磷酸二酯酶5在心力衰竭中作用的研究進(jìn)展

楊 洋，張雅茸，楊紅琴，王 婧，趙紅梅

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院 病理生理學(xué)系，北京 100005

心力衰竭(heart failure, HF)是各種心血管疾病發(fā)展的終末階段。磷酸二酯酶(phosphodie-sterases, PDEs)通過水解細(xì)胞內(nèi)第二信使環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)與環(huán)磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate, cGMP),從而參與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。其中,磷酸二酯酶5(phosphodiesterase 5,PDE5)特異性水解cGMP,對(duì)心肌細(xì)胞cGMP-蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)的活化和調(diào)節(jié)心臟病理改變具有重要作用。PDE5在心臟中的表達(dá)以及在心肌細(xì)胞中的作用一直存在爭(zhēng)議,PDE5抑制劑對(duì)射血分?jǐn)?shù)降低的心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction,HFrEF)及射血分?jǐn)?shù)保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction, HFpEF)患者的臨床療效也均存在異議。本文綜述了PDE5在心衰中的研究進(jìn)展,以更好地了解PDE5在心衰中的作用機(jī)制及治療前景。

1 心力衰竭和磷酸二酯酶分類簡(jiǎn)介

心力衰竭是由于心臟的結(jié)構(gòu)和/或功能異常,導(dǎo)致進(jìn)行性心臟功能喪失,從而引起心室充盈或射血能力受損的一組臨床綜合征,具有較高水平的發(fā)病率、病死率和再住院率,給公共衛(wèi)生造成了嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。根據(jù)最新2022 美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)/美國(guó)心臟協(xié)會(huì)/美國(guó)心力衰竭協(xié)會(huì)心力衰竭管理指南,心衰按左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fractions,LVEF)分為以下4類:射血分?jǐn)?shù)降低的心衰(HFrEF):LVEF≤40%;射血分?jǐn)?shù)改善的心衰(heart failure with improved ejection fraction, HFimpEF):既往LVEF≤40%,后續(xù)檢查L(zhǎng)VEF>40%;射血分?jǐn)?shù)輕度降低的心衰(heart failure with mildly reduced ejection fraction, HFmrEF):LVEF為41%～49%,且有證據(jù)表明左室充盈壓增加;射血分?jǐn)?shù)保留的心衰(HFpEF):LVEF≥50%,且有證據(jù)表明左室充盈壓增加[1]。盡管在動(dòng)物模型、體外實(shí)驗(yàn)及臨床研究中都不斷取得了有關(guān)心力衰竭的機(jī)制研究和治療方法的進(jìn)展,但是心衰在臨床上仍然具有很高的病死率,提示仍需繼續(xù)深入研究心力衰竭的機(jī)制。

PDEs是一種金屬水解酶,是環(huán)核苷酸的主要調(diào)節(jié)因子,可催化cAMP和cGMP的3′-環(huán)磷酸二酯鍵水解,從而降低細(xì)胞內(nèi) cAMP和/或cGMP的濃度,進(jìn)而調(diào)節(jié)它們下游的蛋白激酶活性,影響多種細(xì)胞功能和不同疾病的病理生理狀態(tài)[2]。PDEs超家族由11個(gè)家族成員(PDE1-PDE11)組成,根據(jù)水解底物不同,可將PDEs分成3類:1)特異性水解cAMP:PDE4、PDE7和PDE8;2)特異性水解cGMP:PDE5、PDE6和PDE9;3)能同時(shí)水解cAMP和cGMP:PDE1、PDE2、PDE3、PDE10和PDE11。

其中PDE5目前只有PDE5A一種分型,包括三種剪接變體,分別為PDE5A1、A2 和A3,它們具有相似的cGMP 催化活性,沒有明顯的功能差異。PDE5幾乎存在于所有細(xì)胞、組織和器官中,鑒于PDE5具有廣泛表達(dá)和特異性水解cGMP的能力,PDE5被認(rèn)為是許多NO/cGMP/PKG依賴性生物過程的關(guān)鍵參與者,針對(duì)PDE5和cGMP的干預(yù)對(duì)于心力衰竭的治療有著重要意義,其治療價(jià)值還需進(jìn)一步探究。

2 PDE5及其抑制劑在心力衰竭中作用的研究進(jìn)展

PDE5在心臟組織中的表達(dá)和功能一直存在爭(zhēng)議,目前通常認(rèn)為在正常心肌細(xì)胞中存在極少量甚至不存在PDE5,而在心力衰竭患者心臟組織中PDE5顯著上調(diào)[3]。

2.1 PDE5抑制劑的應(yīng)用

PDE5可將NO激活的sGC產(chǎn)生的cGMP轉(zhuǎn)化為無活性的5′-GMP形式,cGMP的形成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能障礙在心血管疾病中起直接的病理作用[4],cGMP 的缺乏可對(duì)心臟、腎臟和血管產(chǎn)生不良影響,從而導(dǎo)致 HFrEF 和 HFpEF 的疾病進(jìn)展[5],而PDE5抑制劑可通過阻斷cGMP的分解,延長(zhǎng)血管舒張介質(zhì)作用,從而引起血管平滑肌松弛。目前已有的PDE5抑制劑主要包括西地那非(sildenafil)、他達(dá)拉非(tadalafil)、伐地那非(vardenafil)、阿伐那非(avanafil)、米羅那非(mirodenafi)、洛地那非(lodenafil)和烏地那非(udenafil)等,其中前4種抑制劑現(xiàn)已臨床應(yīng)用于治療勃起功能障礙、肺動(dòng)脈高壓及下尿路感染。同時(shí),PDE5抑制劑對(duì)心血管疾病、阿爾茲海默病、腫瘤、雷諾氏綜合征(Raynaud′s syndrome)、COVID-19等疾病的治療也具有重要作用并在繼續(xù)不斷探索。

2.2 PDE5抑制劑及PDE5基因鼠在心力衰竭中的研究進(jìn)展

PDE5抑制劑在心力衰竭中的治療作用不斷被揭示。西地那非通過阻斷PDE5對(duì)cGMP的水解,改善由主動(dòng)脈弓縮窄手術(shù)(transverse aortic constriction, TAC)和血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ, AngⅡ)灌注所引起的小鼠心肌重構(gòu)、心功能障礙,減少心肌組織免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)和炎性反應(yīng)以及心肌細(xì)胞的凋亡[6];提高起搏誘導(dǎo)性心力衰竭的循環(huán)cGMP濃度,降低平均動(dòng)脈壓、左心房壓和肺動(dòng)脈壓,改善心衰[7]。他達(dá)那非可緩解容量過載誘導(dǎo)心力衰竭的心肌肥厚和心功能惡化[8]。目前新型 PDE5 抑制劑 CPD1 對(duì)異丙腎上腺素誘導(dǎo)的心肌肥厚有顯著的保護(hù)作用,對(duì)模型大鼠心臟的收縮和舒張功能明顯提高,并且作用較西地那非治療組更加明顯[9]。

心力衰竭的主要原因之一是cGMP-PKG軸功能障礙[3]。隨著心力衰竭心臟PDE5的上調(diào),cGMP向5′-GMP的轉(zhuǎn)化率增加,PKG降低,而西地那非抑制PDE5可通過激活PKG緩解心力衰竭的不良重塑[10];心肌細(xì)胞特異性過表達(dá)PDE5的轉(zhuǎn)基因小鼠通過降低PKG的活性使心臟功能惡化并加重心肌梗死后心室重塑[11];心肌細(xì)胞過表達(dá)PDE5的雙向基因靶向調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)肌細(xì)胞cGMP/PKG通路影響持續(xù)壓力超負(fù)荷的心臟重塑現(xiàn)象[12]。然而,心臟特異性敲除PKG對(duì)主動(dòng)脈弓縮窄后的左心室肥厚沒有影響[13],說明PKG活性可能不參與調(diào)節(jié)心肌肥厚,這提示PDE5抑制劑的作用可能存在除cGMP-PKG以外的下游信號(hào)通路。

心肌細(xì)胞是cGMP的主要作用位點(diǎn),但在cGMP信號(hào)的表達(dá)上,新生兒和成人心肌細(xì)胞之間存在根本差異[14],新生兒心肌細(xì)胞表達(dá)心房利鈉肽(atrial natriuretic peptide, ANP)/GC-A和NO/sGC;而成人心肌細(xì)胞主要表達(dá)C型利鈉肽(C-type natriuretic peptide, CNP)/GC-B,未檢測(cè)到NO來源的cGMP。用心肌細(xì)胞特異性過表達(dá)Ⅰ型血管緊張素Ⅱ受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor, AT1R)的轉(zhuǎn)基因小鼠,檢測(cè)利鈉肽/PDE5/cGMP通路的不同成分和心臟功能,發(fā)現(xiàn)西地那非不干擾心肌細(xì)胞中擴(kuò)增的AT1R信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的對(duì)心臟結(jié)構(gòu)和功能的致病作用[15]。并且有報(bào)道稱PDE5A僅在小鼠肥大心臟的肌成纖維細(xì)胞中表達(dá),而在心肌細(xì)胞中不表達(dá)[16]。因此猜測(cè)正常和衰竭心臟中測(cè)得的PDE5活性可能大多數(shù)來自非心肌細(xì)胞;動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心臟肥大的逆轉(zhuǎn)有可能源于PDE5抑制劑的非心肌細(xì)胞效應(yīng),包括全身血管、腎臟的改變、肌成纖維細(xì)胞的激活、炎性反應(yīng)的調(diào)節(jié)、不同細(xì)胞類型的潛在激素和細(xì)胞因子的釋放等。由此可知,PDE5在心衰進(jìn)程中所起的作用和調(diào)節(jié)機(jī)制非常復(fù)雜,其抑制劑的作用機(jī)制也尚未完全揭示。因此,深入探究PDE5相關(guān)內(nèi)容可為心力衰竭的治療提供新視野和新途徑。

2.3 PDE5抑制劑在心力衰竭臨床試驗(yàn)中的研究進(jìn)展

PDE5抑制劑臨床試驗(yàn)眾多,但臨床療效存在巨大差異,對(duì)于心衰治療是否有效尚無定論。在使用PDE5抑制劑6個(gè)月的HFpEF患者中無顯著心臟功能改善[17]。然而也有臨床研究表明西地那非治療6個(gè)月的HFpEF 患者的運(yùn)動(dòng)能力增加,肺血管阻力降低,右心室收縮和舒張功能改善[18]。不同的臨床試驗(yàn)結(jié)局存在差異可能與患者入組條件和臨床試驗(yàn)的合并治療方案不同有關(guān)。另外,長(zhǎng)期抑制糖尿病患者中的PDE5可能是預(yù)防和減緩HFpEF發(fā)生發(fā)展的有效途徑,但不具有治療意義[19]。因此,西地那非在HFpEF患者中的臨床療效還需進(jìn)一步檢驗(yàn)。

同時(shí),PDE5抑制劑在HFrEF中的臨床效用也存在爭(zhēng)議。在HFrEF中,多項(xiàng)臨床試驗(yàn)提示,西地那非對(duì)HFrEF患者的心臟功能有改善作用:西地那非可增強(qiáng)收縮性心衰患者的心臟功能,緩解心臟重塑和改善臨床狀態(tài)[20];西地那非還能改善 HFrEF患者的運(yùn)動(dòng)能力和心室功能,逆轉(zhuǎn)不良重塑[21]。然而,SilHF試驗(yàn)表明西地那非不能改善HFrEF和門靜脈高壓患者的癥狀、生活質(zhì)量或運(yùn)動(dòng)能力,并可能增加HFrEF患者的死亡風(fēng)險(xiǎn)[22]。目前已有的臨床數(shù)據(jù)表明PDE5抑制劑治療不能改善心衰患者的預(yù)后和生活質(zhì)量[23],因此可能需要更多的基礎(chǔ)研究來確定PDE5在心力衰竭中的作用。

PDE5抑制劑在心衰治療方面缺乏可轉(zhuǎn)化性的原因可能與所使用的PDE5抑制劑劑量,不同抑制劑藥代動(dòng)力學(xué)差異,以及患者患病的復(fù)雜性等有關(guān)。此外,PDE5抑制劑在心衰臨床研究中相互矛盾的數(shù)據(jù)也可能部分解釋為心衰患者中PDE5上調(diào)的程度不同,以及心衰患者病因不同,但具體的原因還需要進(jìn)一步探究。

3 問題與展望

PDE5是選擇性cGMP水解酶,其在心血管疾病中發(fā)揮重要作用,抑制PDE5是心衰患者潛在治療方法之一。但PDE5在心臟組織中及其在心肌細(xì)胞中的表達(dá)和功能一直存在爭(zhēng)議。PDE5A抑制劑西地那非可改善Ang Ⅱ誘導(dǎo)的HF引起的晚期心肌肥厚和左心室重構(gòu),顯著改善左心室收縮和舒張功能,但并沒有改善特異性心肌細(xì)胞中過表達(dá)AT1R后的進(jìn)行性心肌細(xì)胞肥大、纖維化或心臟功能下降,說明PDE5和Ang Ⅱ/AT1R之間串?dāng)_的心臟細(xì)胞類型可能為非心肌細(xì)胞。因此猜測(cè)正常和衰竭心臟中測(cè)得的PDE5活性可能大多數(shù)來自非心肌細(xì)胞,PDE5抑制劑的治療作用可能涉及非心肌細(xì)胞的作用機(jī)制。同時(shí)PDE5抑制劑的臨床療效也存在異議,因此對(duì)PDE5在HFrEF中的作用及干預(yù)機(jī)制需要進(jìn)一步確認(rèn),推測(cè)通過改進(jìn)PDE5抑制劑在心臟中的作用靶點(diǎn)或采取其他干預(yù)方式可以產(chǎn)生新的臨床治療意義。