PDE4在大脑中的分布及其在神经退行性疾病中的作用

杨寒冰 史佳玮 侯 越 张棋炜 于海洋 周延萌

山东第一医科大学（山东省医学科学院）药理研究所，山东 泰安 271016

随着人口老龄化程度的不断加剧，全世界患有中枢神经系统退行性疾病的人群也在急剧增加。这些疾病的病理特征通常都存在不同脑区神经元进行性死亡丢失，如阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）和其他形式的痴呆症以及帕金森病（Parkinson's disease， PD）和亨廷顿病（Huntington's disease， HD）等［1］。到目前为止，尽管进行了大量的研究和开发工作，但是临床上治疗神经退行性病变的药物还存在很大的局限性。如常用于治疗AD的药物，乙酰胆碱酯酶抑制剂和N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartic acid receptor， NMDAR）拮抗剂，只显示出有限的有效性［2］。因此，如何延缓或者逆转神经退行性疾病患者的病理进展是医学界亟待解决的重要问题。

磷酸二酯酶（phosphodiesterase， PDE）是一个酶超家族，参与多种疾病的发生发展，如酒精依赖、AD、慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease， COPD）和哮喘等［2］。目前，共鉴定出11种PDE，其几乎存在于哺乳动物的所有细胞中［3-4］。PDE可水解环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和 环 磷 酸 鸟 苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP），从而在细胞功能中发挥重要作用［3］。PDE4在11种PDE超家族酶中占有重要的地位，有PDE4A、PDE4B、PDE4C和PDE4D 4个亚型［4］。研究证实，PDE4的异常增多在多种疾病的发生发展过程中发挥重要作用［4］，如在AD、酒精依赖、脑卒中等一些神经系统疾病中PDE4均有高度表达［5］。PDE4是特异性的cAMP水解酶，抑制PDE4可以通过阻止cAMP的水解来增加其信号转导功能［5］。PDE4抑制剂可以增加cAMP的水平，对多种疾病都表现出明显的改善作用，这引起了临床的关注。美国食品及药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）已批准PDE4抑制剂用于治疗多种疾病，如罗氟司特和阿普米司特，分别用于COPD和银屑病的治疗［6］。研究表明，PDE4在大脑中高表达，且被认为是治疗神经系统疾病的潜在靶点之一［6］。PDE4抑制剂如罗利普兰、GSK356278等正处于Ⅰ期或Ⅱ期临床试验，评估其用于治疗神经系统疾病的可行性［7］。本文综述了PDE4在大脑关键分子信号通路中的功能、定位及其作用，并且介绍了PDE4抑制剂对神经系统疾病的治疗潜力，以及正在进行的PDE4抑制剂治疗神经系统疾病的临床试验进展。

1 PDE4及其亚型在脑中的分布、功能及信号通路

1.1 PDE4在脑中的分布和功能

PDE4在中枢神经系统中的表达是普遍存在的［8］，尽管它在脑中不同区域和细胞水平上都存在显著的差异［9］。PDE4A、B、D在哺乳动物脑中表达较高，特别是在前脑、皮质和嗅球中，而PDE4C的表达相对较低［9］。PDE4亚型的异常增多与AD、PD、多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）、抑郁症等神经系统疾病的进展密切相关［10］。

PDE4A在哺乳动物大脑的多个区域表达，在大脑皮层、海马体中表达水平较高［11］。PDE4A在记忆调节过程中具有重要作用［12］。例如，短暂的睡眠剥夺会导致小鼠的突触可塑性损伤和记忆缺陷，其机制可能与异常升高的PDE4A相关［13］。研究表明，与正常人相比，AD患者PDE4A的表达水平显著升高［11］，这为PDE4A的异常与神经退行性疾病之间的联系提供了重要的依据。

PDE4B广泛分布于啮齿动物、猴子和人类的大脑中，在纹状体、杏仁核、丘脑和下丘脑中表达水平较高［14］。PDE4B在调节炎症反应中具有重要的作用。研究表明，β淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）诱导的小胶质细胞激活与PDE4B的表达升高密切有关，而敲除PDE4B可以显著降低炎症因子如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）释放和小胶质细胞的激活［15-17］。因此PDE4B可能通过调控炎症反应来参与神经退行性疾病的发生发展［18-20］。

PDE4C在大脑中的分布相对较少，在大鼠的嗅球中检测到微量mRNA，在人类和猴子的几个皮质区域和小脑中检测到少量mRNA［9］。由于受PDE4C敲除动物和PDE4C选择性抑制剂的限制，PDE4C的功能尚未被深入探索。由于PDE4C可能通过作用于信号传导的亚细胞区域来发挥关键功能，PDE4C在细胞和组织中的低表达水平并不排除该酶本身的重要功能［21］。

PDE4D在哺乳动物海马和皮层中具有较高的表达水平［22］。抑制PDE4可改善记忆和增强认知作用，与PDE4D密切相关。PDE4D敲除小鼠或PDE4抑制剂均可以改善AD模型小鼠学习记忆行为［23-24］；但是在PDE4D敲减大鼠中并没有观察到使用PDE4D抑制剂后的空间记忆改善作用，另外PDE4D敲除小鼠在条件恐惧反射实验中也表现出学习记忆受损的情况［23］，这表明PDE4D的敲除或敲减可能在不同的行为测试中产生不同的效果，具体取决于检测的记忆类型和涉及的大脑区域。

1.2 PDE4调节的信号通路

1.2.1 cAMP-蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）信号 PDE4可水解cAMP并降低细胞内cAMP的浓度，cAMP在长时程增强（long term potentiation，LTP）和突触可塑性中发挥重要作用［25］。cAMP可以激活蛋白激酶A （protein kinase A system， PKA），进而增强cAMP响应元件结合蛋白（cAMP response element-binding protein， CREB）的磷酸化并促进脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor， BDNF）的表达，增强认知功能［26］。研究证实，PDE4抑制剂可增强cAMP水平，促进CREB的磷酸化和BDNF的表达［27-31］。如罗利普兰可以改善多种神经退行性疾病模型动物的学习记忆损伤和神经元的存活［32］，其作用机制与激活cAMP/CREB/BDNF信号通路密切相关，但是罗利普兰的副作用及药效差异限制了其临床应用。

1.2.2 NO-cGMP-蛋白激酶 G（protein kinase G，PKG）信号 NO对突触可塑性和认知功能起着关键作用，NO可激活下游可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cyclase，sGC），sCG可影响cGMP的合成和PKG的活化［30］。NO/cGMP/PKG信号传导的激活可增强记忆力，PDE通过影响cAMP和cGMP等第二信使来阻碍信号转导［33］。研究证实，使用PDE抑制剂可改善小鼠记忆缺陷，增强NO-cGMP-PKG信号传导，从而增强突触可塑性和认知功能［34］。

1.2.3 丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）-细 胞 外 调 节 蛋 白 激 酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）信号MAPK-ERK信号传导的激活可增强突触可塑性和记忆作用［35］，PDE4是cAMP-PKA信号和MAPKERK信号介导记忆功能的关键介质，表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）通过活化ERK抑制PDE4，增加cAMP水平［36］，cAMP和ERK在海马CA1区的信号传导证明与突触可塑性相关［37］；抑制MAPK和PKA可抑制CREB的磷酸化，从而产生认知缺陷和降低海马突触可塑性［38］，这表明MAPKPKA参与了CREB的功能。ERK信号传导可影响神经元细胞中的PDE4活性［39］，使用罗利普兰抑制PDE4可逆转ERK抑制诱导的大鼠记忆缺陷［40］；除此之外，罗利普兰还可通过触发NMDAR介导的MAPK-ERK 通路导致 CREB 磷酸化［41］。这表明PDE4抑制剂主要通过调节cAMP和NMDAR功能来调节MAPK-ERK-CREB的级联作用。

2 PDE4在神经退行性疾病中的作用

2.1 PDE4与AD

AD是一种致命的神经退行性疾病，主要表现为记忆力、学习能力、生活能力的下降。AD的特点是Aβ异常沉淀导致的老年斑［42］、Tau蛋白的过度磷酸化导致的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFT）等［43-46］。Aβ可显著降低神经元树突棘密度，破坏神经元运输，最终导致神经元死亡［47］。cAMP可以通过控制局限于内质网和高尔基体中的未成熟的N-糖基化APP转化为成熟的N-O-糖基化蛋白来降低Aβ的产生［48］。

在AD的早期阶段，PDE4表达水平即已显著升高。对AD死亡患者进行尸检表明，患者脑中存在PDE4水平异常升高和cAMP/PKA/CREB水平显著下降［49］。PDE4抑制剂可以改善APP/PS1双转基因小鼠LTP、突触可塑性，并降低Aβ的水平［49］。实验表明，一种新型的PDE4D选择性抑制剂GEBR-7b，可显著增加cAMP水平，改善AD模型大鼠认知功能障碍［50］。另一种PDE4抑制剂FCPR03，可显著抑制AD模型动物脑中促炎细胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6的表达，并抑制脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的小胶质细胞的激活。研究发现，FCPR03的这种抗炎活性是由cAMP/PKA/CREB和NF-κB信号通路介导的［51］。这些研究表明，PDE4直接或间接地参与了促进AD发生发展的关键蛋白，如Aβ和突触可塑性的调控。因此，开发新型的PDE4亚型抑制剂可能有利于AD的治疗。

2.2 PDE4与PD

PD是一种进行性神经退行性疾病，其特征是脑黑质和纹状体区域中多巴胺水平降低和α-突触核蛋白（α-synuclein， α-syn）聚集体积累［52］。研究证实，纹状体cAMP信号的损伤与其功能障碍密切相关［53］。研究表明，PD患者及动物模型脑中，CREB和神经营养因子如BDNF、神经生长因子（nerve growth factor， NGF）、神经营养因子-3（neurotrophin-3， NT-3）和神经营养因子-4（neurotrophin-4， NT4）的水平显著下调［54］，激活cAMP信号可以显著上调多种神经营养因子的表达［55］。临床前和临床研究证实，PDE4抑制剂是治疗PD的有效药物［55］。一项双盲试验结果表明，罗利普兰可以显著提高多巴胺的水平，并减轻PD的进展程度［56］。FCPR16是另一种PDE4抑制剂，它可以改善1-甲基-4-苯基吡啶（1-methyl-4-phenylpyridinium， MPP+）诱导的多巴胺能神经元的损伤［54］。另一种PDE4抑制剂1-正丁基-3-N-丙基黄嘌呤（1-N-butyl-3-N-propylxanthine， XT-44），可显著增加大鼠中脑神经元对多巴胺的再摄取，升高细胞内多巴胺水平［55］。对 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模型小鼠研究表明，罗利普兰可以促进纹状体中酪氨酸羟化酶的磷酸化，促进纹状体中的多巴胺合成［56-57］。研究表明，PDE4抑制剂对多巴胺神经的保护作用机制与激活cAMP/PKA/CREB密切相关［54-55］。这些研究表明，PDE4在PD病理中的关键作用，包括酪氨酸羟化酶的激活和多巴胺代谢等［57］。因此，靶向抑制PDE4可能是治疗PD的一种潜在选择。

2.3 PDE4与HD

HD是一种神经退行性疾病，由亨廷顿蛋白（huntingtin， HTT）内重复的聚谷氨酰胺增加引起。这种突变的HTT导致细胞毒性增加以及运动障碍进展［58］。氧化应激、线粒体功能障碍、炎症反应都在HD的发展中发挥重要作用。研究证实，HD中cAMP/CREB信号通路功能障碍是PDE4过表达的结果［59］。HTT与支架蛋白DISC1和PDE4可形成三元蛋白复合物，调节PDE4的活性［60］。对R6/1和R6/2转基因小鼠的研究显示，PDE4功能障碍与海马体中cAMP-PKA信号失常密切相关［60-61］。罗利普兰可以提高CREB和BDNF的磷酸化水平，并改善HD动物模型的临床体征［53］。葛兰素史克正在进行一项临床试验，以确定罗利普兰治疗HD的疗效，目前正处于I期临床试验［60-62］。由于PDE4抑制剂改善cAMP和BDNF水平，并且可以调节神经元功能，因此被认为是治疗HD的潜在药物。

3 结 语

大脑中cAMP信号的失调与多种神经退行性疾病有很强的联系，且存在PDE4的异常表达。PDE4抑制剂可以调节cAMP水平，并在AD、PD、HD等多种神经退行性疾病中发挥神经保护作用。但由于PDE4亚型众多以及中枢分布的差异性，还需进一步明确PDE4亚型在神经退行性疾病中所发挥的作用。因此，开发靶向PDE4亚型的选择性抑制剂可降低药物副作用，同时增强其治疗特性，这类新药有望成为未来药物研究的重点领域。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突