磷酸二酯酶在心力衰竭治療中的研究進(jìn)展

孫 歡，于 明，趙綺旎，楊 萍*

(1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院心血管內(nèi)科，長(zhǎng)春 130033； 2.吉林省重大心血管疾病精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，長(zhǎng)春 130033； 3.吉林省心血管研究所，長(zhǎng)春 130033)

心力衰竭(心衰)是心血管疾病發(fā)展的最終階段，其以心輸出量相對(duì)或絕對(duì)不足為主要表現(xiàn)。心衰是一類進(jìn)行性發(fā)展的臨床綜合征，其五年病死率可達(dá)50%，為人類造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)[1-2]。心衰的過程是由心血管疾病(如缺血性心臟病、高血壓、先心病、瓣膜病及心包疾病等)啟動(dòng)，進(jìn)而一系列神經(jīng)體液因素被激活，導(dǎo)致心功能進(jìn)行性惡化，雖然心力衰竭的機(jī)制和治療方法在動(dòng)物模型、體外實(shí)驗(yàn)及臨床研究中都不斷取得進(jìn)展，但是心力衰竭的死亡率仍然居高不下[3-5]。

環(huán)磷酸腺苷(cAMP)和環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)是細(xì)胞內(nèi)的第二信使，在心血管活動(dòng)調(diào)節(jié)方面起著重要作用[6-7]。磷酸二酯酶(PDEs)是一系列水解cAMP及cGMP的水解酶，是調(diào)節(jié)cAMP和cGMP水平的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)PDEs尤其是PDE3和PDE5的干預(yù)對(duì)于心力衰竭治療有著重要意義，其治療價(jià)值也需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)和研究。

1 環(huán)磷酸腺苷與環(huán)磷酸鳥苷

環(huán)磷酸腺苷(cAMP)與環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)是細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使，對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞功能與活動(dòng)起著重要的作用。一系列激素和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路都通過這兩種第二信使進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而調(diào)控細(xì)胞活動(dòng)，而心肌細(xì)胞的活動(dòng)也與他們密切相關(guān)[8-9]。由于PDEs通過水解cAMP和cGMP調(diào)控細(xì)胞活動(dòng)，理解cAMP和cGMP的作用對(duì)掌握PDEs對(duì)細(xì)胞活動(dòng)的意義至關(guān)重要。

cAMP由腺苷酸環(huán)化酶催化三磷酸腺苷形成，其降解由不同磷酸二酯酶(PDEs)催化。cAMP在心肌細(xì)胞中的作用有：(1)活化蛋白激酶A(PKA)，由PKA進(jìn)行一系列磷酸化過程，例如：L型鈣離子通道、蘭尼堿受體2(ryanodine receptor 2,RyR2)受體、受磷蛋白(phospholamban,PLB)及肌鈣蛋白I，從而加強(qiáng)心肌細(xì)胞的鈣瞬變和心肌細(xì)胞收縮力。由交感神經(jīng)持續(xù)興奮導(dǎo)致的全心肌細(xì)胞的PKA激活被認(rèn)為是高血壓及心衰發(fā)展過程中的重要因素，會(huì)導(dǎo)致心肌的重構(gòu)而進(jìn)一步加重心功能的惡化[10]；(2)激活cAMP調(diào)節(jié)的氨基鳥苷酸轉(zhuǎn)換因子(Epacs)，從而觸發(fā)Ca2+-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMKⅡ)的活化，進(jìn)一步引起心肌肥厚等病理過程。而CaMKⅡ引起的RyR2磷酸化會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子外溢，引起心律失常及心肌重構(gòu)和心功能惡化[11-12]。

cGMP由鳥苷酸環(huán)化酶催化三磷酸鳥苷形成，其降解由相應(yīng)的具有cGMP活性的PDEs催化，它在心肌細(xì)胞中的主要作用似乎與cAMP相反[13]，包括：(1)cGMP可通過蛋白激酶G(PKG)抑制L型鈣通道電流、通過抑制肌鈣蛋白I的磷酸化而減弱其對(duì)鈣離子的敏感性，這可起到負(fù)性肌力作用[14]；(2)NO作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的一部分，可通過增加cGMP濃度起到生物活性，而cGMP濃度的增加被證明能夠改善心室重構(gòu)和治療心力衰竭[15]。

2 磷酸二酯酶家族(PDEs)

PDEs是能夠催化水解環(huán)磷酸核苷磷酸二酯鍵，其活性最早有Sutherland及其同事所報(bào)道[16]。其家族成員眾多，現(xiàn)在被認(rèn)識(shí)到的哺乳動(dòng)物體內(nèi)的PDE種類有從PDE1到PDE11十一個(gè)種類，同時(shí)又存在有不同的同工酶，而不同PDEs的分布和功能也各有特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，PDEs的蛋白結(jié)構(gòu)可分成三個(gè)部分[17-18]：n-端的鉚定域，C端高度保守的催化域以及中段的調(diào)節(jié)域。從PDEs水解的底物分類，可以將PDEs分成三類：第一類特異性水解cAMP，包括PDE4、PDE7和PDE8；第二類特異性水解cGMP，包括PDE5、PDE6和PDE9；第三類能夠水解cAMP和cGMP，包括PDE1、PDE2、PDE3、PDE10和PDE11。

由于其不同亞型基因表達(dá)的不同使得我們能夠應(yīng)用mRNA的表達(dá)分布了解各種PDEs在組織內(nèi)的分布，進(jìn)而可探索它們的不同作用：

PDE1:分布于平滑肌、心臟、肺、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等；其作用包括調(diào)節(jié)平滑肌細(xì)胞收縮增殖、調(diào)節(jié)精子活動(dòng)、調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能等[18-20]；

PDE2:分布于腎上腺、神經(jīng)系統(tǒng)、平滑肌、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等；其功能包括調(diào)節(jié)cGMP和cAMP之間的相互作用、調(diào)節(jié)腎上腺的分泌作用、調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)、心肌鈣離子通道活性等[21-22]；

PDE3:分布于心臟、血管平滑肌、血小板、腎、肝、免疫細(xì)胞等；其作用包括：調(diào)節(jié)心肌收縮力、血小板聚集、血管平滑肌收縮、腎素釋放及胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等[23-24]；

PDE4:分布于被廣泛表達(dá)于各種組織內(nèi)。其作用包括調(diào)節(jié)腦功能、調(diào)節(jié)單核細(xì)胞及巨噬細(xì)胞功能、血管平滑肌細(xì)胞增殖等[18]；

PDE5：分布于心臟、血小板、血管平滑肌、腦、腎、肺和骨骼肌；其主要作用包括調(diào)節(jié)血管收縮，尤其是陰莖和肺部血管的舒縮，同時(shí)通過調(diào)節(jié)NO-cGMP信號(hào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)血小板聚集等[25-27]；

PDE6:分布于視覺系統(tǒng)中；其主要作用在于調(diào)節(jié)眼部視覺信號(hào)的傳輸；

PDE7:分布于免疫系統(tǒng)、骨骼肌、內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)系統(tǒng)等；主要被報(bào)道作用于T細(xì)胞的活化及免疫調(diào)節(jié)方面；

PDE8:分布于睪丸、脾、消化系統(tǒng)、腎、神經(jīng)系統(tǒng)、心臟等；可調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞對(duì)β受體激動(dòng)的反應(yīng)及T細(xì)胞活化等功能[28]；

PDE9:廣泛分布于各種組織內(nèi)，其作用尚鮮為人知，可能與腦組織中的NO-cGMP信號(hào)相關(guān)[29]；

PDE10:在腦、睪丸、甲狀腺等組織中高表達(dá)；其功能與調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)和記憶功能相關(guān)；

PDE11:在骨骼肌、前列腺、睪丸、甲狀腺、唾液腺及肝等組織中表達(dá)。其功能可能與精子的發(fā)育和功能相關(guān)。

3 PDE3和PDE5在心血管系統(tǒng)中的作用及其抑制劑在心衰中的應(yīng)用研究

從PDE的功能和分布上看，我們能夠得知雖然PDEs分布廣泛，但是其功能各異，因而我們對(duì)于心血管系統(tǒng)疾病的治療靶點(diǎn)主要集中于在心血管系統(tǒng)作用突出的PDE3和PDE5。而PDE3和PDE5抑制劑在心血管尤其是心臟中的作用受到廣泛重視，也在心血管疾病中應(yīng)用的最為廣泛。

PDE3曾經(jīng)被認(rèn)為是能夠治療心衰的重要靶點(diǎn)，一系列針對(duì)PDE3的治療旨在對(duì)心肌細(xì)胞起到正性肌力作用進(jìn)而改善心衰病人的血流動(dòng)力學(xué)，然而臨床研究的慘淡結(jié)果使得這一類治療策略黯然失色。早在1991年，針對(duì)心衰病人口服PDE3抑制劑米力農(nóng)的研究PROMISE就得出來令人沮喪的結(jié)果[30]：在入選了1088例心衰病人后，隨機(jī)分組后，米力農(nóng)治療組病人的全因死亡率較安慰劑組升高了28%，心血管死亡率升高了34%，而且心衰癥狀重的病人中這一死亡風(fēng)險(xiǎn)的增加更加明顯，可達(dá)到53%。這樣的結(jié)果讓人們開始重新審視米力農(nóng)或PDE3抑制劑對(duì)心衰治療的效果，同時(shí)提示人們正性肌力藥物對(duì)于慢性心衰可能效果不佳。同樣，另一種PDE3抑制劑依諾昔酮，在一項(xiàng)多中心雙盲研究中，相比于安慰劑組，治療組出現(xiàn)了更高的死亡率[31]。在更新的研究OPIME-CHF研究中，靜脈應(yīng)用米力農(nóng)治療失代償心力衰竭病人—心功能Ⅲ～Ⅳ級(jí)—也出現(xiàn)了死亡率升高的問題，雖然病人的血流動(dòng)力學(xué)可以得到改善[32-33])。這一系列臨床研究似乎不停地向人們傳達(dá)著一個(gè)信息：PDE3抑制劑對(duì)于心衰病人的治療有害無益，這似乎與我們對(duì)于cAMP的認(rèn)識(shí)不謀而合：當(dāng)心力衰竭發(fā)生時(shí)，機(jī)體的神經(jīng)-體液環(huán)境發(fā)生改變，例如交感神經(jīng)興奮、β受體激動(dòng)等反應(yīng)，激活心肌細(xì)胞內(nèi)的腺苷酸環(huán)化酶，使細(xì)胞內(nèi)的cAMP升高，心肌細(xì)胞收縮力增加從而彌補(bǔ)心輸出量的不同，然而持續(xù)的刺激使得心肌細(xì)胞出現(xiàn)失代償，從而使得心力衰竭不斷惡化，而應(yīng)用了PDE3抑制劑自然會(huì)使得細(xì)胞內(nèi)cAMP升高，這與心力衰竭進(jìn)展的病理生理過程出奇的相似，使得心力衰竭雪上加霜[34-35]。

然而，一系列新的研究仍然為這一類治療帶來了新的視野和觀點(diǎn)：

(1)不同病因引起的心衰對(duì)PDE3抑制劑存在不同的治療效果。首先，一項(xiàng)針對(duì)OPTIME-CHF的亞組研究揭示了對(duì)于非缺血性心臟病人，米力農(nóng)的治療沒有升高死亡率[33]。眾所周知，導(dǎo)致心衰的病因多種多樣，缺血性心臟病固然是導(dǎo)致心力衰竭的主要病因，然而非缺血性心臟病，如高血壓、心肌炎及擴(kuò)張性心肌病，亦是導(dǎo)致心力衰竭發(fā)生、發(fā)展的重要因素。同時(shí)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也揭示了其對(duì)于心肌炎的心臟損害，PDE3抑制劑可對(duì)模型小鼠起到保護(hù)作用，降低死亡率并有效改善心功能[36]。對(duì)于這一系列結(jié)果，我們似乎可以理解如下：不同病因所致的心力衰竭在啟動(dòng)因素上存在不同，其所經(jīng)歷的病理生理過程可能存在不同，而它們對(duì)藥物或?qū)DE3的反應(yīng)也會(huì)有所不同，因此探索不同病因乃至不同程度疾病所致心衰中PDE3的作用以及它們對(duì)PDE3抑制劑可能存在的不同反應(yīng)可能會(huì)為PDE3抑制劑在心衰中的應(yīng)用提供更多的可能與證據(jù)。

(2)PDE3抑制劑的異質(zhì)性可能是解答PDE3抑制劑療效差異性的突破口。同樣是PDE3抑制劑，不同的藥物卻顯示出了各自獨(dú)特的藥理作用：同是PDE3抑制劑的西洛他唑，在心臟表現(xiàn)出的正性肌力作用很弱[37]，而其在外周表現(xiàn)出的抗血小板聚集作用卻十分突出[38]，甚至還可表現(xiàn)出抗血管重塑的作用[39]。西洛他唑在心臟同時(shí)會(huì)表現(xiàn)出抑制腺苷再吸收的特性，從而增加細(xì)胞外腺苷的濃度，這可能與其正性肌力作用比較弱有關(guān)[37-40]；而另一種具有明顯正性肌力作用的PDE3抑制劑Pimobendan, 在日本被批準(zhǔn)用于治療心力衰竭并被廣泛用于治療動(dòng)物心力衰竭(獸醫(yī)用藥)，其被證明可以有效保護(hù)心肌炎所導(dǎo)致心臟損傷[36]，而這一作用被認(rèn)為與NO代謝相關(guān)，同時(shí)在日本進(jìn)行的臨床研究和動(dòng)物心衰研究均提示其沒有表現(xiàn)出升高死亡率的特點(diǎn)[41-43]。兩種不同的PDE3抑制劑的臨床研究也表明米力農(nóng)較olprinone更易增加缺血性心臟病病人的死亡率[44]這些結(jié)果提示同是存在有正性肌力藥性質(zhì)，不同的PDE3抑制劑可能存在有不同的特性。由此可見，不同的PDE3抑制劑可能存在有明顯的異質(zhì)性，增加心衰病人死亡率的“類效應(yīng)”可能有所不同，因此深入探索各類磷酸二酯酶抑制劑的特性和特點(diǎn)可能會(huì)有助于對(duì)于不同藥物在心衰過程中的選擇應(yīng)用以及為心衰治療提供更多的方案。

(3)PDE3抑制劑的異質(zhì)性可能與作用的PDE3亞型(PDE3A和PDE3B)不同有關(guān)。我們知道，米力農(nóng)這一類PDE3抑制劑對(duì)PDE3抑制的作用是沒有選擇性的，也就是說機(jī)體內(nèi)或心肌內(nèi)的PDE3的各種亞型都會(huì)受到抑制，從而不可避免的發(fā)生整個(gè)細(xì)胞的cAMP濃度升高，由此自然可帶來相應(yīng)的心衰進(jìn)展[35]。利用基因敲除小鼠進(jìn)行的研究表明PDE3A和PDE3B在功能上有著明顯的不同[45]，PDE3A基因敲除小鼠心肌收縮力明顯增加，這種增加與肌漿網(wǎng)內(nèi)鈣濃度增加、肌漿網(wǎng)鈣離子攝取速度增加和肌漿網(wǎng)鈣泵(SERCA2)活性增加相關(guān)，而與L型鈣離子通道活性無關(guān)[46-47]，而PDE3B抑制可保護(hù)心肌的缺血再灌注損傷，提示PDE3B可能與線粒體氧化應(yīng)激等過程相關(guān)[48]，這樣一些結(jié)果提示我們不同的PDE3亞型可能在不同的亞細(xì)胞區(qū)域發(fā)揮作用。同時(shí)，Pdidovitch等[49]人的研究表明，不同PDE3亞型的基因敲除小鼠中壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚可發(fā)生明顯變化，說明PDE3亞型在疾病發(fā)展過程中起到的作用是不同的，改變不同細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)局部的cAMP濃度可對(duì)細(xì)胞的活動(dòng)產(chǎn)生不同的影響。因而對(duì)于PDE3亞型的深入分析可向我們提供選擇特異性更高的抑制手段對(duì)心衰治療的作用，也會(huì)推動(dòng)針對(duì)性更強(qiáng)的PDE3A或PDE3B抑制劑的研究以應(yīng)對(duì)不同的疾病病理生理過程[50]。

PDE5抑制劑在心血管領(lǐng)域被用于治療肺動(dòng)脈高壓[51]，其對(duì)于左心衰的治療價(jià)值也不斷被揭示。現(xiàn)已有研究表明PDE5在心衰動(dòng)物模型中表達(dá)增加[52]，而應(yīng)用PDE5抑制劑可明顯抑制和逆轉(zhuǎn)壓力負(fù)荷增加誘導(dǎo)的心肌肥厚[53]，這一過程可下調(diào)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶途徑、PIK3/Akt及ERK2信號(hào)通路從而使心肌肥厚過程得到抑制。而進(jìn)一步的研究則發(fā)現(xiàn)這一保護(hù)作用在鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶基因敲除的小鼠中依然存在，從而說明了這樣一種保護(hù)作用的機(jī)制發(fā)生在更上游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的節(jié)點(diǎn)，其對(duì)心肌肥厚的多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在有抑制和逆轉(zhuǎn)的作用[54]。此外，近年也意外發(fā)現(xiàn)PDE5抑制劑西地那非可通過雌激素激活eNOS-soluble guanylyl cyclase (sGC)-cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-PKGIα (protein kinase Iα) 通路，這或許可以解釋在PDE5抑制劑緩解女性身上緩解心肌肥厚的作用優(yōu)于男性[55]。這樣一些研究結(jié)果也為心衰的治療提供了新的思路。

由此看來，PDEs在心臟及心衰的病理過程中的作用十分復(fù)雜，其抑制劑的作用也有著各自的特點(diǎn)，對(duì)于相關(guān)課題的研究能夠?yàn)槲覀兲峁┬乃ブ委煹男乱曇?、新觀點(diǎn)和新途徑，這一看似古老的話題在當(dāng)今時(shí)代仍然有著巨大的研究?jī)r(jià)值和意義。