PDE4在大腦中的分布及其在神經(jīng)退行性疾病中的作用

楊寒冰 史佳瑋 侯 越 張棋煒 于海洋 周延萌

山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）藥理研究所，山東 泰安 271016

隨著人口老齡化程度的不斷加劇，全世界患有中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的人群也在急劇增加。這些疾病的病理特征通常都存在不同腦區(qū)神經(jīng)元進行性死亡丟失，如阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）和其他形式的癡呆癥以及帕金森?。≒arkinson's disease， PD）和亨廷頓病（Huntington's disease， HD）等［1］。到目前為止，盡管進行了大量的研究和開發(fā)工作，但是臨床上治療神經(jīng)退行性病變的藥物還存在很大的局限性。如常用于治療AD的藥物，乙酰膽堿酯酶抑制劑和N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor， NMDAR）拮抗劑，只顯示出有限的有效性［2］。因此，如何延緩或者逆轉神經(jīng)退行性疾病患者的病理進展是醫(yī)學界亟待解決的重要問題。

磷酸二酯酶（phosphodiesterase， PDE）是一個酶超家族，參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展，如酒精依賴、AD、慢性阻塞性肺?。╟hronic obstructive pulmonary disease， COPD）和哮喘等［2］。目前，共鑒定出11種PDE，其幾乎存在于哺乳動物的所有細胞中［3-4］。PDE可水解環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和 環(huán) 磷 酸 鳥 苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP），從而在細胞功能中發(fā)揮重要作用［3］。PDE4在11種PDE超家族酶中占有重要的地位，有PDE4A、PDE4B、PDE4C和PDE4D 4個亞型［4］。研究證實，PDE4的異常增多在多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用［4］，如在AD、酒精依賴、腦卒中等一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病中PDE4均有高度表達［5］。PDE4是特異性的cAMP水解酶，抑制PDE4可以通過阻止cAMP的水解來增加其信號轉導功能［5］。PDE4抑制劑可以增加cAMP的水平，對多種疾病都表現(xiàn)出明顯的改善作用，這引起了臨床的關注。美國食品及藥物管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）已批準PDE4抑制劑用于治療多種疾病，如羅氟司特和阿普米司特，分別用于COPD和銀屑病的治療［6］。研究表明，PDE4在大腦中高表達，且被認為是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在靶點之一［6］。PDE4抑制劑如羅利普蘭、GSK356278等正處于Ⅰ期或Ⅱ期臨床試驗，評估其用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的可行性［7］。本文綜述了PDE4在大腦關鍵分子信號通路中的功能、定位及其作用，并且介紹了PDE4抑制劑對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療潛力，以及正在進行的PDE4抑制劑治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床試驗進展。

1 PDE4及其亞型在腦中的分布、功能及信號通路

1.1 PDE4在腦中的分布和功能

PDE4在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達是普遍存在的［8］，盡管它在腦中不同區(qū)域和細胞水平上都存在顯著的差異［9］。PDE4A、B、D在哺乳動物腦中表達較高，特別是在前腦、皮質(zhì)和嗅球中，而PDE4C的表達相對較低［9］。PDE4亞型的異常增多與AD、PD、多發(fā)性硬化癥（multiple sclerosis，MS）、抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進展密切相關［10］。

PDE4A在哺乳動物大腦的多個區(qū)域表達，在大腦皮層、海馬體中表達水平較高［11］。PDE4A在記憶調(diào)節(jié)過程中具有重要作用［12］。例如，短暫的睡眠剝奪會導致小鼠的突觸可塑性損傷和記憶缺陷，其機制可能與異常升高的PDE4A相關［13］。研究表明，與正常人相比，AD患者PDE4A的表達水平顯著升高［11］，這為PDE4A的異常與神經(jīng)退行性疾病之間的聯(lián)系提供了重要的依據(jù)。

PDE4B廣泛分布于嚙齒動物、猴子和人類的大腦中，在紋狀體、杏仁核、丘腦和下丘腦中表達水平較高［14］。PDE4B在調(diào)節(jié)炎癥反應中具有重要的作用。研究表明，β淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）誘導的小膠質(zhì)細胞激活與PDE4B的表達升高密切有關，而敲除PDE4B可以顯著降低炎癥因子如腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）釋放和小膠質(zhì)細胞的激活［15-17］。因此PDE4B可能通過調(diào)控炎癥反應來參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展［18-20］。

PDE4C在大腦中的分布相對較少，在大鼠的嗅球中檢測到微量mRNA，在人類和猴子的幾個皮質(zhì)區(qū)域和小腦中檢測到少量mRNA［9］。由于受PDE4C敲除動物和PDE4C選擇性抑制劑的限制，PDE4C的功能尚未被深入探索。由于PDE4C可能通過作用于信號傳導的亞細胞區(qū)域來發(fā)揮關鍵功能，PDE4C在細胞和組織中的低表達水平并不排除該酶本身的重要功能［21］。

PDE4D在哺乳動物海馬和皮層中具有較高的表達水平［22］。抑制PDE4可改善記憶和增強認知作用，與PDE4D密切相關。PDE4D敲除小鼠或PDE4抑制劑均可以改善AD模型小鼠學習記憶行為［23-24］；但是在PDE4D敲減大鼠中并沒有觀察到使用PDE4D抑制劑后的空間記憶改善作用，另外PDE4D敲除小鼠在條件恐懼反射實驗中也表現(xiàn)出學習記憶受損的情況［23］，這表明PDE4D的敲除或敲減可能在不同的行為測試中產(chǎn)生不同的效果，具體取決于檢測的記憶類型和涉及的大腦區(qū)域。

1.2 PDE4調(diào)節(jié)的信號通路

1.2.1 cAMP-蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）信號 PDE4可水解cAMP并降低細胞內(nèi)cAMP的濃度，cAMP在長時程增強（long term potentiation，LTP）和突觸可塑性中發(fā)揮重要作用［25］。cAMP可以激活蛋白激酶A （protein kinase A system， PKA），進而增強cAMP響應元件結合蛋白（cAMP response element-binding protein， CREB）的磷酸化并促進腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor， BDNF）的表達，增強認知功能［26］。研究證實，PDE4抑制劑可增強cAMP水平，促進CREB的磷酸化和BDNF的表達［27-31］。如羅利普蘭可以改善多種神經(jīng)退行性疾病模型動物的學習記憶損傷和神經(jīng)元的存活［32］，其作用機制與激活cAMP/CREB/BDNF信號通路密切相關，但是羅利普蘭的副作用及藥效差異限制了其臨床應用。

1.2.2 NO-cGMP-蛋白激酶 G（protein kinase G，PKG）信號 NO對突觸可塑性和認知功能起著關鍵作用，NO可激活下游可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（soluble guanylate cyclase，sGC），sCG可影響cGMP的合成和PKG的活化［30］。NO/cGMP/PKG信號傳導的激活可增強記憶力，PDE通過影響cAMP和cGMP等第二信使來阻礙信號轉導［33］。研究證實，使用PDE抑制劑可改善小鼠記憶缺陷，增強NO-cGMP-PKG信號傳導，從而增強突觸可塑性和認知功能［34］。

1.2.3 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）-細 胞 外 調(diào) 節(jié) 蛋 白 激 酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）信號MAPK-ERK信號傳導的激活可增強突觸可塑性和記憶作用［35］，PDE4是cAMP-PKA信號和MAPKERK信號介導記憶功能的關鍵介質(zhì)，表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）通過活化ERK抑制PDE4，增加cAMP水平［36］，cAMP和ERK在海馬CA1區(qū)的信號傳導證明與突觸可塑性相關［37］；抑制MAPK和PKA可抑制CREB的磷酸化，從而產(chǎn)生認知缺陷和降低海馬突觸可塑性［38］，這表明MAPKPKA參與了CREB的功能。ERK信號傳導可影響神經(jīng)元細胞中的PDE4活性［39］，使用羅利普蘭抑制PDE4可逆轉ERK抑制誘導的大鼠記憶缺陷［40］；除此之外，羅利普蘭還可通過觸發(fā)NMDAR介導的MAPK-ERK 通路導致 CREB 磷酸化［41］。這表明PDE4抑制劑主要通過調(diào)節(jié)cAMP和NMDAR功能來調(diào)節(jié)MAPK-ERK-CREB的級聯(lián)作用。

2 PDE4在神經(jīng)退行性疾病中的作用

2.1 PDE4與AD

AD是一種致命的神經(jīng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為記憶力、學習能力、生活能力的下降。AD的特點是Aβ異常沉淀導致的老年斑［42］、Tau蛋白的過度磷酸化導致的神經(jīng)纖維纏結（neurofibrillary tangles，NFT）等［43-46］。Aβ可顯著降低神經(jīng)元樹突棘密度，破壞神經(jīng)元運輸，最終導致神經(jīng)元死亡［47］。cAMP可以通過控制局限于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的未成熟的N-糖基化APP轉化為成熟的N-O-糖基化蛋白來降低Aβ的產(chǎn)生［48］。

在AD的早期階段，PDE4表達水平即已顯著升高。對AD死亡患者進行尸檢表明，患者腦中存在PDE4水平異常升高和cAMP/PKA/CREB水平顯著下降［49］。PDE4抑制劑可以改善APP/PS1雙轉基因小鼠LTP、突觸可塑性，并降低Aβ的水平［49］。實驗表明，一種新型的PDE4D選擇性抑制劑GEBR-7b，可顯著增加cAMP水平，改善AD模型大鼠認知功能障礙［50］。另一種PDE4抑制劑FCPR03，可顯著抑制AD模型動物腦中促炎細胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6的表達，并抑制脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導的小膠質(zhì)細胞的激活。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CPR03的這種抗炎活性是由cAMP/PKA/CREB和NF-κB信號通路介導的［51］。這些研究表明，PDE4直接或間接地參與了促進AD發(fā)生發(fā)展的關鍵蛋白，如Aβ和突觸可塑性的調(diào)控。因此，開發(fā)新型的PDE4亞型抑制劑可能有利于AD的治療。

2.2 PDE4與PD

PD是一種進行性神經(jīng)退行性疾病，其特征是腦黑質(zhì)和紋狀體區(qū)域中多巴胺水平降低和α-突觸核蛋白（α-synuclein， α-syn）聚集體積累［52］。研究證實，紋狀體cAMP信號的損傷與其功能障礙密切相關［53］。研究表明，PD患者及動物模型腦中，CREB和神經(jīng)營養(yǎng)因子如BDNF、神經(jīng)生長因子（nerve growth factor， NGF）、神經(jīng)營養(yǎng)因子-3（neurotrophin-3， NT-3）和神經(jīng)營養(yǎng)因子-4（neurotrophin-4， NT4）的水平顯著下調(diào)［54］，激活cAMP信號可以顯著上調(diào)多種神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達［55］。臨床前和臨床研究證實，PDE4抑制劑是治療PD的有效藥物［55］。一項雙盲試驗結果表明，羅利普蘭可以顯著提高多巴胺的水平，并減輕PD的進展程度［56］。FCPR16是另一種PDE4抑制劑，它可以改善1-甲基-4-苯基吡啶（1-methyl-4-phenylpyridinium， MPP+）誘導的多巴胺能神經(jīng)元的損傷［54］。另一種PDE4抑制劑1-正丁基-3-N-丙基黃嘌呤（1-N-butyl-3-N-propylxanthine， XT-44），可顯著增加大鼠中腦神經(jīng)元對多巴胺的再攝取，升高細胞內(nèi)多巴胺水平［55］。對 1-甲基-4-苯基-1、2、3、6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine， MPTP）誘導的PD模型小鼠研究表明，羅利普蘭可以促進紋狀體中酪氨酸羥化酶的磷酸化，促進紋狀體中的多巴胺合成［56-57］。研究表明，PDE4抑制劑對多巴胺神經(jīng)的保護作用機制與激活cAMP/PKA/CREB密切相關［54-55］。這些研究表明，PDE4在PD病理中的關鍵作用，包括酪氨酸羥化酶的激活和多巴胺代謝等［57］。因此，靶向抑制PDE4可能是治療PD的一種潛在選擇。

2.3 PDE4與HD

HD是一種神經(jīng)退行性疾病，由亨廷頓蛋白（huntingtin， HTT）內(nèi)重復的聚谷氨酰胺增加引起。這種突變的HTT導致細胞毒性增加以及運動障礙進展［58］。氧化應激、線粒體功能障礙、炎癥反應都在HD的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。研究證實，HD中cAMP/CREB信號通路功能障礙是PDE4過表達的結果［59］。HTT與支架蛋白DISC1和PDE4可形成三元蛋白復合物，調(diào)節(jié)PDE4的活性［60］。對R6/1和R6/2轉基因小鼠的研究顯示，PDE4功能障礙與海馬體中cAMP-PKA信號失常密切相關［60-61］。羅利普蘭可以提高CREB和BDNF的磷酸化水平，并改善HD動物模型的臨床體征［53］。葛蘭素史克正在進行一項臨床試驗，以確定羅利普蘭治療HD的療效，目前正處于I期臨床試驗［60-62］。由于PDE4抑制劑改善cAMP和BDNF水平，并且可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能，因此被認為是治療HD的潛在藥物。

3 結 語

大腦中cAMP信號的失調(diào)與多種神經(jīng)退行性疾病有很強的聯(lián)系，且存在PDE4的異常表達。PDE4抑制劑可以調(diào)節(jié)cAMP水平，并在AD、PD、HD等多種神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮神經(jīng)保護作用。但由于PDE4亞型眾多以及中樞分布的差異性，還需進一步明確PDE4亞型在神經(jīng)退行性疾病中所發(fā)揮的作用。因此，開發(fā)靶向PDE4亞型的選擇性抑制劑可降低藥物副作用，同時增強其治療特性，這類新藥有望成為未來藥物研究的重點領域。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突