdem die Lungen zu ihrer vollen Kapazität aufgepumpt worden waren. Die Methhämoglobin-Spiegel wurden zur Zeit der chirurgischen Prozedur und erneut nach der Toleranzstudie gemessen (13) (Zwart et al., Clin. Chem. 27:1903-1907, 1981).
  • Gruppe B
  • Zehn Meerschweinchen wurden in zwei Reihen von Experimenten einbezogen.
  • (i) Studie der Toleranz bei 80 Minuten Infusion von Methacholin allein.
  • Um die Stabilität dieses Bronchokonstriktor-Modells zu bewerten, erhielten die Meerschweinchen eine Infusion von Methacholin mit einer Rate von 2,5-7,5 μg/kg/min, um den selben Grad an Bronchokonstriktion zu erzielen wie in der Studie mit einstündiger Inhalation von NO (siehe 13). Die Tiere wurden mit einer Gasmischung aus Sauerstoff und Stickstoff bei einem konstanten FIO2 (0,30-0,32) beatmet. Wiederholte Messungen wurden alle 5 Minuten durchgeführt. Nach 10 und 70 Minuten wurden Gasmengenmessgeräte installiert, um eine Beatmung mit NO zu simulieren. Die Infusion von Methacholin wurde dann beendet. Nach einer Periode mit stabiler Lungenfunktion wurden wiederholte Messungen durchgeführt, und noch einmal nach dem Aufpumpen zu voller Lungenkapazität.
  • (ii). Studie über die Co-Regulation des Tonus der glatten Muskeln der Atemwege durch cyclische AMP- und cyclische GMP-abhängige Mechanismen
  • Nach Grundzustandsmessungen wurde 5 Meerschweinchen eine Methacholin-Infusion verabfolgt, um den Widerstand ihrer Lungen gegen einen mittleren Grad von Bronchokonstriktion zu erhöhen. Die Meerschweinchen erhielten zuerst ein Terbutalin-Aerosol, worauf 10 Minuten später innerhalb von 6 Minuten eine Inhalation von 100 ppm NO folgte, wobei der FIO2 bei 0,30-0,32 konstant gehalten wurde. Das Terbutalin-Aerosol wurde wie folgt appliziert: 4 ml einer 40 μg/ml Terbutalin-Lösung wurden in dem Vorratsbehälter eines Vernebelungsapparats (Respigard II) platziert und mittels 4 l/min Luft vernebelt. Der Vernebelungsapparat war über einen Absperrhahn mit dem Y-Stück des Beatmungsgeräts sowie mit einem Rohr verbunden, das 3-4 cm tief in Wasser eintauchte. Zur Zeit der Vernebelung war die Verbindung mit dem Beatmungsgerät unterbrochen, so dass der Vernebelungsapparat mit den Atemwegen verbunden war, und es wurden 20 Atemzüge Terbutalin-Nebel mit dem selben Volumen gegeben. Dann wurde das Beatmungsgerät erneut verbunden, und die Verbindung mit dem Vernebelungsapparat wurde unterbrochen. Am Ende der Studie wurde die Infusion von Methacholin beendet, bis sich eine stabile Lungenfunktion wieder eingestellt hatte, und dann wurden die Lungen zu ihrer vollen Kapazität aufgeblasen, um einen endgültigen Grundzustandswert zu erhalten. Es wurden wiederholte Messungen der Atemmechanik (respiratory mechanics) alle 2 Minuten während der NO- und Terbutalin-Perioden vorgenommen (14 und 15).
  • Gruppe C
  • Studie mit S-Nitroso-N-acetylpenicillamin (SNAP) während Bronchokonstriktion durch Methacolin.
  • SNAP wurde nach dem Verfahren hergestellt, das von Field et al., J. Chem. Soc. Chem. Comm. (1978), 247-250, beschrieben wurde, und wurde in Kristallform bei 0°C über bis zu 120 Tage ohne nachweisbaren Abbau (wie durch Absorption bei 595 nm ermittelt wurde) gelagert.
  • Nachdem die Atmungsmessungen im Grundzustand durchgeführt worden waren, erhielten 5 Meerschweinchen eine Methacholin-Infusion, um ihren Lungenwiderstand gegen einen mittleren Grad von Bronchokonstriktion zu steigern. Nach zwei Minuten erhielt jedes Meerschweinchen ein Aerosol mit SNAP. Das SNAP Aerosol wurde wie folgt verabreicht: 200 mmol SNAP, gelöst in einem Ethanol-Wasser-Gemisch (4 ml), wurden in dem Vorratsbehälter eines Vernebelungsapparats (Respigard II) platziert und mittels 4 l/min Luft vernebelt. Der Vernebelungsapparat war über einen Absperrhahn mit dem Y-Stück des Beatmungsgeräts sowie mit einem Rohr verbunden, das 4 cm tief in Wasser eintauchte. Zur Zeit der Vernebelung war die Verbindung mit dem Beatmungsgerät unterbrochen, so dass der Vernebelungsapparat mit den Atemwegen verbunden war, und es wurden 20 Atemzüge SNAP Nebel mit dem selben Volumen gegeben. Dann wurde das Beatmungsgerät erneut verbunden, und die Verbindung mit dem Vernebelungsapparat wurde unterbrochen. Am Ende der Studie (15 Minuten) wurde die Infusion von Methacholin beendet, bis sich wieder eine stabile Lungenfunktion eingestellt hatte, und dann wurden die Lungen zu ihrer vollen Kapazität aufgeblasen, um einen endgültigen Grundzustandswert zu erhalten. Wiederholte Messungen der Atemmechanik (respiratory mechanics) wurden alle zwei Minuten vorgenommen (16).
  • B. Resultate
  • Die Inhalation von Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischungen bewirkte eine konsistente, schnelle und gründliche Verminderung des Lungenwiderstands und einen Anstieg der Lungenkompliance (9-12). Die Dilatation setzte schnell ein, beginnend innerhalb von ein paar Sekunden nach der Inhalation. Die Inhalation von Stickstoffmonoxid kehrte die ausgeprägte Bronchokonstriktion um, die durch Infusion von Methacholin verursacht wurde, setzte aber auch ohne Methacholin-Infusion den bronchomotorischen Tonus der Meerschweinchen im Grundzustand herab (8). Schon sehr geringe Dosen Stickstoffmonoxid (5 ppm) bewirkten eine Bronchodilatation, wenn auch mit 100 oder 300 ppm NO eine weitergehende und schnellere Verminderung des Atemwegswiderstands erreicht wurde (10, 11 und 12). Eine vollständige Umkehr der durch Methacholin induzierten Bronchokonstriktion wurde mit 300 ppm NO erzielt. Durch Einatmen von NO wurde keine Toleranz hervorgerufen, da Einatmen von 100 ppm NO den Luftwegswiderstand wirksam und stabil für eine Stunde reduzierte (13). Die Methämoglobinspiegel blieben unterhalb von 5%, nachdem eine Stunde lang 100 ppm NO eingeatmet wurden. Dieses Modell der Induzierung von Atemwegskonstriktion mittels Methacholin ergab stabil ansteigende Grade des Atemwegswiderstands während bis zu einer Stunde (siehe 13), was die Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit der zuvor beschriebenen Studien über die Wirksamkeit von NO als Bronchodilator sichert.
  • Während einer Methacholin-Infusion sind die bronchodilatorischen Effekte von NO additiv zu den Effekten, die durch Inhalation eines üblichen vernebelten Bronchodilators erzielt werden, nämlich des β2-Antagonisten Terbutalin (14). Wir haben beobachtet, dass dieser additive bronchodilatorische Effekt unabhängig davon eintritt, ob NO vor (14) oder nach (15) der Gabe von Terbulin verabreicht wurde. SNAP, ein Stickstoffmonoxid-Donatormolekül, wurde 20 Atemzüge lang in Nebelform in die Luftwege von 5 Meerschweinchen mit durch Methacholin induzierter Bronchokonstriktion transportiert. In jedem Tier wurde eine prompte und gründliche Reduktion des Lungenwiderstands ausgelöst, die etwa 15 Minuten anhielt (16). Somit kann auch die Inhalation von NO Donatoren eine Bronchodilatation bewirken.
  • 3. VERLÄNGERUNG DER WIRKUNG VON INHALIERTEM NO DURCH EINEN PDE INHIBITOR
  • Sowohl Stickstoffmonoxid (NO) als auch der aus dem Endothel stammende entspannende Faktor (EDRF) werden durch Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS) aus L-Arginin erzeugt. Es ist vorgeschlagen worden, dass NO, wenn es erst einmal aus Endothelzellen freigesetzt ist, die lösliche Guanylatcyclase aktiviert und eine Vasorelaxation hervorruft, indem es einen Anstieg der Spiegel von Guanosin-3',5'-cyclischem Monophosphat (cGMP) in benachbart darunter liegenden (subadjacent) glatten Muskelzellen bewirkt (Ignarro, Ann. Rev. Pharmacol. Toxicol. 30:535-60, 1990; Ignarro, Circ. Res. 65:1-21 (1989); Johns, J. Cardiothorac. Vasc. Anesth. 5:69-79, 1991; John (editorial), Anesthesiology 75:927-931 1991; Ignarro, Biochem. Pharmacol. 42:485-490, 1991; Moncada et al., Pharmacol. Reviews, 43:109-142, 1991). ®Zaprinast (M&B 22948; 2-o-Propoxyphenyl-8-azapurin-6-on, Rhone-Poulenc Rorer, Dagenham, Essex, UK) inhibiert selektiv die Hydrolyse von cGMP mit minimalen Effekten auf den Abbau von Adenosin-3',5'-cyclischem Monophosphat (cAMP) in vascularen glatten Muskelzellen in isolierten vascularen Ringen (Trapani et al., J. Pharmacol. Exp. Therap. 258:269-274; Harris et al., J. Pharmacol. Exp. Therap. 249:394-400 1989; Lugnier et al., Biochem. Pharmacol. 35(10):1743-1751 1986; Souness et al., Br. J. Pharmacol. 98:725-734, 1989). Die Verbindung wurde daher als Modell für einen PDE Inhibitor zur Verwendung für die Verlängerung der pharmazeutischen Wirkung von inhaliertem NO in Tieren getestet.
  • Materialien und Methoden
  • Diese Untersuchungen wurden von dem Subcommittee for Research Animal Care des Massachusetts General Hospital, Boston, genehmigt.
  • Vorbereitung der Tiere
  • Neun Suffolk Lämmer mit Gewichten von 20-25 kg wurden durch Inhalation von Halothan in Sauerstoff anaesthetisiert. Ihre Luftröhren wurden intubiert und ihre Lungen mechanisch mit 15 Atemzügen pro Minute und 15 ml pro kg Atemvolumen (tidal volume) mit einem „large animal ventilator" (Harvard Apparatus, Natick, MA) beatmet. Ein 7F Thermodilution pulmonales Arterienkatheter (Edwards Lab, Santa Anna, CA) wurde über die rechte äußere Jugularvene durch ein 8F Einführstück (Cordis, Miami, FL) platziert. Die femorale Arterie wurde mit einem Katheter aus Polyvinylchlorid (lichte Weite 2 mm) kanüliert, das zur kontinuierlichen Überwachung des arteriellen Drucks und zur Entnahme von Blutproben 30 cm in die Arterie vorgeschoben wurde. Ein Luftröhrenschnitt wurde durchgeführt, und ein 8 mm weites Tracheotomierohr mit Manschette (Portex, Keene, NH) wurde eingeführt, um eine spontane Beatmung zu ermöglichen. Die Studien begannen drei Stunden nach dem Erwachen aus der Anaesthesie, sofern nicht die folgenden Ausschlusskriterien vorlagen: Zahl der peripheren weißen Blutkörper weniger als 4.000 oder mehr als 12.000/mm3, mittlerer PAP höher als 20 mm Hg oder eine Temperatur (core temperature) von mehr als 40,1°C. Die Lämmer wurden in einem Babraham Käfig mit Zugang zu Futter und Wasser gehalten.
  • Haemodynamische Messungen
  • Der systemische arterielle Druck (SAP), der pulmonale arterielle Druck (PAP) und der zentrale Venendruck (CVP) wurden kontinuierlich gemessen, und der pulmonale arterielle Keildruck (wedge pressure) wurde intermittierend gemessen unter Verwendung eines kalibrierten Drucktransducers (Cobe Laboratories, Lakewood, CO), der auf dem Mittebrust-Level auf Null gestellt war (zeroed at the mid-chest level), und die gemessenen Werte wurden kontinuierlich auf einem thermischen Chart-Recorder (Western Graphtec, Inc., Marck 10-1, Irvine, CA) festgehalten. Die Herzleistung bei Thermoverdünnung (CO) (thermodilution cardiac output) wurde als Durchschnitt von zwei Messungen nach Injektion von 5 ml Ringer's Laktat von 0°C bestimmt. Der pulmonale vaskuläre Widerstand (PVR) und der systemische vaskuläre Widerstand (SVR) wurden mittels Standardformeln berechnet. Die Veränderung des mittleren PAP (ΔPAP), ausgehend vom Grundzustand der durch U46619 induzierten pulmonalen Hypertonie, wurde berechnet, indem der mittlere PAP während der Inhalation von NO von dem pulmonalen Hochdruck im Grundzustand subtrahiert wurde. Die Dauer der vasodilatorischen Wirkung des inhalierten NO wurde bestimmt, indem die von der Beendigung der NO Inhalation bis zur Rückkehr des mittleren PAP auf den Wert im Grundzustand vor der Inhalation verflossene Zeit gemessen wurde, und wurde als Halbwertzeit der Wirkung (t ½) ausgedrückt.
  • Zuführung und Messung von NO
  • Während der Studie war die Luftröhre mit einem Beatmungsgerät verbunden, das aus einem 5 Liter Reservoirbehälter und einem Zweiwegeventil ohne Rückmischung (Hans Rudolph, Inc., Kansas City, MO) bestand, welches eingeatmetes Gas von ausgeatmetem trennte. Das ausgeatmete Gas wurde von Verunreinigungen gereinigt und verworfen. Sauerstoff und Stickstoff wurden gemischt, um einen FIO2 von 0,6-0,7 einzustellen. Gasförmiges Stickstoffmonoxid (800 ppm in Stickstoff; Arico, Riverton, NJ) wurde unmittelbar vor dem Reservoirbehälter in den Einatmungsteil des Beatmungsgeräts eingeleitet. Der FIO2 wurde distal zu dem Reservoirbehälter gemessen (Oxygen Meter Nr. 5590, Hudson, Temecula, CA), nachdem die NO enthaltenden Gase gemischt waren. Die Konzentration an NO wurde kontinuierlich durch Chemilumineszenz (Modell 14A, Thermo Environmental Instruments, Inc., Franklin, MA; Fontijin et al., Anal. Chem. 42:575-579, 1970) an der Einatmungsseite des Zweiwegeventils gemessen. Die ausgeatmeten Gase wurden ebenso wie die aus dem Chemolumineszenzanalysegerät kommenden Gase unter Verwendung einer Venturi-Falle, die durch das zentrale Vakuumsystem des Laboratoriums unter negativem Atmosphärendruck gehalten wurde, von Verunreinigungen befreit. Die NO- bzw. NO2-Gehalte der Umgebungsluft, die intermittierend gemessen wurden, stiegen während der Experimente nicht an.
  • Messungen der Gehalte an cGPM im Plasma
  • Die Gehalte an cyclischer GMP (cGMP) wurden unter Verwendung eines 125I Radioimmunoassays (Biomedical Technologies, Inc., Stoughton, Mass.) nach der Methode von Harper und Brooker (Harper et al., J. Cyclic Nucleotide Res. 1:207-218 1975) bestimmt. Kurz gesagt wurden 10 μl von 50 mM Isobutylmethylxanthin (IBMX) zu 1 ml citratisiertem Blut gegeben, und die Mischung wurde bei 2.500 × g und 4°C 10 Minuten lang zentrifugiert. Der Überstand wurde mit Acetatpuffer verdünnt und mit einer Mischung aus Acetanhydrid und Triethylamin acetyliert. Danach wurden die cGMP Konzentrationen in den Proben anhand der kompetitiven Bindung von bekannten und unbekannten Mengen (in der Probe) von 125I cGMP an einen spezifischen Antikörper bestimmt. Alle Messungen wurden zweimal durchgeführt, und die Intra- und die Interassay-Qualitäten wurden kontrolliert, indem bekannte Mengen cGMP gemessen wurden. Die cGMP Konzentrationen in den Blutproben wurden als Picomol cGMP pro Milliliter Plasma ausgedrückt.
  • Prokokoll
  • A. Studie über Dosis und Wirkung von intermittierender Inhalation von NO während Infusion von U46619 mit und ohne Infusion von Zaprinast.
  • Sechs Lämmer wurden studiert, während sie spontan bei FIO2 0,6-0,7 atmeten. Nach Messungen im Grundzustand wurde ein potenter pulmonaler Vasokonstriktor, nämlich das stabile Endoperoxid-Analogon von Thromboxan ((5Z = 9α, 13E, 15S)-11,9-(Epoxymethano)prosta-5,13-dien-1-oic-Säure; U46619, Chemikalie von Upjohn and Cayman) über den externen jugularen Katheter infundiert. Die Infusionsrate (0,1-1,0 μg·kg–1 min–1) wurde titriert, um einen mittleren PAP von 30 mm Hg einzustellen. Nach 10 Minuten Messungen des pulmonalen Hochdrucks und hämodynamischen Messungen im stabilen Zustand atmete jedes der sechs Lämmer in zufälliger Reihenfolge jeweils 6 Minuten lang eine Reihe von NO/Sauerstoff-Mischungen mit 5, 10 und 20 ppm NO. Auf jede NO-Periode folgte eine Periode, in der die Lämmer ohne NO atmeten, bis der mittlere PAP den vorherigen Wert des Hochdrucks im Grundzustand wieder erreicht hatte. Die hämodynamischen Messwerte wurden während der Inhalation von NO nach 3 und 6 Minuten festgehalten und nach Beendigung der Inhalation von NO alle drei Minuten wiederholt. Proben von arteriellem Blut wurden während der Studie alle 6 Minuten gezogen, um die cGPM-Spiegel im Plasma zu bestimmen. Die Infusion von U46619 wurde dann beendet, und man ließ die Lämmer sich erholen. Nach einer Erholungszeit von 30 Minuten und wiederholten Messungen im Grundzustand wurde eine starke Dosis Zaprinast (2 mg·kg–1 innerhalb 5 Minuten) verabfolgt, worauf sich eine Infusion von Zaprinast (0,1 mg·kg–1 min–1) anschloss. Zwanzig Minuten später wurde durch intravenöse Infusion von U46619 erneut ein pulmonaler Hochdruck induziert. Sobald sich ein stabiler pulmonaler Hochdruck eingestellt hatte, wurden die Infusionsraten der beiden Wirkstoffe bis zum Ende der Studie konstant gehalten. Die Dosis von U46619 (1,1-3,6 μg·kg–1 min–1), die für die Einstellung eines bestimmten Grades von pulmonalem Hochdruck benötigt wurde, war während der Infusion von Zaprinast größer als ohne Zaprinast. Nach 10 Minuten im stabilen Zustand und wiederholten hämodynamischen Messungen atmeten die Lämmer NO, wie zuvor beschrieben. Die Reihenfolge der Inhalation von NO war vor und während der Infusion von Zaprinast die gleiche. Mit dieser Randomisierung wurde bezweckt, die Wirkungen von etwaigen Schwankungen der Konzentration von Zaprinast zu vermeiden. Während der ganzen Dauer der Studie wurden die hämodynamischen Variablen alle 3 Minuten gemessen. Während der Inhalation von NO wurden die Gehalte von cGMP im Plasma nach 3 und 6 Minuten gemessen, und alle 6 Minuten während der Erholungszeit.
  • B. Transpulmonale Differenz der cGMP Konzentrationen im Plasma während der Inhalation von NO mit und ohne Zaprinast.
  • Zwei weitere Lämmer wurden untersucht, um die Menge cGMP zu bestimmen, die während der Inhalation von NO in der Lunge produziert und an das venöse Blut abgegeben wurde. Die Lämmer erhielten Mischungen aus NO und Sauerstoff in aufsteigender Reihenfolge (0,1, 1,0, 5,0, 10 und 20 ppm), nachdem durch Infusion von U46619 ein stabiler pulmonaler Hochdruck eingestellt worden war. Diese Reihenfolge wurde gewählt, um eine Akkumulation von cGMP im Plasma zu vermeiden, weil deutlich erhöhte Konzentrationen von cGMP im Plasma nur bei Inhalation von 20 ppm NO gemäß Protokoll A gefunden wurden. Die Inhalation von NO wurde während der Infusion von Zaprinast in der selben Reihenfolge wiederholt. Proben von pulmonalem arteriellen Blut und von Blut aus der Aorta wurden gleichzeitig während jeder Inhalation von NO und 3 Minuten vor der nächsten Inhalation von NO bei pulmonalem Hochdruck im Grundzustand entnommen.
  • C. Eine Demonstration von intermittierender Inhalation von NO
  • An einem weiteren Lamm wurden die Wirkungen von intermittierender Inhalation von NO, mit und ohne Zaprinast, bei durch U46619 induziertem pulmonalem Hochdruck studiert. Nachdem ein stabiler pulmonaler Hochdruck im Grundzustand durch Infusion von U46619 eingestellt worden war, inhalierte das Lamm 40 ppm NO während Perioden von 4 Minuten. Dann wurde die Infusion von U46619 abgebrochen. Nach 30 Minuten Erholungszeit wurde Zaprinast verabfolgt, wie zuvor beschrieben, und es wurde erneut ein pulmonaler Hochdruck durch Infusion von U46619 eingestellt. Stickstoffmonoxid (40 ppm) wurde 4 Minuten lang inhaliert. Danach wurden die 4-Minuten Perioden mit Inhalation von NO jedes Mal wiederholt, sobald der ΔPAP um 50% abgenommen hatte.
  • Chemikalien
  • Zaprinast (2-o-Propoxyphenyl-8-azapurin-6-on) war eine großzügige Gabe von Rhone-Poulenc Roler (Dagenham. Essex, UK). Die Stammlösung von Zaprinast wurde in 0,05 N NaOH hergestellt. Diese Stammlösung wurde unmittelbar vor ihrer Verwendung mit Ringer's Laktat auf eine Endkonzentration von 8 mg·ml–1 verdünnt. Unmittelbar vor der Studie wurden 5 mg U46619 in 50 ml Ringer's Laktat gelöst.
  • Datenanalyse
  • Die Veränderungen der mittleren Werte des PAP und des PVR werden als Differenz zwischen dem stabilen pulmonalen Hochdruck im Grundzustand und dem niedrigsten während einer Inhalation von NO gemessenen Wert ausgedrückt. Die Halbwertzeit der Wirkung eines Vasodilators wurde bestimmt, indem die Zeit gemessen wurde, die von der Beendigung der Inhalation von NO bis zu dem Zeitpunkt verstrichen war, bei dem der mittlere PAP Wert sich auf einen Wert in der Mitte zwischen dem niedrigsten während der Inhalation von NO gemessenen mittleren PAP und dem Wert für den pulmonalen Hochdruck im Grundzustand eingestellt hatte. Alle Daten werden als Mittelwerte ± Standardabweichungen angegeben. Die Daten wurden unter Verwendung eines gepaarten t-Tests oder einer Varianzanalyse (ANOVA) mit wiederholten Messungen analysiert. P < 0,05 wurde als Kriterium für statistische Relevanz benutzt.
  • Resultate
  • A. Studie über Dosis und Wirkung von intermittierender Inhalation von NO während Infusion von U46619 mit und ohne Infusion von Zaprinast.
  • Die Veränderung des mittleren PAP (ΔPAP) während der Inhalation von NO ist in 19 dargestellt. Bei allen Dosierungen wurde kein Unterschied zwischen der Inhalation von NO mit und ohne Zaprinast beobachtet. Die Dauer der vasodilatorischen Wirkung des inhalierten Stickstoffmonoxids (t ½) war bei allen NO Dosen durch die Infusion von Zaprinast erhöht (1B). Es gab keinen signifikanten Unterschied bezüglich SVR und CO zwischen der Inhalation von NO mit und ohne Zaprinast (Tabelle 6). Im Vergleich mit dem Kontrollversuch nahm der PVR mit Zaprinast leicht ab, aber diese Veränderung war nicht statistisch signifikant (Tabelle 6). Sie geht möglicherweise auf einen leichten Anstieg der CO infolge der Infusion von Zaprinast zurück, weil der mittlere PAP durch Zaprinast nicht herabgesetzt wurde und der PCWP während der ganzen Zeit stabil war (Daten nicht aufgeführt). TABELLE 6
    Figure 00450001
    • Tabelle 6. Systemischer vaskulärer Widerstand (SVR), pulmonaler vaskulärer Widerstand (PVR) und Herzleistung (CO) während der Inhalation von NO mit und ohne Zaprinast. PHTN: pulmonale Hypertonie. Die Werte sind Mittelwerte ± Standardabweichungen.
  • Die cGMP Gehalte im arteriellen Plasma während der Inhalation von NO mit und ohne Zaprinast sind in 20 dargestellt. Die Infusion von Zaprinast hat für sich allein den cGMP Spiegel im Plasma nicht erhöht. Wenn jedoch die Infusion mit Zaprinast und die Inhalation von NO kombiniert wurden, waren die cGMP Spiegel im Plasma bei allen NO-Konzentrationen erhöht. Die Inhalation von Stickstoffmonoxid erhöhte die cGMP Spiegel im Plasma bei allen Konzentrationen und gleichzeitiger Infusion von Zaprinast erheblich, aber lediglich 20 ppm NO verursachten einen signifikanten Anstieg auch ohne Zaprinast. Die Infusion von U46619 allein ergab keine signifikante Veränderung der cGMP Konzentrationen im Plasma.
  • b. Transpulmonale Differenz der cGMP Konzentration im Plasma während der Inhalation von NO mit und ohne Zaprinast.
  • Transpulmonale Differenzen der cGMP Konzentration in zwei Tieren sind aus 21 ersichtlich. Die transpulmonale Differenz der cGMP Konzentration wurde bei allen Stufen der Inhalation von NO durch Infusion von Zaprinast nicht beeinflusst.
  • Die maximale pulmonale vasodilatorische Wirkung von inhaliertem Stickstoffmonoxid tritt innerhalb von 2 Minuten nach Beginn der Inhalation ein und verschwindet innerhalb von 2-3 Minuten nach Beendigung der Inhalation (22). Eine schnelle Kombination mit Hämoglobin in den roten Blutzellen inaktiviert das inhalierte NO, indem die Vasodilatation auf das pulmonale vaskuläre Bett beschränkt wird (Rimar et al., Circulation 88:2884-2887, 1993). Obwohl diese Selektivität eine einzigartige Eigenschaft des inhalierten NO ist, könnte die kurze Dauer der Einwirkung ein Nachteil sein, weil die meisten Patienten mit pulmonalem Hochdruck eine kontinuierliche Therapie erfordern. Eine Inhalation von Gasmischungen mit hohen Konzentrationen von NO und NO2 verursacht schwere akute Lungenschäden mit pulmonalen Ödemen und ausgeprägter Methämoglobinämie (Clutton-Brock, Br. J. Anaesth. 39:345-350, 1969). Wenn es auch wenige Beweise für eine Toxizität von NO in niedrigen Konzentrationen (< 100 ppm) bei akuter und chronischer Einwirkung auf Ratten gibt, so sind nur wenige Daten hinsichtlich einer langen Einwirkung auf Menschen bekannt. Da NO in Sauerstoff schnell zu NO2 oxidiert wird, geben auch die toxischen Effekte von NO2 (cytotoxische und immunologische Reaktionen, wie z.B. pneumocytische Hypoplasie vom Typ II und Akkumulation von Fibrin, polymorphonuklearen Zellen und Mikrophagen in Alveolen) Grund zur Besorgnis, insbesondere bei langen Einwirkungen. Es ist durchaus denkbar, dass pharmakologische Wirkstoffe, die die vasodilatorischen Effekte von NO potenzieren und bzw. oder verlängern, das Risiko einer NO Toxizität während einer längeren Einwirkung minimieren könnten.
  • In der gegenwärtigen Studie ist gezeigt worden, dass durch gleichzeitige intravenöse Administration eines cGMP-spezifischen PDE Inhibitors, nämlich Zaprinast, die pulmonale vasodilatorische Wirkung von inhaliertem NO ohne Veränderung von dessen pulmonaler Selektivität verlängert werden konnte. Während der Infusion von Zaprinast hielt die pulmonale Vasodilatation, die durch Inhalation von NO während 4 Minuten bewirkt wurde, 15 bis 30 Minuten nach Beendigung der Inhalation von NO an (22). Eine intermittierende Inhalation von NO unter solchen Bedingungen könnte einen pulmonalen arteriellen Hochdruck über längere Zeiträume mildern (22).
  • Mehrere molekulare Strukturen von cyclischer Nukleotid-Phosphodiesterase sind in einer Reihe von Geweben identifiziert worden, darunter Herzmuskel, vaskuläre glatte Muskeln, Leber, Lunge und Blutplättchen (Lugnier et al., Biochem. Pharmacol. 35(10:1743-1751, 1986; Souness er al., Br. J. Pharmacol. 98:725-734, 1989; Silver et al., 150:85-94; Weishaar et al., Biochem. Pharmacol. 35:787-800, 1986). In vaskulären glatten Muskeln von Säugetieren sind drei verschiedene Formen von PDE identifiziert worden: eine Ca+2/Calmodulin-insensitive Isoform, die eine Substratselektivität für cGMP zeigt (cGMP PDE); eine Ca+2/Calmodulinsensitive Isoform, die sowohl cGMP als auch cAMP hydrolysiert (Ca2+ PDE); und eine cAMP-spezifische Isoform (cAMP PDE) (Lugnier et al., Biochem. Pharmacol. 35(10):1743-1751, 1986; Souness et al., Br. J. Pharmacol. 98:725-734, 1989). Es ist gezeigt worden, dass Zaprinast Dosis-abhängig die intrazellulären cGMP-Konzentrationen erhöht, indem es cGMP PDE inhibiert (Lugnier et al., Biochem. Pharmacol. 35(10):1743-1751, 1986; Souness et al., Br. J. Pharmacol. 98:725-734, 1989). Die durch Zaprinast induzierte Relaxation der Indothelium-intakten Aorta der Ratte wird durch Methylenblau, einen Inhibitor der Guanylatcyclase, oder durch Denudation der Aorta erheblich reduziert (Souness et al., Br. J. Pharmacol., 98:725-734, 1989). Diese Resultate legen nahe, dass die durch Zaprinast induzierte Vasorelaxation von der cGMP PDE Inhibierung und von der resultierenden Akkumulation von cGMP abhängt, die durch basale EDRF/NO Freisetzung erzeugt wird.
  • Andere Ausführungsformen der Erfindung liegen im Bereich der folgenden Patentansprüche.

Claims (10)

  1. Eine Vorrichtung für die Verabreichung eines Phosphodiesteraseinhibitors in einem Treibgas in den Respirationstrakt eines Patienten, wobei die Vorrichtung (i) den Phosphodiesteraseinhibitor und (ii) das Treibgas in einer komprimierten oder flüssigen Form enthält.
  2. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, umfassend: einen Behälter (12), der eine in einem komprimierten oder flüssigen Treibgas suspendierte Phosphodiesteraseinhibitor-Verbindung enthält; ein Gehäuse (14), welches (a) einen Anschluß, an welchem der Behälter befestigt ist und (b) einen Hohlraum (16), der mit dem Anschluß in Verbindung steht, definiert; und einen Mechanismus (18), um das Treibgas kontrolliert aus dem Behälter in den Hohlraum abzugeben, wobei die suspendierte Verbindung dabei aus dem Behälter in den Hohlraum abgegeben wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass die Verbindung, die in dem abgegebenen Treibgas suspendiert ist, in den Respirationstrakt einer Person geleitet wird.
  3. Die Vorrichtung wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die Verbindung als Pulver vorliegt.
  4. Die Vorrichtung wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die Verbindung in einem biologisch verträglichen flüssigen Trägermaterial gelöst oder suspendiert ist.
  5. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, umfassend: einen Behälter (110), der ein komprimiertes oder flüssiges Treibgas enthält; ein Gehäuse (102), welches (a) eine Kammer (104), die eine Phosphodiesteraseinhibitor-Verbindung enthält, und (b) einen Hohlraum (108), der mit der Kammer in Verbindung steht, definiert; und einen Mechanismus (116), um das Gas kontrolliert aus dem Behälter in die Kammer abzugeben, wobei die Verbindung in dem Gas suspendiert wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass die Verbindung in den Respirationstrakt einer Person geleitet wird.
  6. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei das Gas Stickstoffmonoxidgas enthält.
  7. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, umfassend: ein Gehäuse (102), welches (a) eine Kammer (104), die einen Phosphodiesteraseinhibitor enthält, und (b) einen Hohlraum (108), der mit der Kammer in Verbindung steht, definiert; und einen Behälter (110), welcher Gas enthält, das unter Druck steht und mindestens 0,1 ppm Stickstoffmonoxid enthält, wobei der Behälter einen Mechanismus (116) aufweist, um das Gas kontrolliert in die Kammer abzugeben, wobei der Inhibitor in dem Gas suspendiert wird; wobei der Hohlraum so konfiguriert ist, dass das Gas in den Respirationstrakt eines Patienten geleitet wird.
  8. Die Vorrichtung wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei der Inhibitor für cGMP-Phosphodiesterase selektiv ist.
  9. Die Vorrichtung wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei der Inhibitor Zaprinast ist.
  10. Die Vorrichtung wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei der Behälter zusätzlich einen Mechanismus (116, 120) aufweist, um das Gas kontrolliert in den Hohlraum (108) abzugeben, so dass die Kammer (104) umgangen wird.
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