磷酸二酯酶9與心衰相關機制的研究進展

吳月，張瑤

(1.哈爾濱醫科大學，黑龍江 哈爾濱　150086; 2.哈爾濱醫科大學附屬第二醫院 心內五病區，黑龍江 哈爾濱　150086)

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磷酸二酯酶9與心衰相關機制的研究進展

吳月1，張瑤2

(1.哈爾濱醫科大學，黑龍江 哈爾濱150086; 2.哈爾濱醫科大學附屬第二醫院 心內五病區，黑龍江 哈爾濱150086)

[摘要]環核苷酸是細胞內的第二信使，通過激活心肌保護因子PKG在心臟保護機制中發揮重要作用。 環核苷酸磷酸二酯酶(PDE)是環核苷酸的唯一細胞內分解途徑。最新研究顯示，PDE家族的第9個成員磷酸二酯酶9(PDE- 9)被發現存在于心臟細胞中，并與心衰的發生關系密切，在本文中作者主要針對PDE- 9在心臟功能和心衰的發展中所起的作用作簡要綜述。

[關鍵詞]磷酸二酯酶9； 心衰； 機制； 文獻綜述

環磷酸腺苷(cAMP)和環磷酸鳥苷(cGMP)是細胞內的第二信使，它們在代謝、神經傳遞、細胞生長和分化等生理過程中起重要作用[1]。蛋白激酶G(protein kinase G，PKG)作為cGMP最重要的下游靶點，在心臟保護機制中發揮重要作用。環核苷酸磷酸二酯酶(Phosphodiesterase,PDE)是環核苷酸的唯一細胞內分解途徑。最新研究顯示，PDE家族的第9個成員PDE- 9被發現存在于心臟細胞中。尤其是心力衰竭患者，這種酶的含量更高，利用實驗動物和人類心臟細胞證實，這種酶會通過吞噬一個信號分子cGMP而對cGMP/PKG信號通路介導的心臟保護路徑造成傷害。這表明PDE- 9是一個多重“罪犯”，除了目前被廣泛認同可導致神經退行性疾病外，也是心肌死亡導致心功能衰竭的一個關鍵“煽動者”[2]，對此作者簡要綜述如下。

1PDE- 9

1.1PDE- 9組成及結構

PDE是一類蛋白酶，能選擇性降解體內重要的第二信使cAMP和cGMP[3]。迄今為止已經發現了21種PDE基因，根據其序列同源性分為11個PDE家族[4- 5]，具有不同的cAMP/cGMP特異性。PDE- 9能高特異性地水解cGMP，能把cGMP轉化為無活性的GMP，且廣泛分布在除血液以外的所有組織中[6- 7]。約翰霍普金斯大學研究人員發現從頑固性心衰患者獲得的心臟細胞的PDE- 9水平比正常心臟高6倍，而使得此類疾病患者擁有更少的心臟保護性PKG[2]。

1.2cGMP/PKG信號通路

作為一種重要的細胞內信使，cGMP 有 3 個主要作用靶點:cGMP依賴的蛋白激酶或蛋白激酶 G、cGMP調節的PDEs以及環磷酸鳥苷門控離子通道(CNG)[8]。PKG 被認為是最重要的 cGMP 下游靶點[9- 10]，在哺乳動物，PKG 主要以兩種形式存在，即 PKG- Ⅰ和 PKG- Ⅱ，PKG- Ⅰ由于 N- 末端的不同剪接，以α和β兩種亞型存在，且兩種亞型經常一起表達[11]。這些 PKG 屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族并具有相似的結果特征。PKG- Ⅰ主要在心血管系統中起作用，而 PKG- Ⅱ則主要存在于小腸、腎、腦[12]。在病理生理條件下，活化的 PKG- Ⅰ作用于其下游目標，調節心肌細胞中的受磷蛋白、三磷酸肌醇受體、蘭尼堿受體、肌鈣蛋白、血小板中血栓素 A2受體、L 型 Ca2+通道、Ca2+激活的鉀通道(BK 通道)、肌球蛋白輕鏈磷酸酶及 ATP 敏感K+通道(KAT)[13]，從而引起血管舒張、抑制內皮細胞通透性、抑制血小板活化、減少細胞凋亡以及對心肌細胞的負性肌力作用而保護心血管系統[12]。目前有證據表明 cGMP/PKG 信號途徑在預處理和后處理的心臟保護機制中發揮重要作用[14]。預處理誘導心肌保護而防止損傷與心肌 cGMP 含量升高有關[15]。

1.3cGMP/PKG信號通路介導的兩條心臟保護路徑

1.3.1NO/cGMP/PKG研究表明，在受到后處理的大鼠離體心臟中，cGMP 的釋放也增加，梗死面積明顯減少[16]。Bolli在 1990 年和 2001 年之間所做的 92 項調查研究中發現 NO(無論是內源性產生的或從外源性 NO 供體和前體生成的)具有心臟保護作用，內源性一氧化氮合酶(eNOS)活性基因操縱的抑制加劇心肌損傷，而 NO 顯著降低這種損傷[17]。NO可以激活可溶性鳥苷酸環化酶，使三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate，GTP)轉化生成cGMP，然后cGMP進一步激活PKG。應用藥物抑制可溶性鳥苷酸環化酶(sGC)和PKG活性均可消除心肌損傷時的心肌保護機制。雖然作用細節不是很清楚，但是可能與抑制肌漿網鈣離子的攝入、促進線粒體三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate，ATP)敏感性鉀通道(mitochondrial KATP channel，mKATP)的開放有關[14]。NO也可能扮演著單獨的cGMP作用角色。目前，盡管這些機制還未完全闡述清楚，但是有研究證實NO被亞硝基化作用后可以通過蛋白激酶C途徑直接抑制線粒體通透性轉換孔(mPTP)的開放而保護心臟，對缺血后適應起保護作用[15- 16]。

1.3.2利鈉肽/cGMP/PKG細胞膜上利鈉肽受體A(natriuretic peptide receptor- A，NPR- A)是一鳥苷酸環化酶，其相應配體為心房利鈉肽(atrial natriuretic peptide，ANP)/腦鈉肽(brain natriuretic peptide，BNP)，當其被激活時，可催化合成cGMP，cGMP作用于下游底物PKG[18]。已有研究表明，激活cGMP/PKG信號通路可以起到心肌保護作用。研究發現在再灌注早期給予ANP有利于縮小兔子心肌梗死面積[19]。Burley等[20]研究認為再灌注時給予BNP可以使細胞內cAMP濃度增加，進而活化PKG，促進mKATP開放以及eNOS的活化而起到減輕再灌注損傷的作用。Burley 和 Baxter[20]在大鼠離體心臟灌注模型中發現，無論是在冠狀動脈結扎前和結扎時給予 BNP，都可以顯著減少梗死面積，并且作用效果與 BNP 的濃度相關。

2心衰時PDE對cGMP/PKG保護通路的影響

2.1PDE- 5通過NOS途徑破壞 cGMP/PKG信號通路

Kass既往已經研究證實PDE5A抑制作用導致的磷酸化改變對于氮氧化物合成活化更加敏感，使其通過氮氧化物調控cGMP的產生，科研人員還證實通過磷酸二酯酶5A(PDE5A)抑制劑增強cGMP合成或者抑制其降解能預防心臟病。但是實驗證實氮氧化物信號通路在心臟病中經常處于抑制狀態。

2.2PDE- 9通過非依賴NOS途徑破壞 cGMP/PKG信號通路

cGMP作為第二信號參與氮氧化物和鈉離子- 多肽偶聯信號通路，通過蛋白激酶G促進磷酸化改變。然而，負調控因子如PDE的上調能減弱cGMP的刺激作用。我們的研究表明cGMP選擇性PDE9A在哺乳動物心臟中表達，并在肥厚型心臟病和心衰中表達上調。PDE9A在心肌細胞和肌肉細胞中調控鈉離子- 多肽刺激的cGMP而非氮氧化物刺激的cGMP，并且它的基因型和選擇性藥理抑制作用保護機體免受神經激素和持續性超負荷壓力的病理學反應。PDE9A的抑制作用與已經確立的不依賴于氮氧化物合成活性的心臟病相反，而PDE5A的抑制作用需要活化的氮氧化物合成。轉錄因子活性和PDE選擇性抑制的肌細胞磷酸化蛋白質組分分析揭示了大量特異性的靶點。因此，不同于PDE5A，PDE9A能夠不依賴于氮氧化物通路調控cGMP信號，并且其在壓力誘導下的心臟病中的作用為心臟病的治療提供了潛在的靶點。

3PDE- 9與心衰發展

3.1PDE- 9在心衰發展中的作用

約翰霍普金斯大學醫學院及心臟和血管醫學研究所教授大衛·卡斯(David Kass)及他的科研人員利用缺乏PDE- 9基因的轉基因小鼠做實驗組，具有完整PDE- 9基因的小白鼠作為對照組，并先后使用化學方法刺激心肌細胞以模仿心力衰竭的效果，及行主動脈縮小手術以給心臟產生額外的工作量，從而誘導心力衰竭。結果顯示缺乏PDE- 9的小白鼠細胞具有更高的cGMP水平；心臟有更少的瘢痕、肌肉變厚，擴張能力更強。阻斷PDE- 9的合成，從而阻斷對非依賴NOS途徑 cGMP/PKG信號通路的破壞，可以促進心臟的自我保護作用，從而改善心衰甚至逆轉心衰[2]。

3.2PDE- 9與PDE- 5在心衰發展中的關系

科研人員將手術引發的心臟衰竭小白鼠分為3組。一組接受PDE- 9抑制藥物治療，另一組用PDE- 5抑制劑西地那非(sildenafil)治療，而第三組使用安慰劑。4周后服用安慰劑的小白鼠完全發展成心力衰竭，而接受PDE- 5和PDE- 9抑制劑治療的小白鼠的心臟肌肉功能和規模都表現出顯著改善，心臟泵血能力恢復到接近正常水平。為比較PDE- 5和PDE- 9抑制劑對心功能的影響，研究人員隨后給一半小白鼠喂食PDE- 5抑制劑，關閉小鼠由PDE- 5調節的心臟保護性信號通路，結果小鼠沒有任何影響，當喂食PDE- 9抑制劑后小白鼠心臟顯示出明顯改善。這說明PDE- 9與PDE- 5在心肌衰竭發展中是通過引發保護信號通路缺陷而發揮破壞作用的，兩者相互獨立[2]。

4總結與展望

隨著研究的進一步深入，學術界逐步認識到心衰的發生和發展是一個激活神經- 內分泌、活化的細胞因子、細胞內信號轉導通路的改變、基因表達的異常引起的多種蛋白質之間的相關作用、相互影響的極其復雜的病理生理過程。在慢性心功能不全發生發展的每一個病理環節都有可能成為藥物作用的新靶點，而恰恰又是這些新靶點構成了研制新型抗心力衰竭藥物和探討心力衰竭更深層次的發病機制的進展前沿。目前，抑制PDE- 9的藥物已經用于阿爾茨海默病患者測試。在目前的研究中，PDE- 9抑制劑在心力衰竭小鼠中不僅停止了心肌擴大和瘢痕形成，還幾乎逆轉了疾病的影響，成為人們期待和關注的目標。

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doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.01.038

[中圖分類號]R541.6

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671- 6264(2016)01- 0162- 03

[通信作者]張瑤E- mail:yaozhang_grace@aliyun.com

[作者簡介]吳月(1989-),女,黑龍江齊齊哈爾人,住院醫師。E- mail:zaijian1989@yeah.net

[收稿日期]2015- 05- 30[修回日期] 2015- 11- 17

[引文格式] 吳月，張瑤.磷酸二酯酶9與心衰相關機制的研究進展[J].東南大學學報:醫學版,2016,35(1)：162- 164.

·綜述·