磷酸二酯酶在心力衰竭治療中的研究進展

孫 歡，于 明，趙綺旎，楊 萍*

(1.吉林大學中日聯誼醫院心血管內科，長春 130033； 2.吉林省重大心血管疾病精準醫學分子生物學實驗中心，長春 130033； 3.吉林省心血管研究所，長春 130033)

心力衰竭(心衰)是心血管疾病發展的最終階段，其以心輸出量相對或絕對不足為主要表現。心衰是一類進行性發展的臨床綜合征，其五年病死率可達50%，為人類造成了嚴重的經濟和社會負擔[1-2]。心衰的過程是由心血管疾病(如缺血性心臟病、高血壓、先心病、瓣膜病及心包疾病等)啟動，進而一系列神經體液因素被激活，導致心功能進行性惡化，雖然心力衰竭的機制和治療方法在動物模型、體外實驗及臨床研究中都不斷取得進展，但是心力衰竭的死亡率仍然居高不下[3-5]。

環磷酸腺苷(cAMP)和環磷酸鳥苷(cGMP)是細胞內的第二信使，在心血管活動調節方面起著重要作用[6-7]。磷酸二酯酶(PDEs)是一系列水解cAMP及cGMP的水解酶，是調節cAMP和cGMP水平的重要環節，針對PDEs尤其是PDE3和PDE5的干預對于心力衰竭治療有著重要意義，其治療價值也需要進一步評價和研究。

1 環磷酸腺苷與環磷酸鳥苷

環磷酸腺苷(cAMP)與環磷酸鳥苷(cGMP)是細胞內重要的第二信使，對于調節細胞功能與活動起著重要的作用。一系列激素和信號轉導通路都通過這兩種第二信使進行細胞內信號轉導，從而調控細胞活動，而心肌細胞的活動也與他們密切相關[8-9]。由于PDEs通過水解cAMP和cGMP調控細胞活動，理解cAMP和cGMP的作用對掌握PDEs對細胞活動的意義至關重要。

cAMP由腺苷酸環化酶催化三磷酸腺苷形成，其降解由不同磷酸二酯酶(PDEs)催化。cAMP在心肌細胞中的作用有：(1)活化蛋白激酶A(PKA)，由PKA進行一系列磷酸化過程，例如：L型鈣離子通道、蘭尼堿受體2(ryanodine receptor 2,RyR2)受體、受磷蛋白(phospholamban,PLB)及肌鈣蛋白I，從而加強心肌細胞的鈣瞬變和心肌細胞收縮力。由交感神經持續興奮導致的全心肌細胞的PKA激活被認為是高血壓及心衰發展過程中的重要因素，會導致心肌的重構而進一步加重心功能的惡化[10]；(2)激活cAMP調節的氨基鳥苷酸轉換因子(Epacs)，從而觸發Ca2+-鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMKⅡ)的活化，進一步引起心肌肥厚等病理過程。而CaMKⅡ引起的RyR2磷酸化會導致內質網鈣離子外溢，引起心律失常及心肌重構和心功能惡化[11-12]。

cGMP由鳥苷酸環化酶催化三磷酸鳥苷形成，其降解由相應的具有cGMP活性的PDEs催化，它在心肌細胞中的主要作用似乎與cAMP相反[13]，包括：(1)cGMP可通過蛋白激酶G(PKG)抑制L型鈣通道電流、通過抑制肌鈣蛋白I的磷酸化而減弱其對鈣離子的敏感性，這可起到負性肌力作用[14]；(2)NO作為信號轉導系統的一部分，可通過增加cGMP濃度起到生物活性，而cGMP濃度的增加被證明能夠改善心室重構和治療心力衰竭[15]。

2 磷酸二酯酶家族(PDEs)

PDEs是能夠催化水解環磷酸核苷磷酸二酯鍵，其活性最早有Sutherland及其同事所報道[16]。其家族成員眾多，現在被認識到的哺乳動物體內的PDE種類有從PDE1到PDE11十一個種類，同時又存在有不同的同工酶，而不同PDEs的分布和功能也各有特點。從結構上看，PDEs的蛋白結構可分成三個部分[17-18]：n-端的鉚定域，C端高度保守的催化域以及中段的調節域。從PDEs水解的底物分類，可以將PDEs分成三類：第一類特異性水解cAMP，包括PDE4、PDE7和PDE8；第二類特異性水解cGMP，包括PDE5、PDE6和PDE9；第三類能夠水解cAMP和cGMP，包括PDE1、PDE2、PDE3、PDE10和PDE11。

由于其不同亞型基因表達的不同使得我們能夠應用mRNA的表達分布了解各種PDEs在組織內的分布，進而可探索它們的不同作用：

PDE1:分布于平滑肌、心臟、肺、神經系統、生殖系統等；其作用包括調節平滑肌細胞收縮增殖、調節精子活動、調節免疫細胞功能等[18-20]；

PDE2:分布于腎上腺、神經系統、平滑肌、巨噬細胞、內皮細胞等；其功能包括調節cGMP和cAMP之間的相互作用、調節腎上腺的分泌作用、調節神經系統活動、心肌鈣離子通道活性等[21-22]；

PDE3:分布于心臟、血管平滑肌、血小板、腎、肝、免疫細胞等；其作用包括：調節心肌收縮力、血小板聚集、血管平滑肌收縮、腎素釋放及胰島素信號轉導等[23-24]；

PDE4:分布于被廣泛表達于各種組織內。其作用包括調節腦功能、調節單核細胞及巨噬細胞功能、血管平滑肌細胞增殖等[18]；

PDE5：分布于心臟、血小板、血管平滑肌、腦、腎、肺和骨骼肌；其主要作用包括調節血管收縮，尤其是陰莖和肺部血管的舒縮，同時通過調節NO-cGMP信號系統調節血小板聚集等[25-27]；

PDE6:分布于視覺系統中；其主要作用在于調節眼部視覺信號的傳輸；

PDE7:分布于免疫系統、骨骼肌、內皮細胞、神經系統等；主要被報道作用于T細胞的活化及免疫調節方面；

PDE8:分布于睪丸、脾、消化系統、腎、神經系統、心臟等；可調節心肌細胞對β受體激動的反應及T細胞活化等功能[28]；

PDE9:廣泛分布于各種組織內，其作用尚鮮為人知，可能與腦組織中的NO-cGMP信號相關[29]；

PDE10:在腦、睪丸、甲狀腺等組織中高表達；其功能與調節學習和記憶功能相關；

PDE11:在骨骼肌、前列腺、睪丸、甲狀腺、唾液腺及肝等組織中表達。其功能可能與精子的發育和功能相關。

3 PDE3和PDE5在心血管系統中的作用及其抑制劑在心衰中的應用研究

從PDE的功能和分布上看，我們能夠得知雖然PDEs分布廣泛，但是其功能各異，因而我們對于心血管系統疾病的治療靶點主要集中于在心血管系統作用突出的PDE3和PDE5。而PDE3和PDE5抑制劑在心血管尤其是心臟中的作用受到廣泛重視，也在心血管疾病中應用的最為廣泛。

PDE3曾經被認為是能夠治療心衰的重要靶點，一系列針對PDE3的治療旨在對心肌細胞起到正性肌力作用進而改善心衰病人的血流動力學，然而臨床研究的慘淡結果使得這一類治療策略黯然失色。早在1991年，針對心衰病人口服PDE3抑制劑米力農的研究PROMISE就得出來令人沮喪的結果[30]：在入選了1088例心衰病人后，隨機分組后，米力農治療組病人的全因死亡率較安慰劑組升高了28%，心血管死亡率升高了34%，而且心衰癥狀重的病人中這一死亡風險的增加更加明顯，可達到53%。這樣的結果讓人們開始重新審視米力農或PDE3抑制劑對心衰治療的效果，同時提示人們正性肌力藥物對于慢性心衰可能效果不佳。同樣，另一種PDE3抑制劑依諾昔酮，在一項多中心雙盲研究中，相比于安慰劑組，治療組出現了更高的死亡率[31]。在更新的研究OPIME-CHF研究中，靜脈應用米力農治療失代償心力衰竭病人—心功能Ⅲ～Ⅳ級—也出現了死亡率升高的問題，雖然病人的血流動力學可以得到改善[32-33])。這一系列臨床研究似乎不停地向人們傳達著一個信息：PDE3抑制劑對于心衰病人的治療有害無益，這似乎與我們對于cAMP的認識不謀而合：當心力衰竭發生時，機體的神經-體液環境發生改變，例如交感神經興奮、β受體激動等反應，激活心肌細胞內的腺苷酸環化酶，使細胞內的cAMP升高，心肌細胞收縮力增加從而彌補心輸出量的不同，然而持續的刺激使得心肌細胞出現失代償，從而使得心力衰竭不斷惡化，而應用了PDE3抑制劑自然會使得細胞內cAMP升高，這與心力衰竭進展的病理生理過程出奇的相似，使得心力衰竭雪上加霜[34-35]。

然而，一系列新的研究仍然為這一類治療帶來了新的視野和觀點：

(1)不同病因引起的心衰對PDE3抑制劑存在不同的治療效果。首先，一項針對OPTIME-CHF的亞組研究揭示了對于非缺血性心臟病人，米力農的治療沒有升高死亡率[33]。眾所周知，導致心衰的病因多種多樣，缺血性心臟病固然是導致心力衰竭的主要病因，然而非缺血性心臟病，如高血壓、心肌炎及擴張性心肌病，亦是導致心力衰竭發生、發展的重要因素。同時，動物實驗也揭示了其對于心肌炎的心臟損害，PDE3抑制劑可對模型小鼠起到保護作用，降低死亡率并有效改善心功能[36]。對于這一系列結果，我們似乎可以理解如下：不同病因所致的心力衰竭在啟動因素上存在不同，其所經歷的病理生理過程可能存在不同，而它們對藥物或對PDE3的反應也會有所不同，因此探索不同病因乃至不同程度疾病所致心衰中PDE3的作用以及它們對PDE3抑制劑可能存在的不同反應可能會為PDE3抑制劑在心衰中的應用提供更多的可能與證據。

(2)PDE3抑制劑的異質性可能是解答PDE3抑制劑療效差異性的突破口。同樣是PDE3抑制劑，不同的藥物卻顯示出了各自獨特的藥理作用：同是PDE3抑制劑的西洛他唑，在心臟表現出的正性肌力作用很弱[37]，而其在外周表現出的抗血小板聚集作用卻十分突出[38]，甚至還可表現出抗血管重塑的作用[39]。西洛他唑在心臟同時會表現出抑制腺苷再吸收的特性，從而增加細胞外腺苷的濃度，這可能與其正性肌力作用比較弱有關[37-40]；而另一種具有明顯正性肌力作用的PDE3抑制劑Pimobendan, 在日本被批準用于治療心力衰竭并被廣泛用于治療動物心力衰竭(獸醫用藥)，其被證明可以有效保護心肌炎所導致心臟損傷[36]，而這一作用被認為與NO代謝相關，同時在日本進行的臨床研究和動物心衰研究均提示其沒有表現出升高死亡率的特點[41-43]。兩種不同的PDE3抑制劑的臨床研究也表明米力農較olprinone更易增加缺血性心臟病病人的死亡率[44]這些結果提示同是存在有正性肌力藥性質，不同的PDE3抑制劑可能存在有不同的特性。由此可見，不同的PDE3抑制劑可能存在有明顯的異質性，增加心衰病人死亡率的“類效應”可能有所不同，因此深入探索各類磷酸二酯酶抑制劑的特性和特點可能會有助于對于不同藥物在心衰過程中的選擇應用以及為心衰治療提供更多的方案。

(3)PDE3抑制劑的異質性可能與作用的PDE3亞型(PDE3A和PDE3B)不同有關。我們知道，米力農這一類PDE3抑制劑對PDE3抑制的作用是沒有選擇性的，也就是說機體內或心肌內的PDE3的各種亞型都會受到抑制，從而不可避免的發生整個細胞的cAMP濃度升高，由此自然可帶來相應的心衰進展[35]。利用基因敲除小鼠進行的研究表明PDE3A和PDE3B在功能上有著明顯的不同[45]，PDE3A基因敲除小鼠心肌收縮力明顯增加，這種增加與肌漿網內鈣濃度增加、肌漿網鈣離子攝取速度增加和肌漿網鈣泵(SERCA2)活性增加相關，而與L型鈣離子通道活性無關[46-47]，而PDE3B抑制可保護心肌的缺血再灌注損傷，提示PDE3B可能與線粒體氧化應激等過程相關[48]，這樣一些結果提示我們不同的PDE3亞型可能在不同的亞細胞區域發揮作用。同時，Pdidovitch等[49]人的研究表明，不同PDE3亞型的基因敲除小鼠中壓力超負荷誘導的心肌肥厚可發生明顯變化，說明PDE3亞型在疾病發展過程中起到的作用是不同的，改變不同細胞超微結構局部的cAMP濃度可對細胞的活動產生不同的影響。因而對于PDE3亞型的深入分析可向我們提供選擇特異性更高的抑制手段對心衰治療的作用，也會推動針對性更強的PDE3A或PDE3B抑制劑的研究以應對不同的疾病病理生理過程[50]。

PDE5抑制劑在心血管領域被用于治療肺動脈高壓[51]，其對于左心衰的治療價值也不斷被揭示。現已有研究表明PDE5在心衰動物模型中表達增加[52]，而應用PDE5抑制劑可明顯抑制和逆轉壓力負荷增加誘導的心肌肥厚[53]，這一過程可下調鈣調神經磷酸酶途徑、PIK3/Akt及ERK2信號通路從而使心肌肥厚過程得到抑制。而進一步的研究則發現這一保護作用在鈣調神經磷酸酶基因敲除的小鼠中依然存在，從而說明了這樣一種保護作用的機制發生在更上游的信號轉導通路的節點，其對心肌肥厚的多個信號轉導通路存在有抑制和逆轉的作用[54]。此外，近年也意外發現PDE5抑制劑西地那非可通過雌激素激活eNOS-soluble guanylyl cyclase (sGC)-cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-PKGIα (protein kinase Iα) 通路，這或許可以解釋在PDE5抑制劑緩解女性身上緩解心肌肥厚的作用優于男性[55]。這樣一些研究結果也為心衰的治療提供了新的思路。

由此看來，PDEs在心臟及心衰的病理過程中的作用十分復雜，其抑制劑的作用也有著各自的特點，對于相關課題的研究能夠為我們提供心衰治療的新視野、新觀點和新途徑，這一看似古老的話題在當今時代仍然有著巨大的研究價值和意義。