Ponnuswamy Padmapriya

• The principle product of each NOS is nitric oxide. However, under conditions of substrate and cofactor deficiency the enzymes directly catalyze superoxide formation. Considering this alternative chemistry of each NOS, the effects of each single enzyme on key events of atherosclerosis are difficult to predict. Here, we evaluate nitric oxide and superoxide production by all three NOS isoforms in atherosclerosis. ESR measurements of circulating and vascular wall nitric oxide production showed significantly reduced nitric oxide levels in apoE/eNOSThe principle product of each NOS is nitric oxide. However, under conditions of substrate and cofactor deficiency the enzymes directly catalyze superoxide formation. Considering this alternative chemistry of each NOS, the effects of each single enzyme on key events of atherosclerosis are difficult to predict. Here, we evaluate nitric oxide and superoxide production by all three NOS isoforms in atherosclerosis. ESR measurements of circulating and vascular wall nitric oxide production showed significantly reduced nitric oxide levels in apoE/eNOS double knockout (dko) and apoE/iNOS dko animals but not in apoE/nNOS dko animals suggesting that eNOS and iNOS majorly contribute to vascular nitric oxide production in atherosclerosis. Pharmacological inhibition and genetic deletion of eNOS and iNOS reduced vascular superoxide production suggesting that eNOS and iNOS are uncoupled in atherosclerotic vessels. Though genetic deletion of nNOS did not alter superoxide production, acute inhibition of nNOS showed that nNOS contributes significantly to superoxide production. In conclusion, uncoupling of eNOS occurs in apoE ko atherosclerosis but eNOS mediated superoxide production does not outweigh the protective effects of eNOS mediated nitric oxide production. We show that although nNOS is not a major contributor of the vascular nitric oxide formation, it prevents atherosclerosis development. Acute inhibition of nNOS showed a significant reduction of superoxide formation suggesting that nNOS is uncoupled. The exact mechanism of action of nNOS in atheroprotection is yet to be elucidated. Genetic deletion of iNOS reduced NADPH oxidase activity. Thus, iNOS has both direct and indirect proatherosclerotic effects, as it directly generates both nitric oxide and superoxide simultaneously resulting in peroxynitrite formation and indirectly modulates NADPH oxidase activity. We hypothesize that eNOS is coupled in the disease free regions of the vessel and contributes to nitric oxide generation whereas in the diseased region of the vessel it is uncoupled to produce superoxide (Figure 16). nNOS expressed in the smooth muscle cells of the plaque contributes to the local superoxide generation. iNOS expressed in smooth muscle cells and leukocytes of the plaque generates superoxide and nitric oxide simultaneously to produce the strong oxidant peroxynitrite.…
• Stickstoffmonoxid (NO) ist das prinzipielle Produkt aller Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS). Im Falle eines Mangels an Substrat (L-arginin) und Kofaktoren (Tetrahydrobiopterin, BH4) katalysieren die NOS-Enzyme direkt Superoxid (O2-). Diese Veränderung in der Radikalproduktion wird auch als Entkopplung der NOS bezeichnet. Die alternative Produktion von NO oder O2- durch die NOS bedingen, dass eine Voraussage über die Schlüsselfunktion der einzelnen Enzyme in der Entstehung der Atherosklerose schwierig ist. In unserer Studie evaluieren wir dieStickstoffmonoxid (NO) ist das prinzipielle Produkt aller Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS). Im Falle eines Mangels an Substrat (L-arginin) und Kofaktoren (Tetrahydrobiopterin, BH4) katalysieren die NOS-Enzyme direkt Superoxid (O2-). Diese Veränderung in der Radikalproduktion wird auch als Entkopplung der NOS bezeichnet. Die alternative Produktion von NO oder O2- durch die NOS bedingen, dass eine Voraussage über die Schlüsselfunktion der einzelnen Enzyme in der Entstehung der Atherosklerose schwierig ist. In unserer Studie evaluieren wir die Produktion von NO sowie O2- in atherosklerotischen Läsionen von apoE ko Mäusen und apoE/NOS doppel knockout (dko) Mäusen denen jeweils eine NOS-Isoform fehlt. Elektronen Spin Resonanz (ESR) Messungen konnten eine signifikante Reduktion sowohl des zirkulierenden, als auch der Gefäßwand eigenen Produktion von NO in apoE/eNOS dko und apoE/iNOS dko Mäusen zeigen, nicht jedoch in apoE/nNOS dko Mäusen. Dies lässt darauf schließen, dass eNOS und iNOS den hauptsächlichen Anteil der vaskulären NO-Produktion in atherosklerotischen Läsionen bewerkstelligen. Die pharmakologische Inhibierung wie auch die genetische Deletion von eNOS und iNOS führten ebenfalls zu einer reduzierten vaskulären O2- produktion, was die partielle Entkopplung beider Enzyme in atherosklerotisch veränderten Gefäßen nahe legt. Obwohl die chronische genetische Deletion von nNOS in apoE/nNOS dko die O2- Produktion nicht verändert, zeigte sich bei der akuten pharmakologischen Inhibierung von nNOS (durch L-NAANG) eine maßgebliche Beteiligung von nNOS an der O2- produktion in apoE ko Mäusen. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass in atherosklerotischen Gefäßen von apoE ko Tieren eine Entkopplung von eNOS statt findet, diese jedoch zu keinem Ausgleich der protektiven Effekte der eNOS vermittelten NO-Produktion führt. Unsere Ergebnisse in apoE/nNOS dko Mäusen zeigen eine atheroprotektive Rolle der nNOS, die sich nicht allein durch eine lokale, vaskuläre NO-Produktion durch das Enzym erklären lässt. Wir postulieren weitere systemisch atheroprotektive Eigenschaften der nNOS. Die signifikante Reduktion der Superoxidproduktion durch eine akute Inhibierung der nNOS weist auf eine Entkopplung der nNOS hin. Der exakte Wirkungsmechansimus von nNOS in der Atheroskleroseprävention ist weiterhin noch zu eruieren. Die genetische Deletion von iNOS führt zu einer reduzierten Aktivität der NADPH-Oxidase. Demnach sind für iNOS direkte sowie indirekte atherosklerosefördernde Effekte anzunehmen, da sie auf direktem Wege gleichzeitig NO und O2- produziert, was in einer Peroxynitritbildung resultiert. Wir stellen die Hypothese auf, dass eNOS in den läsionsfreien Gefäßregionen gekoppelt ist und dort seine atheroprotektiven Effekte durch die NO-Produktion vermittelt, während die eNOS in atherosklerotischen Läsionen entkoppelt vorliegt und hier O2- produziert (Fig. 16). iNOS, welches vor allem in den Plaques, in glatten Muskelzellen und Leukozyten zu finden ist, produziert gleichzeitig hohe Konzentrationen von O2- und NO, die als gemeinsames Endprodukt das stark oxidierende Peroxynitrit ergeben und die von uns dokumentierte proatherosklerotische Wirkung der iNOS vermittelt.…