磷酸二酯酶及其抑制劑在神經退行性疾病中的研究進展

柳 麗，鄭 靜，黃險峰，丁淑敏，宋國強

（常州大學制藥與生命科學學院，江蘇常州213164）

神經退行性疾病是一類因中樞神經元退化或不可逆丟失而出現進行性認知、記憶、運動和情緒等功能障礙的疾病，包括阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）、亨廷頓病（Huntington disease，HD）、帕金森病（Parkinson disease，PD）、肌萎縮側索硬化病（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）和多發性硬化癥（multiple sclerosis，MS）等。隨著全球人口老齡化的加劇，此類疾病的發病率逐年增高，因其發病機制尚不明確，積極尋找安全高效的藥物靶點和治療方法成為目前亟待解決的難題。

環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和環磷酸鳥苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）是細胞內關鍵的第二信使，兩者分別在腺苷酸環化酶（adenylyl cyclase，AC）和鳥苷酸環化酶（guanylate cyclase，GC）的催化下生成，其中可溶性GC還受體內NO的調控。cAMP和cGMP分別通過激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和PKG引起cAMP反應元件結合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）的磷酸化，后者進一步通過調控腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）等相關轉錄因子的表達來調節神經細胞功能（圖1）。在中樞神經系統，cAMP和cGMP參與了神經發生、信息傳遞、突觸可塑性及感覺、認知、記憶、情緒和運動等多個生理學過程，而神經退行性疾病的發生則主要與這些過程的不同程度障礙或損傷有關［1-3］。因此，調控體內cAMP/cGMP水平及其下游信號可為神經退行性疾病提供新的治療途徑。

圖1 環核苷酸信號.ATP：三磷酸腺苷；GTP：三磷酸鳥苷；5′AMP：5′磷酸腺苷；5′GMP：5′磷酸鳥苷；NF-3：神經營養因子-3；NGF：神經生長因子；PDE：磷酸二酯酶；PKA：蛋白激酶A；BDNF：腦源性神經營養因子；CREB：cAMP反應元件結合蛋白.

研究顯示，cAMP和cGMP的失活途徑決定了其在細胞內的水平，而磷酸二酯酶（phosphodiesterases，PDE）是體內cAMP和cGMP唯一的水解酶，PDE的表達和活性直接影響細胞內第二信使的水平。PDE由11個家族組成，分別為PDE1～11，根據其底物的特異性，可分為3類：對cAMP具有特異性的PDE4，7和8；對cGMP具有特異性的PDE5，6和9；對cAMP和cGMP均具有親和力的PDE1，2，3，10和11［4］。已知大部分PDE家族在中樞神經系統廣泛表達，抑制PDE可顯著增強神經細胞內cAMP和cGMP信號，進而調控中樞神經系統的一系列生理或病理過程。因此，PDE有望成為神經退行性疾病新的治療靶點，PDE抑制劑有望成為治療神經退行性疾病的前景藥物。

1 PDE及其抑制劑與AD

1.1 PDE與AD

AD是目前最為常見的神經退行性疾病，其發病原因至今尚不明確，曾經公認的β淀粉樣蛋白（βamyloid，Aβ）沉積致老年斑和tau蛋白磷酸化致神經元纖維纏結學說皆因靶向Aβ藥物的研發失敗而停滯不前。有研究顯示，老年人大腦中對記憶具有重要調節作用的NO/cGMP信號明顯弱于年輕人［5］。且一些非臨床研究發現，AD大鼠的腦血管周圍可見PDE3的高表達，體外用Aβ1-42處理小膠質細胞也可見PDE4B mRNA水平上調［6-7］。AD患者的尸檢結果更具說服力，Pérez-Torres等［8］發現，PDE4A mRNA水平在早期AD患者腦內嗅皮質處呈顯著上升，在額皮質處卻明顯下降。McLachlan等［9］發現一例AD患者海馬部位的PDE4D1呈翻倍表達，但PDE4D2和PDE4D3卻無明顯改變，PDE4D5～9的水平甚至還有所下降。同樣是AD患者，其海馬齒狀回和CA2區域的PDE8B水平升高，而齒狀回的PDE7A水平卻下降［10］。此外，Ugarte等［11］研究顯示，AD患者顳皮質處PDE5的蛋白水平是正常人的5倍，而PDE9A，PDE2A和PDE10A卻無明顯差異［12］。由此可見，AD的發生發展與PDE密切相關，且PDE的變化具有一定的亞型特異性和腦區特異性。

1.2 PDE抑制劑與AD

雖不是所有的PDE均在AD患者或動物模型中呈現出表達量或活性的顯著改變，但近年來部分PDE選擇性抑制劑卻在AD的非臨床研究和部分臨床研究中取得了很好的療效。

研究顯示，第一代PDE4抑制劑咯利普蘭（rolipram）可顯著改善AD大鼠記憶功能障礙，且這一作用與增強cAMP/CREB信號有關［13］。但該藥易引起強烈的頭暈頭痛和惡心嘔吐等不良反應，目前僅作為相關研究的工具藥［14］。由羅氏公司與Memory Pharmaceuticals聯合推出的MEM 1414是第二代代表性PDE4抑制劑，曾在Ⅰ期臨床中表現出很好的安全性和耐受性，并有望進入Ⅱ期臨床。但隨著公司的重組與合并，相關研究未能繼續。另有PDE4抑制劑MK-0952于2008年完成了輕中度AD治療的Ⅱ期臨床，但結果并未公開［15］。而原本用于慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的羅氟司特（roflumilast）在一項Ⅱ期臨床研究中表現出較好的改善認知效果，其最低有效劑量是治療COPD時的1/5，且無傳統PDE4抑制劑引起的嘔吐等不良反應，有望作進一步深入研究［16］。

在AD患者腦內雖并未發現PDE2表達和活性的異常，但由于PDE2在腦中表達量最高且選擇性地分布在與學習記憶密切相關的前腦區域，且PDE2具有對cAMP和cGMP的雙重水解作用，可同時調控cAMP和cGMP 2條信號通路，因此，有關PDE2抑制劑與AD的研究近年廣受關注。相關研究主要始于2002年高選擇性PDE2抑制劑BAY 60-7550的問世，雖因較差的藥代動力學特性致使其無法進入臨床，但卻為研究PDE2在中樞神經系統疾病中的作用提供了便利。該藥可顯著提升大鼠和小鼠的認知和記憶能力，上調神經細胞內cAMP和cGMP水平、增強突觸可塑性，其機制與增強NO/cGMP信號及cAMP/PKA/CRBE信號密切相關［17］。另一個具有代表意義的PDE2抑制劑是ND-7001，曾在2005年進入Ⅰ期臨床，并表現出很好的安全性和耐受性，但這項研究卻在2010年因不明原因終止［18］。其后，多家公司相繼研發出抑制PDE2的專利化合物，其相關非臨床及臨床研究都還在進行中［19］。

PDE5抑制劑因其舒張血管平滑肌功能而被用于治療勃起功能障礙。近年來研究發現，PDE5抑制劑可明顯增強動物和人的認知功能，其機制與改善血管功能紊亂、促進神經遞質釋放、促進神經再生和抗凋亡等作用有關［20］。其中西地那非（sildenafil）能顯著改善AD動物的認知和減少海馬部位Aβ沉積［21］。他達拉非（tadalafil）曾因其較差的透過血腦屏障能力而不被看好，但García-Barroso等［22］研究顯示，該藥可提升AD動物的認知能力，其機制可能與減少tau蛋白磷酸化有關。倫敦大學進行了一項研究，把該藥用于腦部有微血管病變的患者，發現其可增加腦部血流、防止血管性認知障礙的發生［23］。但PDE5抑制劑能否用于臨床AD患者還需要大量研究驗證。

此外，PDE9抑制劑也在AD動物模型中顯示出提升認知的作用［24-25］。其中PF-04447943和BI 409306已進入了Ⅱ期臨床，但兩者均未能取得預期結果［26-27］。

2 PDE及其抑制劑與HD

HD是一類具有遺傳傾向的神經退行性疾病，主要表現為運動、認知和情感障礙。其病理特征與突變亨廷頓蛋白大量聚集并引起紋狀體和大腦皮質神經元死亡有關。3-硝基丙酸（3-nitropropionic acid，3-NPA）和喹啉酸是目前常用于HD造模的神經毒劑，這2種毒素均可下調環核苷酸水平、降低CREB介導的轉錄活性［28-29］。同樣，突變亨廷頓蛋白的神經毒性也可能與影響環核苷酸水平及其下游信號有關［30-31］。此外，Gines等［32］在R6/2型轉基因HD小鼠的紋狀體內檢測到cAMP水平的下降，且這一變化可能與PDE4的表達和活性增加有關。另外，在R6/2小鼠的海馬中還存在NO/cGMP信號的下調，但HD相關的早期cAMP和cGMP水平下調卻引起了部分PDE的代償性低表達，尤其是PDE10A和PDE1B［33-34］。其中PDE10A在HD患者的腦內也呈低表達狀態，推測這同樣可能是HD早期cAMP水平下降引起的代償性改變［34］。輝瑞公司研發的PDE10A抑制劑TP-10在喹啉酸誘導和轉基因的HD動物模型中均表現出較強的神經元保護作用，其機制與促進CREB磷酸化有關［35-36］。PDE1B低表達與低水平環核苷酸雖也共存于神經毒素誘導或轉基因的HD模型中，但PDE1抑制劑長春西丁（vinpocetine）卻同樣能顯著改善3-NPA誘導的HD動物運動異常［37］。此外，DeMarch等［29，38］研究顯示，PDE4抑制劑洛利普蘭也可對喹啉酸誘導和轉基因HD動物發揮神經保護作用，其機制均與促進CREB磷酸化有關。

3 PDE及其抑制劑與PD

PD是以黑質紋狀體通路多巴胺神經元退變為特征的運動障礙性疾病，PD患者不僅表現出運動功能障礙，后期還會出現認知和情緒障礙。近年來，由CREB介導的轉錄調控異常在PD研究中受到關注。CREB下游信號BDNF已被證實在多種PD模型中具有多巴胺神經元保護作用［39］。一項Meta分析顯示，咖啡可降低PD的發病風險，其原因可能與咖啡因抑制PDE有關［40］。PDE10A是PDE家族中在紋狀體表達最高的，在PD的病理生理學進程中發揮著關鍵性作用［41］。罌粟堿可抑制PDE10A上調紋狀體棘狀神經元的cAMP水平，從而抑制紋狀體中多棘神經元（medium spiny neurons，MSN）的多巴胺D2受體信號，增強D1受體信號，繼而改善PD癥狀［42］。此外，在PD動物模型中還存在PDE1B活性的上調［43］。而PDE1抑制劑長春西丁可改善魚藤酮誘導的PD大鼠運動障礙并提高紋狀體多巴胺水平［44］。雖然目前尚無研究顯示1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）誘導的PD模型中是否存在PDE的改變，但PDE4抑制劑咯利普蘭卻可顯著減輕MPTP引起的PD小鼠黑質神經元丟失，增加腦內多巴胺水平，其機制可能與增強cAMP依賴的PKA/CREB/BDNF信號有關［45］。

4 PDE及其抑制劑與其他神經退行性疾病

目前，PDE在ALS和MS中的作用研究相對較少。其中ALS主要以運動神經元變性為特征，Nakamizo等［46］研究發現，PDE5在運動神經元中廣泛表達，PDE5選擇性抑制劑扎普司特（zaprinast）能保護活性氧誘導的大鼠脊髓運動神經元損傷，且這一作用可被PKG抑制劑KT5823阻斷。MS則是以白質脫髓鞘病變為特征的中樞神經系統炎性自身免疫性疾病，PDE4抑制劑咯利普蘭、PDE7抑制劑TC3.6和VP3.15均可減輕實驗性自身免疫性腦脊髓炎的癥狀，但相關機制還需深入研究［47-49］。

5 結語

常見神經退行性疾病與PDE表達異常引起的環核苷酸信號改變密切相關，高選擇性PDE抑制劑有望成為治療神經退行性疾病的新型候選藥物。然而PDE家族成員眾多，水解底物存在特異性，中樞分布也存在差異性，研究者們還需進一步明確PDE在神經退行性疾病發生發展中的病理生理學作用。同時，現有的一些用于神經退行性疾病的PDE抑制劑大都還處在非臨床研究階段，部分臨床研究才剛剛起步或尚未取得明確結果。因此，新型高效和高選擇性PDE抑制劑的研發工作任重而道遠。