磷酸二酯酶與疾病相關(guān)的藥理學(xué)研究進(jìn)展

王晨泉(綜述)，李運(yùn)曼，馬曉慧(審校)

(1.中國藥科大學(xué)生理教研室，南京210009;2.天津天士力集團(tuán)研究院藥理與毒理研究所，天津300410)

環(huán)核苷酸磷酸二酯酶超家族(cyclic nucleotide phosphodiesterases，PDEs)是細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使cAMP和cGMP的催化水解酶［1，2］。作為不可或缺的環(huán)核苷酸信號(hào)調(diào)節(jié)器，PDEs參與大量的生理學(xué)過程。近年來國內(nèi)對(duì)其研究多側(cè)重于單個(gè)PDE族的藥理學(xué)作用及其抑制劑或是單獨(dú)疾病相關(guān)的PDE進(jìn)展［3-5］，而國外研究關(guān)注于PDE的蛋白結(jié)構(gòu)、調(diào)控因子、信號(hào)通路及其可能的臨床應(yīng)用［6-8］，對(duì)于已知PDE全家族與各類疾病的相互關(guān)系還未有系統(tǒng)的總結(jié)。因而，有必要對(duì)磷酸二酯酶與相關(guān)疾病進(jìn)行總結(jié)，用以指導(dǎo)后續(xù)的新藥研究。

1 PDEs的種類及分布

環(huán)核苷酸環(huán)化酶(AC和GC)合成環(huán)核苷酸，PDEs催化水解環(huán)核苷酸，兩者保持細(xì)胞內(nèi)cAMP和cGMP水平。PDEs根據(jù)各自不同的基因序列、蛋白結(jié)構(gòu)域和生物學(xué)性質(zhì)分為11個(gè)PDE家族:包括特異性水解 cAMP的PDE4、PDE7和 PDE8，特異性水解cGMP的PDE5、PDE6和PDE9，以及雙底物的PDE1、PDE2、PDE3、PDE10 和 PDE11。在各家族內(nèi)，又存在不同的磷酸二酯酶亞型(表1)［7］。

環(huán)核苷酸在細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路以及PDEs在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)環(huán)核苷酸水平上發(fā)揮的作用使其具有成為疾病治療靶點(diǎn)的潛力［8］，如PDE4在炎癥過程，PDE5在人類勃起功能障礙進(jìn)程中的研究，都對(duì)新的疾病治療藥物研發(fā)提供了思路。但PDEs在調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的生理信號(hào)過程中確切的生理機(jī)制和貢獻(xiàn)仍需進(jìn)一步研究，對(duì) PDEs進(jìn)行的新生理功能的研究可能揭示出全新的疾病治療靶點(diǎn)。

2 PDEs及其抑制劑與相關(guān)疾病的概況

2.1 肺部疾病

2.1.1 慢性阻塞性肺病慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)是全球性健康問題，世界范圍內(nèi)的COPD發(fā)病率和致死率在不斷升高。由吸煙或其他環(huán)境污染物質(zhì)誘發(fā)的慢性炎癥引起，伴隨呼吸道重構(gòu)和肺泡組織損傷，導(dǎo)致呼吸道阻塞、呼吸困難、黏液分泌過多和慢性咳嗽等癥狀。COPD主要損害肺部，但也會(huì)對(duì)整體健康狀況造成損傷［9-11］。目前主要的藥物治療策略是緩解癥狀，改善呼吸功能，降低其發(fā)作頻率。

Roflumilas是非類固醇消炎藥，消除相關(guān)炎癥，并有可能針對(duì)其機(jī)制發(fā)揮藥效，如纖毛結(jié)構(gòu)重構(gòu)，在Roflumilast臨床隨機(jī)雙盲實(shí)驗(yàn)中口服。與安慰劑相比，Roflumilast能顯著減緩COPD惡化且耐受良好。依靠其改善肺功能，減少病情惡化的作用，已成為第一個(gè)治療COPD的口服藥［10］。

表1 PDE家族的分類、底物、調(diào)控因子及其分布情況

2.1.2 哮喘 哮喘會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氣管收縮過度，因而目前臨床治療哮喘的策略之一是應(yīng)用支氣管擴(kuò)張劑，然而支氣管擴(kuò)張劑無法改善哮喘發(fā)生過程的慢性呼吸道炎癥。PDE4抑制劑(如Cilomilast和Roflumilast)通過增加細(xì)胞內(nèi)cAMP水平阻止炎性細(xì)胞釋放細(xì)胞因子和趨化因子，但是由于它具有頭痛、惡心、嘔吐的不良反應(yīng)，在臨床上的使用受到限制。PDE4抑制劑同時(shí)具有呼吸道舒張和抗炎的作用，可能成為理想的抗哮喘藥物［11-13］。

PDE4B在Th2型細(xì)胞反應(yīng)和變應(yīng)原致敏的呼吸道高反應(yīng)原性的發(fā)展過程中發(fā)揮著特定的作用。在PDE4B－/－裸鼠中，可能是由于炎性細(xì)胞的缺陷沒有產(chǎn)生呼吸道高反應(yīng)原性，尤其是Th2細(xì)胞。因而有必要深入研究PDE4B在Th2細(xì)胞分化和效應(yīng)機(jī)制中發(fā)揮作用。PDE4B的失活可緩解呼吸道炎癥，PDE4B選擇性抑制劑能夠改善藥物對(duì)慢性肺部的炎癥［14］。

2.1.3 肺動(dòng)脈高壓 有報(bào)道表明，PDE家族在肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用。在慢性低氧性肺動(dòng)脈高壓大鼠肺動(dòng)脈中的PDE活性增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的cAMP和cGMP水平降低［15］。

在動(dòng)物和人體上，抑制特異性水解 cGMP的PDE5活性，可以降低全身和肺動(dòng)脈血壓。在肺高壓模型中，PDE5抑制劑相對(duì)選擇性的作用于肺動(dòng)脈，更側(cè)重于降低肺部高壓。肺部動(dòng)脈富含PDE5，且在肺動(dòng)脈高壓中PDE5的表達(dá)和活性都會(huì)提升。在Sildenafil作為一線治療肺動(dòng)脈高壓藥物過程中，PDE5抑制劑表現(xiàn)出良好的舒張血管作用。具有更長(zhǎng)半衰期的Tadalafil有可能被批準(zhǔn)用于肺動(dòng)脈高壓治療，第三個(gè)PDE5抑制劑Vardenafil正在進(jìn)行三期臨床研究［16］。

在慢性低氧性肺動(dòng)脈高壓大鼠模型中，長(zhǎng)期PDE5抑制劑治療通過加強(qiáng)鈉尿肽-cGMP通路，下調(diào)Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，改變肺動(dòng)脈血管張力，改善肺動(dòng)脈高壓癥狀。在長(zhǎng)期暴露于低氧環(huán)境和用于治療持續(xù)肺動(dòng)脈高壓缺氧誘導(dǎo)模型中給予PDE5抑制劑，能降低肺動(dòng)脈高壓和血管重塑的風(fēng)險(xiǎn)［17，18］。

2.2 性功能障礙 PDE5的特異性抑制劑，如Sildenafil(Viagra)、Vardenafil(Levitra)和 Tadalafil(Cialis)在治療男性勃起功能障礙的臨床應(yīng)用明確表明，PDE5在調(diào)節(jié)平滑肌張力上發(fā)揮的重要作用。該生理過程受NO/cGMP信號(hào)通路調(diào)控，NO和鈉尿肽通過cGMP誘導(dǎo)平滑肌舒張調(diào)節(jié)血管張力，而PDE5是其中高表達(dá)的cGMP水解酶。PDE5抑制劑可以延緩人體海綿體內(nèi)cGMP的酶解作用，引起動(dòng)脈擴(kuò)張使陰莖充血，收縮海綿體組織［19］。

然而，對(duì)于女性性功能障礙仍未有合適的治療藥物。人類陰蒂存在一氧化氮合酶亞型，因而NO可能作為平滑肌活動(dòng)的調(diào)節(jié)器參與陰蒂勃起過程。這說明男女性興奮的機(jī)制相同。Sildenafil已證明可以用于改善女性性功能，然而，關(guān)于PDE5抑制劑治療女性性功能障礙的證據(jù)并不充分，尚待后續(xù)研究［20，21］。

2.3 神經(jīng)疾病

2.3.1 神經(jīng)退行性疾病 PDE1A2主要在腦組織中表達(dá)，可以被鹽酸司立吉林(selegeline hydrochloride)和金剛胺(smantadine)抑制，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP水平提高。有充分證據(jù)表明，cAMP參與神經(jīng)系統(tǒng)的代謝與功能調(diào)節(jié)，影響神經(jīng)細(xì)胞的存活。在患有帕金森病和阿爾茨海默病的患者中，cAMP水平存在顯著降低，而使用抗帕金森病藥物會(huì)抑制PDE1A2活性，PDE1 在帕金森病中的作用尚未明確［22，23］。

同時(shí)，PDE1A2也是m-鈣蛋白酶的底物。腦中的鈣蛋白酶參與突觸修飾、神經(jīng)突起修剪、受體特征、神經(jīng)絲翻轉(zhuǎn)和神經(jīng)分化。由m-鈣蛋白酶誘導(dǎo)的PDE1A2蛋白酶解導(dǎo)致鈣調(diào)素非依賴的細(xì)胞內(nèi)cAMP水平降低，表明PDE1同工酶可能是干預(yù)治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂的有效靶點(diǎn)［7］。

2.3.2 記憶 除阿爾茨海默病外，還存在由遺傳、疾病、創(chuàng)傷或年齡增長(zhǎng)導(dǎo)致的學(xué)習(xí)和記憶障礙、可能的靶點(diǎn)(如PDE4和α-氨基羥甲基口惡唑丙酸受體)。cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白是長(zhǎng)期記憶形成的關(guān)鍵控制單元。削弱cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白功能可保持學(xué)習(xí)和短期記憶正常，但是會(huì)損傷長(zhǎng)期記憶。PDE4通過控制細(xì)胞內(nèi)cAMP水平來調(diào)整記憶能力，對(duì)其抑制可以增強(qiáng)記憶功能［24］。PDE4抑制劑，如Rolipram誘導(dǎo)cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白依賴的記憶增強(qiáng)，說明PDE4抑制劑可以作為記憶增強(qiáng)劑使用。PDE5抑制劑(Sildenafil)也被報(bào)道具有增強(qiáng)記憶作用［25］。

2.3.3 精神分裂 PDEs在精神分裂癥中也發(fā)揮作用［26］。PDE抑制劑通過非受體依賴性機(jī)制，而不是傳統(tǒng)的阻斷多巴胺受體來治療精神分裂。該類藥物可能通過利用cAMP(cGMP)作為第二信使的G蛋白耦聯(lián)受體通路發(fā)揮作用。研究表明，PDE4和PDE10抑制劑可用于治療精神分裂的陽性癥狀，陰性癥狀及可能的認(rèn)知障礙。

2.3.4 抑郁 調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性和細(xì)胞存活的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路損傷是造成抑郁癥的重要機(jī)制之一。cAMP介導(dǎo)的信號(hào)通路在抑郁的病理生理和藥物治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過PDE4抑制劑或刺激腎上腺素能受體活性，上調(diào)細(xì)胞內(nèi)cAMP水平，可以在動(dòng)物模型產(chǎn)生抗抑郁樣作用。β-腎上腺素受體涉及抗抑郁藥物的調(diào)節(jié)作用被激活后產(chǎn)生的cAMP，主要受PDE4調(diào)控。因此，PDE4被認(rèn)為是針對(duì)抑郁癥和認(rèn)知功能受損進(jìn)行干預(yù)治療的首要靶點(diǎn)。PDE4抑制劑Rolipram在動(dòng)物中能產(chǎn)生抗抑郁樣作用和記憶增強(qiáng)功能［27］。

PDE4D剔除小鼠的行為學(xué)、藥理學(xué)和免疫印跡分析顯示，在 PDE4D剔除但不改變 PDE4A和PDE4B表達(dá)的小鼠中PDE4D在大腦皮質(zhì)和海馬體的表達(dá)缺失，在尾旋實(shí)驗(yàn)和游泳實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生明顯抗抑郁樣作用。PDE4D調(diào)控cAMP信號(hào)可能在抑郁的藥理學(xué)研究和藥物治療中發(fā)揮作用［28］。

2.4 癌癥 PDE抑制劑也可能作為抗癌藥物。高效PDE抑制劑可以上調(diào)細(xì)胞內(nèi)cAMP水平;增加的多種腫瘤細(xì)胞內(nèi)的cAMP可以抑制Ras活性，進(jìn)而降低腫瘤細(xì)胞中相對(duì)偏高的MAPK活性。另一方面，cAMP削減細(xì)胞內(nèi)Bcl-2和MDM2水平，增加細(xì)胞凋亡。cAMP通過微管網(wǎng)絡(luò)的特定元件的磷酸化導(dǎo)致骨架重構(gòu)，PDE抑制劑借助cAMP削弱細(xì)胞遷移［29］。在各種腫瘤的病理學(xué)研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PDE的過表達(dá)。選擇性PDE抑制劑的應(yīng)用能恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的正常，提供了一個(gè)可以減少不良反應(yīng)的抗腫瘤治療策略。

3 結(jié)語

磷酸二酯酶與疾病相關(guān)的藥理進(jìn)展研究顯示了PDE在不同疾病中發(fā)揮的作用。長(zhǎng)期的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究和臨床藥物應(yīng)用證實(shí)了PDE作為治療靶點(diǎn)的有效性和安全性，為PDE家族開發(fā)作新藥申請(qǐng)?zhí)峁┝诵碌囊罁?jù)和可能。不同家族的磷酸二酯酶涉及許多新的信號(hào)通路，且PDE較易被小分子化合物所抑制，通過動(dòng)物模型和特異性抑制劑對(duì)PDE作為藥物靶點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證性研究，同時(shí)考察其潛在的不良反應(yīng)，并依據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)開發(fā)。PDE選擇性抑制劑的分子多樣性為發(fā)展新的藥物提供了更多的可能。

［1］楊菊.磷酸二酯酶及其抑制劑的研究現(xiàn)狀［J］.中國廠礦醫(yī)學(xué)，2009，22(2):216-218.

［2］姜蓉，荊志成.5型磷酸二酯酶抑制藥治療肺動(dòng)脈高壓進(jìn)展［J］.臨床藥物治療雜志，2011，9(1):1-5.

［3］李杰，陳浩，陳國良.磷酸二酯酶9及其抑制劑的研究進(jìn)展［J］.沈陽藥科大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26(5):409-414.

［4］張莉，杜冠華.磷酸二酯酶7:一個(gè)新的抗炎免疫藥物靶點(diǎn)研究進(jìn)展［J］.中國藥理學(xué)通報(bào)，2009，25(1):1-4.

［5］周海燕，高平進(jìn).磷酸二酯酶與心血管疾病的研究進(jìn)展［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2009，29(2):216-219.

［6］Lugnier C.Cyclic nucleotide phosphodiesterase(PDE)superfamily:a new target for the development of specific therapeutic agents［J］.Pharmacolo Ther，2006，109(3):366-398.

［7］Jeon YH，Heo YS，Kim CM，et al.Phosphodiesterase:overview of protein structures，potential therapeutic applications and recent progress in drug development［J］.Cell Mol Life Sci，2005，62(11):1198-1220.

［8］Omori K，Kotera J.Overview of PDEs and their regulation［J］.Circ Res，2007，100(3):309-327.

［9］Giembycz MA，F(xiàn)ield SK.Roflumilast:first phosphodiesterase 4 inhibitor approved for treatment of COPD［J］.Drug Des Devel Ther，2010，4:147-158.

［10］Hatzelmann A，Morcillo EJ，Lungarella G，et al.The preclinical pharmacology of roflumilast——a selective，oral phosphodiesterase 4 inhibitor in development for chronic obstructive pulmonary disease［J］.Pulm Pharmacol Ther，2010，23(4):235-256.

［11］van den Berge M，ten Hacken NH，et al.Small airway disease in asthma and COPD:clinical implications［J］.Chest，2011，139(2):412-423.

［12］Kroegel C，Wirtz H.History of guidelines for the diagnosis and management of asthma:from opinion to control［J］.Drugs，2009，69(9):1189-1204.

［13］Bateman ED，Hurd SS，Barnes PJ，et al.Global strategy for asthma management and prevention:GINA executive summary［J］.Eur Respir J，2008，31(1):143-178.

［14］Jin SL，Goya S，Nakae S，et al.Phosphodiesterase 4B is essential for T(H)2-cell function and development of airway hyperresponsiveness in allergic asthma［J］.J Allergy Clin Immunol，2010，126(6):1252-1259.

［15］Busch CJ，Graveline AR，Jiramongkolchai K，et al.Phosphodiesterase 3A expression is modulated by nitric oxide in rat pulmonary artery smooth muscle cells［J］.J Physiol Pharmacol，2010，61(6):663-669.

［16］Baliga RS，MacAllister RJ，Hobbs AJ.New perspectives for the treatment of pulmonary hypertension［J］.Br J Pharmacol，2011，163(1):125-140.

［17］Lu W，Ran P，Zhang D，et al.Sildenafil inhibits chronically hypoxic upregulation of canonical transient receptor potential expression in rat pulmonary arterial smooth muscle［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2010，298(1):C114-C123.

［18］Singh TP.Clinical use of sildenafil in pulmonary artery hypertension［J］.Expert Rev Respir Med，2010，4(1):13-19.

［19］Park K，Hwang EC，Kim SO.Prevalence and medical management of erectile dysfunction in Asia［J］.Asian J Androl，2011.［Epub ahead of print］

［20］Azadzoi KM，Siroky MB.Neurologic factors in female sexual function and dysfunction［J］.Korean J Urol，2010，51(7):443-449.

［21］Allahdad KJ，Tostes RC，Webb RC.Female sexual dysfunction:therapeutic options and experimental challenges［J］.Cardiovasc Hematol Agents Med Chem，2009，7(4):260-269.

［22］Reyes-Irisarri E，Markerink-Van Ittersum M，Mengod G，et al.Expression of the cGMP-specific phosphodiesterases 2 and 9 in normal and Alzheimer's disease human brains［J］.Eur J Neurosci，2007，25(11):3332-3338.

［23］Ballard C，Gauthier S，Corbett A，et al.Alzheimer's disease［J］.Lancet，2011，377(9770):1019-1031.

［24］Blokland A，Schreiber R，Prickaerts J.Improving memory:a role for phosphodiesterases［J］.CurrPharm Des，2006，12(20):2511-2523.

［25］Boccia MM，Blake MG，Krawczyk MC，et al.Sildenafil，a selective phosphodiesterase type 5 inhibitor，enhances memory reconsolidation of an inhibitory avoidance task in mice［J］.Behav Brain Res，2011，220(2):319-324.

［26］Siuciak JA.The role of phosphodiesterases in schizophrenia:therapeutic implications［J］.CNS Drugs，2008，22(12):983-993.

［27］Picconi B，Bagetta V.Inhibition of phosphodiesterases rescues striatal long-term depression and reduces levodopa-induced dyskinesia［J］.Brain，2011，134(2):375-387.

［28］Zhang HT.Cyclic AMP-specific phosphodiesterase-4 as a target for the development of antidepressant drugs［J］.Curr Pharm Des，2009，15(14):1688-1698.

［29］Savai R，Pullamsetti SS，Banat GA，et al.Targeting cancer with phosphodiesterase inhibitors［J］.Expert Opin Investig Drugs，2010，19(1):117-131.