DE69127756T2

DE69127756T2 - Verwendung von no zur behandlung oder prävention der bronchokonstriktion

Info

Publication number: DE69127756T2
Application number: DE69127756T
Authority: DE
Inventors: Claes S-16 140 Bromma Frostell; Warren M. Concord Ma 01742 Zapol
Original assignee: General Hospital Corp
Current assignee: General Hospital Corp
Priority date: 1990-12-05
Filing date: 1991-12-05
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2011-12-06
Also published as: ATE367842T2; US5485827A; GR990300018T1; DK0560928T3; DK1516639T3; JP2701978B2; ES2082732T1; EP1875917A3; NL300327I1; US5873359A; DK0786264T3; EP1516639B2; DE122008000012I2; WO1992010228A1; HK1076407A1; GR960300032T1; NL300081I1; LV12201A; DE560928T1; NL300342I1

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung von reversibler pulmonaler Vasokonstriktion und die Behandlung von Bronchokonstriktion.
Asthma ist eine chronische Krankheit, die durch intermittierende, reversible, ausgedehnte Konstriktion der Luftwege der Lunge in Reaktion auf eine Vielzahl von Reizen charakterisiert ist, die die normale Lunge nicht beeinträchtigen. Schätzungen über das Auftreten dieser Krankheit bei der US-Bevölkerung belaufen sich auf 3 bis 6%.
Bei Versuchen, die Pathogenese von Asthma zu erforschen, wurden die zellulären und biochemischen Grundlagen von drei wichtigen Merkmalen dieser Krankheit untersucht: chronische Luftwegsentzündung, reversible Obstruktion des Luftstroms und bronchiale Hyperreaktivität. In der Theorie wurde wahlweise auf Abnormalitäten in der Steuerung der Luftwegsfunktion durch das autonome Nervensystem, in den Kontraktionseigenschaften der glatten Bronchialmuskulatur oder im Bestand der Epithelzellen-Auskleidung als Merkmale, die asthmatische von normalen Luftwegen unterscheiden, hingewiesen. Es gibt Hinweise darauf, daß die normale Epithel-Auskleidung nicht nur als eine einfache Barriere wirkt: Epithelzellen bilden möglicherweise einen Relaxationsfaktor, der in aktiver Weise durch Herbeiführung einer Relaxation der glatten Muskulatur die Durchgängigkeit der Luftwege aufrechterhält. Epitheliale Abschuppung könnte zu einer bronchialen Hyperreaktivität beitragen, da dadurch eine geringere Menge an Relaxationsfaktor gebildet würde (vgl. "Asthma", Kapitel 14-II, in Scientific American Medicine, Bd. 2; Scientific American, Inc.; 1988, S. 2, 4).
Zur Behandlung von Asthma eingesetzte Arzneistoffe lassen sich allgemein in zwei Kategorien einteilen: Arzneistoffe, die vorwiegend als Entzündungsinhibitoren wirken, wie Corticosteroide und Natrium-cromolyn, und Arzneistoffe, die vorwiegend als Relaxationsmittel der glatten tracheobronchialen Muskulatur wirken, wie Theophyllin und dessen Derivate, beta-adrenergische Agonisten und anticholinergische Wirkstoffe. Einige dieser Bronchodilatatoren können oral verabreicht werden, während andere allgemein durch intravenöse oder subkutane Injektion oder durch Inhalation des Arzneistoffs in geeigneter Form, z.B. als Pulver in Aerosol-Form (d.h. bereitgestellt in Form eines fein verteilten Feststoffs, der in einem Gas, wie Luft, suspendiert ist) oder als Aerosol-Tröpfchen (bereitgestellt in Form eines feinen Nebels) verabreicht werden. Asthmapatienten nehmen typischerweise die Verabreichung bronchodilatatorischer Arzneistoffe mittels eines tragbaren Dosier-Inhalationsgeräts selbst vor, das nach Bedarf zur Unterdrückung oder Verhinderung von intermittierenden Asthmaanfällen eingesetzt wird.
Vom Konzept her analog zu einer Verengung der Luftwege der Lunge, die bei einem Asthmaanfall auftritt, stellt eine Vasokonstriktion eine reversible Verengung von Blutgefäßen dar, die auf eine Kontraktion der glatten Muskulatur der Blutgefäße zurückzuführen ist. Eine derartige Vasokonstriktion kann zu einem abnormal hohen Blutdruck (Hochdruck) im betroffenen Bereich des Kreislaufsystems führen.
Das Kreislaufsystem von Säugetieren besteht aus zwei getrennten Systemen, dem Körperkreislauf und dem Lungenkreislauf, die parallel durch die Pumpleistung der linken bzw. rechten Seite des Herzens versorgt werden. Der Lungenkreislauf transportiert das Blut durch die Lunge, wo es unter Äquilibrierung der Konzentrationen an Sauerstoff- und Kohlendioxidgas in den Alveolen Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid freisetzt. Das sauerstoffreiche Blut kehrt dann in die linke Seite des Herzens zurück, von wo aus es über den Körperkreislauf auf sämtliche Körperteile verteilt wird.
Das Körperkreislaufsystem eines erwachsenen Menschen besitzt typischerweise einen durchschnittlichen systemischen arteriellen Druck ("SAP") von 80-100 mmHg, während ein typischer durchschnittlicher pulmonaler arterieller Druck ("PAP") etwa 12-15 mmHg beträgt. Der normale pulmonale kapillare Druck beträgt etwa 7-10 mmHg. Berücksichtigt man den kolloidosmotischen Druck der Interstitialflüssigkeit (14 mmHg) und den kolloidonkotischen Druck des Plasmas (28 mmHg) sowie den Druck der freien Interstitialflüssigkeit (1-8 mmHg), so weist die normale Lunge einen durchschnittlichen Nettofiltrationsdruck von +1 mmHg auf (Guyton, Textbook of Medical Physiology, 6. Auflg.; W. B. Saunders Co., Philadelphia, PA (1981), S. 295). Dieser nahezu ausgeglichene Druckgradient hält die Alveolen einer gesunden Lunge frei von Flüssigkeit, die ansonsten aus dem Kreislaufsystem in die Lunge eindringen könnte.
Eine Erhöhung des PAP-Werts über Normalwerte wird als "pulmonaler Hochdruck" bezeichnet. Beim Menschen wird vom Vorliegen eines pulmonalen Hochdrucks gesprochen, wenn der PAP-Wert um mindestens 5-10 mmHg über normale Werte ansteigt. Es wurde über PAP-Meßwerte bis zu 50-100 mmHg über den Normalwerten berichtet. Wenn der PAP-Wert deutlich ansteigt, kann Plasma aus den Kapillaren in das Lungeninterstitium und die Alveolen eindringen, wodurch es zu Flüssigkeitsansammlung in der Lunge (pulmonales Ödem) mit einhergehender Verringerung der Lungenfunktion kommen kann, die in einigen Fällen tödlich sein kann.
Pulmonaler Hochdruck kann entweder akut oder chronisch sein. Akuter pulmonaler Hochdruck ist häufig eine potentiell reversible Erscheinung, die im allgemeinen einer Konstriktion der glatten Muskulatur der pulmonalen Blutgefäße zugeschrieben werden kann, wobei diese Konstriktion durch Bedingungen, wie Hypoxie (Höhenkrankheit), Acidose, Entzündungen oder pulmonale Embolie, ausgelöst werden kann. Chronischer pulmonaler Hochdruck ist durch starke strukturelle Veränderungen im pulmonalen Gefäßsystem gekennzeichnet, die zu einem verringerten Querschnitt der pulmonalen Blutgefäße führen. Dies kann beispielsweise durch chronische Hypoxie, Thromboembolie oder unbekannte Ursachen (idiopathischer oder primärer pulmonaler Hochdruck) hervorgerufen werden.
Pulmonaler Hochdruck wurde mit verschiedenen lebensbedrohenden klinischen Zuständen, wie Atmungsdistress-Syndrom bei Erwachsenen ("ARDS") und ständigem pulmonalem Hochdruck bei Neugeborenen ("PPHN") in Zusammenhang gebracht; Zapol et al., Acute Respiratory Failure (1985), S. 241-273, Marcel Dekker, New York; Peckham, J. Ped., Bd. 93 (1978), S. 1005. PPHN, eine Störung, die vorwiegend bei voll ausgetragenen Säuglingen auftritt, ist durch erhöhten pulmonalen Gefäßwiderstand, pulmonalen arteriellen Hochdruck und einen Links-Rechts-Shunt des Bluts durch den offenen Ductus arteriosus und das Foramen ovale im Herzen des Neugeborenen gekennzeichnet. Die Mortalitätsraten liegen bei 12-50%; Fox, Pediatrics, Bd. 59 (1977), S. 205; Dworetz, Pediatrics, Bd. 84 (1989), S. 1. Pulmonaler Hochdruck kann auch zu einem potentiell letalen Herzzustand führen, der als "Cor pulmonale" oder pulmonale Herzkrankheit bekannt ist; Fishman, "Pulmonary Diseases and Disorders", 2. Auflg., McGraw-Hill, New York (1988).
Es wurden Versuche unternommen, pulmonalen Hochdruck durch Verabreichung von Arzneistoffen mit bekannten systemischen gefäßerweiternden Wirkungen, wie Nitroprussid, Hydralazin und Calcium-Kanal-Blocker, zu behandeln. Obgleich diese Arzneistoffe in erfolgreicher Weise eine Senkung des pulmonalen Blutdrucks bewirken können, üben sie ihre Wirkung typischerweise wahllos aus, indem sie nicht nur den pulmonalen, sondern auch den systemischen Blutdruck verringern. Eine starke Verringerung des systemischen Gefäßwiderstands kann zu einer gefährlichen Ansammlung von Blut im venösen Kreislauf, zu peripherer Hypotonie (Schock), zu rechtsventrikulärer Ischämie und in der Folge zu Herzinsuffizienz führen; Zapol (1985); Radermacher, Anaesthesiology, Bd. 68 (1988), S. 152; Vlahakes, Circulation, Bd. 63 (1981), S. 87. Beispielsweise nahm bei intravenöser Verabreichung von Nitroprussid an 15 Patienten zur Behandlung von akutem pulmonalem Hochdruck aufgrund von ARDS der durchschnittliche PAP-Wert von 29,6 auf 24,2 mmHg ab, und der pulmonale Gefäßwiderstand (PVR) sank um durchschnittlich 32%, wobei aber der durchschnittliche systemische arterielle Druck von 89,6 mmHg auf einen inakzeptabel niedrigen Wert von 70 mmHg verringert wurde (Zapol et al., 1985). Intravenöse Verabreichung von Nitroprussid zur klinischen Behandlung von pulmonalem Hochdruck wurde nicht empfohlen, da es "in ausgeprägter Weise den pulmonalen Gasaustausch durch Erhöhung des QVA/QT-Werts beeinträchtigt" (Mischen von venösem und arteriellem Blut durch einen abnormalen Shunt); Radermacher (1988).
Es wird berichtet, daß sich eine physiologische Relaxation von Blutgefäßen aufgrund der Freisetzung eines sehr labilen, aus dem Endothel stammenden Nichtprostanoid-Relaxationsfaktors (EDRF) durch die Blutgefäße auskleidende Endothelzellen ergibt. EDRF stimuliert das Enzym Guanylatzyklase innerhalb der vaskulären glatten Muskulatur, woraus sich eine Zunahme an zyklischem GMP ergibt, was zu einer Relaxation dieses Muskels führt und dadurch die Vasokonstriktion rückgängig macht. Ignarro et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Bd. 84 (1987), S. 9265 und Palmer et al., Nature, Bd. 327 (1987), S. 524 identifizierten den Relaxationsfaktor der glatten Gefäßmuskulatur, der durch das Endothel von Arterien und Venen freigesetzt wird, als Stickstoffmonoxid ("NO"). Von NO wird ferner angenommen, daß es beim Abbau von organischen Nitraten, wie Nitroprussid und Glyceroltrinitrat, gebildet wird; Ignarro, Circ. Res., Bd. 65 (1989), S. 1; und Furchgott, FASEB J., Bd. 3 (1989), S. 2007. Higenbottam et al., Ann. Rev. Resp. Dis. Suppl., Bd. 137 (1988), S. 107 maßen die gefäßerweiternden Wirkungen von inhaliertem NO bei sieben Patienten mit einem als primärer pulmonaler Hochdruck bezeichneten chronischen Zustand. Der durchschnittliche PAP-Wert dieser Patienten beim Einatmen von 40 ppm NO betrug 56,7 mmHg, verglichen mit 59,6 mmHg bei Einatmen von Luft ohne NO-Zusatz, was einen Unterschied von 2,9 mmHg oder etwa 6% des Unterschieds ("ΔPAP") zwischen dem PAP-Wert vor der Behandlung und dem als normal angesehenen PAP-Wert bedeutet. Higenbottam et al. berichteten über eine durchschnittliche 9%ige Verringerung des PVR-Werts bei diesen Patienten während einer Inhalation von NO. Es wurde keine dementsprechende Abnahme des SAP-Werts beobachtet.
Unter Einwirkung von Sauerstoff ist NO-Gas instabil und unterliegt einer spontanen Oxidation zu NO&sub2; und höheren Stickoxiden. Diese höheren Stickoxide sind für die Lunge toxisch und können in hohen Konzentrationen pulmonale Ödeme hervorrufen. NO ist "der am raschesten an Hämoglobin bindende Ligand, der bisher beobachtet wurde"; Meyer, Eur. Resp., J., Bd. 2 (1988), S. 494. In einer Sauerstoff ausgesetzten, verdünnten wäßrigen Lösung hat gelöstes NO eine Halbwertszeit von weniger als 10 Sekunden, was auf die rasche Oxidation zu anorganischem Nitrit und Nitrat zurückzuführen ist; Ignarro, FASEB J., Bd. 3 (1989), S. 31. Die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) hat das zeitlich gewichtete durchschnittliche Inhalationslimit für NO auf 25 ppm in 10 Stunden festgelegt; "NIOSH Recommendations for Occupational Safety and Health Standards", Morbidity and Mortality Weekly Report, Bd. 37, Nr. S-7 (1988), S. 21.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen wir die Verwendung von gasförmigem Stickstoffmonoxid (NO) für die Herstellung eines inhalierbaren Arzneimittels zur Verwendung in der Behandlung oder Prophylaxe von Bronchokonstriktion bei einem Säugetier durch ein Verfahren bereit, das die Inhalation von NO in einer Konzentration umfaßt, die bei der Behandlung oder Prophylaxe dieser Krankheit therapeutisch wirksam ist.
Gemäß einem zweiten und alternativen Aspekt der Erfindung stellen wir die Verwendung eines gasförmigen Gemisches, das aus NO und einem inerten Gas (vorzugsweise N&sub2;) besteht, zur Herstellung eines inhalierbaren Arzneimittels zur Verwendung in einem Verfahren zur Behandlung oder Prophylaxe von Bronchokonstriktion oder reversibler pulmonaler Vasokonstriktion bei einem Säugetier bereit.
Gemäß einem dritten alternativen Aspekt der Erfindung wird die Verwendung einer Quelle für Stickstoffmonoxid zur Herstellung eines inhalierbaren Arzneimittels zur Verwendung bei der Behandlung oder Prophylaxe von reversibler pulmonaler Vasokonstriktion bei einem Säugetier durch ein Verfahren bereitgestellt, das die Identifizierung eines einzelnen Säugetiers, das einer derartigen Behandlung oder Prophylaxe bedarf, und die Inhalation dieses Arzneimittels durch das Säugetier in einer Menge umfaßt, die eine Menge an NO bereitstellt, die bei der Behandlung oder Prophylaxe dieser Krankheit therapeutisch wirksam ist.
Gemäß einem vierten und alternativen Aspekt der Erfindung wird ein gasförmiges Gemisch bereitgestellt, bestehend aus NO und einem inerten Gas (vorzugsweise N&sub2;), zur Verwendung in einem Verfahren zur Behandlung von Bronchokonstriktion oder reversibler pulmonaler Vasokonstriktion bei einem Säugetier.
Gemäß einem fünften und weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines inhalierbaren Arzneimittels durch kontinuierliches Mischen von NO mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bereitgestellt.
Somit ist ersichtlich, daß die Erfindung Mittel zur Prophylaxe und Behandlung von Asthmaanfällen oder anderer Formen von Bronchokonstriktion, akuter Atmungsinsuffizienz oder reversibler pulmonaler Vasokonstriktion (d.h. akuter pulmonaler Vasokonstriktion oder chronischer pulmonaler Vasokonstriktion, die eine reversible Komponente aufweist) bei Säugetieren (insbesondere Menschen) bereitstellt. Ein betroffenes Säugetier wird in geeigneter Weise identifiziert (beispielsweise durch herkömmliche diagnostische Verfahren oder durch das hier erläuterte diagnostische Verfahren) und dazu veranlaßt, eine therapeutisch wirksame Konzentration von gasförmigem Stickstoffmonoxid oder eine Menge einer Stickstoffmonoxid freisetzenden Verbindung, die NO in einer therapeutisch wirksamen Menge freisetzt, zu inhalieren. Eine Behandlung mit einem Bronchodilatator wird hier als "therapeutisch wirksam" für einen bestimmten Patienten bezeichnet, wenn sie den Luftwegswiderstand des Patienten um 20% oder mehr verringert, gemessen mit Standardverfahren der Lungenmechanik. Eine pulmonale vasodilatatorische Behandlung wird hier als "therapeutisch wirksam" bei einem bestimmten Patienten bezeichnet, wenn sie eine oder mehrere der folgenden Wirkungen herbeiführen kann: (1) Verhindern des Einsetzens einer pulmonalen Vasokonstriktion im Anschluß an eine Verletzung (z.B. Aspiration oder Trauma), von der erwartet werden könnte, daß sie zu einer pulmonalen Vasokonstriktion führt; (2) eine Verringerung von 20% oder mehr des ΔPVR-Werts des Patienten (Unterschied zwischen dem erhöhten PVR-Wert des Patienten und dem "normalen" PVR-Wert, wobei als normaler PVR-Wert für einen Erwachsenen ein Wert von weniger als 1 mmHg min/Liter angenommen wird, sofern für einen bestimmten Patienten kein anderer Wert festgestellt worden ist); (3) eine Verringerung von 20% oder mehr des ΔPAP-Werts des Patienten; (4) bei Erwachsenen mit akuter oder chronischer Atmungsinsuffizienz (z.B. aufgrund von Asthma oder Pneumonie) eine Verbesserung der arteriellen Sauerstoffspannung um mindestens 10 mmHg; oder (5) bei einem Kleinkind ein verbesserter transpulmonaler O&sub2;-Transport, gemessen als eine Steigerung von 10% oder mehr der arteriellen O&sub2;-Sättigung im Oberkörper (präduktal). Der PVR-Wert wird berechnet, indem man den pulmonalen Kapillarkeildruck (PCWP) (oder den linken Vorhofdruck, falls zugänglich) vom durchschnittlichen pulmonalen arteriellen Druck (PAP) subtrahiert und durch das Herz-Minuten-Volumen (CO) dividiert. PVR-Werte bis zu 6-20 mmHg min/Liter wurden in Fällen von schwerem ARDS beobachtet (Zapol et al., N. Engl. J. Med., Bd. 296 (1977), S. 476-480).
Die hier beschriebenen Verfahren eignen sich zur Prophylaxe (bei Verabreichung vor dem Einsetzen von Symptomen) oder zur Reversion einer akuten pulmonalen Vasokonstriktion, wie sie sich aufgrund von Pneumonie, traumatischer Verletzung, Aspirations- oder Inhalationsverletzung, Fettembolie in der Lunge, Acidose, Lungenentzündung, Atmungsdistress-Syndrom bei Erwachsenen, akutem Lungenödem, akuter Höhenkrankheit, Asthma, akutem pulmonalem Hochdruck nach Herzoperationen, ständigem pulmonalem Hochdruck bei Neugeborenen, perinatalem Aspirationssyndrom, Hyalin-Membranerkrankung, akuter pulmonaler Thromboembolie, Heparin-Protamin-Reaktionen, Sepsis, Asthma, Status asthmaticus oder Hypoxie (einschließlich des Zustands, der während einer Ein-Lungen-Anästhesie auftreten kann) ergeben kann sowie bei Fällen von chronischer pulmonaler Vasokonstriktion, die eine reversible Komponente aufweisen, wie sie sich beispielsweise bei chronischem pulmonalem Hochdruck, bronchopulmonaler Dysplasie, chronischer pulmonaler Thromboembolie, idiopathischem oder primärem pulmonalem Hochdruck oder chronischer Hypoxie ergeben können. Stickstoffmonoxidgas wird einem Säugetier mit pulmonaler Vasokonstriktion oder Asthma vorzugsweise gemäß einer oder mehrerer der folgenden Vorgehensweisen verabreicht:
(a) Verabreichung für mindestens 3 Minuten (vorzugsweise mindestens 6 Minuten);
(b) Verabreichung in Abwesenheit von Tabakrauch;
(c) die inhalierte Konzentration von Stickstoffmonoxid beträgt mindestens 1 ppm, vorzugsweise mindestens 20 ppm und insbesondere bevorzugt mindestens 80 ppm, wobei eine Konzentration von 180 ppm Stickstoffmonoxid nicht überschritten wird (wobei die Konzentration durch eine Technik, wie Chemilumineszenz, überwacht wird);
(d) das Stickstoffmonoxid wird in Form eines Gemisches inhaliert, das die Gase Stickstoffmonoxid, Sauerstoff (O&sub2;) und Stickstoff (N&sub2;) beinhaltet, vorzugsweise mit einem FIO&sub2;-Wert (d.h. Volumenanteil des O&sub2;-Gases) von 0,21-0,99, wobei der O&sub2;-Anteil in Luft 0,21 beträgt; und
(e) die Konzentration von NO&sub2; wird überwacht und innerhalb sicherer Grenzen gehalten (z.B. weniger als 1 ppm).
Die Inhalation von gasförmigem Stickstoffmonoxid stellt einen erheblichen Fortschritt in der Asthmatherapie dar, da das Gas keine Teilchen oder Tröpfchen aufweist, die zu dispergieren und zum Atmungstrakt zu transportieren sind. Gase zeigen freie Diffusion über lange Strecken, umgehen leicht Verengungen (z.B. verengte Luftwege) und lösen sich direkt im Gewebe ohne Herbeiführung eines durch Stoßwirkung verursachten Bronchospasmus. Die günstigen Einflüsse von NO- Gas auf den Tonus der glatten Bronchialmuskulatur werden sofort nach der Inhalation beobachtet, was NO zu einem wertvollen ersten Mittel zur Bekämpfung von Bronchospasmen macht, wonach anschließend gegebenenfalls eine Inhalation von länger wirkenden Mitteln erfolgen kann. Inhaliertes Stickstoffmonoxid stellt auch ein zweckmäßiges Mittel zur Diagnose der Reversibilität einer chronischen pulmonalen Vasokonstriktion bei einem Säugetier (insbesondere beim Menschen) dar: Das betroffene Säugetier wird zur Inhalation von gasförmigem Stickstoffmonoxid veranlaßt, wobei etwaige Veränderungen des PAP-Werts und des Herz- Minuten-Volumens vor und während der NO-Inhalation festgehalten werden. Wenn der PAP-Wert bei Inhalation von NO abnimmt, während das Herz-Minuten-Volumen konstant bleibt oder zunimmt, oder wenn der ΔPVR-Wert um einen erheblichen Betrag (z.B. mindestens 20% oder vorzugsweise mindestens 30%) abnimmt, so stellt dies einen Hinweis darauf dar, daß die chronische pulmonale Vasokonstriktion des Säugetiers eine reversible Komponente besitzt, die möglicherweise behandelt werden kann, indem man gasförmiges NO oder NO freisetzende Verbindungen (oder andere Arten von Vasodilatatoren) systemisch oder durch Inhalation verabreicht.
Alternativ kann ein Säugetier (insbesondere ein Mensch), der an einer sich entwickelnden Bronchokonstriktion (z.B. Asthma) oder an einer reversiblen pulmonalen Vasokonstriktion leidet, oder bei dem diesbezüglich ein Risiko besteht, mit einer therapeutisch wirksamen Menge einer Stickstoffmonoxid freisetzenden Verbindung behandelt werden. Bekannte Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindungen (auch als Stickstoffmonoxid-Donatoren oder als Stickstoffmonoxid erzeugende Verbindungen bezeichnet), die zur Ausführung der Erfindung geeignet sind, lassen sich in drei Kategorien einteilen: (a) Nitroso- oder Nitrosylverbindungen (z.B. S-Nitroso-N-acetylpenicillamin, S-Nitroso-L-cystein und Nitrosoguanidin), die durch einen NO-Rest gekennzeichnet sind, der unter physiologischen Bedingungen, wie sie in der Lunge gefunden werden, spontan aus der Verbindung freigesetzt oder anderweitig übertragen wird; (b) Verbindungen, bei denen NO einen Liganden in einem Übergangsmetallkomplex darstellt und unter physiologischen Bedingungen als solches leicht aus der Verbindung freigesetzt oder übertragen wird (z.B. Nitroprussid, NO-Ferredoxin oder ein NO-Häm-Komplex); und (c) Stickstoff enthaltende Verbindungen, die durch endogene Enzyme des Atmungs- und/oder Gefäßsystems unter Bildung des NO-Restes metabolisiert werden (z.B. Arginin, Glyceroltrinitrat, Isoamylnitrit, anorganisches Nitrit, Azid und Hydroxylamin). Derartige Arten von Stickstoffmonoxid freisetzenden Verbindungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus dem Stand der Technik bekannt (vgl. beispielsweise die folgenden Veröffentlichungen, die hier jeweils durch Verweis zum Bestandteil der Beschreibung gemacht werden: Edwards et al., Biochemical Pharmacology, Bd. 30 (1981), S. 2531-2538; Schmidt und Kukovetz, Eur. J. Pharmacol., Bd. 122 (1986), S. 75-79; Curran et al., FASEB J., Bd. 5 (1991), S. 2085-2092; Southern et al., FEBS Lett., Bd. 276 (1990), S. 42-44; Garg et al., J. Clin. Invest., Bd. 83 (1989), S. 1774-1777; Garg et al., Biochem. Biophys. Res. Commun., Bd. 171 (1990), S. 474-479; Boje et al., J. Pharmacol. Exp. Ther., Bd. 253 (1990), S. 20-26; Bruene et al., J. Biol. Chem., Bd. 264 (1989), S. 8455-8458; und McNamara et al., Can. J. Physiol. Pharmacol., Bd. 58 (1980), S. 1446-1456). Eine Verbindung, von der bekannt ist oder von der angenommen wird, daß sie eine NO freisetzende Verbindung darstellt, kann direkt auf ihre Wirksamkeit zur erfindungsgemäßen Verwendung unter Einsatz von Tiermodellen in einem der nachstehend beschriebenen In vivo-Tests getestet werden. Alternativ kann eine derartige Verbindung zunächst einem Screening in bezug auf ihre Fähigkeit zur Stimulation von Guanylatzyklase, dem Enzym, an das NO bindet und dadurch seine biologische Aktivität ausübt, in einem In vitro-Test, wie er beispielsweise von Ishii et al., Am. J. Physiol., Bd. 261 (1991), S. H598-H603 beschrieben wird, unterzogen werden. Die Stabilität der Verbindung während der Lagerung kann festgestellt werden, indem man beispielsweise die gelagerte Verbindung Reihenmessungen bezüglich der UV-Lichtabsorption bei einer für die NO- enthaltende Verbindung charakteristischen Wellenlänge (typischerweise 595 nm) unterzieht.
Die Stickstoff freisetzende Verbindung, die zur Verwendung bei der Ausführung der Erfindung ausgewählt wurde, kann in Form eines Pulvers (d.h. eines fein verteilten Feststoffs entweder in reiner Form oder in Form eines Gemisches mit einem biologisch verträglichen Trägerpulver oder mit einer oder mehreren zusätzlichen therapeutischen Verbindungen) oder in Form einer Flüssigkeit (d.h. gelöst oder suspendiert in einer biologisch verträglichen Trägerflüssigkeit, gegebenenfalls im Gemisch mit einer oder mehreren zusätzlichen therapeutischen Verbindungen) verabreicht werden und kann zweckmäßigerweise in Aerosolform (vorzugsweise mit einem Gehalt an Teilchen oder Tröpfchen mit einem Durchmesser von 10 µm oder weniger) inhaliert werden. Trägerflüssigkeiten und Pulver, die fur die Inhalation geeignet sind, werden allgemein in herkömmlichen Asthma- Inhalationsarzneimitteln verwendet und sind somit dem Entwickler derartiger Therapeutika geläufig. Der optimale Dosierungsbereich kann durch routinemäßiges Vorgehen eines Durchschnittsfachmanns auf dem Gebiet der Pharmakologie bestimmt werden. Beispielsweise liegt ein geeigneter Dosierungsbereich für SNAP bei 1 bis 500 µMol (vorzugsweise 1-200 µMol) pro inhalierter Dosis, wobei die Anzahl der erforderlichen Inhalationen je nach den Bedürfnissen des Patienten variiert.
Unter die Erfindung fällt auch die Verwendung einer Quelle für Stickstoffmonoxid zur Herstellung eines Arzneimittels oder einer Vorrichtung zur Verbesserung der Lungenfunktion (z.B. zur Umkehrung einer Bronchokonstriktion oder zur Erleichterung des Gasaustausches innerhalb der Lunge) bei einem Säugetier oder in einem Kit für eine derartige Anwendung. Bei einer derartigen Quelle kann es sich beispielsweise um ein Gemisch aus komprimierten Gasen mit einem Gehalt an NO oder um eine NO erzeugende Verbindung oder um beliebige andere bekannte Quellen für chemisches NO handeln, sofern NO an den Ort innerhalb der Luftwege gebracht wird, wo es eine günstige Wirkung entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung ausüben kann. Ein derartiger Kit umfaßt neben einer Quelle für Stickstoffmonoxid einen Satz von Anweisungen bezüglich der Verwendung der Quelle für Stickstoffmonoxid zur Verbesserung der Lungenfunktion (z.B. durch Inhalation von NO-Gas oder durch Inhalation einer NO freisetzenden Verbindung).
Nachstehend wird eine als an sich neu angesehene Inhalationsvorrichtung beschrieben (die vorzugsweise so leicht ist, daß sie als tragbar angesehen werden kann, d.h. weniger als 5 kg und vorzugsweise weniger als 1 kg wiegt), die sich zur Behandlung oder Prophylaxe von Bronchokonstriktion oder pulmonaler Vasokonstriktion eignet, wobei diese Vorrichtung ähnlich konstruiert sein kann, wie derzeit zur Behandlung von Asthmaanfällen verfügbare Inhalatoren, und wobei sie entweder einen oder beide der folgenden Bestandteile enthält: (a) komprimiertes Stickstoffmonoxidgas und (b) eine Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindung. Eine derartige Vorrichtung weist typischerweise folgende Bestandteile auf: Ein Gefäß mit komprimiertem Gas mit einem Gehalt an mindestens 1 ppm (vorzugsweise mindestens 5 ppm, insbesondere bevorzugt mindestens 40 ppm und ganz besonders bevorzugt mindestens 100 ppm) Stickstoffmonoxid; ein Gehäuse, das ein Lumen und gegebenenfalls eine Kammer definiert, die ein inhalierbares, pharmazeutisch wirksames Mittel enthält, wobei die Kammer in Verbindung mit dem Lumen steht; und einen Mechanismus, z.B. ein Freigabeventil, das durch Drücken des Ventils zu betätigen ist, zur kontrollierbaren Freisetzung des Gases in das Lumen oder in die Kammer (wodurch das pharmazeutisch wirksame Mittel im freigesetzten Gas suspendiert wird); wobei das Lumen so konfiguriert ist, daß es das freigesetzte Gas (und das etwaige suspendierte Mittel) in das Atmungssystem eines Patienten führt. Das Lumen kann einen Schlauch, eine Maske oder eine Rückatmungskammer umfassen, wie sie typischerweise bei derzeit verfügbaren Inhalationsvorrichtungen vorhanden sind. Die Vorrichtung kann auch einen Mechanismus umfassen, mit dem das Gas in das Lumen gegebenenfalls auf solche Weise freigesetzt wird, daß es die Verbindung in der Kammer umgeht, wodurch es dem Patienten ermöglicht wird, zunächst mit dem Stickstoffmonoxid enthaltenden Gas allein und anschließend, falls nötig, mit einer Dosis des im Stickstoffmonoxid enthaltenden Gas suspendierten, pharmazeutisch wirksamen Mittels behandelt zu werden. Beim pharmazeutisch wirksamen Mittel kann es sich beispielsweise um eine bronchodilatatorische Verbindung in flüssiger oder fester Form handeln. Bei einer derartigen Verbindung kann es sich um eine beliebige Verbindung handeln, die zur wirksamen Bekämpfung von Bronchokonstriktion derzeit bekannt ist oder erst später aufgefunden wird. Zu Arten von Arzneistoffen, die bezüglich der Inhalationsbehandlung von Asthma als wirksam bekannt sind, gehören Cromolyn-Natrium; anticholinergische Mittel (wie Atropin und Ipratropiumbromid); β&sub2;-Agonisten (wie Adrenalin, Isoproterenol, Ephedrin, Salbutamol, Terbutalin, Orciprenalin, Fenoterol und Isoetharin), Methylxanthine (wie Theophyllin); Calcium-Kanal-Blocker (wie Verapamil); und Glucocorticoide (wie Prednison, Prednisolon, Dexamethason, Beclomethason-dipropionat und Beclomethasonvalerat), wie sie in Kapitel 39 von Principles of Medical Pharmacology, 5. Auflg., Hrsg. Kalant und Roschlau (B. C. Dekker Inc., Philadelphia, 1989) beschrieben sind, wobei diese Druckschrift durch Verweis zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird. Die Verwendung und Dosierung dieser und anderer als Bronchodilatatoren wirkender Arzneistoffe bei der Inhalationstherapie ist den Fachleuten, die routinemäßig Asthmapatienten behandeln, geläufig.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen, bronchodilatatorisch wirkenden Arzneistoffen oder stattdessen kann die beschriebene Inhalationsvorrichtung auch eine Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindung enthalten (z.B. SNAP, S- Nitrosocystein, Nitroprussid, Nitrosoguanidin, Glyceroltrinitrat, Isoamylnitrit, anorganisches Nitrit, Azid oder Hydroxylamin), die eine lange anhaltende bronchienerweiternde Wirkung zur Ergänzung der sofortigen Wirkung, die durch Inhalation von NO-Gas erzielt wird, gewährleistet. NO freisetzende Verbindungen können auf ihre Eignung zur Behandlung von Asthmaanfällen und/oder reversibler pulmonaler Vasokonstriktion durch In vitro- und In vivo-Tests getestet werden, die Ärzten, die routinemäßig mit der Entwicklung von Therapien für derartige Zustände befaßt sind, geläufig sind. Zu Kriterien für die Auswahl einer therapeutisch wertvollen NO-Donatorverbindung gehören ihre Lagerungsstabilität vor Inhalation und ihre Fähigkeit zur Zersetzung unter Freisetzung von NO in einer therapeutisch günstigen Geschwindigkeit bei Ablagerung im entsprechenden Teil des Atmungstraktes. Beispielsweise wurde für S-Nitroso-N- acetylpenicillamin ("SNAP") gezeigt, daß es in fester Form stabil ist, die Verbindung sich jedoch unter physiologischen Bedingungen (z.B. im physiologischen Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche des Bronchiolen- oder Alveolarlumens) leicht unter Freisetzung von NO zersetzt (Ignarro, Circ. Res., 1989). Die Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindung kann in Pulverform bereitgestellt oder in einer biologisch verträglichen Trägerflüssigkeit gelöst oder suspendiert werden. Bei der Vorrichtung kann es sich um einen tragbaren Inhalator handeln, ähnlich den Vorrichtungen, die typischerweise von Personen mit Asthma verwendet werden, die aber ein komprimiertes Gemisch aus Stickstoffgas (oder einem anderen inerten Gas) und Stickstoffmonoxidgas (anstelle von oder zusätzlich zu einem inerten, verflüssigten Treibmittel, wie einem Fluorkohlenstoff, z.B. Freon) enthält. Alternativ kann es sich bei dem in der Vorrichtung enthaltenen pharmazeutisch wirsamen Mittel um ein antimikrobielles Mittel handeln oder um ein oberflächenaktives Mittel, das sich zur Behandlung der Hyalin- Membranerkrankung eignet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung:
ein Gefäß, das eine Stickstoffmonoxid-Donatorverbindung (z.B. in flüssiger oder fester Form) enthält, die in einem verflüssigten Treibmittel suspendiert ist;
ein Gehäuse, das (a) eine Öffnung, an der das Gefäß befestigt ist, und (b) ein Lumen, das mit der Öffnung in Verbindung steht, definiert; und
einen Mechanismus zur kontrollierbaren Freisetzung des Treibmittels aus dem Gefäß in das Lumen, wobei die Verbindung aus dem Gefäß in das Lumen freigesetzt wird; wobei das Lumen so konfiguriert ist, daß es die Verbindung in das Atmungssystem einer Person führt.
Alternativ kann die Vorrichtung umfassen:
ein Gefäß, das ein komprimiertes oder verflüssigtes Treibgas enthält (das gegebenenfalls mindestens 1 ppm Stickstoffmonoxidgas enthält);
ein Gehäuse, das (a) eine Kammer, die eine Stickstoffmonoxid-Donatorverbindung enthält, und (b) ein mit der Kammer in Verbindung stehendes Lumen definiert; und
einen Mechanismus zur kontrollierbaren Freisetzung des Gases aus dem Gefäß in die Kammer (z.B. in vorgegebenen Dosen), wodurch die Verbindung im Gas suspendiert wird; wobei das Lumen so konfiguriert ist, daß es die Verbindung in das Atmungssystem einer Person führt. Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Dosierungsinhalator, ähnlich einer der zahlreichen, derzeit verfügbaren Konstruktionen, der in einem Stoß, der zur Inhalation in einem einzigen oder mehreren Atemzügen vorgesehen ist, automatisch eine festgesetzte Menge der Bronchodilatator-Substanz (unter Einschluß des NO-Gases und/oder der NO freisetzenden Verbindung) abgibt, wenn er durch den Patienten, der einer Behandlung bedarf, betätigt wird. Eine einzelne Vorrichtung kann gegebenenfalls so konstruiert sein, daß sie nach Belieben des Patienten NO-Gas (verdünnt mit einem Inertgas, wie N&sub2;) mit oder ohne die feste oder flüssige Bronchodilatator- Substanz abgibt. Eine derartige "zweistufige" Konstruktion erlaubt es dem Patienten/der Patientin, die Verwendung der testen oder flüssigen Bronchodilatator- Substanz mit längerer Wirkungsdauer erst für den Zeitpunkt vorzusehen, zu dem seine oder ihre Luftwege durch den Gasstoß von NO in N&sub2; geöffnet wurden, wodurch die Dosierung des festen oder flüssigen Arzneimittels, die für eine anhaltende positive Wirkung erforderlich ist, verringert wird. Die optimale Menge an NO und/oder NO freisetzender Verbindung, die abgegeben werden soll, kann durch einen Pharmakologen unter Heranziehung z.B. der hier angegebenen Methoden festgelegt werden. Es ist zu erwarten, daß eine geeignete Inhalationsdosis an NO-Gas für die Behandlung von Asthma mindestens 10 ppm für 1/2 min und vorzugsweise 100 bis 300 ppm für 1 min beträgt, was beispielsweise erreicht werden kann, indem man das aus der Düse des Inhalators (oder in einen Schlauch oder eine Maske zur Rückatmung) freizusetzende, komprimierte NO in einer Konzentration von mindestens 1.000 ppm in ein Gemisch mit N&sub2; bringt. Die Behandlung einer pulmonalen Vasokonstriktion bei Selbst-Verabreichung kann eine Konzentration von 1.000 bis 30.000 ppm NO in N&sub2; an der Düse erfordern, um 5 ml in 500 ml Atmungsvolumen abzugeben, so daß sich eine wirksame Konzentration von 10 bis 300 ppm NO in der Lunge des Patienten ergibt.
NO-Gas kann auch zur Bronchienerweiterung und somit zur Verbesserung der Verteilung von anderen, durch Inhalation verabreichten Mitteln herangezogen werden. Beispiele für derartige Mittel, die häufig durch Inhalation verabreicht werden, sind Antibiotika und andere antimikrobielle Mittel (z.B. Pentamidin zur Behandlung von pneumozystischer Pneumonie) und oberflächenaktive Mittel, wie sie Kleinkindern mit Hyalin-Membranerkrankung verabreicht werden.
Es ist also ersichtlich, daß hier eine einfache, sichere, rasche und wirksame Behandlung oder prophylaktische Therapie von Asthmaanfällen, akuter Atmungsinsuffizienz (z.B. ARDS oder Pneumonie) und vasokonstriktivem pulmonalem Hochdruck beschrieben wird.
Ein tragbarer Inhalator, der mit einer Patrone mit komprimiertem NO oder einem Aerosolbehälter mit einer NO freisetzenden Verbindung in Form eines Pulvers oder einer Flüssigkeit ausgerüstet ist, kann zur Durchführung einer Inhalationstherapie bei Asthma oder pulmonaler Vasokonstriktion entweder im Krankenhausbereich oder in Notfallsituationen verwendet werden. Ein derartiger Inhalator kann beispielsweise von einer Person, bei der das Risiko einer sich entwickelnden Hypoxie besteht, beispielsweise bei einem Bergsteiger, oder von Skipatrouillen-Personal getragen werden, die dann im Notfall die Inhalationstherapie bei Skiläufern durchführen können, die von einem hypoxischen pulmonalen Ödem betroffen sind. Ähnliche Inhalatoren, die bronchienerweiternde Mittel enthalten, werden routinemäßig von asthmatischen Personen mitgeführt. Eine Patrone mit komprimiertem NO oder ein Aerosolbehälter mit einer NO freisetzenden Verbindung kann mit einem Beatmungskreislauf verbunden werden und zur Behandlung und Stabilisierung von Neugeborenen mit PPHN während des Transports aus dem Krankenhaus, wo die Entbindung stattgefunden hat, zu einem mit einer Intensivstation, verwendet werden, oder kann zur Behandlung von Pneumonie und ARDS durch Maskentherapie oder mit einem mechanischen Beatmungsapparat in einem Krankenhaus oder in einem Notfallraum verwendet werden.
Wird eine NO freisetzende Verbindung in fester oder flüssiger Form inhaliert, so lagern sich die Teilchen oder Tröpfchen im gesamten Atmungssystem ab, wobei größere Teilchen oder Tröpfchen dazu tendieren, sich in der Nähe der Eintrittsstelle (d.h. im Mund oder in der Nase) abzulagern, und kleinere Teilchen oder Tröpfchen zunehmend weiter in das Atmungssystem transportiert werden, bevor sie sich in der Luftröhre, den Bronchien und schließlich in den Alveolen ablagern (vgl. z.B. Hounam & Morgan, "Particle Deposition", Kapitel 5, in Respiratory Defense Mechanisms, Teil 1, Marcel Dekker, Inc., NY; Hrsg. Brain et al., 1977, S. 125). Ein Teilchen/Tröpfchen-Durchmesser von 10 µm oder weniger wird zur Verwendung bei der Ausführung der Erfindung empfohlen. Sofern die Behandlung auf eine pulmonale Vasokonstriktion abzielt, sollte die Teilchen/Tröpfchen-Größe im allgemeinen eine Größenverteilung aufweisen, die für die Ablagerung in den Alveolen geeignet ist (d.h. durchschnittlich weniger als 5 µm mit einer idealen Größe um 1-3 µm), während die Behandlung eines Asthmaanfalls, der vorwiegend die Bronchien betrifft, vorzugsweise mit einer Größe der inhalierten Teilchen/Tröpfchen von etwa 2-8 µm durchgeführt wird. Die Bestimmung bevorzugter Träger (sofern vorhanden), Treibmittel (die NO in Verdünnung mit einem Inertgas, wie N&sub2;, umfassen können), Konstruktionen des Inhalators und Formulierungen der NO freisetzenden Verbindung in ihrem Träger liegt ohne weiteres im Vermögen des Durchschnittsfachmanns auf dem Gebiet der Entwicklung von routinemäßigen Asthma-Inhalationstherapien. Der tragbare Inhalator kann einen Behälter mit komprimiertem NO, vorzugsweise in einem inerten Trägergas, wie N&sub2;, oder beliebige andere Einrichtungen zur Bereitstellung von NO-Gas enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann der Inhalator eine NO freisetzende Verbindung entweder im Gemisch in trockener Form mit einem Treibmittel oder in einer vom Treibmittel getrennten Kammer oder im Gemisch mit einem flüssigen Träger, der zur Zerstäubung in geeigneter Tröpfchengröße geeignet ist, oder in einer beliebigen anderen Konfiguration, die dem Fachmann auf dem Gebiet der tragbaren Inhalatoren bekannt ist, enthalten. Einige der verschiedenen Typen von Inhalatorkonstruktionen, die bisher entwickelt worden sind, sind beispielsweise in folgenden US-Patenten erörtert: 4 667 668, 4 592 348, 4 534 343 und 4 852 561, die jeweils durch Verweis zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht werden. Weitere Inhalatorkonstruktionen sind in Physicians' Desk Reference, 45. Auflg., Hrsg. Edward R. Bamhart (1991) beschrieben. Alle diese Inhalatoren und weitere Inhalatoren vom Aerosoltyp können so adaptiert werden, daß sie sich zur Abgabe von NO-Gas und/oder NO freisetzenden Verbindungen eignen. Zur Abgabe einer NO freisetzenden Verbindung, die in Form eines trockenen Pulvers formuliert ist, eignet sich auch eine Nicht-Aerosol-Inhalatorvorrichtung, wie sie etwa von der Fa. Allen & Hanburys, Research Triangle Park, North Carolina, entwickelt worden ist.
Da in den Blutkreislauf gelangendes NO-Gas rasch durch Verbindung mit Hämoglobin inaktiviert wird, sind die bronchienerweiternden Wirkungen von inhaliertem NO auf die beatmeten Bronchien und die gefäßerweiternden Wirkungen von inhaliertem NO auf die Blutgefäße nahe der Stelle des NO-Übertritts in den Blutkreislauf, d.h. die pulmonalen Mikrogefäße, beschränkt. Daher besteht ein wichtiger Vorteil sowohl der hier beschriebenen bronchienerweiternden wie auch der pulmonal gefäßerweiternden Therapien darin, daß man selektiv Bronchospasmen und/oder pulmonalen Hochdruck verhindern oder behandeln kann, ohne daß man gleichzeitig eine Senkung des systemischen Blutdrucks auf möglicherweise gefährliche Werte hervorruft. Die Erfindung ermöglicht eine wirksame Umkehr von pulmonalem Hochdruck ohne die Gefahr einer Unterperfusion von vitalen Organen, einer venösen Blutansammlung, einer Ischämie und eines Herzversagens, die eine systemische Gefäßerweiterung begleiten können. Eine derartige isolierte pulmonale Gefäßerweiterung ist auch von Bedeutung bei der Behandlung von PPHN bei Neugeborenen, da eine systemische Gefäßerweiterung die unerwünschte Vermischung von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut durch den Ductus arteriosus oder das Foramen ovale von Neugeborenen verstärkt. Ferner verbessern unsere Therapien durch gleichzeitige Bronchienerweiterung und Erhöhung der Durchblutung in Richtung beatmeter Alveolen den Sauerstofftransport bei Patienten mit Asthma oder akuter Atmungsinsuffizienz, was einen zusätzlichen Vorteil darstellt, der bei typischen bronchienerweiternden Therapien nicht gegeben ist.
Nachstehend wird erläutert, wie ein einfaches, rasches, nicht-invasives Verfahren zur Diagnose von Formen chronischen pulmonalen Hochdrucks, der auf NO-Inhalationstherapie anspricht, bereitgestellt werden kann. Diese Patienten können von einer Langzeit-Inhalationstherapie oder einer chronischen systemischen Behandlung mit NO-bildenden gefäßerweiternden Substanzen, wie Nitroprussid und Glyceroltrinitrat, zusammen mit Calcium-Kanal-Blockern oder mit anderen Arten von gefäßerweiternden Mitteln profitieren.
Weitere Merkmale und Vorteile unserer Lehre ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und dem experimentellen Teil. Zunächst werden die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der NO-Dosis-Wirkungs-Kurve bei Lämmern mit einer durch U46619 induzierten pulmonalen Vasokonstriktion;
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Wirkungen der Inhalation verschiedener Konzentrationen von NO im Gemisch mit O&sub2;, alternierend mit Perioden, in denen 60-70% O&sub2; ohne Zusatz von NO eingeatmet wurde, auf den PAP-Wert bei Lämmern, die kontinuierliche Infusionen von U46619 erhielten;
Fig. 3 eine Streifendiagramm-Aufzeichnung zur Erläuterung der Wirkung, die eintritt, wenn ein Lamm mit einer durch U46619 induzierten pulmonalen Vasokonstriktion zur 6-minütigen Inhalation von 80 ppm NO veranlaßt wird;
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungen von Inhalation verschiedener Konzentrationen von NO im Gemisch mit O&sub2;, alternierend mit Perioden, in denen 60-70% O&sub2; ohne Zusatz von NO eingeatmet wurde, auf den pulmonalen Gefäßwiderstand (PVR) von Lämmern, die kontinuierliche Infusionen von U46619 erhielten;
Fig. 5 ein Paar von Diagrammen zum Vergleich der Wirkung einer Inhalation von 180 ppm NO mit unbehandelten Kontrollen, die Luft einatmeten, auf die PAP- und PVR-Werte von Schafen, bei denen eine Heparin-Protamin-Reaktion erhöhte PAP- und PVR-Werte hervorgerufen hat;
Fig. 6 eine Streifendiagramm-Aufzeichnung zum Vergleich der Behandlung mit PGI&sub2; und einer NO-Inhalation bei einem Erwachsenen mit schwerem ARDS;
Fig. 7 eine Darstellung der Vorrichtung und der Bedingungen, die zur Abgabe von NO-Gas an die Lungen von Meerschweinchen im Verlauf von Versuchen bezüglich Bronchodilatation angewandt wurden, und eine Zusammenfassung von jeweils an drei Stellen der Vorrichtung gewonnenen Chemilumineszenz-Daten;
Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der Inhalation von 300 ppm NO-Gas auf neun normale (d.h. keiner Bronchokonstriktion unterworfene) Meerschweinchenlungen;
Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungen bezüglich des Lungenwiderstandes bei neun experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfenen Meerschweinchen während der Behandlung mit verschiedenen Konzentrationen an NO-Gas;
Fig. 10 ein Diagramm zum Vergleich des Lungenwiderstands bei Behandlung von acht experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfenen Meerschweinchen mit verschiedenen Konzentrationen an NO-Gas;
Figuren 11 und 12 Diagramme zur Erläuterung der Dosis-Wirkungs-Kurve bei Behandlung von neun experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfenen Meerschweinchen mit verschiedenen Konzentrationen an NO-Gas, wobei die Reaktion als Lungenwiderstand (Fig. 11) oder als prozentualer Anteil des beobachteten maximalen Lungenwiderstands (Fig. 12) gemessen wurde;
Fig. 13 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungen von Langzeit-Inhalation (1 Stunde) von 100 ppm NO oder Metacholingabe allein auf acht experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfene Meerschweinchenlungen;
Fig. 14 ein Diagramm zur Erläuterung der zusätzlichen Wirkungen einer Inhalation sowohl von Terbutalin als auch von NO auf den Lungenwiderstand bei drei experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfenen Meerschweinchen;
Fig. 15 ein Diagramm zur Erläuterung der zusätzlichen Wirkungen einer Inhalation sowohl von Terbutalin als auch von NO auf die Lungenausdehnung bei drei experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfenen Meerschweinchen;
Fig. 16 ein Diagramm zur Erläuterung der Veränderungen des Lungenwiderstands, die bei fünf experimentell einer Bronchokonstriktion unterworfenen Meerschweinchen bei Inhalation von zerstäubtem S-Nitroso-N-acetylpenicillamin (SNAP) beobachtet wurden;
Fig. 17 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer für die Ausführung der Erfindung geeigneten Inhalationsvorrichtung; und
Fig. 18 eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer für die Ausführung der Erfindung geeigneten Inhalationsvorrichtung.

NO-Inhalationstherapie bei pulmonaler Vasokonstriktion

Unsere Therapie stellt erstmals ein einfaches, rasches, selektives und wirksames Verfahren zur Behandlung oder Prophylaxe sowohl von akutem als auch bestimmten Formen von chronischem pulmonalem Hochdruck bereit, ohne daß gleichzeitig der systemische Blutdruck des Patienten gesenkt wird. Pulmonaler Hochdruck ist eine weit verbreitete klinische Erscheinung, von der unterschiedliche Patientengruppen betroffen sind. Die Verwendung von inhaliertem NO ist derzeit für Patienten vorgesehen, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein, bei denen folgende Krankheiten oder ein Entwicklungsrisiko für diese Krankheiten bestehen: ARDS, Pneumonie, Asthma, akutes pulmonales Ödem, akute oder chronische Hypoxie, alveolare Hypoventilationszustände, pulmonales Ödem aufgrund großer Höhe ("Höhenkrankheit"), PPHN, Hyalin-Membranerkrankung, Acidose, idiopathischer pulmonaler Hochdruck, Sepsis, pulmonale Thromboembolie, Cor pulmonale als Nebenerscheinung bei pulmonalem Hochdruck, perinatales Aspirationssyndrom und akute pulmonale Vasokonstriktion als Reaktion auf eine Protamin-Umkehr einer Heparin-Antikoagulation ("Heparin-Frotamin-Reaktion").

Verabreichungsmethode

Komprimiertes NO-Gas kann von einem gewerblichen Lieferanten, wie Air Products and Chemicals, Inc. (Allentown, FA) oder Airco (Murray Hill, NJ) typischerweise in Form eines Gemisches aus 200-800 ppm NO in reinem N&sub2;-Gas bezogen werden. Es ist von entscheidender Bedeutung, daß das NO als ein Gemisch, das frei von verunreinigendem O&sub2; oder höheren Stickoxiden ist, bezogen und gelagert werden kann, da höhere Stickoxide (die durch Reaktion von O&sub2; mit NO entstehen können) potentiell schädlich für das Lungengewebe sind. Gegebenenfalls kann die Reinheit des NO durch Chemilumineszenzanalyse unter Anwendung bekannter Verfahren vor der Verabreichung an den Patienten nachgewiesen werden. Das NO-N&sub2;- Gemisch kann mit Luft oder O&sub2; beispielsweise durch kalibrierte Rotameter, die vorher mit einem Spirometer validiert worden sind, vermischt werden. Die Endkonzentration des NO im Atmungsgemisch kann durch eine chemische Technik oder Chemilumineszenz-Technik, die dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist, verifiziert werden (vgl. z.B. Fontijin et al., Anal. Chem., Bd. 42 (1970), S. 575-579). Etwaige Verunreinigungen, wie NO&sub2;, können durch Exposition gegenüber NaOH-Lösungen, Baralyme oder Natronkalk, ausgewaschen werden. Als zusätzliche Kontrolle kann auch der FiO&sub2;-Wert des endgültigen Gasgemisches bestimmt werden. Gegebenenfalls kann der Beatmungsapparat eine am Ausatmungsauslaß vorgesehene Gaswaschvorrichtung aufweisen, um zu gewährleisten, daß keine erheblichen Mengen an NO in die benachbarte Umgebung entweichen.
In einem Krankenhaus oder im Falle einer Notfallbehandlung kann die Verabreichung von NO-Gas beispielsweise vorgenommen werden, indem man einen Behälter mit komprimiertem NO-Gas in N&sub2; und einen zweiten Behälter mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff/N&sub2;-Gemisch an einem Inhalator anbringt, der zum Mischen zweier Quellen vorgesehen ist. Durch Steuerung des Gasstroms aus der jeweiligen Quelle kann die Konzentration des vom Patienten inhalierten NO auf einem optimalen Wert gehalten werden.
NO kann Säugetieren, bei denen ein Verdacht auf akute pulmonale Vasokonstriktion besteht, in einer Konzentration von etwa 1 bis 40 ppm in Luft, reinem Sauerstoff oder einem anderen geeigneten Gas oder Gasgemisch so lange, wie Bedarf besteht, verabreicht werden. Die Konzentration kann für kurze Zeitspannen auf 80 bis 180 ppm erhöht werden: z.B. 180 ppm NO für 5 min, wenn eine sofortige drastische Wirkung erwünscht ist.

Bestimmung des pulmonalen vaskulären Drucks und der Durchblutung

Der pulmonale arterielle Druck wird am genauesten mit einem in Strömungsrichtung ausgerichteten Katheter für pulmonale Arterien (PA) überwacht, der perkutan unter Lokalanästhesie über eine Vene des Patienten gesetzt wird. Die PA-Durchblutung wird üblicherweise durch Thermodilution über einen derartigen PA-Katheter gemessen. Es existieren alternative Verfahren für eine indirekte, nicht-invasive Überwachung: z.B. Herzultraschall, Überwachung der systolischen Zeitintervalle und Doppler-Techniken (range-gated). Diese alternativen Verfahren zur Überwachung können dann besser sein, wenn eine Katheterisierung unpraktikabel ist, beispielsweise in Notfallsituationen, bei Patienten, die für eine Katheterisierung nicht gut geeignet sind oder bei bereits angelaufenen oder eingeführten Verfahrensweisen.

Pharmakologische Wirkung von Stickstoffmonoxid

Vermutlich wirkt inhaliertes NO durch Diffusion in den Gefäßraum neben den Alveolen und durch Herbeiführung einer Relaxation der glatten pulmonalen Gefäßmuskulatur, wodurch eine Erhöhung der pulmonalen Durchblutung und des Gasaustausches ermöglicht wird. Voruntersuchungen an fünf Personen mit schwerer akuter Atmungsinsuffizienz belegen, daß NO (etwa 20 ppm), das bei mechanischer Beatmung für Zeiträume bis zu 1 Monat inhaliert wird, sowohl den arteriellen pulmonalen Druck als auch den QVA/QT-Wert (Rechts-Links-Shunt: Maß für die Ineffizienz des pulmonalen Sauerstofftransports) verringert, was eine merkliche Erhöhung der Blutsauerstoffspiegel der Patienten mit sich bringt. Dies läßt darauf schließen, daß die NO-Vasodilatation nur in belüfteten Alveolen und nicht in nicht-belüfteten oder kollabierten Alveolen stattfindet, was in deutlichem Gegensatz zu Ergebnissen im Anschluß an intravenös verabreichte Vasodilatatoren, wie Nitroprussid, steht. Aufgrund der lokalisierten Abgabe von NO in Gasform direkt in die Lungen, kann das gelöste NO seine pharmakologische Wirkung unmittelbar auf die als Ziel ausgewählte glatte Gefäßmuskulatur ausüben, bevor das NO durch Bindung an Hämoglobin inaktiviert wird. Gleichzeitig gewährleistet die rasche Bindung von NO an Hämoglobin, daß etwaige gefäßerweiternde Wirkungen von inhaliertem NO nur einen lokalen oder selektiven Effekt in den Blutgefäßen der Lunge ausüben, ohne daß es zu einer gleichzeitigen Vasodilatation stromabwärts im Körperkreislauf kommt.

Diagnose und Behandlung von chronischem pulmonalem Hochdruck

Chronischer pulmonaler Hochdruck ist durch eine Sperre oder eine strukturelle Verengung von Blutgefäßen in der Lunge charakterisiert. Soweit der chronische Zustand eines bestimmten Patienten durch eine spastische Konstriktion der glatten Muskulatur der pulmonalen Gefäße oder durch eine Bronchokonstriktion verursacht oder erschwert wird, kann dieser Zustand zumindest partiell durch Inhalation von NO gebessert werden. Derartige Fälle, die einer Behandlung mit NO und möglicherweise mit systemischen Vasodilatatoren zugänglich sind, lassen sich leicht aufgrund ihrer Reaktion auf einen kurzen NO-Inhalationstest (z.B. eine 6-minütige Inhalation von 80 ppm NO, abwechselnd mit einer 6-minütigen Inhalation von Luft ohne NO-Zusatz, bei wiederholter Durchführung von 2 bis 4 Zyklen) identifizieren, wobei der PAP-Wert, der PCWP-Wert und das Herz-Minuten- Volumen gemessen werden. Reagierende Fälle (z.B. solche, bei denen der PVR-Wert um 20% oder mehr verringert wird) können sodann entweder einer Therapie mit einem tragbaren NO-Inhalationsgerät, einer Inhalationsbehandlung mit NO freisetzenden Verbindungen in fester oder flüssiger Form oder einer Behandlung mit NO freisetzenden systemischen gefäßerweiternden Arzneistoffen, wie Glyceroltrinitrat oder anderen nicht-spezifischen systemischen Dilatatoren (z.B. Calcium- Kanal-Blockern), unterzogen werden.

Inhalationstherapie von pulmonaler Vasokonstriktion mit einer NO freisetzenden Verbindung

Der Befund, daß eine Inhalation von gasförmigem NO in wirksamer Weise bestimmte Formen von pulmonaler Vasokonstriktion umkehren kann, läßt eine weitere Form der Inhalationstherapie bei pulmonaler Vasokonstriktion empfehlenswert erscheinen, bei der eine NO freisetzende Verbindung anstelle von gasförmigem NO inhaliert wird. Dieses Verfahren gewährleistet im Vergleich zu einer kurzen Inhalation von gasförmigem NO eine länger anhaltende günstige Wirkung, da die abgeschiedene NO freisetzende Verbindung langsam über eine relativ lange Zeitspanne hinweg NO freisetzt. Die Formulierung und Dosierung einer gewählten, NO freisetzenden Verbindung kann ohne übermäßigen experimentellen Aufwand vom Fachmann vorgenommen werden. Zum Beispiel kann eine typische Einzelinhalationsdosis einer NO freisetzenden Verbindung, wie S-Nitroso-N-acetylpenicillamin (SNAP) oder S-Nitrosocystein, in Form eines trockenen Pulvers für eine etwa 1-stündige Dilatation im Bereich von 60 bis 650 µg Wirkstoff (NO) pro kg Körpergewicht liegen. Bei Schafen mit experimentell erhöhtem PA-Druck lieferte eine Inhalation von SNAP in einer Dosis von 1,3 mg/kg eine anhaltende Verringerung des PA-Drucks.

Inhalationstherapie bei Asthma

Wie die pulmonale Vasokonstriktion kann eine spastische Konstriktion der Luftwege, wie sie bei Asthmaanfällen vorkommt, durch Inhalation entweder von gasförmigem NO oder einer NO freisetzenden Verbindung in fester oder flüssiger Form umgekehrt werden. Gasförmiges NO hat den Vorteil einer raschen Diffusion, ohne daß Teilchen vorliegen, und führt auch zu einer Gefäßerweiterung im Bereich mit Bronchienerweiterung, wodurch die arterielle Sauerstoffspannung verbessert wird. Eine Verabreichung erfolgt auf die vorstehend beschriebene Weise und wird typischerweise beim Einsetzen eines Anfalls oder bei Verdacht auf einen bevorstehenden Anfall eingeleitet. Wenn bei einem bestimmten Patienten eine chronische Bronchodilatation erforderlich ist, kann die gesamte, den Patienten umgebende Atmosphäre mit NO-Gas in niedriger Dosis (bei einer hohen Gas- Turnoverrate), beispielsweise mit einer Maske oder einem Zelt, beladen werden.

Inhalationsvorrichtungen

Unsere Inhalationstherapie wird vorzugsweise unter Verwendung einer der hier beschriebenen Inhalationsvorrichtungen vorgenommen. Eine derartige Vorrichtung 10 ist in Fig. 17 im Querschnitt dargestellt. Es ist ein Gehäuse 14 gezeigt, daß eine mit einem Lumen 16 in Verbindung stehende Kammer 20 definiert. Ein Gefäß 12 mit komprimiertem Gas, das mindestens 1 ppm Stickstoffmonoxid in gelöster Form in einem verflüssigten Treibmittel oder einem komprimierten Inertgas aufweist und/oder eine Suspension eines festen oder flüssigen Stickstoffmonoxid-Donators als therapeutisches Mittel enthält, ist verschiebbar in der Kammer 20 angeordnet. Ferner ist ein druckbetätigter Ventilmechanismus 18 zur kontrollierbaren Freisetzung des unter Druck stehenden Inhalts des Gefäßes 12 in das Lumen 16 vorgesehen. Schließlich ist eine Rückatmungskammer 22, die ein Ende des Lumens 16 bildet, vorgesehen. Sie weist Einwegventile 24 auf, durch die Luft 28 in die Rückatmungskammer 22 eintreten kann, durch die aber das therapeutische Gas nicht entweichen kann. Ein Patient setzt die Vorrichtung ein, indem er auf das obere Ende 26 des Gefäßes 12, das aus dem Gehäuse 14 vorsteht, drückt und dadurch das Gefäß 12 in die Kammer 20 nach unten verschiebt und den Ventilmechanismus 18 herunterdrückt. Dies bewirkt, daß der unter Druck stehende Inhalt des Gefäßes 12 in das Lumen 16 und die Rückatmungskammer 22 freigesetzt wird. Sodann inhaliert der Patient einen Teil des Inhalts der Rückatmungskammer 22, wodurch Luft 28 durch das Einwegventil 24 in die Rückatmungskammer 22 gezogen wird, um den vom Patienten inhalierten Teil des Inhalts zu ersetzen. Eine Einzeldosis des therapeutischen Mittels, die aus dem Gefäß 12 in die Rückatmungskammer 22 freigesetzt wird, kann bis zur ausreichenden Inhalation durch den Patienten mehrere Atemzüge erfordern. Das Gesamtgewicht dieser Vorrichtung beträgt weniger als 200 g, so daß sie leicht zu tragen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform 100, die in Fig. 18 dargestellt ist, definiert das Gehäuse 102 (a) eine erste Kammer 104, die eine inhalierbare, pharmazeutisch wirksame Verbindung 106 enthält, und (b) ein Lumen 108, das mit der ersten Kammer 104 in Verbindung steht. Ein Gefäß 110, das unter Druck stehendes Gas oder verflüssigtes Treibmittel mit einem Gehalt an mindestens 1 ppm Stickstoffmonoxid enthält, ist verschiebbar in einer zweiten Kammer 112 des Gehäuses 102 befestigt, so daß Druck, der auf die Oberseite des Gefäßes 114 ausgeübt wird, bewirkt, daß ein am Boden des Gefäßes 116 befindliches Druckentlastungsventil gegen die Wand des Gehäuses 102 gedrückt wird, wodurch das Ventil geöffnet wird und ein Teil des unter Druck stehenden Inhalts des Gefäßes 110 in die erste Kammer 104 freigesetzt wird. Die auf diese Weise freigesetzten Druckgase vermischen sich mit der Verbindung 106 in der ersten Kammer 104 und suspendieren sie als Aerosolnebel. Dieser Nebel wird sodann vom Patienten durch das offene Mundstückende 118 des Lumens 108 inhaliert. Je nach Wunsch des Patienten kann eine Klappe 120 an einem gefederten Scharnier 122 manuell vor und während der Öffnung des Druckentlastungsventils 116 heruntergedrückt werden. Dies bewirkt ein zeitweiliges Verschließen der ersten Kammer 104 gegenüber dem Weg der freigesetzten Druckgase, die dann direkt in das Lumen 108 unter Umgehung der ersten Kammer 104, in der sich das therapeutische Mittel 106 befindet, entweichen. Indem zunächst das Stickstoffmonoxid enthaltende Gas ohne die darin suspendierte therapeutische Verbindung 106 inhaliert wird, öffnen sich die Luftwege des Patienten in ausreichender Weise, so daß die möglichen günstigen Wirkungen der anschließenden Inhalation der langsamer wirkenden, festen oder flüssigen therapeutischen Verbindung 106 optimiert werden. Anschließend gibt der Patient die Klappe 120 frei, drückt wieder auf die Oberseite des Gefäßes 114 zur Öffnung des Ventils 116 und inhaliert aus dem offenendigen Mundstück 118 des Lumens 108 die therapeutische Verbindung 106, die in den auf diese Weise freigesetzten Druckgasen suspendiert ist.

Experimentelle Informationen

Die Anmelderin legt die folgenden Ergebnisse von Versuchen an Tieren und am Menschen sowie ein genehmigtes Versuchsprotokoll für Untersuchungen am Menschen als Beispiele für die vorliegende Anmeldung vor.

1. Pulmonale Vasodilatation

A. Verabreichung von gasförmigem Stickstoffmonoxid an Lämmer

i. Verfahren

Chirurgische Vorbereitung des Tiermodells

An acht Suffolk-Lämmern mit einem Gewicht von 25-35 kg wurde unter sterilen Bedingungen und unter allgemeiner endotrachealer Anästhesie mit Halothan/Sauerstoff drei Tage vor der Untersuchung eine sterile Thorakotomie vorgenommen, um eine linke atriale Leitung, eine Tracheotomie und eine femorale arterielle Leitung zu legen. Nach einer 3-tägigen Erholungsphase wurde bei den Lämmern unter sterilen Bedingungen und unter lokaler Anästhesie ein 7-French-Thermodilutionskatheter zur Überwachung der pulmonalen Arterie gelegt.

Untersuchungsbedingungen

Die Lämmer wurden ohne Anästhesie im wachen Zustand untersucht, um eine allgemeine Anästhesie, die eine hypoxische Vasokonstriktion abschwächen kann, zu vermeiden. Die Lämmer wurden in einen Babraham-Käfig gebracht und durften nach Belieben trinken und fressen. Zwei Untersuchungen wurden im Abstand von 2 Tagen an jeweils sechs Lämmern durchgeführt. Nach der Untersuchung wurden die Lämmer mit einer Überdosis Barbiturat getötet. Ihre Lungen wurden fixiert, gefärbt und mit dem Lichtmikroskop auf pathologische Veränderungen untersucht.

Verabreichung von NO an Lämmer mit durch U46619 induzierter pulmonaler Vasokonstriktion

Am ersten Untersuchungstag erhielten Lämmer unter Einatmen von 60-70% Sauerstoff eine Infusion eines starken pulmonalen Vasokonstriktionsmittels, nämlich des stabilen Endoperoxid-Analogen (5Z,9α,13E,15S)-11,9-(Epoxymethano)prosta-5,13-dien-1-säure (U46619, The Upjohn Company, Kalamazoo, MI) von Thromboxan in einer Rate von 0,4-0,8 µg/kg/min. Die Tracheotomie wurde mit einem Kreislauf ohne Rückatmung verbunden, der aus einem 5 Liter fassenden Reservoirbeutel und Einwegventilen zur Trennung von eingeatmetem gegenüber ausgeatmetem Gas bestand. Das ausgeatmete Gas wurde eingefangen und verworfen. Das eingeatmete Gas war ein genau eingestelltes Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff, das sofort mit NO verdünnt wurde, um die richtige Konzentration beim Einatmen herbeizuführen. Unter Verwendung von volumetrisch geeichten Strömungsmeßgeräten wurden verschiedene Mengen an NO mit N&sub2; vermischt, um die gewünschte eingeatmete NO-Konzentration bei einer eingeatmeten Sauerstoffkonzentration (FiO&sub2;) von 0,6-0,7 zu erreichen. Der Reservoirbeutel wurde nach jeder Stufe der NO- Inhalation geleert. Die Halbwertsverweilzeit von NO im Gasreservoir betrug 15 Sekunden oder weniger, um die Umwandlung zu NO&sub2; auf einem Minimum zu halten. NO wurde von der Fa. Air Products and Chemicals Inc., Allentown, PA, in Form eines Gemisches von 235 ppm NO in reinem N&sub2; erhalten. Eine Chemilumineszenzanalyse zeigte, daß in diesem Gemisch weniger als 12 ppm NO&sub2; enthalten waren; Fontijin, Anal. Chem., Bd. 27 (1981), S. 1903.
Eine pulmonale Vasodilatator-Dosis-Wirkungs-Kurve, bei der die Veranderungen des PAP-Werts als Funktion der inhalierten NO-Konzentration während U46619-Infusion aufgetragen wurden, wurde für acht Lämmer ermittelt, die eine Serie von ansteigenden NO/O&sub2;-Gemischen mit einem Gehalt an 5, 10, 20, 40 und 80 ppm NO sechs Minuten einatmeten (Fig. 1). An jede Stufe der NO-Exposition schloß sich eine 6-minütige Atmung des Sauerstoffgemisches ohne NO an (Fig. 2). Eine zweite Exposition gegenüber NO wurde für die gleichen Zeiträume geprüft. Im Anschluß daran wurde eine Kontrollperiode unter Einatmung des Sauerstoffgemisches sechs Minuten nach Beendigung der U46619-Infusion untersucht. Jeweils drei und sechs Minuten nach Verabreichung oder Absetzen von NO während der Untersuchung führten wir Messungen des durchschnittlichen und phasischen pulmonalen arteriellen Drucks (PAP), des linken atrialen Drucks (LAP), des systemischen arteriellen Drucks (SAP) und des zentralen venösen Drucks (CVP) durch. Sämtliche Drücke wurden mit einem Hewlett Packard-Mehrkanal-Streifendiagrammschreiber aufgezeichnet, wobei die Meßwertwandler an der Thoraxmitte gegenüber atmosphärischem Druck auf Null gestellt wurden (vgl. beispielsweise Fig. 3). Das Herz-Minuten-Volumen (CO) wurde durch Thermodilution als Mittelwert von zwei Messungen bei Injektion von 5 ml Ringer-Lactat-Lösung von 0ºC bestimmt. Der pulmonale Gefäßwiderstand (PVR) und der systemische Gefäßwiderstand (SVR) wurden mit Standardformeln berechnet. Der jeweils bei den einzelnen inhalierten NO-Konzentrationen gemessene PVR-Wert ist in Fig. 4 dargestellt. Geeignete statistische Analysen wurden durchgeführt. Sämtliche Daten sind als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben.

Verabreichung von NO an Lämmer mit einer durch Hypoxie herbeigeführten pulmonalen Vasokonstriktion

Fünf Lämmer wurden in wachem Zustand während einer Periode der Einatmung eines hypoxischen Gasgemisches zur Herbeiführung eines akuten hypoxischen pulmonalen Hochdrucks untersucht. Drei Lämmer wurden aufgrund von Sepsis und Herzinsuffizienz ausgeschlossen. Es wurden hämodynamische Überwachungstechniken ähnlich den vorstehend beschriebenen angewandt. Wir bedienten uns eines Kreislaufes ohne Rückatmung mit einem 25 Liter fassenden Reservoirbeutel. Der FiO&sub2;- Wert wurde auf 0,06-0,08 verringert, um einen durchschnittlichen PAP-Wert in der Nähe von 25 mmHg bei einem PaO&sub2;-Wert in der Nähe von 30 mmHg hervorzurufen. Sodann wurden dem eingeatmeten Gasgemisch entweder 40 oder 80 ppm NO zugesetzt. Der Gesamtgasstrom wurde auf 35 Liter/min gehalten, um eine Rückatmung aufgrund von Hyperventilation zu verhindern. Der FiO&sub2;-Wert beim Einatmen wurde mit einer Elektrode (Modell 5590, Fa. Hudson Co., Temecala, CA) überwacht und reines CO&sub2; wurde dem eingeatmeten Gas zugesetzt, um die Endatemkonzentration von CO&sub2; auf 4,5-6% zu halten. Die Messungen der zentralen Hämodynamik und des Gasaustausches wurden bei Basislinie, während Hypoxie und bei 3- und 6-minütiger Einatmung von NO während Hypoxie vorgenommen. Die Vergleiche wurden unter Anwendung gepaarter t-Tests durchgeführt.

ii. Ergebnisse

Zwei Kontrollämmer ohne Arzneistoffinfusion atmeten 80 ppm NO bei einem FiO&sub2;-Wert von 0,6-0,7 ein. Es ergaben sich keine Veränderungen der durchschnittlichen PAP-, SAP-, CO- oder SVR-Werte bei diesen Lämmern.
Bei acht Lämmern zeigten Regressionsanalysen der NO-Konzentration während der U46619-Infusion gegen die SVR-, CO- oder mittleren SAP-Werte keine signifikante Veränderung. Jedoch ergaben sämtliche Dosierungshöhen der NO-Inhalation eine sofortige Verringerung der pulmonalen Vasokonstriktion und des pulmonalen Hochdrucks, die durch die U46619-Infusion herbeigeführt worden waren (Figuren 1, 2). Das Einsetzen der pulmonalen Vasodilatation erfolgte innerhalb von Sekunden nach Beginn der NO-Inhalation. Die gefäßerweiternde Wirkung war innerhalb von 3 Minuten nahezu maximal (Fig. 3). Beendigung der Inhalation von NO verursachte eine Rückkehr zum ursprünglichen Vasokonstriktionsgrad innerhalb von drei bis sechs Minuten. Die Wirkungskurve bezüglich des pulmonalen Vasodilatationsmittels bei inhaliertem NO ist für acht Lämmer in Fig. 1 dargestellt. 5 ppm NO (eine inhalierte Lungendosis von 0,89 µg/kg/min) verringerte in signifikanter Weise den PA-Druck. Eine fast vollständige Vasodilatatorreaktion erfolgte bei Inhalation von 40 oder 80 ppm. Nach Berücksichtigung der im Laufe der Zeit eingetretenen geringfügigen Verringerung der Basislinie von PAP während der U46619-Infusion zeigte ein Vergleich der Vasodilatatorreaktion bei der zweiten Exposition gegenüber Einatmung von 5, 10 und 20 ppm NO keine signifikante Verringerung gegenüber der ursprünglichen Expositionsserie (Fig. 2). Eine zusätzliche Untersuchung an vier Lämmern, die 80 ppm NO für 1 Stunde bei U46619-Infusion inhalierten, ergab eine pulmonale Vasodilatation auf einen normalen PAP-Wert, wobei der pulmonale Hochdruck nach der NO-Inhalation wieder auftrat.
Sämtliche fünf Lämmer, bei denen ein akuter, hypoxischer, pulmonaler Hochdruck herbeigeführt worden war, zeigten eine ausgeprägte Steigerung des Herz- Minuten-Volumens. In jedem Fall kehrte der pulmonale arterielle Druck bei Zusatz von 40 oder 80 ppm NO zum eingeatmeten hypoxischen Gasgemisch trotz Beibehaltung eines erhöhten Herz-Minuten-Volumens auf die Kontrollwerte zurück. Der durchschnittliche PVR-Wert fiel auf 33% (Tabelle 1). Die PaO&sub2;- und PvO&sub2;-Werte während der Hypoxie mit und ohne NO waren ähnlich. Tabelle 1 Veränderungen der Hämodynamik und des Gasaustausches
n = 5, Mittelwert ± S.A.
* p< 0,01 Werteabweichung von der Kontrolle
# p< 0,01 NO+Hypoxie-Werteabweichung vom Hypoxie-Wert

iii. Weitere Versuche

Fig. 5 erläutert die Eignung einer Inhalation von 180 ppm NO zur Verhinderung erhöhter PAP- und PVR-Werte, die durch die Heparin-Protamin-Reaktion bei neun Schafen in wachem Zustand im Vergleich zu Kontrolluft atmenden Schafen hervorgerufen wurden. Die Heparin-Protamin-Reaktion wurde bei diesen neun Schafen durch eine erste Verabreichung von Heparin (200 U/kg; Fa. Elkins-Sinn, Cherry Hill, NJ), fünf Minuten später (zum Zeitpunkt Null) gefolgt von einer Protamin-Verabreichung (2 mg/kg; Fa. Elkins-Sinn) herbeigeführt. Alle diese Schafe dienten auch jeweils als Kontrolle. Sechs weitere Schafe erhielten eine intravenöse Infusion von Natriumnitroprussid (40 µg/kg/min Körpergewicht; Fa. Elkins-Sinn) unter Einatmung von Luft (Daten nicht aufgeführt). Die Inhalationsdosis von 180 ppm NO erwies sich zur Verringerung des Heparin-Protamininduzierten PAP-Werts in diesem Schafmodell als geeignet, und zwar in einem Ausmaß, das mit einer Infusion von 40 µg/kg/min SNP vergleichbar war, und ohne die Neigung des letztgenannten Arzneistoffs zur Herbeiführung einer ausgeprägten systemischen Hypotonie.
Lungen von drei Lämmern, die 180 min 80 ppm NO eingeatmet hatten, wurden mit dem Lichtmikroskop auf Anzeichen von morphologischen Veränderungen aufgrund der Einatmung von NO untersucht. Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen diesen Lungen und Kontrollungen festgestellt.

B. Vorgehensweise zur Verabreichung von gasförmigem NO an Säuglinge mit ständigem pulmonalem Hochdruck Neugeborener

Nachstehend findet sich eine Beschreibung einer genehmigten experimentellen Vorgehensweise für die Verabreichung von NO an Neugeborene, die im Massachusetts General Hospital durchgeführt wurde.

Auswahl der Teilnehmer:

10 Patienten mit ständigem pulmonalem Hochdruck Neugeborener (PPHN) sind an der Untersuchung beteiligt.

a. Kriterien für die Aufnahme

- Säuglinge mit einem Alter von weniger als 1 Woche
- Säuglinge mit arteriellen Blutproben-Entnahmestellen in prä- und postduktaler Verteilung
- Säuglinge, die mechanische Atmungsunterstützung benötigen
- Atmungsinsuffizienz gemäß den Kriterien von Short, Clin. Perinatol., Bd. 14 (1987), S. 737-748
- Säuglinge können Infusionen von systemischen Vasodilatatoren und/oder Puffern (Bicarbonat) erhalten.

b. Ausschlußkriterien

- unreifer Zustand, definiert durch eine Austragezeit < 37 Wochen, gemäß Untersuchung, Mutter-Fötus-Ultraschall und Daten
- Geburtsgewicht < 2500 g
- pulmonale Hypoplasie, angenommen aufgrund eines früheren Fruchtwassermangels, kongenitaler diaphragmatischer Hernie, kongenitaler Skoliose oder von Merkmalen, die auf eine asphyktische Thoraxdystrophie schließen lassen
- nicht-evakuierter Pneumothorax trotz Thoraxrohr
- Pneumoperikardium oder Pneumomediastinum mit Hypotonie
- fixierte anatomische Herz- und Gefäßläsionen (unter Ausschluß von isoliertem offenem Ductus arteriosus und offenem Foramen ovale)
- aktive pulmonale Hämorrhagie oder Blutplättchenzahl < 50.000/mm³
- innerhalb von 24 Stunden nach Untersuchungsbeginn ergibt eine Ultraschallprüfung des Schädels Anzeichen für eine intrakraniale Hämorrhagie
- Hyperviskosität, definiert durch einen venösen Hämatokrit ≥70% innerhalb von 24 Stunden nach der Geburt
- Sepsis, definiert durch positive Blutkulturen bezüglich pathogener Organismen
- fehlendes Einverständnis von Seiten der Eltern oder der gesetzlichen Vertreter.

Durchführung der Untersuchung

Ausgewählte Patienten werden auf dem Rücken liegend gehalten und erhalten 3 µg/kg Fentanyl zur Sedierung und 0,1 mg/kg Pancuroniumbromid zur Muskelrelaxation (sofern sie nicht innerhalb der vorhergehenden Stunde eine derartige Behandlung erhalten haben). Der Säugling wird unter Begleitung durch einen anwesenden pädiatrischen Anästhesisten in die Katheterisierungsabteilung gebracht, wo ein pulmonaler Arterienkatheter in Strömungsrichtung unter Lokalanästhesie perkutan über eine Femoralvene plaziert wird. Der Katheter mißt direkt den pulmonalen Arteriendruck, um genau den Grad der pulmonalen Hypertonie und die gefäßerweiternde Reaktion auf die NO-Inhalation zu bestimmen. Nach Rückkehr zum Neonatal-ICU wird der FiO&sub2;-Wert auf 0,90 eingestellt. Während dieser Kontrollphase läßt man den Patienten nach Abschluß sämtlicher notwendigen pflegerischen und medizinischen Maßnahmen 20 Minuten ins Gleichgewicht kommen. Wenn eine Besserung gemäß der nachstehenden Definition nicht erfolgt ist, wird aus einer postduktalen Stelle eine arterielle Blutprobe entnommen. NO in Stickstoff wird sodann in den Atmungskreislauf durch kontinuierlichen Zufluß eingeführt. Ein Einwegventil verhindert das Rückströmen von Sauerstoff in den NO- Behälter. Der FiO&sub2;-Wert (0,90) und die Strömungsgeschwindigkeit werden auf gleichbleibender Höhe gehalten. Die Anfangskonzentration an eingeatmetem NO beträgt 20 ppm. Eine Besserung ist definiert als ein PaO&sub2;-Wert > 100 mmHg und ein A-aDO&sub2;-Wert von < 570 mmHg (postduktale Probe). Wenn keine Veränderung festgestellt wird, wird die Konzentration des inhalierten NO auf 40 ppm bei Konstanz des FiO&sub2;-Werts und der Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Postduktales arterielles Blutgas wird erneut gemessen. Wenn wiederum die gleichen Kriterien nicht erfüllt sind, wird die NO-Konzentration auf 80 ppm erhöht, und es wird eine dritte arterielle Blutgasprobe genommen. Die Atmungsperiode für jede Konzentration an NO beträgt 10 Minuten.
Im Anschluß an die Beendigung der Behandlungsdauer wird erneut Blut für eine arterielle Blutgasanalyse gewonnen. Proben werden auch vor und nach der NO-Einwirkung zur Analyse der Methämoglobin- und Hämoglobin-Konzentrationen und der Retikulozyten-Zahl genommen. Ein Blutausstrich wird auf das Vorhandensein von Heinz-Körpern geprüft. Diese Untersuchungen werden 24 Stunden nach der Behandlung wiederholt, um etwaige mit der NO-Einatmung verbundene Änderungen festzustellen. Das Gesamtvolumen der Blutproben beträgt weniger als 5 ml.

Statistische Methodik

Die Daten werden bei wiederholten Messungen an unterschiedlichen Gruppengrößen mit Varianzanalyse bestimmt; Winer, "Single factor experiments having repeated measures on the same elements", in Statistical Principles in Experimental Design, 2. Auflg., NY, McGraw-Hill (1971), S. 261-308. Post-hoc-Tests erfolgen gemäß dem Mann-Whitney-U-Test. Signifikanz wird im 5%-Bereich beurteilt.

C. Ergebnisse der Verabreichung von NO an Säuglinge mit ständigem pulmonalem Hochdruck Neugeborener (PPHN)

Erster Patient:

Aus humanitären Gesichtspunkten wurde einem Säugling Stickstoffmonoxid verabreicht, der an ständigem pulmonalem Hochdruck und kongenitaler Herzerkrankung litt. Als Ergebnis einer längeren Beatmung und aufgrund des Fehlens einer präduktalen arteriellen Blutentnahmestelle und des Vorliegens eines atrialventrikulären (AV)-Kanals wurde der Patient nicht in die vorstehend erwähnte PPHN-Untersuchung aufgenommen.
Beim Patienten handelte es sich um einen männlichen, voll ausgetragenen Säugling mit einem Gewicht von 3225 g, der aufgrund der Schwere seiner kongenitalen Herzerkrankung und einer intensiven Hypoxämie einer extrakorporalen Membran-Oxygenierung (ECMO) unterzogen worden war. Die ECMO-Behandlung wurde beendet, und der Patient wurde in intubiertem und beatmetem Zustand in der Neugeborenen-Intensivstation versorgt. Anschließend wurde er zunehmend hypoxämisch, wie seine postduktalen Puls-Oxymetrie-Werte (POX-Werte) zeigten. Zu dem Zeitpunkt, als er in das Katheterisierungslabor gebracht wurde, um das Vorliegen des A-V-Kanals zu bestätigen und um festzustellen, ob eine Notfall- Herzoperation erforderlich war, erhielt er zur Lebenserhaltung maximale medizinische und ventilatorische Unterstützung und verblieb in gefährlicher Weise hypoxämisch. Unter diesen Umständen erhielten wir die Erlaubnis, den Patienten mit Stickstoffmonoxid zu behandeln.
Bei der Ankunft im Katheterisierungslabor war der Patient äußerst zyanotisch. Er wurde mit Fentanyl, Sauerstoff, Hyperventilation und intravenösen, fluiden Bolus-Injektionen behandelt, um ihn vor der Verabreichung von NO zu stabilisieren. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, ergab die Katheterisierung einen starken pulmonalen Hochdruck und einen A-V-Kanal. Der Shunt war offensichtlich nicht durch Behandlung mit Sauerstoff oder Hyperventilation zu korrigieren. Tabelle 2 Hämodynamik und Blutgaswerte bei einer NO-Inhalationsbehandlung eines Neugeborenen mit PPHN
POX = Puls-Oxymeter
Wir verwendeten eine Regulationsvorrichtung, um den Druck des NO in einem Mischer zu verringern, was es uns ermöglichte, die relativen Mengen der Zufuhr von 800 ppm NO/N&sub2; und 100% N&sub2; einzustellen. Unter Behandlung des Patienten mit reinem Sauerstoff erhöhten wir den N&sub2;-Strom durch eine Fließreguliervorrichtung in den Einatmungskreislauf des Atmungskreislaufs bis der FIO&sub2;-Wert 0,9 betrug. Die wirkungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Dies ergab eine 1:10-Verdünnung des Stickstoffgases. Anschließend verwendeten wir den Mischer zur Einstellung der relativen Mengen an N&sub2; und NO/NO&sub2; zur Bereitstellung von 0 bis 80 ppm NO.
Die Daten in Tabelle 2 zeigen, daß die Exposition gegenüber NO keinen nachteiligen Einfluß auf den systemischen Blutdruck ("durchschnittlicher Druck- ART") hatte, während ein mäßiger Anstieg der arteriellen Sättigung, der Puls- Oxymetriewerte und des arteriellen partiellen Sauerstoffdrucks herbeigeführt wurde. Dies kann eine stabilisierende Wirkung des Gases während dieser Periode wiederspiegeln. Nachdem das Stickstoffmonoxid abgesetzt wurde und die zentralen Katheter entfernt wurden, fielen die arterielle Sättigung und die Sauerstoff- Gasspannung rasant ab. Die RA- und PA-Werte konnten nicht bestimmt werden, da die Katheter entfernt worden waren. Da weitere Versuche, den Patienten wieder zu Bewußtsein zu bringen, fehlschlugen, wurde erneut Stickstoffmonoxid zugeführt, um zu versuchen, den Zustand des Babys zu verbessern. Es gelang, die Sauerstoffsättigung und die Blutgasspannung zu verbessern. In einem weiteren Versuch, beim Patienten das Stickstoffmonoxid abzusetzen, kam es erneut zu einer Verschlechterung der Sauerstoffversorgung des Patienten auf gefährlich niedrige Werte. Der Patient wurde weiter unter Stickstoffmonoxid gehalten und in die Neugeborenen-Intensivstation zurückgebracht.
Noch in der Intensivstation erhielt der Patient eine Infusion von Prostaglandin E1, wodurch versucht wurde, das pulmonale Gefäßsystem zu erweitern. Trotz einer Standarddosis von Prostaglandin konnte Stickstoffmonoxid nicht abgesetzt werden, ohne daß erneut gefährlich niedrige Sauerstoffsättigungen auftraten. Der Patient verblieb unter Stickstoffmonoxid, bis die ECMO-Behandlung begonnen werden konnte. Dieser Versuch belegte den Wert von Stickstoffmonoxid zur Verbesserung des Gasaustausches bei diesem Patienten mit pulmonalem Höchdruck und angeborener Herzkrankheit.

Weitere Patienten:

Zwei weitere Säuglinge mit PPHN wurden durch eine NO-Inhalation behandelt. Beide Patienten reagierten hervorragend auf die Einatmung von NO in einer Dosis von 20-80 ppm, was einen Anstieg der präduktalen Oxygenierung ergab. Beide Neugeborenen überlebten auf lange Sicht. Einer der Säuglinge zeigte eine so rasche Besserung bei NO-Inhalation allein, daß die ECMO-Behandlung gänzlich unterlassen wurde.

D. Ergebnisse der Verabreichung von NO an Erwachsene mit Atmungsdistress- Syndrom Erwachsener

Erster Patient:

Der Patient, eine 42-jährige Frau, litt seit 3 Wochen am Atmungsdistress- Syndrom Erwachsener (ARDS) aufgrund einer Aspirationspneumonie. Es bestand ein diffuses pulmonales Ödem und ein hoher QVA/QT-Wert (30%). Nach 21 Tagen venovenöser extrakorporaler Unterstützung mit einem Membranoxygenator (3 Liter/min Blutfluß) betrug der durchschnittliche PAP-Wert 55 mmHg.
Die Kurzzeitwirkungen der Inhalation von Stickstoffmonoxid wurden mit denen der intravenösen Verabreichung von Prostacyclin (PGI&sub2;; 5 ng/kg/min) verglichen. Der durchschnittliche pulmonale arterielle Druck (PAP), die rechtsventrikuläre Ejektionsfraktion (RVEF) und die Gasaustausch-Variablen wurden bewertet. Der RVEF-Wert wurde durch Thermodilution bestimmt. Die Gasaustauschveränderungen wurden unter Anwendung der Mehrfach-Inertgas-Eliminationstechnik (MIGET) analysiert. Die MIGET- und RVEF-Daten wurden zu zwei unterschiedlichen Gelegenheiten gewonnen. Die Beatmungseinstellungen waren: Atemzugvolumen 6 ml/kg, Respirationsrate 14/min, FiO&sub2; 0,4-0,48 und 5 cm H&sub2;O an PEEP (positiver Endausatmungsdruck). Tabelle 3 Hämodynamische Ergebnisse der Behandlung eines Erwachsenen mit pulmonalem Hochdruck
Wie in Fig. 6 und in Tabelle 3 erläutert, senkte inhaliertes NO den PAP- Wert und verbesserte den RVEF-Wert, wie es bei intravenöser Verabreichung von PGI&sub2; der Fall war, jedoch erhöhte im Gegensatz zu PGI&sub2; NO den PaO&sub2;-Wert und verringerte den Rechts-Links-Shunt und den VD/VT-Wert. Eine Inhalation von 18 ppm NO in Sauerstoff verursachte eine Verringerung des durchschnittlichen PAP- Werts auf 38-42 mmHg (eine Abnahme von 12-14 mmHg) und verringerte den PVR-Wert um 44%, wobei der Keildruck in der Nähe von 15 mmHg konstant blieb und das Herz-Minuten-Volumen in der Nähe von 7 Liter/min lag und unverändert blieb. Durch Erhöhung der NO-Konzentration auf 36 ppm ergab sich eine geringfügige zusätzliche Vasodilatation (2-5 mmHg). Die Vasodilatation mit NO blieb etwa 1 1/2 Stunden erhalten, als entschieden wurde, die Verabreichung zu beenden. Während der NO-Inhalation verringerte sich der mit Schwefelhexafluorid gemessene QVA/QT-Wert von 38% auf 26% (18 ppm NO) und 33% (36 ppm NO). Bei Inhalation von NO erfolgte keine Veränderung des systemischen arteriellen Drucks. Im Gegensatz zum systemischen Vasodilatator PGI&sub2;, der den QVA/QT-Wert auf 57% erhöhte, bewirkt NO vorwiegend eine Gefäßerweiterung des Gefäßsystems der belüfteten Lungenbereiche. Dieser Versuch ist ein klarer Nachweis für die selektive Fähigkeit von geringen Konzentrationen (18-36 ppm) an inhaliertem NO, als starker pulmonaler Vasodilatator bei einem Patienten mit schwerer akuter Lungenschädigung (ARDS) ohne eine Erhöhung des Shunts zu wirken.

Weitere Patienten:

Neun zusätzliche Patienten wurden durch NO-Inhalation für Zeitspannen bis zu 28 Tagen gegen ARDS behandelt. Sieben überlebten trotz ihrer schweren Atmungsdistress-Symptome und zeigten eine erhebliche Verringerung der QVA/QT- Werte während der NO-Einatmung sowie einen verringerten PAP-Wert. Es wurde keine erhebliche Steigerung der Methämoglobin-Konzentrationen beobachtet. Diese Ergebnisse zeigten, daß eine NO-Inhalation bis zu mehreren Wochen eine vielversprechende Therapie für eine akute Atmungsinsuffizienz darstellt.

E. Ergebnisse der Verabreichung von NO an Menschen mit normalen (nicht- konstringierten) und hypoxischen (konstringierten) Lungen

Die Wirkungen der Einatmung von 40 ppm NO wurden an fünf gesunden freiwilligen Versuchspersonen im Wachzustand unter Inhalation von verschiedenen Gasgemischen für Zeitspannen von 10 Minuten untersucht, wobei die Messungen nach 6 Minuten begannen. Tabelle 4 zeigt, daß bei Personen, die Luft mit einer normalen O&sub2;-Konzentration (21% Vol./Vol.) einatmeten und deren Lungen daher keine Vasokonstriktion aufwiesen, NO keine pulmonale oder systemische gefäßerweiternde Wirkung hatte. Tabelle 4 Einfluß von 40 ppm NO auf die nicht-konstringierte menschliche Lunge
Die Werte sind als X ± S.A. angegeben; n = 5.
Im Gegensatz dazu zeigten die gleichen Personen bei Einatmung einer relativ niedrigen Sauerstoffkonzentration (12% Vol./Vol.) eine durch Hypoxie induzierte pulmonale Vasokonstriktion mit erhöhten PAP- und PVR-Werten, eine Wirkung, die durch Zusatz von 40 ppm NO zum inhalierten Gasgemisch vollkommen umgekehrt werden konnte (Tabelle 5). Tabelle 5 Wirkung von 40 ppm NO auf die hypoxische, vasokonstringierte, menschliche Lunge
n = 5, X ± S.A. # p< 0,01 Wert unterscheidet sich vom Wert in der ersten Spalte.
* p< 0,01 Wert unterscheidet sich von der vorhergehenden Situation.

2. Dilatation der glatten Luftwegsmuskulatur

A. Methoden

Versuchstiervorbereitung

Männliche Meerschweinchen vom Hartley-Stamm (Körpergewicht 300-440 g) wurden mit α-Chloralose (50 mg/kg) und Urethan (500 mg/kg) betäubt (Drazen et al., J. Appl. Physiol., Bd. 48 (1980), S. 613-618). Eine Tracheotomie wurde durchgeführt. Die Tiere wurden mit einem Rohradaptor (ID 1,65 mm) intubiert und mit einem Beatmungsapparat für Kleintiere (Harvard Apparatus, Abteilung der Fa. Ealing Scientific, Natick, MA) mit 8 ml/kg und 60 Atemzüge/min beatmet. Eine Kanüle wurde zur intravenösen Verabreichung von Arzneistoffen in eine Jugularvene gelegt. Der Brustraum wurde durch beidseitige Exzision eines Teils der Rippen auf der Vorderseite geöffnet, so daß die Lungen atmosphärischem Druck ausgesetzt waren (Shore und Drazen, J. Appl. Physiol., Bd. 67 (1989), S. 2504-2511). Es wurde für einen positiven Endausatmungsdruck von 3-4 cm H&sub2;O gesorgt.

Materialien

Meerschweinchen wurden sodann in das Innere eines Plethysmographen (Amdur und Mead, Am. J. Physiol., Bd. 192 (1958), S. 363-368) gebracht, der mit einem großen Reservoir mit einem Kupfernetz verbunden war, um den Plethysmographen isothermisch zu halten. Der Druck im Plethysmographen wurde mit einem Druckdifferenz-Meßwandler (Celesco, Canoga Park, CA) gemessen; die gegenüberliegende Seite dieses Meßwandlers wurde mit einem ähnlichen Reservoir verbunden. Der Druck an der Luftwegsöffnung wurde an einer seitlichen Abgriffstelle in der Trachealkanüle gemessen. Der transpulmonale Druck wurde mit einem Druckdifferenz-Meßwandler (Celesco) als Differenz zwischen dem Druck der Luftwegsöffnung und dem Druck im Innern des Plethysmographen gemessen. Der Strömungswert wurde durch elektrische Differenzierung des Volumensignals (Druck des Plethysmographen) erhalten. Das Atmungsvolumen wurde durch Aufzeichnung der Druckveränderungen im Körper-Plethysmographen gemessen. Die Signale für Volumen, Strömungswert und transpulmonalen Druck wurden auf einem Streifendiagramm (General Scanning, Watertown, MA) aufgezeichnet. Der pulmonale Widerstand und die dynamische Ausdehnung wurden mit einem Computerprogramm gemäß dem Verfahren von Neergard und Wirz berechnet (Z. Klin. Med., Bd. 105 (1927), S. 35-50; Z. Klin. Med., Bd. 105 (1927), S. 52-82).
Die Vorrichtung und die angewandten Bedingungen sind in Fig. 7 dargestellt. Beim eingeatmeten Gas handelte es sich um ein genau eingestelltes Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff, das über ein Y-Rohrstück vermischt und sofort mit Stickstoffmonoxid (NO) verdünnt wurde, um die korrekte eingeatmete Konzentration in einem 5 Liter fassenden Gasmischbeutel zu erzielen. Mit volumetrisch geeichten Strömungsmeßgeräten wurde reines N&sub2; durch variierende Mengen an NO im Gemisch mit N&sub2; ersetzt, um die gewünschte NO-Konzentration bei einer eingeatmeten Sauerstoffkonzentration (FIO&sub2;) von 0,30-0,32 zu erzielen. Die gesamte einströmende Gasmenge wurde auf 2,5 l/min gehalten. Das Gasgemisch wurde sodann durch ein Rohr von 3 cm Innendurchmesser, das mit 90 ml Natronkalk zum Abfangen von Stickstoffdioxid gefüllt war, geleitet (Stavert und Lehnert, Inhal. Toxicol., Bd. 2 (1990), S. 53-67) und sodann durch ein Filter vor dem Beatmungsapparat geführt. Unmittelbar nach dem Einlaßrohr des Beatmungsapparates wurde ein Vakuum eingestellt, um den Gasmischbeutel nahezu leer zu halten und einen kontinuierlichen Zustrom von frischem Gas in den Beatmungskreislauf zu bewirken. Das Ausatmungsgas aus dem Beatmungsapparat wurde mit einem Vakuum abgefangen und zur Aufrechterhaltung eines positiven Endausatmungsdrucks von 3-4 cm H&sub2;O eingestellt. NO wurde von der Firma Air Products and Chemicals, Inc. (Allentown, Penn) in Form eines Gemisches von 1034 ppm NO in reinem Stickstoff bezogen. Eine Chemilumineszenz-NO/NOx-Analyse (Fontijin et al., Anal. Chem., Bd. 42 (1970), S. 575-579) wurde vor und nach dem mit Natronkalk gefüllten Rohr und unmittelbar vor dem Einatmungsventil des Beatmungsapparates durchgeführt (vergl. Fig. 7), um die Konzentration an Stickstoffdioxid festzustellen und die Strömungsmeßgeräte zur Bereitstellung der unterschiedlichen NO-Konzentrationen einzustellen.

Vorgehensweise

Es wurden 24 Meerschweinchen untersucht. Drei Untersuchungsreihen wurden an drei getrennten Tiergruppen durchgeführt.

Gruppe A:

Neun Meerschweinchen wurden in drei Meßreihen aufgenommen.

i. NO-Einfluß auf den normalen bronchialen Tonus

Nach Basislinien-Messungen des Atmungsvolumens, des Lungenwiderstands und der dynamischen Ausdehnung wurde der Einfluß einer Inhalation von 300 ppm NO bei einem FIO&sub2;-Wert von 0,30-0,32 für 6-10 Minuten auf den bronchialen Tonus- Basislinienwert bewertet (Fig. 8).

ii. Dosis-Wirkungs-Untersuchung einer intermittierenden NO-Inhalation während einer Methacholin-Infusion

Nach Basislinien-Messungen erhielten die gleichen Meerschweinchen eine intravenöse Infusion eines starken Bronchokonstriktors, Methacholin, in einer Menge von 2,5-7,5 µg/kg/min, um einen mittleren Grad an Bronchokonstriktion (das 3- bis 4-fache des Basislinien-Lungenwiderstandes) zu erreichen. Nach einer stabilen Periode wurden die einzelnen Tiere mit einer Serie von Gasgemischen mit 5, 10, 25, 50, 100 und 300 ppm NO 10 Minuten bei konstantem FIO&sub2;-Wert (0,30-0,32) beatmet. Nach Einwirkung der jeweiligen NO-Konzentration wurden die Lungen auf die Gesamtkapazität aufgeblasen, um den Einfluß eines Luftwegverschlusses auf einem Minimum zu halten. Eine zweite Einwirkung von 10 und 50 ppm NO für 10 Minuten wurde durchgeführt. Die einzelnen Meerschweinchen wurden auf das Auftreten akuter Toleranz untersucht. Nach der letzten Stufe der NO- Beatmung wurde die Methacholin-Infusion beendet. Messungen wurden nach einer stabilen Periode der Lungenmechanik durchgeführt, um den Referenzpunkt für die Dosis-Wirkungs-Untersuchung zu erhalten. Erst dann wurden die Lungen auf die gesamte Lungenkapazität aufgeblasen, um einen stabilen neuen Basislinien-Wert (vergl. Figuren 9-12) zu erhalten.

iii. Untersuchung der Toleranz gegenüber einer 1-stündigen NO-Inhalation während einer Methacholin-Infusion

Meerschweinchen erhielten eine Infusion von Methacholin zur Erhöhung des bronchialen Tonus auf das 3- bis 4-fache, wonach die Tiere mit einem 100 ppm NO-Gasgemisch 1 Stunde bei einem FIO&sub2;-Wert von 0,30-0,32 beatmet wurden. Wiederholte Luftwegsmessungen wurden alle 5 Minuten und sodann 5 und 10 Minuten nach Beendigung der NO-Inhalation durchgeführt. Sodann wurde die Methacholin- Infusion beendet. Wiederholungsmessungen wurden nach einer stabilen Periode der Lungenventilation und erneut nach Aufblasen der Lungen auf die gesamte Lungenkapazität durchgeführt. Die Methämoglobin-Spiegel wurden gemessen (Zwart et al., Clin. Chem., Bd. 27 (1981), S. 1903-1907), und zwar zum Zeitpunkt des chirurgischen Eingriffes und erneut nach der Toleranzuntersuchung (Fig. 13).

Gruppe B:

Zehn Meerschweinchen wurden in zwei Versuchsreihen aufgenommen.

i. Untersuchung der Toleranz gegenüber 80-minütiger Infusion von Methacholin allein

Zur Bewertung der Stabilität des Bronchokonstriktormodells erhielten Meerschweinchen eine Infusion mit Methacholin in einer Menge von 2,5-7,5 µg/kg/min, um den gleichen Grad an Bronchokonstriktion wie bei der 1-stündigen NO- Inhalationsuntersuchung zu erreichen (vergl. Fig. 13). Die Tiere wurden mit einem Sauerstoff-Stickstoff-Gasgemisch bei konstantem FIO&sub2;-Wert (0,30-0,32) beatmet. Wiederholungsmessungen wurden alle 5 Minuten durchgeführt. Nach 10 und 70 Minuten wurden die Strömungsmeßgeräte zur Simulation der NO-Beatmung eingestellt. Sodann wurde die Methacholin-Infusion beendet. Wiederholungsmessungen wurden nach einer stabilen Periode der Lungenmechanik und erneut nach Aufblasen der Lungen auf die gesamte Lungenkapazität durchgeführt.

ii. Untersuchung der Coregulation des Tonus der glatten Luftwegsmuskulatur durch cyclisches AMP- und cyclisches GMP-abhängige Mechanismen

Nach Basislinien-Messungen erhielten 5 Meerschweinchen eine Methacholin- Infusion, um ihren Lungenwiderstand auf den mittleren Grad einer Bronchokonstriktion anzuheben. Die Meerschweinchen erhielten zunächst ein Terbutalin- Aerosol, wonach sich 10 Minuten später eine 6-minütige Inhalation von 100 ppm NO anschloß, wobei ein konstanter FIO&sub2;-Wert (0,30-0,32) aufrechterhalten wurde. Das Terbutalin-Aerosol wurde auf folgende Weise verabreicht: 4 ml einer 40 µg/ml Terbutalin-Lösung wurden in das Reservoir eines Zerstäubungsgeräts (Respigard II) gegeben und mit 4 l/min Luft versprüht. Das Zerstäubungsgerät wurde über einen Absperrhahn mit dem Y-Stück des Beatmungsapparatkreislaufs und mit einem in 3-4 cm Wasser getauchten Rohr verbunden. Zum Zeitpunkt der Zerstäubung wurde die Verbindung mit dem Beatmungsapparat unterbrochen, so daß der Zerstäuberkreislauf mit dem Luftweg verbunden war. 20 Atemzüge mit zerstäubtem Terbutalin wurden bei gleichem Atmungsvolumen durchgeführt. Anschließend wurde der Beatmungsapparat wieder angeschlossen, und die Verbindung mit dem Zerstäubungsgerät unterbrochen. Zum Ende der Untersuchung wurde die Methacholin- Infusion abgesetzt, bis sich erneut eine stabile Lungenmechanik eingestellt hatte. Sodann wurden die Lungen auf die gesamte Lungenkapazität aufgeblasen, um einen endgültigen Basislinien-Wert zu erhalten. Wiederholte Messungen der Atmungsmechanik wurden alle 2 Minuten während der NO- und Terbutalin-Perioden durchgeführt (Figuren 14 und 15).

Gruppe C:

Untersuchung von S-Nitroso-N-acetylpenicillamin (SNAP) während einer Methacholin-Bronchokonstriktion

SNAP wurde gemäß dem Verfahren von Field et al., J. Chem. Soc. Chem. Comm., (1978), S. 249-250 hergestellt und in Form von Kristallen bei 0ºC bis zu 120 Tagen ohne nachweisbaren Abbau (bestimmt durch Absorption bei 595 nm) gelagert.
Nach Durchführung der Basislinien-Messungen bezüglich der Atmung erhielten 5 Meerschweinchen eine Methacholin-Infusion zur Erhöhung ihres Lungenwiderstands auf einen mittleren Grad von Bronchokonstriktion. Zwei Minuten später erhielt jedes Meerschweinchen ein SNAP-Aerosol. Das SNAP-Aerosol wurde auf folgende Weise verabreicht: 200 mM SNAP, das in einem Ethanol/Wasser-Gemisch (4 ml) gelöst war, wurde in das Reservoir eines Zerstäubungsgeräts (Respigard II) gegeben und mit 4 l/min Luft zerstäubt. Der Zerstäuber wurde über einen Absperrhahn mit dem Y-Stück des Beatmungsapparatkreislaufs und mit einem in 4 cm Wasser getauchten Rohr verbunden. Zum Zeitpunkt der Zerstäubung wurde die Verbindung mit dem Beatmungsapparat unterbrochen, so daß der Zerstäuberkreislauf mit dem Luftweg verbunden war. 20 Atemzüge mit zerstäubtem SNAP bei gleichem Atmungsvolumen wurden durchgeführt. Anschließend wurde der Beatmungsapparat wieder angeschlossen. Die Verbindung mit dem Zerstäubungsgerät wurde unterbrochen. Am Ende der Untersuchung (15 Minuten) wurde die Methacholin-Infusion abgesetzt, bis eine Rückkehr zu einer stabilen Lungenmechanik erfolgte. Anschließend wurden die Lungen auf die gesamte Lungenkapazität aufgeblasen, um einen endgültigen Basislinien-Wert zu erhalten. Wiederholungsmessungen der Atmungsmechanik wurden alle zwei Minuten durchgeführt (Fig. 16).

B. Ergebnisse

Inhalation von Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasgemischen ergab eine übereinstimmende, rasche und ausgeprägte Verringerung des Lungenwiderstands und eine Erhöhung der Lungenausdehnung (Figuren 9-12). Die Dilatation setzte rasch ein und begann innerhalb weniger Sekunden nach der Inhalation. Inhalation von Stickstoffmonoxid kehrte die ausgeprägte Bronchokonstriktion um, die durch Methacholin-Infusion hervorgerufen worden war, verminderte aber auch den bronchomotorischen Basislinien-Tonus des betäubten Meerschweinchens ohne Metacholin-Infusion (Fig. 8). Inhalation von Stickstoffmonoxid ergab eine Bronchodilatation bei sehr geringen Dosen (5 ppm), wenngleich eine größere und raschere Verringerung des Luftwegswiderstands bei 100 oder 300 ppm NO erzielt wurde (Figuren 10, 11 und 12). Eine vollständige Umkehr der Methacholin-Bronchokonstriktion erfolgte bei 300 ppm NO. Es gab keine durch NO-Einatmung hervorgerufene Toleranz, da ein Einatmen von 100 ppm NO den Luftwegswiderstand für 1 Stunde in wirksamer und stabiler Weise verringerte (Fig. 13). Die Methämoglobin-Spiegel blieben nach 1-stündiger Einatmung von 100 ppm NO unter 5%. Dieses Modell zur Herbeiführung einer Luftwegskonstriktion durch Methacholin-Infusion ergab stabil steigende Werte des Luftwegswiderstands für bis zu 1 Stunde (Fig. 13), was die Zuverlässigkeit und die Reproduzierbarkeit der vorstehend erwähnten Untersuchungen über die Wirksamkeit von NO als Bronchodilatator bestätigt.
Während einer Methacholin-Infusion ist die bronchienerweiterende Wirkung von NO additiv zur Wirkung der Inhalation eines üblicherweise zerstäubten Bronchodilatators, des β&sub2;-Agonisten Terbutalin (Fig. 14). Wir haben beobachtet, daß diese additive bronchienerweiternde Wirkung unabhängig davon auftritt, ob NO- Gas vor (Fig. 14) oder nach (Fig. 15) Terbutalin verabreicht wird. SNAP, ein Stickstoffmonoxid-Donatormolekül, wurde für 20 Atemzüge in die Luftwege von 5 Meerschweinchen zerstäubt, die einer Bronchokonstriktion mit Methacholin unterzogen worden waren. Bei jedem Tier ergab sich eine sofortige und ausgeprägte Verringerung des Lungenwiderstands, die etwa 15 Minuten dauerte (Fig. 16). Somit kann die Inhalation von NO-Donatorverbindungen ebenfalls eine Bronchiendilatation hervorrufen.

Claims

1. Verwendung von gasförmigem Stickstoffmonoxid (NO) für die Herstellung eines inhalierbaren Arzneimittels zur Behandlung oder Prophylaxe von Bronchokonstriktion bei einem Säugetier durch ein Verfahren, das die Inhalation von NO in einer Konzentration umfaßt, die bei der Behandlung oder Prophylaxe dieser Krankheit therapeutisch wirksam ist.

2. Verwendung eines gasförmigen Gemisches, das aus NO und einem inerten Gas (vorzugsweise N&sub2;) besteht, zur Herstellung eines inhalierbaren Arzneimittels zur Behandlung oder Prophylaxe von Bronchokonstriktion oder reversibler pulmonaler Vasokonstriktion bei einem Säugetier.

3. Verwendung einer Quelle für Stickstoffmonoxid zur Herstellung eines inhalierbaren Arzneimittels zur Behandlung oder Prophylaxe von reversibler pulmonaler Vasokonstriktion bei einem Säugetier durch ein Verfahren, das die Identifizierung eines einzelnen Säugetiers, das einer derartigen Behandlung oder Prophylaxe bedarf, und die Inhalation dieses Arzneimittels durch das Saugetier in einer Menge umfaßt, die eine Menge an NO bereitstellt, die bei der Behandlung oder Prophylaxe dieser Krankheit therapeutisch wirksam ist.

4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei die Quelle einen Behälter von unter Druck gesetztem Gas umfaßt.

5. Verwendung nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindung umfaßt.

6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Stickstoffmonoxid freisetzenden Verbindung um S-Nitroso-N-acetylpenicillamin, S-Nitrosocystein, Nitroprussid, Nitrosoguanidin, Glyceroltrinitrat, Isoamylnitrit, anorganisches Nitrit, Azid oder Hydroxylamin handelt.

7. Gasförmiges Gemisch, bestehend aus NO und einem inerten Gas (vorzugsweise N&sub2;) zur Verwendung in einem Verfahren zur Behandlung von Bronchokonstriktion oder reversibler pulmonaler Vasokonstriktion bei einem Säugetier.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei NO in dem inhalierbaren Arzneimittel in einer Menge von mindestens 1 ppm, vorzugsweise mindestens 20 ppm und insbesondere bevorzugt mindestens 80 ppm vorhanden ist.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei NO in dem inhalierbaren Arzneimittel in einer Konzentration von nicht mehr als 180 ppm vorhanden ist.

10. Verwendung nach Anspruch 9, wobei das Verfahren das Überwachen der Konzentration, vorzugsweise durch Chemilumineszenz, umfaßt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Konzentration an NO&sub2; in dem inhalierbaren Arzneimittel überwacht und vorzugsweise bei weniger als 1 ppm gehalten wird.

12. Verwendung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 4 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei das inhalierbare Arzneimittel ein Gemisch umfaßt, das NO, O&sub2; und N&sub2; einschließt, vorzugsweise mit einem FIO&sub2;-Wert von 0,21-0,99.

13. Gemisch nach Anspruch 7 für den angegebenen Zweck, wobei das Gemisch mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas zur Bildung eines inhalierbaren Gemisches, das vorzugsweise einen FIO&sub2;-Wert von 0,21-0,99 aufweist, vermischt wird.

14. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, oder gasförmiges Gemisch zur Verwendung nach Anspruch 7 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Bronchokonstriktion mit Asthma verbunden ist.

15. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung bei der Behandlung oder Prophylaxe von Bronchokonstriktion, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt einschließt, daß das Säugetier zur Inhalation einer therapeutisch wirksamen Dosis einer Bronchodilatator-Verbindung in flüssiger oder fester Form vorzugsweise gleichzeitig mit dem inhalierbaren Arzneimittels, und in wirksamer Weise als Teil davon, veranlaßt wird.

16. Verwendung nach Anspruch 15, wobei es sich bei der Bronchodilatator-Verbindung um eine Stickstoffmonoxid freisetzende Verbindung handelt.

17. Verwendung nach Anspruch 16, wobei es sich bei der Stickstoffmonoxid freisetzenden Verbindung um S-Nitroso-N-acetylpenicillamin, S-Nitrosocystein, Nitroprussid, Nitrosoguanidin, Glyceroltrinitrat, Isoamylnitrit, anorganisches Nitrit, Azid oder Hydroxylamin handelt.

18. Verwendung nach Anspruch 2 oder 3 oder einem davon abhängigen Anspruch, oder gasförmiges Gemisch zur Verwendung gemäß Anspruch 7 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei sich die pulmonale Vasokonstriktion aufgrund von Pneumonie, traumatischer Verletzung, Aspirations- oder Inhalationsverletzung, Fettembolie in der Lunge, Acidose, Lungenentzündung, Atmungsdistress-Syndrom bei Erwachsenen, akutem Lungenödem, akuter Höhenkrankheit, Asthma, akutem pulmonalem Hochdruck nach Herzoperation, ständigem pulmonalem Hochdruck bei Neugeborenen, perinatalem Aspirationssyndrom, Hyalin-Membranerkrankung, akuter pulmonaler Thromboembolie, Heparin-Protamin-Reaktionen, Sepsis, Status asthmaticus, Hypoxie, chronischem pulmonalem Hochdruck, bronchopulmonaler Dysplasie, chronischer pulmonaler Thromboembolie, idiopathischem oder primärem pulmonalem Hochdruck oder chronischer Hypoxie ergibt.

19. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, oder gasförmiges Gemisch zur Verwendung gemäß Anspruch 7 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die Bronchokonstriktion mit Asthma verbunden ist.

20. Verfahren zur Bereitstellung eines inhalierbaren Arzneimittels durch kontinuierliches Mischen von NO mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das kontinuierliche Mischen in einem Beatmungskreislauf erfolgt.