磷酸二酯酶及其抑制剂在神经退行性疾病中的研究进展

柳 丽，郑 静，黄险峰，丁淑敏，宋国强

（常州大学制药与生命科学学院，江苏常州213164）

神经退行性疾病是一类因中枢神经元退化或不可逆丢失而出现进行性认知、记忆、运动和情绪等功能障碍的疾病，包括阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）、亨廷顿病（Huntington disease，HD）、帕金森病（Parkinson disease，PD）、肌萎缩侧索硬化病（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）和多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）等。随着全球人口老龄化的加剧，此类疾病的发病率逐年增高，因其发病机制尚不明确，积极寻找安全高效的药物靶点和治疗方法成为目前亟待解决的难题。

环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）是细胞内关键的第二信使，两者分别在腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase，AC）和鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC）的催化下生成，其中可溶性GC还受体内NO的调控。cAMP和cGMP分别通过激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和PKG引起cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）的磷酸化，后者进一步通过调控脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）等相关转录因子的表达来调节神经细胞功能（图1）。在中枢神经系统，cAMP和cGMP参与了神经发生、信息传递、突触可塑性及感觉、认知、记忆、情绪和运动等多个生理学过程，而神经退行性疾病的发生则主要与这些过程的不同程度障碍或损伤有关［1-3］。因此，调控体内cAMP/cGMP水平及其下游信号可为神经退行性疾病提供新的治疗途径。

图1 环核苷酸信号.ATP：三磷酸腺苷；GTP：三磷酸鸟苷；5′AMP：5′磷酸腺苷；5′GMP：5′磷酸鸟苷；NF-3：神经营养因子-3；NGF：神经生长因子；PDE：磷酸二酯酶；PKA：蛋白激酶A；BDNF：脑源性神经营养因子；CREB：cAMP反应元件结合蛋白.

研究显示，cAMP和cGMP的失活途径决定了其在细胞内的水平，而磷酸二酯酶（phosphodiesterases，PDE）是体内cAMP和cGMP唯一的水解酶，PDE的表达和活性直接影响细胞内第二信使的水平。PDE由11个家族组成，分别为PDE1～11，根据其底物的特异性，可分为3类：对cAMP具有特异性的PDE4，7和8；对cGMP具有特异性的PDE5，6和9；对cAMP和cGMP均具有亲和力的PDE1，2，3，10和11［4］。已知大部分PDE家族在中枢神经系统广泛表达，抑制PDE可显著增强神经细胞内cAMP和cGMP信号，进而调控中枢神经系统的一系列生理或病理过程。因此，PDE有望成为神经退行性疾病新的治疗靶点，PDE抑制剂有望成为治疗神经退行性疾病的前景药物。

1 PDE及其抑制剂与AD

1.1 PDE与AD

AD是目前最为常见的神经退行性疾病，其发病原因至今尚不明确，曾经公认的β淀粉样蛋白（βamyloid，Aβ）沉积致老年斑和tau蛋白磷酸化致神经元纤维缠结学说皆因靶向Aβ药物的研发失败而停滞不前。有研究显示，老年人大脑中对记忆具有重要调节作用的NO/cGMP信号明显弱于年轻人［5］。且一些非临床研究发现，AD大鼠的脑血管周围可见PDE3的高表达，体外用Aβ1-42处理小胶质细胞也可见PDE4B mRNA水平上调［6-7］。AD患者的尸检结果更具说服力，Pérez-Torres等［8］发现，PDE4A mRNA水平在早期AD患者脑内嗅皮质处呈显著上升，在额皮质处却明显下降。McLachlan等［9］发现一例AD患者海马部位的PDE4D1呈翻倍表达，但PDE4D2和PDE4D3却无明显改变，PDE4D5～9的水平甚至还有所下降。同样是AD患者，其海马齿状回和CA2区域的PDE8B水平升高，而齿状回的PDE7A水平却下降［10］。此外，Ugarte等［11］研究显示，AD患者颞皮质处PDE5的蛋白水平是正常人的5倍，而PDE9A，PDE2A和PDE10A却无明显差异［12］。由此可见，AD的发生发展与PDE密切相关，且PDE的变化具有一定的亚型特异性和脑区特异性。

1.2 PDE抑制剂与AD

虽不是所有的PDE均在AD患者或动物模型中呈现出表达量或活性的显著改变，但近年来部分PDE选择性抑制剂却在AD的非临床研究和部分临床研究中取得了很好的疗效。

研究显示，第一代PDE4抑制剂咯利普兰（rolipram）可显著改善AD大鼠记忆功能障碍，且这一作用与增强cAMP/CREB信号有关［13］。但该药易引起强烈的头晕头痛和恶心呕吐等不良反应，目前仅作为相关研究的工具药［14］。由罗氏公司与Memory Pharmaceuticals联合推出的MEM 1414是第二代代表性PDE4抑制剂，曾在Ⅰ期临床中表现出很好的安全性和耐受性，并有望进入Ⅱ期临床。但随着公司的重组与合并，相关研究未能继续。另有PDE4抑制剂MK-0952于2008年完成了轻中度AD治疗的Ⅱ期临床，但结果并未公开［15］。而原本用于慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的罗氟司特（roflumilast）在一项Ⅱ期临床研究中表现出较好的改善认知效果，其最低有效剂量是治疗COPD时的1/5，且无传统PDE4抑制剂引起的呕吐等不良反应，有望作进一步深入研究［16］。

在AD患者脑内虽并未发现PDE2表达和活性的异常，但由于PDE2在脑中表达量最高且选择性地分布在与学习记忆密切相关的前脑区域，且PDE2具有对cAMP和cGMP的双重水解作用，可同时调控cAMP和cGMP 2条信号通路，因此，有关PDE2抑制剂与AD的研究近年广受关注。相关研究主要始于2002年高选择性PDE2抑制剂BAY 60-7550的问世，虽因较差的药代动力学特性致使其无法进入临床，但却为研究PDE2在中枢神经系统疾病中的作用提供了便利。该药可显著提升大鼠和小鼠的认知和记忆能力，上调神经细胞内cAMP和cGMP水平、增强突触可塑性，其机制与增强NO/cGMP信号及cAMP/PKA/CRBE信号密切相关［17］。另一个具有代表意义的PDE2抑制剂是ND-7001，曾在2005年进入Ⅰ期临床，并表现出很好的安全性和耐受性，但这项研究却在2010年因不明原因终止［18］。其后，多家公司相继研发出抑制PDE2的专利化合物，其相关非临床及临床研究都还在进行中［19］。

PDE5抑制剂因其舒张血管平滑肌功能而被用于治疗勃起功能障碍。近年来研究发现，PDE5抑制剂可明显增强动物和人的认知功能，其机制与改善血管功能紊乱、促进神经递质释放、促进神经再生和抗凋亡等作用有关［20］。其中西地那非（sildenafil）能显著改善AD动物的认知和减少海马部位Aβ沉积［21］。他达拉非（tadalafil）曾因其较差的透过血脑屏障能力而不被看好，但García-Barroso等［22］研究显示，该药可提升AD动物的认知能力，其机制可能与减少tau蛋白磷酸化有关。伦敦大学进行了一项研究，把该药用于脑部有微血管病变的患者，发现其可增加脑部血流、防止血管性认知障碍的发生［23］。但PDE5抑制剂能否用于临床AD患者还需要大量研究验证。

此外，PDE9抑制剂也在AD动物模型中显示出提升认知的作用［24-25］。其中PF-04447943和BI 409306已进入了Ⅱ期临床，但两者均未能取得预期结果［26-27］。

2 PDE及其抑制剂与HD

HD是一类具有遗传倾向的神经退行性疾病，主要表现为运动、认知和情感障碍。其病理特征与突变亨廷顿蛋白大量聚集并引起纹状体和大脑皮质神经元死亡有关。3-硝基丙酸（3-nitropropionic acid，3-NPA）和喹啉酸是目前常用于HD造模的神经毒剂，这2种毒素均可下调环核苷酸水平、降低CREB介导的转录活性［28-29］。同样，突变亨廷顿蛋白的神经毒性也可能与影响环核苷酸水平及其下游信号有关［30-31］。此外，Gines等［32］在R6/2型转基因HD小鼠的纹状体内检测到cAMP水平的下降，且这一变化可能与PDE4的表达和活性增加有关。另外，在R6/2小鼠的海马中还存在NO/cGMP信号的下调，但HD相关的早期cAMP和cGMP水平下调却引起了部分PDE的代偿性低表达，尤其是PDE10A和PDE1B［33-34］。其中PDE10A在HD患者的脑内也呈低表达状态，推测这同样可能是HD早期cAMP水平下降引起的代偿性改变［34］。辉瑞公司研发的PDE10A抑制剂TP-10在喹啉酸诱导和转基因的HD动物模型中均表现出较强的神经元保护作用，其机制与促进CREB磷酸化有关［35-36］。PDE1B低表达与低水平环核苷酸虽也共存于神经毒素诱导或转基因的HD模型中，但PDE1抑制剂长春西丁（vinpocetine）却同样能显著改善3-NPA诱导的HD动物运动异常［37］。此外，DeMarch等［29，38］研究显示，PDE4抑制剂洛利普兰也可对喹啉酸诱导和转基因HD动物发挥神经保护作用，其机制均与促进CREB磷酸化有关。

3 PDE及其抑制剂与PD

PD是以黑质纹状体通路多巴胺神经元退变为特征的运动障碍性疾病，PD患者不仅表现出运动功能障碍，后期还会出现认知和情绪障碍。近年来，由CREB介导的转录调控异常在PD研究中受到关注。CREB下游信号BDNF已被证实在多种PD模型中具有多巴胺神经元保护作用［39］。一项Meta分析显示，咖啡可降低PD的发病风险，其原因可能与咖啡因抑制PDE有关［40］。PDE10A是PDE家族中在纹状体表达最高的，在PD的病理生理学进程中发挥着关键性作用［41］。罂粟碱可抑制PDE10A上调纹状体棘状神经元的cAMP水平，从而抑制纹状体中多棘神经元（medium spiny neurons，MSN）的多巴胺D2受体信号，增强D1受体信号，继而改善PD症状［42］。此外，在PD动物模型中还存在PDE1B活性的上调［43］。而PDE1抑制剂长春西丁可改善鱼藤酮诱导的PD大鼠运动障碍并提高纹状体多巴胺水平［44］。虽然目前尚无研究显示1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）诱导的PD模型中是否存在PDE的改变，但PDE4抑制剂咯利普兰却可显著减轻MPTP引起的PD小鼠黑质神经元丢失，增加脑内多巴胺水平，其机制可能与增强cAMP依赖的PKA/CREB/BDNF信号有关［45］。

4 PDE及其抑制剂与其他神经退行性疾病

目前，PDE在ALS和MS中的作用研究相对较少。其中ALS主要以运动神经元变性为特征，Nakamizo等［46］研究发现，PDE5在运动神经元中广泛表达，PDE5选择性抑制剂扎普司特（zaprinast）能保护活性氧诱导的大鼠脊髓运动神经元损伤，且这一作用可被PKG抑制剂KT5823阻断。MS则是以白质脱髓鞘病变为特征的中枢神经系统炎性自身免疫性疾病，PDE4抑制剂咯利普兰、PDE7抑制剂TC3.6和VP3.15均可减轻实验性自身免疫性脑脊髓炎的症状，但相关机制还需深入研究［47-49］。

5 结语

常见神经退行性疾病与PDE表达异常引起的环核苷酸信号改变密切相关，高选择性PDE抑制剂有望成为治疗神经退行性疾病的新型候选药物。然而PDE家族成员众多，水解底物存在特异性，中枢分布也存在差异性，研究者们还需进一步明确PDE在神经退行性疾病发生发展中的病理生理学作用。同时，现有的一些用于神经退行性疾病的PDE抑制剂大都还处在非临床研究阶段，部分临床研究才刚刚起步或尚未取得明确结果。因此，新型高效和高选择性PDE抑制剂的研发工作任重而道远。