磷酸二酯酶及其抑制劑在神經(jīng)退行性疾病中的研究進展

柳 麗，鄭 靜，黃險峰，丁淑敏，宋國強

（常州大學(xué)制藥與生命科學(xué)學(xué)院，江蘇常州213164）

神經(jīng)退行性疾病是一類因中樞神經(jīng)元退化或不可逆丟失而出現(xiàn)進行性認知、記憶、運動和情緒等功能障礙的疾病，包括阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）、亨廷頓?。℉untington disease，HD）、帕金森?。≒arkinson disease，PD）、肌萎縮側(cè)索硬化病（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）和多發(fā)性硬化癥（multiple sclerosis，MS）等。隨著全球人口老齡化的加劇，此類疾病的發(fā)病率逐年增高，因其發(fā)病機制尚不明確，積極尋找安全高效的藥物靶點和治療方法成為目前亟待解決的難題。

環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和環(huán)磷酸鳥苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）是細胞內(nèi)關(guān)鍵的第二信使，兩者分別在腺苷酸環(huán)化酶（adenylyl cyclase，AC）和鳥苷酸環(huán)化酶（guanylate cyclase，GC）的催化下生成，其中可溶性GC還受體內(nèi)NO的調(diào)控。cAMP和cGMP分別通過激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和PKG引起cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）的磷酸化，后者進一步通過調(diào)控腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）等相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達來調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞功能（圖1）。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，cAMP和cGMP參與了神經(jīng)發(fā)生、信息傳遞、突觸可塑性及感覺、認知、記憶、情緒和運動等多個生理學(xué)過程，而神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生則主要與這些過程的不同程度障礙或損傷有關(guān)［1-3］。因此，調(diào)控體內(nèi)cAMP/cGMP水平及其下游信號可為神經(jīng)退行性疾病提供新的治療途徑。

圖1 環(huán)核苷酸信號.ATP：三磷酸腺苷；GTP：三磷酸鳥苷；5′AMP：5′磷酸腺苷；5′GMP：5′磷酸鳥苷；NF-3：神經(jīng)營養(yǎng)因子-3；NGF：神經(jīng)生長因子；PDE：磷酸二酯酶；PKA：蛋白激酶A；BDNF：腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子；CREB：cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白.

研究顯示，cAMP和cGMP的失活途徑?jīng)Q定了其在細胞內(nèi)的水平，而磷酸二酯酶（phosphodiesterases，PDE）是體內(nèi)cAMP和cGMP唯一的水解酶，PDE的表達和活性直接影響細胞內(nèi)第二信使的水平。PDE由11個家族組成，分別為PDE1～11，根據(jù)其底物的特異性，可分為3類：對cAMP具有特異性的PDE4，7和8；對cGMP具有特異性的PDE5，6和9；對cAMP和cGMP均具有親和力的PDE1，2，3，10和11［4］。已知大部分PDE家族在中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達，抑制PDE可顯著增強神經(jīng)細胞內(nèi)cAMP和cGMP信號，進而調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一系列生理或病理過程。因此，PDE有望成為神經(jīng)退行性疾病新的治療靶點，PDE抑制劑有望成為治療神經(jīng)退行性疾病的前景藥物。

1 PDE及其抑制劑與AD

1.1 PDE與AD

AD是目前最為常見的神經(jīng)退行性疾病，其發(fā)病原因至今尚不明確，曾經(jīng)公認的β淀粉樣蛋白（βamyloid，Aβ）沉積致老年斑和tau蛋白磷酸化致神經(jīng)元纖維纏結(jié)學(xué)說皆因靶向Aβ藥物的研發(fā)失敗而停滯不前。有研究顯示，老年人大腦中對記憶具有重要調(diào)節(jié)作用的NO/cGMP信號明顯弱于年輕人［5］。且一些非臨床研究發(fā)現(xiàn)，AD大鼠的腦血管周圍可見PDE3的高表達，體外用Aβ1-42處理小膠質(zhì)細胞也可見PDE4B mRNA水平上調(diào)［6-7］。AD患者的尸檢結(jié)果更具說服力，Pérez-Torres等［8］發(fā)現(xiàn)，PDE4A mRNA水平在早期AD患者腦內(nèi)嗅皮質(zhì)處呈顯著上升，在額皮質(zhì)處卻明顯下降。McLachlan等［9］發(fā)現(xiàn)一例AD患者海馬部位的PDE4D1呈翻倍表達，但PDE4D2和PDE4D3卻無明顯改變，PDE4D5～9的水平甚至還有所下降。同樣是AD患者，其海馬齒狀回和CA2區(qū)域的PDE8B水平升高，而齒狀回的PDE7A水平卻下降［10］。此外，Ugarte等［11］研究顯示，AD患者顳皮質(zhì)處PDE5的蛋白水平是正常人的5倍，而PDE9A，PDE2A和PDE10A卻無明顯差異［12］。由此可見，AD的發(fā)生發(fā)展與PDE密切相關(guān)，且PDE的變化具有一定的亞型特異性和腦區(qū)特異性。

1.2 PDE抑制劑與AD

雖不是所有的PDE均在AD患者或動物模型中呈現(xiàn)出表達量或活性的顯著改變，但近年來部分PDE選擇性抑制劑卻在AD的非臨床研究和部分臨床研究中取得了很好的療效。

研究顯示，第一代PDE4抑制劑咯利普蘭（rolipram）可顯著改善AD大鼠記憶功能障礙，且這一作用與增強cAMP/CREB信號有關(guān)［13］。但該藥易引起強烈的頭暈頭痛和惡心嘔吐等不良反應(yīng)，目前僅作為相關(guān)研究的工具藥［14］。由羅氏公司與Memory Pharmaceuticals聯(lián)合推出的MEM 1414是第二代代表性PDE4抑制劑，曾在Ⅰ期臨床中表現(xiàn)出很好的安全性和耐受性，并有望進入Ⅱ期臨床。但隨著公司的重組與合并，相關(guān)研究未能繼續(xù)。另有PDE4抑制劑MK-0952于2008年完成了輕中度AD治療的Ⅱ期臨床，但結(jié)果并未公開［15］。而原本用于慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的羅氟司特（roflumilast）在一項Ⅱ期臨床研究中表現(xiàn)出較好的改善認知效果，其最低有效劑量是治療COPD時的1/5，且無傳統(tǒng)PDE4抑制劑引起的嘔吐等不良反應(yīng)，有望作進一步深入研究［16］。

在AD患者腦內(nèi)雖并未發(fā)現(xiàn)PDE2表達和活性的異常，但由于PDE2在腦中表達量最高且選擇性地分布在與學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)的前腦區(qū)域，且PDE2具有對cAMP和cGMP的雙重水解作用，可同時調(diào)控cAMP和cGMP 2條信號通路，因此，有關(guān)PDE2抑制劑與AD的研究近年廣受關(guān)注。相關(guān)研究主要始于2002年高選擇性PDE2抑制劑BAY 60-7550的問世，雖因較差的藥代動力學(xué)特性致使其無法進入臨床，但卻為研究PDE2在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用提供了便利。該藥可顯著提升大鼠和小鼠的認知和記憶能力，上調(diào)神經(jīng)細胞內(nèi)cAMP和cGMP水平、增強突觸可塑性，其機制與增強NO/cGMP信號及cAMP/PKA/CRBE信號密切相關(guān)［17］。另一個具有代表意義的PDE2抑制劑是ND-7001，曾在2005年進入Ⅰ期臨床，并表現(xiàn)出很好的安全性和耐受性，但這項研究卻在2010年因不明原因終止［18］。其后，多家公司相繼研發(fā)出抑制PDE2的專利化合物，其相關(guān)非臨床及臨床研究都還在進行中［19］。

PDE5抑制劑因其舒張血管平滑肌功能而被用于治療勃起功能障礙。近年來研究發(fā)現(xiàn)，PDE5抑制劑可明顯增強動物和人的認知功能，其機制與改善血管功能紊亂、促進神經(jīng)遞質(zhì)釋放、促進神經(jīng)再生和抗凋亡等作用有關(guān)［20］。其中西地那非（sildenafil）能顯著改善AD動物的認知和減少海馬部位Aβ沉積［21］。他達拉非（tadalafil）曾因其較差的透過血腦屏障能力而不被看好，但García-Barroso等［22］研究顯示，該藥可提升AD動物的認知能力，其機制可能與減少tau蛋白磷酸化有關(guān)。倫敦大學(xué)進行了一項研究，把該藥用于腦部有微血管病變的患者，發(fā)現(xiàn)其可增加腦部血流、防止血管性認知障礙的發(fā)生［23］。但PDE5抑制劑能否用于臨床AD患者還需要大量研究驗證。

此外，PDE9抑制劑也在AD動物模型中顯示出提升認知的作用［24-25］。其中PF-04447943和BI 409306已進入了Ⅱ期臨床，但兩者均未能取得預(yù)期結(jié)果［26-27］。

2 PDE及其抑制劑與HD

HD是一類具有遺傳傾向的神經(jīng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為運動、認知和情感障礙。其病理特征與突變亨廷頓蛋白大量聚集并引起紋狀體和大腦皮質(zhì)神經(jīng)元死亡有關(guān)。3-硝基丙酸（3-nitropropionic acid，3-NPA）和喹啉酸是目前常用于HD造模的神經(jīng)毒劑，這2種毒素均可下調(diào)環(huán)核苷酸水平、降低CREB介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄活性［28-29］。同樣，突變亨廷頓蛋白的神經(jīng)毒性也可能與影響環(huán)核苷酸水平及其下游信號有關(guān)［30-31］。此外，Gines等［32］在R6/2型轉(zhuǎn)基因HD小鼠的紋狀體內(nèi)檢測到cAMP水平的下降，且這一變化可能與PDE4的表達和活性增加有關(guān)。另外，在R6/2小鼠的海馬中還存在NO/cGMP信號的下調(diào)，但HD相關(guān)的早期cAMP和cGMP水平下調(diào)卻引起了部分PDE的代償性低表達，尤其是PDE10A和PDE1B［33-34］。其中PDE10A在HD患者的腦內(nèi)也呈低表達狀態(tài)，推測這同樣可能是HD早期cAMP水平下降引起的代償性改變［34］。輝瑞公司研發(fā)的PDE10A抑制劑TP-10在喹啉酸誘導(dǎo)和轉(zhuǎn)基因的HD動物模型中均表現(xiàn)出較強的神經(jīng)元保護作用，其機制與促進CREB磷酸化有關(guān)［35-36］。PDE1B低表達與低水平環(huán)核苷酸雖也共存于神經(jīng)毒素誘導(dǎo)或轉(zhuǎn)基因的HD模型中，但PDE1抑制劑長春西?。╲inpocetine）卻同樣能顯著改善3-NPA誘導(dǎo)的HD動物運動異常［37］。此外，DeMarch等［29，38］研究顯示，PDE4抑制劑洛利普蘭也可對喹啉酸誘導(dǎo)和轉(zhuǎn)基因HD動物發(fā)揮神經(jīng)保護作用，其機制均與促進CREB磷酸化有關(guān)。

3 PDE及其抑制劑與PD

PD是以黑質(zhì)紋狀體通路多巴胺神經(jīng)元退變?yōu)樘卣鞯倪\動障礙性疾病，PD患者不僅表現(xiàn)出運動功能障礙，后期還會出現(xiàn)認知和情緒障礙。近年來，由CREB介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控異常在PD研究中受到關(guān)注。CREB下游信號BDNF已被證實在多種PD模型中具有多巴胺神經(jīng)元保護作用［39］。一項Meta分析顯示，咖啡可降低PD的發(fā)病風(fēng)險，其原因可能與咖啡因抑制PDE有關(guān)［40］。PDE10A是PDE家族中在紋狀體表達最高的，在PD的病理生理學(xué)進程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用［41］。罌粟堿可抑制PDE10A上調(diào)紋狀體棘狀神經(jīng)元的cAMP水平，從而抑制紋狀體中多棘神經(jīng)元（medium spiny neurons，MSN）的多巴胺D2受體信號，增強D1受體信號，繼而改善PD癥狀［42］。此外，在PD動物模型中還存在PDE1B活性的上調(diào)［43］。而PDE1抑制劑長春西丁可改善魚藤酮誘導(dǎo)的PD大鼠運動障礙并提高紋狀體多巴胺水平［44］。雖然目前尚無研究顯示1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）誘導(dǎo)的PD模型中是否存在PDE的改變，但PDE4抑制劑咯利普蘭卻可顯著減輕MPTP引起的PD小鼠黑質(zhì)神經(jīng)元丟失，增加腦內(nèi)多巴胺水平，其機制可能與增強cAMP依賴的PKA/CREB/BDNF信號有關(guān)［45］。

4 PDE及其抑制劑與其他神經(jīng)退行性疾病

目前，PDE在ALS和MS中的作用研究相對較少。其中ALS主要以運動神經(jīng)元變性為特征，Nakamizo等［46］研究發(fā)現(xiàn)，PDE5在運動神經(jīng)元中廣泛表達，PDE5選擇性抑制劑扎普司特（zaprinast）能保護活性氧誘導(dǎo)的大鼠脊髓運動神經(jīng)元損傷，且這一作用可被PKG抑制劑KT5823阻斷。MS則是以白質(zhì)脫髓鞘病變?yōu)樘卣鞯闹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)炎性自身免疫性疾病，PDE4抑制劑咯利普蘭、PDE7抑制劑TC3.6和VP3.15均可減輕實驗性自身免疫性腦脊髓炎的癥狀，但相關(guān)機制還需深入研究［47-49］。

5 結(jié)語

常見神經(jīng)退行性疾病與PDE表達異常引起的環(huán)核苷酸信號改變密切相關(guān)，高選擇性PDE抑制劑有望成為治療神經(jīng)退行性疾病的新型候選藥物。然而PDE家族成員眾多，水解底物存在特異性，中樞分布也存在差異性，研究者們還需進一步明確PDE在神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展中的病理生理學(xué)作用。同時，現(xiàn)有的一些用于神經(jīng)退行性疾病的PDE抑制劑大都還處在非臨床研究階段，部分臨床研究才剛剛起步或尚未取得明確結(jié)果。因此，新型高效和高選擇性PDE抑制劑的研發(fā)工作任重而道遠。