磷酸二酯酶与疾病相关的药理学研究进展

王晨泉(综述)，李运曼，马晓慧(审校)

(1.中国药科大学生理教研室，南京210009;2.天津天士力集团研究院药理与毒理研究所，天津300410)

环核苷酸磷酸二酯酶超家族(cyclic nucleotide phosphodiesterases，PDEs)是细胞内重要的第二信使cAMP和cGMP的催化水解酶［1，2］。作为不可或缺的环核苷酸信号调节器，PDEs参与大量的生理学过程。近年来国内对其研究多侧重于单个PDE族的药理学作用及其抑制剂或是单独疾病相关的PDE进展［3-5］，而国外研究关注于PDE的蛋白结构、调控因子、信号通路及其可能的临床应用［6-8］，对于已知PDE全家族与各类疾病的相互关系还未有系统的总结。因而，有必要对磷酸二酯酶与相关疾病进行总结，用以指导后续的新药研究。

1 PDEs的种类及分布

环核苷酸环化酶(AC和GC)合成环核苷酸，PDEs催化水解环核苷酸，两者保持细胞内cAMP和cGMP水平。PDEs根据各自不同的基因序列、蛋白结构域和生物学性质分为11个PDE家族:包括特异性水解 cAMP的PDE4、PDE7和 PDE8，特异性水解cGMP的PDE5、PDE6和PDE9，以及双底物的PDE1、PDE2、PDE3、PDE10 和 PDE11。在各家族内，又存在不同的磷酸二酯酶亚型(表1)［7］。

环核苷酸在细胞内信号通路以及PDEs在调节细胞内环核苷酸水平上发挥的作用使其具有成为疾病治疗靶点的潜力［8］，如PDE4在炎症过程，PDE5在人类勃起功能障碍进程中的研究，都对新的疾病治疗药物研发提供了思路。但PDEs在调控细胞内的生理信号过程中确切的生理机制和贡献仍需进一步研究，对 PDEs进行的新生理功能的研究可能揭示出全新的疾病治疗靶点。

2 PDEs及其抑制剂与相关疾病的概况

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)是全球性健康问题，世界范围内的COPD发病率和致死率在不断升高。由吸烟或其他环境污染物质诱发的慢性炎症引起，伴随呼吸道重构和肺泡组织损伤，导致呼吸道阻塞、呼吸困难、黏液分泌过多和慢性咳嗽等症状。COPD主要损害肺部，但也会对整体健康状况造成损伤［9-11］。目前主要的药物治疗策略是缓解症状，改善呼吸功能，降低其发作频率。

Roflumilas是非类固醇消炎药，消除相关炎症，并有可能针对其机制发挥药效，如纤毛结构重构，在Roflumilast临床随机双盲实验中口服。与安慰剂相比，Roflumilast能显著减缓COPD恶化且耐受良好。依靠其改善肺功能，减少病情恶化的作用，已成为第一个治疗COPD的口服药［10］。

表1 PDE家族的分类、底物、调控因子及其分布情况

2.1.2 哮喘 哮喘会导致严重的气管收缩过度，因而目前临床治疗哮喘的策略之一是应用支气管扩张剂，然而支气管扩张剂无法改善哮喘发生过程的慢性呼吸道炎症。PDE4抑制剂(如Cilomilast和Roflumilast)通过增加细胞内cAMP水平阻止炎性细胞释放细胞因子和趋化因子，但是由于它具有头痛、恶心、呕吐的不良反应，在临床上的使用受到限制。PDE4抑制剂同时具有呼吸道舒张和抗炎的作用，可能成为理想的抗哮喘药物［11-13］。

PDE4B在Th2型细胞反应和变应原致敏的呼吸道高反应原性的发展过程中发挥着特定的作用。在PDE4B－/－裸鼠中，可能是由于炎性细胞的缺陷没有产生呼吸道高反应原性，尤其是Th2细胞。因而有必要深入研究PDE4B在Th2细胞分化和效应机制中发挥作用。PDE4B的失活可缓解呼吸道炎症，PDE4B选择性抑制剂能够改善药物对慢性肺部的炎症［14］。

2.1.3 肺动脉高压 有报道表明，PDE家族在肺动脉高压的发生和发展过程中发挥了重要作用。在慢性低氧性肺动脉高压大鼠肺动脉中的PDE活性增加，导致细胞内的cAMP和cGMP水平降低［15］。

在动物和人体上，抑制特异性水解 cGMP的PDE5活性，可以降低全身和肺动脉血压。在肺高压模型中，PDE5抑制剂相对选择性的作用于肺动脉，更侧重于降低肺部高压。肺部动脉富含PDE5，且在肺动脉高压中PDE5的表达和活性都会提升。在Sildenafil作为一线治疗肺动脉高压药物过程中，PDE5抑制剂表现出良好的舒张血管作用。具有更长半衰期的Tadalafil有可能被批准用于肺动脉高压治疗，第三个PDE5抑制剂Vardenafil正在进行三期临床研究［16］。

在慢性低氧性肺动脉高压大鼠模型中，长期PDE5抑制剂治疗通过加强钠尿肽-cGMP通路，下调Ca2+信号转导通路，改变肺动脉血管张力，改善肺动脉高压症状。在长期暴露于低氧环境和用于治疗持续肺动脉高压缺氧诱导模型中给予PDE5抑制剂，能降低肺动脉高压和血管重塑的风险［17，18］。

2.2 性功能障碍 PDE5的特异性抑制剂，如Sildenafil(Viagra)、Vardenafil(Levitra)和 Tadalafil(Cialis)在治疗男性勃起功能障碍的临床应用明确表明，PDE5在调节平滑肌张力上发挥的重要作用。该生理过程受NO/cGMP信号通路调控，NO和钠尿肽通过cGMP诱导平滑肌舒张调节血管张力，而PDE5是其中高表达的cGMP水解酶。PDE5抑制剂可以延缓人体海绵体内cGMP的酶解作用，引起动脉扩张使阴茎充血，收缩海绵体组织［19］。

然而，对于女性性功能障碍仍未有合适的治疗药物。人类阴蒂存在一氧化氮合酶亚型，因而NO可能作为平滑肌活动的调节器参与阴蒂勃起过程。这说明男女性兴奋的机制相同。Sildenafil已证明可以用于改善女性性功能，然而，关于PDE5抑制剂治疗女性性功能障碍的证据并不充分，尚待后续研究［20，21］。

2.3 神经疾病

2.3.1 神经退行性疾病 PDE1A2主要在脑组织中表达，可以被盐酸司立吉林(selegeline hydrochloride)和金刚胺(smantadine)抑制，导致细胞内cAMP水平提高。有充分证据表明，cAMP参与神经系统的代谢与功能调节，影响神经细胞的存活。在患有帕金森病和阿尔茨海默病的患者中，cAMP水平存在显著降低，而使用抗帕金森病药物会抑制PDE1A2活性，PDE1 在帕金森病中的作用尚未明确［22，23］。

同时，PDE1A2也是m-钙蛋白酶的底物。脑中的钙蛋白酶参与突触修饰、神经突起修剪、受体特征、神经丝翻转和神经分化。由m-钙蛋白酶诱导的PDE1A2蛋白酶解导致钙调素非依赖的细胞内cAMP水平降低，表明PDE1同工酶可能是干预治疗中枢神经系统紊乱的有效靶点［7］。

2.3.2 记忆 除阿尔茨海默病外，还存在由遗传、疾病、创伤或年龄增长导致的学习和记忆障碍、可能的靶点(如PDE4和α-氨基羟甲基口恶唑丙酸受体)。cAMP反应元件结合蛋白是长期记忆形成的关键控制单元。削弱cAMP反应元件结合蛋白功能可保持学习和短期记忆正常，但是会损伤长期记忆。PDE4通过控制细胞内cAMP水平来调整记忆能力，对其抑制可以增强记忆功能［24］。PDE4抑制剂，如Rolipram诱导cAMP反应元件结合蛋白依赖的记忆增强，说明PDE4抑制剂可以作为记忆增强剂使用。PDE5抑制剂(Sildenafil)也被报道具有增强记忆作用［25］。

2.3.3 精神分裂 PDEs在精神分裂症中也发挥作用［26］。PDE抑制剂通过非受体依赖性机制，而不是传统的阻断多巴胺受体来治疗精神分裂。该类药物可能通过利用cAMP(cGMP)作为第二信使的G蛋白耦联受体通路发挥作用。研究表明，PDE4和PDE10抑制剂可用于治疗精神分裂的阳性症状，阴性症状及可能的认知障碍。

2.3.4 抑郁 调节神经可塑性和细胞存活的信号转导通路损伤是造成抑郁症的重要机制之一。cAMP介导的信号通路在抑郁的病理生理和药物治疗中发挥关键作用。通过PDE4抑制剂或刺激肾上腺素能受体活性，上调细胞内cAMP水平，可以在动物模型产生抗抑郁样作用。β-肾上腺素受体涉及抗抑郁药物的调节作用被激活后产生的cAMP，主要受PDE4调控。因此，PDE4被认为是针对抑郁症和认知功能受损进行干预治疗的首要靶点。PDE4抑制剂Rolipram在动物中能产生抗抑郁样作用和记忆增强功能［27］。

PDE4D剔除小鼠的行为学、药理学和免疫印迹分析显示，在 PDE4D剔除但不改变 PDE4A和PDE4B表达的小鼠中PDE4D在大脑皮质和海马体的表达缺失，在尾旋实验和游泳实验中产生明显抗抑郁样作用。PDE4D调控cAMP信号可能在抑郁的药理学研究和药物治疗中发挥作用［28］。

2.4 癌症 PDE抑制剂也可能作为抗癌药物。高效PDE抑制剂可以上调细胞内cAMP水平;增加的多种肿瘤细胞内的cAMP可以抑制Ras活性，进而降低肿瘤细胞中相对偏高的MAPK活性。另一方面，cAMP削减细胞内Bcl-2和MDM2水平，增加细胞凋亡。cAMP通过微管网络的特定元件的磷酸化导致骨架重构，PDE抑制剂借助cAMP削弱细胞迁移［29］。在各种肿瘤的病理学研究中已经发现PDE的过表达。选择性PDE抑制剂的应用能恢复细胞内信号的正常，提供了一个可以减少不良反应的抗肿瘤治疗策略。

3 结语

磷酸二酯酶与疾病相关的药理进展研究显示了PDE在不同疾病中发挥的作用。长期的基因组学和蛋白质组学的研究和临床药物应用证实了PDE作为治疗靶点的有效性和安全性，为PDE家族开发作新药申请提供了新的依据和可能。不同家族的磷酸二酯酶涉及许多新的信号通路，且PDE较易被小分子化合物所抑制，通过动物模型和特异性抑制剂对PDE作为药物靶点进行验证性研究，同时考察其潜在的不良反应，并依据结构进行改进开发。PDE选择性抑制剂的分子多样性为发展新的药物提供了更多的可能。

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