Editoriale. Ruolo della misurazione di ossido nitrico nelle malattie respiratorie

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1 Editoriale Vol. 99, N. 5, Maggio 2008 Pagg Ruolo della misurazione di ossido nitrico nelle malattie respiratorie Valerio Pravettoni 1, Cristoforo Incorvaia 2, Franco Frati 3 Riassunto. L ossido nitrico (NO) è una molecola con un ruolo omeostatico in numerosi processi fisiologici. Nelle malattie respiratorie, l ossido nitrico esalato (FE NO ) è un marker di infiammazione delle vie respiratorie che può essere misurato con facilità. Un ampia mole di pubblicazioni ha definito l utilità di FE NO. Studi sull asma gli hanno attribuito un ruolo importante nella diagnosi e specialmente nel monitoraggio degli effetti della terapia anti-infiammatoria, che lo etichettano come un inflammometro da utilizzare come guida al trattamento. Risultati meno consistenti sono stati finora ottenuti nella bronchite cronica, in cui i livelli di FE NO sembrano essere più elevati rispetto a soggetti sani, ma più bassi che nell asma, a meno che non sia presente un infiammazione eosinofila, e nella rinosinusite, in cui i livelli di NO nasale (nno) sono bassi (probabilmente a causa della riduzione del flusso di NO nel naso dovuta all edema mucosale) ma aumentano dopo una terapia efficace. In altre patologie respiratorie, quali la fibrosi cistica e la discinesia ciliare primaria, i livelli di nno sono particolarmente bassi (verosimilmente a causa dell intrappolamento e dell alterato metabolismo del NO causato da secrezioni dense e dalla diminuita attività della NO sintetasi) e suggeriscono una utilizzazione del nno come un efficace strumento di screening. Parole chiave. Asma, broncopneumopatia cronica ostruttiva, discinesia ciliare primaria, fibrosi cistica, ossido nitrico, rinosinusite. Summary. Role of measurement of nitric oxide in respiratory diseases. Nitric oxide (NO) is a molecule with a homeostatic role in a number of physiological processes. Concerning respiratory diseases, exhaled nitric oxide (FE NO ) is a marker of airway inflammation, and its measurement can be easily performed. To date, a large number of publications defined the performances of FE NO. Studies on asthma attributed to FE NO an important role in diagnosis and especially in monitoring the effects of antinflammatory treatment, which label it as an inflammometer to be used as a guide in therapy algorithms. Less consistent results were thus far obtained in chronic obstructive lung disease, in which FE NO levels seem usually higher than in healthy subjects but lower than in asthma, unless an eosinophil inflammation is present, and in rhinosinusitis, where the levels of nasal NO (nno) are low, probably because of a reduced NO flow into the nose due to mucosal swelling, while they increase after an effective treatment. Among other respiratory disorders, such as cystic fibrosis and primary ciliary dyskinesia, nno levels are particularly low in the latter (possibly for the trapping and altered NO metabolism caused by dense secretions, and by decreased NO synthase activity) and suggest nno as a good screening tool for such disease. Key words. Asthma, chronic obstructive lung disease, cystic fibrosis, nitric oxide, primary ciliary diskinesia, rhinosinusitis. Introduzione L ossido nitrico (NO) si forma dall ossidazione dell aminoacido L-arginina a L-citrullina, che viene catalizzata da tre isoforme dell enzima NO sintetasi (NOS), due delle quali costitutive e una inducibile 1-3. NO è una molecola di segnale con un ruolo omeostatico in una serie di processi fisiologici e a causa della tossicità dei suoi radicali liberi possiede azione battericida e tumoricida ma anche potenziale capacità lesiva sui tessuti 4. NO è stato identificato nell esalato animale e dell uomo nel e negli anni successivi sono state introdotte tecniche di chemiluminescenza per misurarne la concentrazione frazionaria nell esalato (FE NO ), che in soggetti sani viene attualmente stimata tra 5 e 25 parti per bilione (ppb) 6. 1 Unità di Allergologia e Immunologia Clinica, Fondazione Ospedale Maggiore Policlinico, Mangiagalli e Regina Elena, Milano; 2 Unità di Allergologia e Pneumologia Riabilitativa, Istituti Clinici di Perfezionamento, Milano; 3 Istituto di Pediatria, Dipartimento di Specialità Medico-Chirurgiche e Salute Pubblica, Perugia. Pervenuto il 29 gennaio 2008.

2 V. Pravettoni, C. Incorvaia, F. Frati: Ruolo della misurazione di ossido nitrico nelle malattie respiratorie 259 Nelle vie aeree umane sono espresse tre isoforme di NOS, tra cui quella inducibile (inos) è localizzata nelle cellule epiteliali (quali cellule ciliate, basali e secretorie) e nei macrofagi 7. Riguardo al NOS neuronale (nnos), metodiche di immuno-staining l hanno localizzato nel tessuto sia nervoso (in particolare nel sistema nonadrenergico noncolinergico del muscolo liscio respiratorio) sia extranervoso come quello epiteliale e endoteliale 8,9. In studi sull animale è stato stimato che inos e nnos contribuiscono rispettivamente per il 60% e il 40% al NO presente nell aria esalata dalle vie aeree inferiori in condizioni basali 10, ma nell uomo inos sembra principalmente responsabile della produzione di NO esalato da soggetti sani e affetti da asma 11,12. Per questi ultimi il fenomeno è ben comprensibile se si considera che l espressione di RNA messaggero per inos nell epitelio respiratorio è up-regolata come componente del processo infiammatorio 13. L ossido nitrico formato dall attività enzimatica di NOS è coinvolto in vari processi, quali il rilassamento del muscolo liscio, la regolazione della frequenza di battito delle cellule ciliate, la secrezione di muco e l essudazione di plasma, ma anche nella neurotrasmissione, nell infiammazione e nell immunità cellulo-mediata 14. Ciò ha costituito una base per valutare il ruolo di NO nelle malattie respiratorie come l asma bronchiale e la broncopneumopatia cronica ostruttiva e, più recentemente, in disordini delle vie respiratorie superiori. La valutazione dell acido nitrico, facilitata da una misurazione non invasiva e di facile esecuzione, ha prodotto centinaia di pubblicazioni con diversi livelli di evidenza, che sono di tipo maggiore per l asma ma ancora oggetto di discussione per la maggior parte delle altre forme cliniche. Linee guida per una misurazione standardizzata di FE NO sono state pubblicate congiuntamente dall American Thoracic Society e dalla European Respiratory Society 6. Il Single Breath OnLine method (SBOL) è considerato il gold standard per la misurazione di FE NO negli adulti 6 e nei bambini cooperanti 27. Il paziente inala aria priva di NO fino alla capacità polmonare e poi esala a un flusso di 50 ml/s per almeno 4 secondi, mantenendo la pressione espiratoria tra 5 e 20 cm di H 2 O. FE NO può anche essere misurato off-line, raccogliendo l aria esalata in un contenitore, ma questa tecnica non è standardizzata e non è quindi attualmente raccomandata 6,27. Una serie di recenti studi supporta l uso di FE- NO nella pratica clinica. FE NO NELLO SCREENING DELL ASMA La misurazione di FE NO al flusso standard di 50 ml/s ha mostrato una sensibilità dell 86% usando un cut-off di 10,5 ppb 28, dimostrandosi pertanto come un metodo sensibile per identificare soggetti con asma non diagnosticato e offrendo un vantaggio in termini di costi rispetto a una procedura con anamnesi, esame fisico, spirometria e test di provocazione aspecifico con istamina o metacolina. L ossido nitrico nell asma bronchiale Una grande mole di studi, già accuratamente esaminati 4,15-18 ha riportato che i livelli di FE NO sono più elevati negli asmatici non trattati che nei soggetti sani. Una ricerca su 240 pazienti con sintomi respiratori ha dimostrato che la misurazione di FE NO è in grado di discriminare gli asmatici dai non asmatici con una sensibilità dell 85% e una specificità del 90% 19. I livelli elevati di FE NO nei pazienti asmatici riflettono l aumentata espressione di inos nel tratto respiratorio, indotta dall azione di citochine proinfiammatorie prodotte nell asma, e sono associati con altri marker infiammatori misurati nell espettorato indotto, nel lavaggio broncoalveolare e in biopsie endobronchiali, con particolare importanza per gli eosinofili e la loro proteina cationica Infatti, è stata riportata una correlazione significativa tra FE NO ed eosinofili circolanti 25 e tra FE NO e proteina cationica nell espettorato 26. Tali elementi fanno attualmente considerare FE NO un biomarker indiretto non invasivo dell infiammazione eosinofila delle vie respiratorie 24, che può essere facilmente misurato durante la valutazione di routine e ha quindi un ruolo nella pratica clinica. FE NO NELLA DIAGNOSI DI ASMA In un primo studio su pazienti con tosse cronica, FE NO a un flusso di 45 ml/s ha mostrato una sensibilità del 75% e una specificità dell 87% nel diagnosticare l asma, con un cut-off di 30 ppb 29. In un altra ricerca, è stata osservata una sensibilità di FE NO maggiore degli altri parametri diagnostici quali anamnesi e funzionalità respiratoria 30. Anche studi sui bambini hanno confermato il ruolo potenziale di FE NO come strumento diagnostico per l asma. Avital e coll. hanno riportato che FE NO può distinguere i soggetti asmatici dai non asmatici in bambini con tosse cronica 31 e Malmberg e coll. hanno dimostrato che la misurazione di FE NO fornisce risultati migliori rispetto alla funzionalità respiratoria e alla risposta ai broncodilatatori nell identificare bambini asmatici in età pre-scolare 32. Lo stesso autore ha notato in soggetti adulti che i livelli di FE NO sono associati all eosinofilia nell espettorato ma che solo livelli elevati sono associati all asma 33. Un aspetto ancora critico è il valore di cut-off atto a identificare gli asmatici: nello studio di Dupont e coll., utilizzando un cut-off di 16 ppb a un flusso di 200 ml/s, corrispondente a circa 33 ppb, con il flusso standard di 50 ml/s è stata ottenuta una sensibilità dell 85%, una specificità del 90% e un valore predittivo positivo del 90% 19.

3 260 Recenti Progressi in Medicina, 99, 5, 2008 D altra parte, una analisi mediante curve Receiver Operator Characteristic (ROC) ha dimostrato che FE NO, usando tecniche sia online sia offline e differenti flussi, era un discriminatore significativo (p <0,0001) di soggetti asmatici e che né il tipo di flusso né la tecnica di raccolta alteravano tale capacità discriminatoria 34. FE NO NEL MONITORAGGIO DELL ASMA Numerosi dati recenti indicano un ruolo della misurazione di FE NO nel monitoraggio dell asma e in particolare nel monitoraggio degli effetti della terapia anti-infiammatoria, come attualmente accettato dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti 35. In un primo studio su pazienti asmatici trattati con budesonide per via inalatoria a dosi da 200 a 2000 mcg/die è stata riportata un associazione tra la diminuzione di dose e l aumento di FE NO 36. In un altro studio su asmatici trattati con steroidi, i livelli di FE NO erano correlati strettamente con i marker clinici di malattia, quali i sintomi e la necessità di farmaci al bisogno, ma non con i test di funzionalità respiratoria 37, mentre è stata riportata una correlazione positiva tra una buona risposta del volume espiratorio massimo in un secondo (VEMS) agli steroidi inalatori e un valore di FE NO inferiore a 20 ppb 38, suggerendo che FE NO è in grado di distinguere i potenziali responder agli steroidi inalatori. Infatti, i livelli di FE NO sono molto sensibili al trattamento steroideo e recentemente il riscontro di livelli elevati è stato utilizzato per predire il beneficio della terapia con steroidi inalatori 39. Inoltre, è stato riportato un elevato valore predittivo negativo di FE NO nell identificare soggetti predisposti alla risposta positiva: una buona risposta agli steroidi inalatori è meno probabile se i livelli basali di FE NO sono bassi 40. Considerando i livelli di FE NO come una guida clinica alla gestione dell asma, Taylor ha suggerito di considerare bassi, livelli di FE NO inferiori a 25 ppb e alti, livelli di FE NO superiori a 45 ppb 41. Altre opportunità offerte dalla misurazione di FE NO sono la capacità di predire le recidive di asma dopo interruzione degli steroidi 42 e di predire l insuccesso della riduzione di dosaggio degli steroidi in bambini con sintomi ben controllati dal trattamento 43. D altra parte, dai dati disponibili appare evidente che livelli elevati di FE NO, se in soggetti asintomatici non implicano necessariamente l esigenza di aumentare il dosaggio di steroidi, in asmatici sintomatici indicano che l infiammazione delle vie aeree non è adeguatamente controllata dalla terapia steroidea 41. Inoltre, FE NO appare utile nel rilevare una mancata compliance agli steroidi, come suggerito da Delgado-Corcoran e coll., che hanno riportato che, in bambini e adolescenti con asma, FE NO era significativamente correlato con la compliance alla terapia, mentre il valore di VEMS non lo era 44. Questa osservazione non deve sorprendere, poiché le fluttuazioni dell infiammazione nell asma non sono rispecchiate dalle variazioni del VEMS, e il concetto emergente della inflammometria 45 riconosce attualmente nel FE NO il suo miglior surrogato, in grado di guidare il trattamento dell asma 46. L ossido nitrico nella broncopneumopatia cronica ostruttiva La letteratura sul significato di FE NO nella BP- CO è molto meno abbondante. Studi eseguiti precocemente, quando le tecniche di misurazione non erano ancora standardizzate, hanno fornito risultati contrastanti: Clini e coll. hanno riportato che in pazienti con BPCO stabile di grado severo i livelli di FE NO erano inferiori a quelli di soggetti sani e correlavano con la gravità della malattia 47, mentre Maziak e coll. hanno riscontrato in soggetti con diversa severità di BPCO livelli di FE NO progressivamente più elevati, fino a un valore di 12,7 ppb in pazienti con malattia instabile 48. Attualmente si concorda sul fatto che FE NO è aumentato nella BP- CO, ma che il grado di elevazione è modesto a confronto con i livelli osservati nell asma 4. Inoltre, il fumo di sigaretta influenza notevolmente i livelli di FE NO e deve sempre essere considerato 4. Recentemente è stato suggerito che misurare i livelli alveolari invece che quelli delle vie respiratorie potrebbe dare risultati migliori 49, ma non sono ancora disponibili tecniche di agevole esecuzione. Un aspetto interessante è l identificazione dei pazienti ai quali è stata diagnosticata una BPCO, ma che hanno una componente asmatica: in questi casi i livelli di FE NO sono paralleli all incremento di eosinofili nell espettorato 50 e si correlano al miglioramento della funzionalità respiratoria dopo trattamento con steroidi 51. È chiaro, tuttavia, che sono necessarie ulteriori ricerche per indicare un ruolo di FE NO nella valutazione di routine dei pazienti con BPCO. L ossido nitrico in altre patologie respiratorie Nelle patologie delle alte vie respiratorie l ossido nitrico viene misurato nell esalato nasale (nasal nitric oxide, nno). Nella rinosinusite i livelli di nno sono bassi, nonostante la produzione di NO sia volte più elevata nei seni paranasali che nei polmoni 52. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che nella sinusite c è una riduzione del flusso di NO nel lume nasale a causa dell edema della mucosa e dell ostruzione del drenaggio dagli ostii paranasali, come suggerito dall incremento di nno dopo adeguata terapia antibiotica 53.

4 V. Pravettoni, C. Incorvaia, F. Frati: Ruolo della misurazione di ossido nitrico nelle malattie respiratorie 261 La recente osservazione di Ragab e coll. 54 che in pazienti con rinosinusite cronica i livelli di nno erano correlati con i punteggi dei sintomi e con le variazioni endoscopiche, ha indotto gli autori a suggerire che la misurazione del nno possa avere un ruolo come indicatore di risposta al trattamento. Bassi livelli di nno vengono inoltre osservati, probabilmente per l intrappolamento e l alterato metabolismo del NO causato da secrezioni dense e da diminuita attività di NOS, in altre malattie respiratorie come la fibrosi cistica e la discinesia ciliare primaria 55. In quest ultima condizione i livelli di nno sono estremamente bassi e suggeriscono la sua misurazione come un valido strumento di screening 6. Al contrario, per quanto riguarda altre patologie polmonari, alti livelli di FE NO sono stati riportati in pazienti sottoposti a trapianto di polmone con funzionalità respiratoria instabile e studi recenti hanno rilevato un associazione tra i livelli misurati di FE NO e lo sviluppo di una sindrome da bronchiolite obliterante post-trapianto 56,57. Considerazioni conclusive Un flusso continuo di studi attribuisce all ossido nitrico esalato un ruolo importante come marker non invasivo di infiammazione delle vie respiratorie, etichettandolo come un inflammometro di notevole utilità sia nella diagnosi sia nel monitoraggio dell asma bronchiale. Varie altre patologie respiratorie sono attualmente in corso di valutazione per definire il significato di livelli elevati o bassi, in base alle differenti condizioni fisiopatologiche, dell ossido nitrico e per indicare le possibili applicazioni cliniche. Bibliografia 1. Moncada S, Higgs A. The L-arginine-nitric oxide pathway. 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