The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1998 discoveries concerning nitric oxide as a signaling molecule in the cardiovascular system

前言 當 氮 氣 (nitrogen) 燃 燒 時 ， 便 會 產 生 氧 化 氮 (nitric acid) 1998 年 諾 貝 爾 醫 學 獎 ， 是 由 美 國 三 位 病 理 學 家 奪 得 ， 他 們 成 功 發 現 氧 化 氮 是 一 種 可 以 傳 遞 信 息 的 氣 體 NO創新世紀

人物介紹 得獎的三位人物: Ferid Murad 、Robert F. Furchgott 、 Louis J. Ignarro 三位得獎人皆於美國從事研究工作

Ferid Murad Ferid Murad本人是臨床醫師又是藥理學研究者，他分析硝化甘油與相關之血管擴張藥物是透過何種機轉去發揮效果 於1977年發現：硝化甘油是經由釋放NO而使得血管平滑肌放鬆的 Ferid的成就來自指導教授霍 (Theodore Hall)

Louis J Ignarro Louis於UCLE School of Medicine的分子及藥理研究部門裡進行基礎醫學研究 收集乙醯膽鹼刺激胸主動脈血管後所遺留之培養液做實驗 Ignarro在 1997 年 2 月擔任新創立的一氧化氮期刊的總編輯

Robert F. Furchgott 1970 年代中期Furchgott發現只能擴張血管的乙醯膽鹼竟然還可收縮血管 主要的研究為：藥物造成的血管內皮細胞收縮及擴張

心血管、巨噬細胞、神經傳遞路徑統整

NOS 一氧化氮合成酶(NOS, NO Synthetase))是由羅伯·佛契哥特（Robert F. Furchgott）於1980年在進行兔的大動脈實驗時所發現。從那時開始，不同種類的一氧化氮合酶被分類成以下的異構體： (1)第一型 (NOS-I)或神經性合成酶(nNOS) (2)第二型 (NOS-II)或誘發性合成酶(iNOS) (3)第三型 (NOS-III)或內皮性合成酶(eNOS) NOS 有神經性 (nNOS)、誘發性 (iNOS) 和內皮性 (eNOS) 等三種，是依照最初發現的地方而命名 (各在神經突觸、巨噬細胞和血管內皮)。不過後來發現 nNOS 和 eNOS 不只存在神經突觸和血管內皮，所以較正確的用法是上述三種 NOS 各用第一型 (NOS-I)、第二型 (NOS-II) 和第三型 (NOS-III) 來表示，但此用法較易搞混，所以舊用法還是很常用。 (1) eNOS -- e 指的是內皮細胞 (endothelium) (2) nNOS -- n 指的是神經細胞 (neuron) (3) iNOS -- i 指的是誘發 inducible 的意思 8

NOS 組織型：nNOS 和 eNOS 是組合式，鈣和調鈣蛋白先組合成complex，此複合物再和 nNOS 或 eNOS 組合才能產生催化作用。 誘發型：iNOS 是誘發式，不需要鈣和調鈣蛋白，細胞素可直接誘發 iNOS 產生催化作用。由於不需要鈣和調鈣蛋白，iNOS 常一誘發就難以收拾，造成一氧化氮的過度製造，引起嚴重後果。 細胞素 (如伽馬干擾素 IFN-g、腫瘤壞死因子 TNF、第一型白血球間質 IL-1、第二型白血球間質 IL-2、脂多醣類 LPS 等) 9

一氧化氮傳導信息的功能和作用機制隨製造其出來的地方而不同。功能主要有三種： (1)在血管內皮：是使血管的平滑肌細胞放鬆而擴張血管，而可以降低血壓。 (2)在神經突觸：當作神經傳導因子，和腦部學習及記憶有關。 (3) 在巨噬細胞：可損壞腫瘤細胞而將其殺死或停止其繁殖。

NO在心血管扮演的角色

Furchgott 的發現 經體外實驗証明乙醯膽鹼促進血管肌條的收縮。此現象與體內實驗結果不相符。 若管內皮組織的摩擦受損 ，則乙醯膽鹼無法使血管產生舒張的反應。因而發現血管內皮細胞會釋血管擴張因子(EDRF) 使血管平滑肌舒張。

發現活化guanylate cyclase(可將GTP轉化成cGMP)的酵素不僅存在於細胞膜上，也存在於細胞漿中。

發現乙醯膽鹼刺激胸主動脈血管環後所遺留之培養液（內含EDRF）可活guanylate cyclase。後來進一步測量，發覺NO之產生量與guanylate cyclase活化量成正比，此一實驗証實他的推論：「EDRF即是NO」。

Furchgott 提出「乙醯膽鹼引發由內皮細胞反應的血管舒張現象」。他的「三明治」實驗引領了後續科學家的研究。他以兩組不同的動脈血管做實驗，一組維持原本的內皮細胞層；一組將內皮細胞層移除。

一氧化氮作用的理論模式

神經傳遞物質或荷耳膜等訊息物質在血液中循環並作用在血管的內皮細胞層。

與接收器結合後，活化了內皮細胞層，製造出NO。NO 為氣體擴散並通透細胞膜進入血液及動脈管壁中。

部分NO分子通過內皮細胞層到達平滑肌細胞，穿透至細胞內與guanylyl cyclase酵素結合並活化此酵素。

當guanylyl cyclase被活化後，開始由GTP產生cyclic GMP Cyclic GMP，並發生連鎖反應以活化myosin

當myosin受到活化後，肌肉收縮絲滑動分開造成肌肉細胞放鬆，血管便舒張。

Murad 的發現 Murad 施予含有guanylyl cyclase的組織氣體一氧化氮，發現cyclic GMP的量增加。

乙醯膽鹼刺激血管內皮細胞產生一因子-NO，通過並活化肌肉細胞，引起放鬆。

Ignarro 的發現 Ignarro 提出 EDRF 使血管放鬆，他也用血紅素的光譜分析定義了EDRF分子。當血紅素暴露在EDRF環境下，最大吸光值改變為新的波長；而暴露於NO環境下，最大吸光值有相同幅度的改變。證明EDRF即為NO。

血紅素中暴露在內皮細胞中（內皮細胞受到刺激產EDRF） 血紅素直接暴露於NO 中

NO在血管內皮的作用機制 含硝基之物質釋放NO。產生之NO活化平滑肌的guanylate cyclase，進而產生cGMP，cGMP使肌凝蛋白輕鏈去磷酸化，產生血管平滑肌舒張。

(1) 血管內的乙醯膽鹼和乙醯膽鹼受體結合，因而打開一個管道讓鈣離子進入血管內皮細胞內。 (2) 進入血管內皮細胞的鈣離子需要和調鈣蛋白 1 先組合形成 2。 (3) 然後 2 再和內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 7 組合形成活化的內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 8。 (4) 活化的內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 8 催化 L-精胺酸 (L-arginine) 製造 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO)。 (5) 血管內皮細胞的一氧化氮 (NO) 滲透入血管平滑肌細胞。 (6) 滲透入的 NO 和guanylate cyclase)5 的輔因子原血紅素 (heme) 的鐵 (Fe) 離子結合，形成活化的 guanylate cyclase 6。 (7) 活化的 (guanylate cyclase) 6 催化 GTP 製造 cGMP 。 (8) cGMP 使控制平滑肌細胞收縮的鈣離子濃度下降。 (9) 控制收縮的鈣離子濃度下降導致平滑肌放鬆，因而擴張血管降低血壓。 (10) 一氧化氮 (NO) 也可滲透回去血管內，而降低血小板間的聚集及降低血小板附著於內皮細胞。 28

(1) 血管內的乙醯膽鹼和乙醯膽鹼受體結合，因而打開一個管道讓鈣離子進入血管內皮細胞內。 (2) 進入血管內皮細胞的鈣離子需要和調鈣蛋白 1 先組合形成 2。 (3) 然後 2 再和內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 7 組合形成活化的內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 8。 29

(5) 血管內皮細胞的一氧化氮 (NO) 滲透入血管平滑肌細胞。 (4) 活化的內皮性一氧化氮合成酉每 (eNOS) 8 催化 L-精胺酸 (L-arginine) 製造 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO)。 (5) 血管內皮細胞的一氧化氮 (NO) 滲透入血管平滑肌細胞。 (6) 滲透入的 NO 和guanylate cyclase)5 的輔因子原血紅素 (heme) 的鐵 (Fe) 離子結合，形成活化的 guanylate cyclase 6。 30

(7) 活化的 (guanylate cyclase) 6 催化 GTP 製造 cGMP 。 (9) 控制收縮的鈣離子濃度下降導致平滑肌放鬆，因而擴張血管降低血壓。 (10) 一氧化氮 (NO) 也可滲透回去血管內，而降低血小板間的聚集及降低血小板附著於內皮細胞。

NO在神經傳導上扮演的角色

NO在神經突觸的作用 當活化的神經單元 (圖二左邊) 釋放化學信息物滲透至鄰近的神經單元(圖二右邊)，而與其受體作用時，便可活化細胞而傳導神經搏動。圖二是一個實例： (1) 左邊的前突觸神經單元由胞內釋放化學信息物麩胺酸鹽 (glutamate) 和右邊的後突觸神經單元的 NMDA (N-methyl-D-aspartate，N-甲基-D-天門冬胺酸鹽) 受體結合，因而打開一個管道讓鈣離子進入細胞內。 (2) 進入細胞內的鈣離子需要和調鈣蛋白 1 先組合形成 2。 (3) 然後 2 再和神經性一氧化氮合成酶 (nNOS) 3 組合形成活化的神經性一氧化氮合成酶 (nNOS) 4。 (4) 活化的神經性一氧化氮合成酶(nNOS) 4 催化 L-精胺酸 (L-arginine) 製造 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO)。 (5) 一氧化氮 (NO) 和鳥嘌呤核甘酸環化酶 (guanylate cyclase) 5 的輔因子原血紅素 (heme) 的鐵 (Fe) 離子結合，形成活化的鳥嘌呤核甘酸環化酶 (guanylate cyclase) 6。 (6) 活化的鳥嘌呤核甘酸環化酶 (guanylate cyclase) 6 催化 GTP (guanosine triphosphate 鳥嘌呤核甘三磷酸鹽) 製造 cGMP (cyclic guanosine monophosphate 環鳥嘌呤核甘單磷酸鹽)。 (7) 一氧化氮 (NO) 也可滲透回去左邊的前突觸神經單元，而活化那邊細胞的鳥嘌呤核甘酸環化酶 (guanylate cyclase) 5 及接下來的系列反應。這個滲透回去的信息傳導步驟可能在腦部學習、長期記憶及長期憂鬱扮演重要角色。 33

作用 長期記憶(別組的題目) 神經傳遞 精神分裂症(動物模型)

神經傳遞 越來越多證據顯示， 一氧化氮扮演抑制性non-adrencrgic non-cholinergic(NANC)神經之傳導物質。動物實驗發現，當鈣離子進入這些神經，釋放一氧化氮造成氣管擴張，給與一氧化氮合成脢拮抗劑，可 完全抑制NANC神經於氣管平滑肌之作用。人類之中心與週圍呼吸道，一氧化氮也扮演同樣角色。抑制性NANC神經為人類唯一的神經性之氣管擴張路徑，呼吸道病變其神經反應明顯降低，可能源於呼吸道發炎釋放過氧化基，加速一氧化氮失去活性，或者是因神經細胞內之一氧化氮合成脢或guanylyl cyclasc功能喪失。一氧化氮合成脢拮抗劑最常應用的是 L-NG momomethyl arginine (L-NMMA) 與 L-Ngargininc methylester ( L-NAME ) ． 作 用 機轉為和arginine競爭一氧化氮合成脢，導致一氧化氮合成減少，這些作用可經由加入大量arginine而改善 。

精神分裂症 精神分裂症是影響1%人口的精神病學的病症。 沒有治療，但是精神病症狀可以對待與治療精神病的藥物。 病症經常首先出現於二十。 它是通常慢性的，并且多數受害者從未回到到工作或全時教育。

精神分裂症 精神分裂症是可能導致幻覺、錯覺和無積極性的一個嚴重和常見病。 記憶、社會認知和其他智力能力的問題也是共同性。 精神分裂症的患者可以治療與精神抑製藥，但是治療不幫助認知干擾或被削弱的社會作用到任何看得出的程度。 我們相信這歸結於一種不平衡狀態在腦子的氧化一氮系統，并且，如果這是實際情形，我們也許能開發一種全新的治療方式， “ 說藥物學家卡羅琳是。 在這些研究，率和老鼠被給了稱phencyclidine的一種藥物。 這種物質在人導致a精神分裂症像狀態。 ” 鼠和老鼠不變得精神分裂症，但是藥物有它有在人的一個相似的作用在想法過程在嚙齒目動物到作用， “ 說卡羅琳是。 使用幾個不同的行為模式』，學會容量、記憶和社會互作用的動物被測量了。 當動物對待了與阻攔腦子一氧化氮生產的物質，他們變得有抵抗性對精神分裂症像phencyclidine的作用。 研究小組短期將創始一項耐心研究為了發現阻攔腦子氧化一氮生產是否在病人可能緩和認知干擾有精神分裂症。

中風 在中風時，太多的鈣離子可能可以進入細胞內，使得一氧化氮 (NO) 過度製造，而對周圍的細胞造成毒性。因而美國約翰霍浦金斯的史耐德 (SH Snyder) 等人便建議，如果能及時將這抑制劑傳送到腦部恰當的部位，使用神經性一氧化氮合成酶 (nNOS) 抑制劑也許可以減少中風病人的神經細胞損壞。

NO與巨噬細胞

巨噬細胞在受到發炎訊號的刺激後，會透過「誘導型一氧化氮合成」（inducible nitric oxide synthase, iNOS）的作用合成一氧化氮（NO）；巨噬細胞同時還會產生超氧自由基（superoxide anion），當這兩種產物作用後會形成過對病菌與癌細胞極具傷害力的過氧硝酸產物〔如硝酸（NO3-）和亞硝酸（NO2-）〕。

巨噬細胞中NO的作用機制 誘發性一氧化氮合成酶 (iNOS) 是誘發式，不需要鈣離子和調鈣蛋白，細胞素可直接誘發 iNOS 產生催化作用。巨噬細胞的一氧化氮促進劑有刺激性細胞素 (cytokines)，如伽馬干擾素 (IFN-g)、腫瘤壞死因子 (TNF)、第一型白血球間質 (IL-1)、第二型白血球間質 (IL-2)、脂多醣類 (LPS) 等。至於抑制劑則有抑制性細胞素，如  b-腫瘤成長因子 (TGF-b)、第四型白血球間質 (IL-4)、第十型白血球間質 (IL-10)、巨噬細胞去活性因子 (MDF) 等。 (1) 受到刺激性細胞素的誘發，負責誘發性一氧化氮合成酶 (iNOS) 編碼的 DNA 在巨噬細胞核內將 iNOS 轉錄成信息 RNA  (mRNA) 。 (2) mRNA 被釋放至核外的胞質液，然後被核酸糖小粒 (ribosome) 轉換成含長鏈 iNOS 的蛋白質  9。 (3) 在適當的輔因子協助下，蛋白質 9 的長鏈 iNOS 捲成活化的 iNOS 10。 (4) 活化的 iNOS 10 催化 L-精胺酸 (L-arginine) 製造 L-西瓜胺酸 (L-citrulline) 和一氧化氮 (NO)。 (5) 一氧化氮 (NO) 可四處滲透，包括大量滲透入鄰近的腫瘤細胞內。 (6) 滲透入腫瘤細胞內的一氧化氮 (NO) 可抑制核糖核甘酸還原酶 (ribonucleotide reductase) 的活性，因而抑制核糖核甘酸還原成 DNA 合成必需的去氧核糖核甘酸，導致腫瘤細胞核內 DNA 無法合成及腫瘤細胞不能分裂增殖。 (7) 滲透入腫瘤細胞內的一氧化氮 (NO) 也可干擾粒線體的數個反應步驟，包括干擾烏頭酸酶 (aconitase) 的作用，導致三碳酸循環 (TCA cycle)  受損；及干擾電子傳送系統，導致粒線體的NADH 的製造和利用受損；因而降低粒線體生產能量 ATP，而使腫瘤細胞受損死亡。 41

過多的NO 然而當過氧硝酸產物數量過多時，反而會使正常細胞受到傷害。而且，如果巨噬細胞合成太多的一氧化氮，會刺激更多的LDL（低密度脂蛋白）氧化。氧化的LDL是巨噬細胞最喜愛的佳餚之一，待巨噬細胞把氧化的LDL好好地咀嚼一番之後，便成了滿口脂肪泡泡、行動遲頓的泡沫細胞。很快的泡沫細胞會壞死，並釋出大量的脂質覆蓋在血管壁上，原本柔軟而有彈性的血管壁逐漸變硬、變厚，加速動脈粥樣硬化的形成與惡化。

一氧化氮合成酶 巨噬細胞產生硝酸根需要一種胺基酸──精胺酸(arginine），他由此證明巨噬細胞內的一種特殊酵素，它可將精胺酸轉變成瓜胺酸（citrulline）和一種不穩定的中間產物，再轉變成硝酸根及亞硝酸根。這種中間產物就是NO。

誘導型一氧化氮合酶（縮寫iNOS或NOS2)利用一氧化氮的氧化壓力（自由基），協助巨噬細胞在免疫系統中對抗病原體 。不需要鈣離子和調鈣蛋白，細胞素可直接誘發 iNOS 產生催化作用。

NO合成酶抑制劑 利用和 L-精胺酸相似的構造與一氧化氮合成酶 (NOS) 作用以減少L-精胺酸和一氧化氮合成酶作用的機會

當巨噬細胞被細菌毒素或T淋巴球活化之後，能利用酵素反應將精胺酸轉變成NO。高反應力的NO就會殺死細菌或腫瘤細胞

NO 分子之影響與應用 人 體 影 響 與 藥 物 應 用

動 脈 硬 化 動脈硬化發生的起因主要是血管內皮細胞損傷及功能失常，動脈硬化塊的組成，主要是以血脂肪和膽固醇，包在其周圍的是平滑肌細胞和各種結締組織。

一 氧 化 氮 的 幫 助 在動脈硬化的病人，其血管內皮一氧化氮的產生受到阻滯。 精胺酸確有改善心血管功能的效果 因此，如果能充分供應精胺酸，就能使血管內皮細胞製造更多的NO

 T H E E N D 