磷酸二酯酶與疾病相關的藥理學研究進展

王晨泉(綜述)，李運曼，馬曉慧(審校)

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

環核苷酸磷酸二酯酶超家族(cyclic nucleotide phosphodiesterases，PDEs)是細胞內重要的第二信使cAMP和cGMP的催化水解酶［1，2］。作為不可或缺的環核苷酸信號調節器，PDEs參與大量的生理學過程。近年來國內對其研究多側重于單個PDE族的藥理學作用及其抑制劑或是單獨疾病相關的PDE進展［3-5］，而國外研究關注于PDE的蛋白結構、調控因子、信號通路及其可能的臨床應用［6-8］，對于已知PDE全家族與各類疾病的相互關系還未有系統的總結。因而，有必要對磷酸二酯酶與相關疾病進行總結，用以指導后續的新藥研究。

1 PDEs的種類及分布

環核苷酸環化酶(AC和GC)合成環核苷酸，PDEs催化水解環核苷酸，兩者保持細胞內cAMP和cGMP水平。PDEs根據各自不同的基因序列、蛋白結構域和生物學性質分為11個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，又存在不同的磷酸二酯酶亞型(表1)［7］。

環核苷酸在細胞內信號通路以及PDEs在調節細胞內環核苷酸水平上發揮的作用使其具有成為疾病治療靶點的潛力［8］，如PDE4在炎癥過程，PDE5在人類勃起功能障礙進程中的研究，都對新的疾病治療藥物研發提供了思路。但PDEs在調控細胞內的生理信號過程中確切的生理機制和貢獻仍需進一步研究，對 PDEs進行的新生理功能的研究可能揭示出全新的疾病治療靶點。

2 PDEs及其抑制劑與相關疾病的概況

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，世界范圍內的COPD發病率和致死率在不斷升高。由吸煙或其他環境污染物質誘發的慢性炎癥引起，伴隨呼吸道重構和肺泡組織損傷，導致呼吸道阻塞、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，但也會對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，降低其發作頻率。

Roflumilas是非類固醇消炎藥，消除相關炎癥，并有可能針對其機制發揮藥效，如纖毛結構重構，在Roflumilast臨床隨機雙盲實驗中口服。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，已成為第一個治療COPD的口服藥［10］。

表1 PDE家族的分類、底物、調控因子及其分布情況

2.1.2 哮喘 哮喘會導致嚴重的氣管收縮過度，因而目前臨床治療哮喘的策略之一是應用支氣管擴張劑，然而支氣管擴張劑無法改善哮喘發生過程的慢性呼吸道炎癥。PDE4抑制劑(如Cilomilast和Roflumilast)通過增加細胞內cAMP水平阻止炎性細胞釋放細胞因子和趨化因子，但是由于它具有頭痛、惡心、嘔吐的不良反應，在臨床上的使用受到限制。PDE4抑制劑同時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型細胞反應和變應原致敏的呼吸道高反應原性的發展過程中發揮著特定的作用。在PDE4B－/－裸鼠中，可能是由于炎性細胞的缺陷沒有產生呼吸道高反應原性，尤其是Th2細胞。因而有必要深入研究PDE4B在Th2細胞分化和效應機制中發揮作用。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慢性肺部的炎癥［14］。

2.1.3 肺動脈高壓 有報道表明，PDE家族在肺動脈高壓的發生和發展過程中發揮了重要作用。在慢性低氧性肺動脈高壓大鼠肺動脈中的PDE活性增加，導致細胞內的cAMP和cGMP水平降低［15］。

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

在慢性低氧性肺動脈高壓大鼠模型中，長期PDE5抑制劑治療通過加強鈉尿肽-cGMP通路，下調Ca2+信號轉導通路，改變肺動脈血管張力，改善肺動脈高壓癥狀。在長期暴露于低氧環境和用于治療持續肺動脈高壓缺氧誘導模型中給予PDE5抑制劑，能降低肺動脈高壓和血管重塑的風險［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用明確表明，PDE5在調節平滑肌張力上發揮的重要作用。該生理過程受NO/cGMP信號通路調控，NO和鈉尿肽通過cGMP誘導平滑肌舒張調節血管張力，而PDE5是其中高表達的cGMP水解酶。PDE5抑制劑可以延緩人體海綿體內cGMP的酶解作用，引起動脈擴張使陰莖充血，收縮海綿體組織［19］。

然而，對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的調節器參與陰蒂勃起過程。這說明男女性興奮的機制相同。Sildenafil已證明可以用于改善女性性功能，然而，關于PDE5抑制劑治療女性性功能障礙的證據并不充分，尚待后續研究［20，21］。

2.3 神經疾病

2.3.1 神經退行性疾病 PDE1A2主要在腦組織中表達，可以被鹽酸司立吉林(selegeline hydrochloride)和金剛胺(smantadine)抑制，導致細胞內cAMP水平提高。有充分證據表明，cAMP參與神經系統的代謝與功能調節，影響神經細胞的存活。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抑制PDE1A2活性，PDE1 在帕金森病中的作用尚未明確［22，23］。

同時，PDE1A2也是m-鈣蛋白酶的底物。腦中的鈣蛋白酶參與突觸修飾、神經突起修剪、受體特征、神經絲翻轉和神經分化。由m-鈣蛋白酶誘導的PDE1A2蛋白酶解導致鈣調素非依賴的細胞內cAMP水平降低，表明PDE1同工酶可能是干預治療中樞神經系統紊亂的有效靶點［7］。

2.3.2 記憶 除阿爾茨海默病外，還存在由遺傳、疾病、創傷或年齡增長導致的學習和記憶障礙、可能的靶點(如PDE4和α-氨基羥甲基口惡唑丙酸受體)。cAMP反應元件結合蛋白是長期記憶形成的關鍵控制單元。削弱cAMP反應元件結合蛋白功能可保持學習和短期記憶正常，但是會損傷長期記憶。PDE4通過控制細胞內cAMP水平來調整記憶能力，對其抑制可以增強記憶功能［24］。PDE4抑制劑，如Rolipram誘導cAMP反應元件結合蛋白依賴的記憶增強，說明PDE4抑制劑可以作為記憶增強劑使用。PDE5抑制劑(Sildenafil)也被報道具有增強記憶作用［25］。

2.3.3 精神分裂 PDEs在精神分裂癥中也發揮作用［26］。PDE抑制劑通過非受體依賴性機制，而不是傳統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蛋白耦聯受體通路發揮作用。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知障礙。

2.3.4 抑郁 調節神經可塑性和細胞存活的信號轉導通路損傷是造成抑郁癥的重要機制之一。cAMP介導的信號通路在抑郁的病理生理和藥物治療中發揮關鍵作用。通過PDE4抑制劑或刺激腎上腺素能受體活性，上調細胞內cAMP水平，可以在動物模型產生抗抑郁樣作用。β-腎上腺素受體涉及抗抑郁藥物的調節作用被激活后產生的cAMP，主要受PDE4調控。因此，PDE4被認為是針對抑郁癥和認知功能受損進行干預治療的首要靶點。PDE4抑制劑Rolipram在動物中能產生抗抑郁樣作用和記憶增強功能［27］。

PDE4D剔除小鼠的行為學、藥理學和免疫印跡分析顯示，在 PDE4D剔除但不改變 PDE4A和PDE4B表達的小鼠中PDE4D在大腦皮質和海馬體的表達缺失，在尾旋實驗和游泳實驗中產生明顯抗抑郁樣作用。PDE4D調控cAMP信號可能在抑郁的藥理學研究和藥物治療中發揮作用［28］。

2.4 癌癥 PDE抑制劑也可能作為抗癌藥物。高效PDE抑制劑可以上調細胞內cAMP水平;增加的多種腫瘤細胞內的cAMP可以抑制Ras活性，進而降低腫瘤細胞中相對偏高的MAPK活性。另一方面，cAMP削減細胞內Bcl-2和MDM2水平，增加細胞凋亡。cAMP通過微管網絡的特定元件的磷酸化導致骨架重構，PDE抑制劑借助cAMP削弱細胞遷移［29］。在各種腫瘤的病理學研究中已經發現PDE的過表達。選擇性PDE抑制劑的應用能恢復細胞內信號的正常，提供了一個可以減少不良反應的抗腫瘤治療策略。

3 結語

磷酸二酯酶與疾病相關的藥理進展研究顯示了PDE在不同疾病中發揮的作用。長期的基因組學和蛋白質組學的研究和臨床藥物應用證實了PDE作為治療靶點的有效性和安全性，為PDE家族開發作新藥申請提供了新的依據和可能。不同家族的磷酸二酯酶涉及許多新的信號通路，且PDE較易被小分子化合物所抑制，通過動物模型和特異性抑制劑對PDE作為藥物靶點進行驗證性研究，同時考察其潛在的不良反應，并依據結構進行改進開發。PDE選擇性抑制劑的分子多樣性為發展新的藥物提供了更多的可能。

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